矿用本安直流电源的设计开题报告.doc

山 东 科 技 大 学毕业设计（论文）开题报告题 目 矿用本安直流电源的设计学 院 名 称 电 气 信 息 系 专业班级 电气工程及其自动化08-2 学生姓名 任 飞 飞 学 号 200803215118 指 导 教 师 李文宏 填表时间： 2012 年 3 月 30 日设计（论文）题目 矿用本安直流电源的设计设计（论文）类型（划“”）工程设计应用研究开发研究基础研究其它 一、本课题的研究目的和意义ups（uninterruptible power system ），即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。ups是针对中国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。它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘不致因停电而影响工作或是数据丢失。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。因此，煤矿井下供电必须保证其可靠性和安全性。 电力可以方便、经济的远距离输送和分配，也可以方便的和其他各种形式的能量转换，并且在使用中还具有便于调度、测量和实现自动控制的优点。在煤炭企业中，矿山的电气自动化还是煤炭生产自动化及最新科学技术成就在煤矿推广应用的技术基础。从安全的角度上讲，由于煤炭生产中存在着各种自然灾害的预防、预报和排除，也直接或间接地取决于矿山供电的正常与否。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，从而导致设备随坏、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。由此可见，矿山供电工作不仅直接影响矿山企业的高效生产，而且关系着矿井和工作人员的人身安全。因此煤炭企业对供电系统有着严格的要求。 电力是现代煤炭工业的主要动力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，从而导致设备随坏、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。由此可见，矿山供电工作不仅直接影响矿山企业的高效生产，而且关系着矿井和工作人员的人身安全。因此煤炭企业对供电系统有着严格的要求。二、本课题的主要研究内容（提纲） 本次设计的矿用本安直流电源主要分为四大模块，即一级过压过流保护模块，二级过压过流保护模块，稳压模块，开关控制模块，整体的设计电路图如下图所示。 整体设计电路图 一、两级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。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。两个过压过流保护电路基本相同，过压过流保护电路通过晶体三极管的通断来控制， 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，采用了两个稳压管并联的方式，电路简单，又实现了稳压功能。 由于本质安全型电源在煤矿井下特殊的工作环境,必须要求绝对的安全，为了方便ups电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关指示灯外观表现比较明显，工作人员可以根据等的亮灭来判断电路的工作状态。 本次设计用到了两个发光二级管作为两个指示灯，即红色发光二级管和绿色发光二级管。其中，绿色发光二级管为电源指示灯，红色发光二级管用来判断电路的工作状态，红色发光二级管的亮灭是由灯控开关实现控制的。本课题的主要研究内容包括以下几个方面。1. 硬件电路设计 (1)过压过流保护电路的设计 (2)稳压电路的设计 (3)开关控制电路的设计2. 电路的仿真调试 (1)过压稳压电路的仿真调试 (2)稳压电路的仿真调试 (3)开关控制电路的仿真调试三、文献综述（国内外研究情况及其发展）ups是针对中国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。自二十世纪六十年代美国通用电气公司研究生产不间断电源以来，不间断电源一直在被改进，但是其基本原理没有重大变化。 初期的不间断电源装置是旋转型的，它是采用柴油发电机（以下简称“油机”）一电动机一发电机组来实现电能的。变换在正常情况下，市电供给电动机，电动机去带动发电机，把发电机发出的电供给负载。电源系统中的飞轮惯性很大，它是一个贮能装置，当市电发生断电时，电动机就停止运行，这时靠飞轮的惯性使发电机继续发电，同时立即起动油机供电，从而使负载不断电。这种不间断电源装置运行稳定可靠、维护简单，方便但笨重，效率低噪声大，操作控制也不灵活。 由于电力半导体器件的发展，特别是可控硅制造工艺的不断改进，质量不断提高，价格逐步降低，便开展对静止型不间断电源装置的研制。于是在60年代初，出现了用可控硅制成的静止型不间断电源装置，它以可控硅组成电能变换电路，用蓄电池作为贮能元件，当市电发生断电时，由蓄电池代替整流器向逆变器供电，从而使负载不断电。它与旋转型电源装置相比，没有电动机、发电机和飞轮之类的旋转体，因此具有重量轻、效率高、噪声小、操作控制灵活等优点。但它过载能力差，系统结构也比较复杂，维护技术要求高。 从60年代到70年代，这种不间断电源装置发展得很快，使用也很广泛。它采用了波形叠加技术，主电路采用可控硅。由于可控硅不能自关断，因此逆变器需要换向电路，同时逆变器输出的电压需要进行滤波，而换向电路和交流滤波电路都是出电感和电容所组成。它们的出现不但增大了体积，而且惯性大，使电源装置输出的动态性能变差，同时由于大电流可控硅频繁地工作，使电网波形变差干扰其他用户。 到了80年代，就利用自关断的巨型功率晶体管（ur）来制作成实用的静止型不间断电源装置，这样既省去了换向电路，简化了主回路，减小了体积，提高了效率，改善了动态性能，也提高了可靠性。但由于功率晶体管是一种少数载流子工作的半导体器件，它要求的驱动电流较大，对器件各参数的选择也要求严格，随后又发展到利用自关断的功率场效应晶体管 (mosfet）来制作成实用的静止型不间断电源装置。功率场效应晶体管是多数载流子工作的器件，它采用电压驱动。因此没有存储时间，从关断到开通的速度很快。所需的驱动功率也小，所以用功率晶体管和功率场效应晶体管制作成的静止型不问断电源装置，目前使用得很广泛。 到了90年代，就利用绝缘栅双极晶体管（igbt）来制作成实用的静止型不间断电源装置，绝缘栅双极晶体管是一种由双极晶体管和功率场效应晶体管的组合器件，既具有功率场效应晶体管的栅极电压可控的特性和快速开关的特性，又具有双极晶体管的大电流处理能力和低饱和压降的特点，因此用它制成的不间断电源装置具有广阔的发展前途。不间断电源（ups）是推进信息化和工业自动化的重要保证，伴随中国工业自动化和竞争力的提升，欧、美、日占据全球80%ups需求量的格局将改变。由于工业动力用ups市场长期被少数外资企业占据，利润率明显高于信息领域，因此，能够突破工业动力市场、实现进口替代的ups内资生产企业值得重点关注，如科华恒盛（002335）、科士达（002518）等。 4、 拟解决的关键问题本次毕业设计的主要任务有两个，即硬件电路的设计和电路的仿真调试。硬件电路的设计需要解决得问题如下：（1） 过压过流保护电路模块的实现：过压过流保护电路是通过控制晶体三极管的通断来实现的。将输入电压变换为符合要求的电压。（2）稳压功能的实现：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必须设计稳压电路。怎么样设计电路既简便又能实现稳压功能。（3） 系统控制开关的设计：由于本质安全型电源在煤矿井下特殊的工作环境,必须要求绝对的安全，指示灯外观表现比较明显，工作人员可以根据等的亮灭来判断电路的工作状态。怎么通过灯控开关的控制指示灯的状态。硬件电路设计完成后就是电路的调试了，调试电路时也有很多问题需要解决。（1） 单元模块仿真调试依次完成每个功能模块的仿真调试 。（2） 整体电路的仿真调试待单元模块仿真调试完成再进行整体电路的仿真调试。五、研究思路和方法 本次设计的矿用本安直流电源主要分为四大模块，即一级过压过流保护模块，二级过压过流保护模块，稳压模块，开关控制模块：输入12v（也可为其他大小的电源）的直流电源，经过一级二级过压过流保护电路得到安全的直流电源，一端通过开关控制发光二极管判断电路是否接通，另一端经过由两个稳压管组成的稳压电路，得到稳定直流的电源，最后接一负载本安输出。(1) 过流过压保护电路的设计 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，两级过压过流保护电路设计思路和设计原理完全相同，都是通过控制晶体三极管的通断来控制电路 (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。 (3)开关控制电路的设计 由于本质安全型电源在煤矿井下特殊的工作环境,必须要求绝对的安全，指示灯表现比较明显，工作人员可以根据等的亮灭来判断电路的工作状态。 本次设计用到了两个发光二级管作为两个指示灯，即红色发光二级管和绿色发光二级管。其中，绿色发光二级管为电源指示灯，红色发光二级管用来判断电路的工作状态，红色发光二级管的亮灭是由灯控开关实现控制的。6、 本课题的进度安排 1-2周：复习“矿用本安电源”、 “电子技术基础”、“multisim仿真”等相关的书籍资料；3-4周：提出几种设计方案，进行方案比较；最终确定设计方案，书写开题报告。5-9周：电路的设计，包括模块设计和整体设计。 10-12周:电路的仿真调试。 13-15周：撰写毕业设计论文，包括各个电路图和波形图，以及外文文献的中文翻译。另外，根据最终的毕业论文对开题报告进行修改。 16周：准备毕业答辩，对设计内容进行总结，弄懂各部分的原理及系统的工作过程，写出毕业答辩的发言稿，做到心中有数，应对毕业答辩。七、参考文献【1】张光明，沈卫东，曲颖等.ups供电系统设计与应用m. 北京: 人民邮电出版社, 2004【2】童诗白 华成英. 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