毕业设计矿用本安直流电源的设计.docx

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矿用本安直流电源的设计

摘要

电力是现代煤炭工业的主要动力，在煤炭生产中占有重要的地位，是保证矿业生产的先决条件。

矿井供电要求保证可靠，矿井供电中断时不仅会影响原煤的生产产量，而且会导致矿井排水系统停止工作，同时井下停电停风后，还会造成瓦斯积累，从而导致设备损坏、生产停顿、危害井下人身安全，造成矿井的破坏，后果比较严重。

随着煤矿管理现代化的提高,本安设备越来越多地被煤矿所采用。

本安电源作为本安系统不可缺少的组成部分,关系到矿井安全生产、抗灾能力和矿工安危，其技术先进性和产品质量决定了本安设备的可靠性,从而直接影响到监测系统数据采集的准确性、可靠性、稳定性。

据资料统计,电子设备的故障大约有80%是由于电源引起的。

因此,本安电源的质量、技术发展水平越来越得到人们的重视。

本文结合新版国家标准GB3836.4--2010和安标国家矿用产品安全标志中心的相关要求,介绍了一种矿用本安直流电源的设计，并通过仿真软件Multisim的调试验证，基本实现了矿用电源的要求。

关键词：

本安直流电源故障Multisim调试验证

Abstract

Electricpoweristhemaindrivingforceofmoderncoalminingindustry,coalproductionoccupiesanimportantposition,istoensurethattheminingproductionprerequisites.Minepowersupplyrequirementstoensurereliablepowersupplyinterruption,theminewillnotonlyaffectthecoalproductionyield,butalsocausestheminedrainagesystemtostopworking,andtheundergroundpowertostopthewind,cancausegasaccumulation,leadingtoequipmentwithbad,productiontoastandstill,endangerpersonalsafetyunderthecoalminewell,causingdamage,moreseriousconsequences.Withthedevelopmentofcoalminemanagementmodernizationtoimprove,intrinsicallysafeequipmentisincreasinglybeingusedincoalmine.Intrinsicallysafepowerasanindispensablepartofintrinsicallysafesystem,itsadvancedtechnologyandproductqualityhasdecidedtheintrinsicallysafeequipmentreliability,whichdirectlyaffectstheaccuracyofdataacquisitionmonitoringsystem,reliability,stability,mattertothesafetyinproductionofcoalmine,theabilitythatfightcalamityandminers.Accordingtostatistics,theelectronicequipmentfaultabout80%istheresultcausedbypowersupply.Therefore,intrinsicallysafepowersupplyquality,developingleveloftechnologyhasbeenpaidmoreandmoreattention.ThispaperintroducesakindofmineintrinsicallysafeDCpowersupplydesign,andthroughtheMultisimsimulationsoftwaredebuggingtest,thebasicrealizationoftheminepowersupply.

Keywords:

intrinsicallysafepowersupplyfaultMultisimdebuggingverification

第一章绪论

不间断电源（uninterruptedpowersupply，UPS），是针对电网环境和网络监控和网络系统、医疗系统等对电源的可靠性要求，克服中、大型计算机网络系统集中供电所造成的供电电网环境日益恶劣的问题，以全新的数字技术研制出的第三代工频纯在线式智能型UPS。

直流电源，是维持电路中形成稳恒电流的装置。

矿井井下工作环境特殊，特别容易发生事故，引起人身安全，对电源的要求特别高。

煤矿自动化的高速发展使得本安电源在矿井中的使用越来越频繁，同时对它的使用要求也越来越严格。

在矿井等存在易燃、易爆气体的工作环境中，本安电源已经是不可缺少的安全设备。

一般情况下，矿井下有如瓦斯等爆炸性气体存在，这就需要本安电源在设计过程中充分地考虑到电路中的电压和电流以及功率情况，并做好保护工作,以防止过压或过流产生的火花点燃井下气体，造成设备和人员的损坏和伤亡。

本安电源，即本质安全型电源，本质安全电路是指在正常工作和规定的故障条件下,产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。

在国标GB3836.4-2010中规定了本质安全型电路的各种指标,主要有：

输出电压或电流不能点燃周围可燃性气体；本质安全电路和非本质安全电路之间必须有可靠的电气隔离；要采用双重过压过流保护电路；这些指标给本安电源的设计提供了明确的设计方向。

所以，设计一种性能优良、通用性强、体积较小、结构简单、价格便宜的不间断供电电源单元有非常好的应用前景。

本文中设计的矿用本安直流电源，满足了矿井工作对电源的高度要求，并在仿真实验过程中各个功能模块效果很好，证明了它能够在易燃等危险环境下正常使用。

而且它还有着体积小、安装简单、成本较低等一系列优点，实际应用性强。

第二章矿用本安电源的简介

本安电源即本质安全电源，这种电源在正常工作和故障状态下，其输出的最高电压、最大电流均具有本安性能。

本安性能指本质安全电源电路在标准规定条件（包括正常工作和标准规定的故障条件）下产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境。

2.1本质安全型电路的基本原理

矿用本质安全电路及相关设备,主要应用于矿井通讯、安全监测、监控、报警等系统中。

本质安全电路及设备的防爆原理是:

通过规定电气设备电路中的各种电气参数或者采用必要的保护措施来控制电路出现故障时产生的电火花能量和热能,从而实现电气设备防爆。

由于本质安全型电气设备电路本身被认为是安全的,电路产生的放电火花、电弧以及热能均不能点燃电路周围环境中的爆炸性混合物,所以本质安全电路及设备在使用过程中,具有安全程度高、体积小、重量轻、安装简单、维护方便、制造成本低等优点,更重要的是可以应用在易燃、易爆等危险工作环境中,目前本质安全电路及设备已经成为不可缺少的安全设备。

本质安全型电气设备根据其安全程度不同分为ia和ib两个等级。

ia等级是指电路在正常工作、一个或两个计数故障时，都不能点燃爆炸性混合物的电气设备。

ib等级是指电路在正常工作或一个计数故障时，不能点燃爆炸性混合物的电气设备。

2.2应用矿用本安电源的特殊性

本安电源与非本安电源相比,具有许多特殊性，使得更便于用于煤矿生产中。

（1）输入和输出端电气隔离。

由于本安电源的输人端为非本安输出,输出端为本安型输出,电路内部是由非本安向本安转换的过程。

为防止非本安的输人端传递到本安的输出端,影响本安电源性能,要求输人、输出端必须采取电气隔离,并且达到规定的耐压等级。

（2）不间断供电

煤矿井下交流电因多种原因造成供电中断。

根据煤矿相关的规定,许多传感器在电网停后必须继续工作。

因此,本安电源必须具有备用电池,以便在电网停电时由备用电池继续向负载供电。

（3）保护电路多重化。

本安型电气设备根据安全程度的不同分为IA和IB等级。

按GB3836一2010《爆炸性气体环境用电气设备》标准的规定,本安电源采用IB等级,保护元件或组件需要双重化。

（4）输出功率受限制。

本安电源必须限制电路火花的放电能量,即限制电源的输出电压、放电电流和放电时间。

在电路实现上,就是要有过流或短路、过压、快速切断功能。

除了这些特性外，本质安全型电路及设备在使用过程中,具有安全程度高、体积小、重量轻、安装简单、维护方便、制造成本低等优点,更重要的是可以应用在易燃、易爆等危险工作环境中。

2、3矿山企业对供电的基本要求

电力是矿山生产的主要能源。

对矿山进行可靠、安全、经济的供电，对提高经济效益及保证安全生产等方面都有十分重要的意义。

因此，矿山企业对供电提出以下基本要求：

1供电可靠

供电可靠就是要求供电不间断。

在矿山企业中，各种电力负荷对电可靠性的要求是不同的，为了能在技术经济合理的前提下满足不同负荷对供电可能性的要求，把电力负荷分为三类。

1.1一类负荷:

凡因突然中断供电，可能造成人身伤亡事故或重大设备损坏，给国民经济造成重大损失的或在政治上产生不良影响的负荷，均属一类负荷。

如矿井的主通风设备一旦停电，可能导致瓦斯爆炸及井下人身伤亡等重大事故。

一类负荷中影响人身与设备安全的负荷又叫保安负荷。

对一类负荷应由两个独电源供电；对有特殊要求的一类负荷，两个独立电源应来自不同地点，以保证供电的绝对可靠。

1.2二类负荷:

凡因突然停电，造成大量减产或生产大量废品的负荷。

如矿井集中提煤设备、空压机及采区变电所等。

1.3三类负荷:

三类负荷是指除一类、二类负荷外的其他负荷，如矿山企业的附属车场。

对三类负荷供电一般采用单回路供电方式，不考虑备用电源，根据需要各负荷还可用一条输电线路。

对电力负荷分类的目的是为了便于合理地供电。

在供电系统运行，确保一类负荷的供电不间断；保证二类负荷的用电；而对三类负荷则更多地考虑供电的经济性。

因此，当电力系统因故障必须拉闸限电时，首先停三类负荷，必要时再停二类负荷，但必须保证一类负荷的用电。

2供电安全

供电安全就是在电能的分配、供应和使用过程中，不应发生人身触电事故和设备事故，也不致引起电火灾和爆炸事故。

尤其是矿井井下，工作环境特殊，特别容易发生上述事故。

因此，必须严格按照《煤矿安全规程》的有关规定执行，确保安全供电。

煤矿安全供电的三大任务是防爆、防火、防触电。

3供电质量

用电设备在额定参数下运行时性能最好。

因此，要向用户供应质量合格的电能，其电压和频率必须稳定。

对于额定频率为50Hz的交流电，其频率偏差不允许超过-50~+50Hz。

供电频率由发电厂保证，用电企业无法改变。

4供电经济

供电的经济性一般考虑三个方面：

尽量降低企业变电所与电网的基本建设投资；尽可能降低设备、材料及有色金属的消耗量；尽量降低供电系统的电能损耗及维护费用。

在设计矿用电源时一定要充分考虑到这些供电要求，供电可靠、供电安全一定要满足，在满足着两个条件的前提下，再对考虑供电质量、供电经济的要求。

目前的本质安全电路及设备完美的实现了这些要求，在很多供电系统中已经成为不可缺少的安全设备，在煤矿业井下工作应用中更是如此。

第三章矿用本安直流电源的的设计

电源电路的总体设计思路

依据GB3836.4-2010标准规定，本质安全型电源需要双重过压过流保护，保证在出现一级故障的情况下，依然能够满足本质安全的要求，这样可极大地提高了下电路工作的安全系数。

同时，系统也要求具有自恢复功能，即：

当系统故障排除后能自动回复到正常工作状态。

根据设计矿用本安电源功能，设计的本安直流电源电路相对比较复杂，为了方便、简化设计，将设计电路根据功能分为三个设计模块，即过压过流保护模块，稳压模块，开关控制模块。

3.1过压过流保护电路的设计

由于本安电源的过压过流保护电路可以限制电路中电压和电流的大小从而可以保证矿用本安电源的安全，因而过压过流保护电路的设计尤为重要。

为了使电源更可靠安全一般在本安电气设备中电路都需要采用双重过压过流保护电路，即一级过压过流保护电路、二级过压过流保护模块。

两级过压过流保护电路设计思路和设计原理完全相同，过压过流保护电路的如图3-1所示。

图3-1过压过流保护电路

设计的过压过流保护电路电路中除了用到了常用电气元件电阻，电容外，还用到了晶体三极管和二极管，电路的的过流过压保护功能主要通过控制三极管的通断来实现。

下面将关于晶体三极管和二极管的几个概念和一些特性进行一下简单介绍。

3.1、1二极管

介绍二极管之前需要先提出来另一个名词PN结。

PN结

采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。

PN结具有单向导电性，即，外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。

将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，简称二极管。

由P区引出的电极是阳极，由N区引出的电极是阴极。

二极管的伏安特性

与PN结一样，二极管具有单向导电性。

但是由于二极管存在半导体体电阻和引线电阻，所以当外加正向电压时，在电流相同的情况下，二极管的端电压大于PN结上的压降；或者说，在外加正向电压相同的情况下，二极管的正向电流要小于PN结的电流；在大电流情况下，这种影响更明显。

另外，由于二极管表面漏电流的存在，时外加反向电压时的反向电流更明显。

在二极管加有正向电压，当电压值较小时，电流极小；当电压超过0.6V时，正向电流开始随电压按指数规律增大，使二极管开始导通的临界电压二极管的开启电压；当电压达到约0.7V时，二极管处于完全导通状态，通常称此电压为二极管的导通电压，用符号UD表示。

　　对于锗二极管，开启电压为0.2V，导通电压UD约为0.3V。

主要参数

用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。

不同类型的二极管有不同的特性参数。

1、最大整流电流　IF：

　最大整流电流IF是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值，其值与PN结面积及外部散热条件等有关。

因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为141左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。

所以在规定散热条件下，二极管使用中不要超过二极管最大整流电流值。

例如，常用的IN4001－4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。

2、最高反向工作电压：

加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。

为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。

例如，IN4001二极管反向耐压为50V，IN4007反向耐压为1000V（本次设计用到）。

3、反向电流：

反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。

反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。

值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10℃，反向电流增大一倍。

4、最高工作频率FM：

FM是二极管的上限截止频率。

超过此值时，由于结电容的作用，二极管将不能很好的体现单向导电性。

3、1、2晶体三极管

晶体三极管又称“半导体三极管”或“晶体管”。

在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。

中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。

E区掺杂浓度最高，B区薄，掺杂浓度最底；C区面积最大。

晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：

锗管和硅管。

而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。

两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的。

晶体三极管的作用主要是电流放大，它是电子电路的核心元件，现在的大规模集成电路的基本组成部分也就是晶体三极管，它能够控制能量的转换，将输入的任何微小变化不失真的放大输出。

以NPN型硅管接入共射放大电路为例讲述晶体三极管的放大作用、特性曲线和主要参数。

输出特性曲线

输出特性曲线描述基极电流IB为一常量时，集电极电流iC与管压降UCE之间的函数关系，即：

iC=f（uCE），iB=常数；

对于每一个确定的IB，都有一条曲线，所以输出特性是一族曲线，如图3-2所示。

图3-2

对于某一条曲线，当uCE从零逐渐增大时，集电极结电场随之增强，收集基区非平衡少子的能力逐渐增强，因而iC也就逐渐增大。

而当uCE增大到一定数值时，集电结电场足以将基区非平衡少子的绝大部分收集到集电区来，uCE再增大，收集能力已不能明显提高，表现为曲线几乎平行于横轴，即iC几乎仅仅决定于IB。

从输出特性曲线可以看出，晶体管有三个工作区域，截止区，放大区，饱和区。

（1）截止区：

其特征是发射结正电压小于开启电压且集电结反向偏置。

对于共射电路，UBE《=Uon且UCE>UBE。

此时Ib=0,而ic<=ICEO.小功率硅管的ICEO在1uA以下，锗管的ICEO小于几十微安。

因此在近似分析中可以认为晶体管截止时的ic约为0.

（2）放大区：

其特征是发射结正向偏置（UBE大于发射结开启电压Uon）且集电结反向偏置。

对于共射电路，UBE>Uon且UCE>=UBE。

此时，ic几乎仅决定于ib,而UCE与无关，表现出ib对ic的控制作用，Ic=

。

在理想情况下，当IB按等差变化时，输出特性是一组横轴的等距离平行线。

（3）饱和区：

其特征是发射结与集电结均处于正向偏量。

对于共射电路，UBE>Uon且UCE《UBE。

此时ic不仅与ib有关，而且明显随UCE增大而增大，Ic小于

。

在实际电路中，若晶体管的UBE增大时，ib随之增大，但ic增大不多或基本不变，则说明晶体管进入饱和区。

3、1、3过压过流保护电路的保护原理

两级过压过流保护电路主要通过控制晶体三极管的通断来实现的。

一级过压过流保护电路的保护原理是：

输入的12V（也可是其他数值）直流电源先经过两条并联支路，一是由两个490欧姆的电阻R1.R2并联组成的负载分压电路接到晶体三极管Q1的发射极上，经过该条分压支路得到的电压比输入的直流电源12V小一些；二是由两个IN4007（最大整流电流为1A）型号的二级管ID1、ID2串联组成的电路接到晶体三极管Q1的基极上，由于二极管的单向导电性，而12V又远远大于二极管的开启、导通电压，所以此时两个二极管导通，而经过两个二极管的这条支路电压基本没什么变化。

此时根据各个点的电位可以判断出UBE>Uon（0.2）,UCE>UBE,根据晶体三极管的输出特性曲线可知晶体三极管Q1处于放大状态。

经过两个二极管的这条支路向下经过一个1千欧姆的分压负载电阻R3然后接到晶体三极管Q2的集电极上，从输入的12V（也可是其他数值）直流电源接入的另外一条支路经过由两个分压电阻1千欧姆的R4和490欧姆的R5组成的串联电路接到晶体三极管Q2的的基集上，而晶体三极管Q2的发射极接地，电位为0.此时，Q2也满足UBE>Uon（0.2）,UCE>UBE，处于放大状态。

从R4引出的一端接到晶体三极管Q3的集电极上，Q3的发射极接地，由于47uf电容C1的作用，Q3延迟导通，当电路电源接通时，先给电容充电，C1充电完成后，Q3才导通。

当电路出现故障断电时，电容放电，给电路提供电源，能实现断电保护功能。

从输入的12V（也可是其他数值）直流电源接入一条支路经一10千欧姆的负载电阻R10接到了晶体三极管Q4的基集上，从Q3的基集接入的R7出来分成了两条路，一条接12V的稳压管，另一条支路接到了晶体三极管Q4的集电极上，而根据电路图可以看出晶体三极管Q4发射极的电位是可以准确算出来的。

输入的12V（也可是其他数值）直流电源经过两个分压电阻470欧姆的R9和2.4千欧姆的R11组成的串联分压R11的另一端直接接地，根据分压原理有：

UE=2.4/（2.4+0.47）*12V=10.03V，Q4也满足处于放大状态的条件。

上述是一级过压过流保护电路的保护原理，二级过压过流保护电路的保护原理和其类似。

只是输入电压变为经过一级过压过流保护电路的直流电压。

二级保护输入的直流电源（比12V略小）先经过两条并联支路，一是由两个490欧姆的电阻R12.R13并联组成的负载分压电路接到晶体三极管Q5的发射极上，经过该条分压支路得到的电压比输入的直流电源略小一些；二是由两个IN4007（最大整流电流为1A）型号的二级管D4、D5串联组成的电路接到晶体三极管Q5的基集上，由于二极管的单向导电性，而输入的直流电源又远远大于二极管的开启、导通电压，所以此时两个二极管导通，而经过两个二极管的这条支路电压基本没什么变化。

此时根据各个点的电位可以判断出UBE>Uon（0.2）,UCE>UBE,根据晶体三极管的输出特性曲线可知晶体三极管Q5处于放大状态。

经过两个二极管的这条支路向下经过一个1千欧姆的负载分压电阻R14然后接到晶体三极管Q6的集电极上，从输入的12V（也可是其他数值）直流电源接入的另外一条支路经过由两个分压电阻1千欧姆的R16和490欧姆的R15组成的串联电路接到晶体三极管Q6的的基集上，而晶体三极管Q6的发射极接地，电位为0.此时，Q6也满足UBE>Uon（0.2）,UCE>UBE，处于放大状态。

从R14引出的一端接到晶体三极管Q7的集电极上，Q7的发射极接地，由于47uf电容C2的作用，Q7延迟导通，当电路接通时，先给电容充电，C2充电完成后，Q7才导通。

当电路出现故障断电时，电容放电，给电路提供电源，能实现断电保护功能。

从输入的12V（也可是其他数值）直流电源接入一条支路经一10千欧姆的负载电阻R20接到了晶体三极管Q8的基集上，从R17出来分成了两条路，一条接12V的稳压管，另一条支路接到了晶体三极管Q8的集电极上，而根据电路图可以看出晶体三极管Q8发射极的电位是可以准确算出来的。

输入的12V（也可是其他数值）直流电源经过两个分压电阻470欧姆的R9和2.4千欧姆的R11组成的串联电路直接接地，根据分压原理有：

UE=2.4

（2.4+0.47）*12V=10.03V，Q8也满足处于放大状态的条件。

3.2稳压电路的设计

经过双重过压过流保护电路得到的电压可能有一些"纹波"，为了保证电源的质量经过双重保护电路得到的电源必须要经过稳压电路进行稳压获得较为干净稳定的直流电压信号将其作为系统的直流电源输出。

本次设计的稳压电路原理比较简单，由于稳压管的稳压效果不错，设计采用了两个稳压管并联的方式，电路既简单，又实现了稳压功能。

稳压电路图所下图3-3所示。

图3-3稳压电路图

3.2.1稳压二极管