毕业设计--煤矿安全监测系统电源箱电路板设计.docVIP

毕 业 设 计（论文）（说 明 书） 题 目：煤矿安全监测系统 电源箱电路板设计 姓 名： 学 号：XXXXX 平顶山工业职业技术学院 2010 年 12 月 25 平顶山工业职业技术学院毕 业 设 计 （论文） 任 务 书姓名：XXXX 专业：电子设备与运行管理 任 务 下 达 日 期 年 月 日设计（论文）开始日期 年 月 日设计（论文）完成日期 年 月 日设计（论文）题目： A编制设计 B设计专题（毕业论文） 指 导 教 师 XX 系（部）主 任 XXXXXX 2010 年 6 月 2 日平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）答辩委员会记录 系 专业，学生 于 年 月 日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目： 专题（论文）题目： 指导老师： 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生 毕业设计（论文）成绩为 。答辩委员会 人，出席 人答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员 ： ， ， ， ， ， ， 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语第 页共 页学生姓名： 专业 年级 毕业设计（论文）题目： 评 阅 人： 指导教师： （签字） 年 月 日成 绩： 系（科）主任： （签字） 年 月 日毕业设计（论文）及答辩评语： 目录第一章 矿井监测系统及电源箱宏观综述 1. 概述矿井监测系统的作用2.电源箱的工作环境、3.电源箱主要功能特点、4.电源箱稳定性要求第二章 电路设计方案设计本安兼隔爆的能实现21V/12V输出电压的内带备用电源的电源箱1电源箱整体规划（1）.从整体上电源箱设内部外观分布设计（2）底板结构设计规划（3）接电源线电缆设计说明（4.）接电源线电缆设计说明（5）电源箱指示灯设计规划2矿用备用电源阐述（1）基本描述（2）主要技术指标（3）.矿用备用电源与矿用电源的连接方式第三章 具体电路设计及元件参数计算（设计前的注意事项）1.电源设计及电源变压器选择（1）矿用线性直流电源（2）变压器设计选用说明2.21V电源板电路设计（1）电路原理图（2）原理及设计电器元件分析3.12v电源板电路设计（1）电路原理图（2）原理及设计电器元件分析4.充电断电板设计（1）电路原理图（2）原理及设计电器元件分析第四章 使用方法说明（1）基本使用（2）注意事项致谢第一章 1. 概述矿井监测系统的作用 监控系统是煤炭高产、高效、安全生产的重要保证。世界各主要产煤国对此都十分重视，研制、生产和推广使用了环境安全、轨道运输、胶带运输、提升运输、供电、排水、矿山压力、火灾、水灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康状况等监控系统，提高了生产率和设备利用率，增强了矿山安全。由于煤矿井下是一个特殊的工作环境，有瓦斯（主要成份是甲烷）等易燃、易爆性气体，有硫化氢等腐蚀性气体，有淋水、环境潮湿、空间狭小、矿尘大，电磁干扰严重、电网电压波动大、工作场所分散且距离远。因此，矿井监控系统不同于一般工业监控系统。这主要体现在电气防爆、传输距离远、网络结构宜采用树形结构、监控对象变化缓慢、电网电压波动适应能力强、抗干扰能力强、抗故障能力强，不宜采用中继器、传感器宜采用远程供电、设备外壳防护性能要求高等方面。因此，一般工业监控原理和技术难以直接运用到矿井监控系统中。因此，有必要借鉴一般工业监控原理和先进技术，针对矿井监控的特殊性，进行矿井监控理论和系统的研究，这对于促进矿井监控理论和技术发展、促进产品标准化与通用化，降低设备成本、提高系统可靠性、保障煤炭高产、高效安全生产，具有重大的理论意义和实用价值。同时，对石油、化工等爆炸性环境和其它矿井监控具有参考价值。 矿井监控系统是由单一甲烷监测和就地断电控制的瓦斯遥测系统和简单的开关量监测模拟盘调度系统发展而来的。这些系统监测参数单一，监测容量小，电缆用量大、系统性能价格比低，难以满足煤矿安全生产的需要。随着传感器技术、电子技术、计算机技术和信息传输技术的发展和在煤矿的应用，为适应机械化采煤的需要，矿井监控系统已由早期的单一参数的监测系统，发展为多参数单方面监控系统（例如，环境安全、轨道运输、胶带运输、提升运输、供电、排水、矿山压力、火灾、水灾、煤与瓦斯突出、大型机电设备健康状况等监控系统）。现有矿井监控系统在煤矿安全生产、提高生产率和设备利用率方面起到了重要作用，但存在着硬件不通用、软件不兼容、信道不共享、信息不共享等问题。因此，矿井监控系统将综合组态软件、现场总线、可编程控制器、多媒体、计算机网络和智能传感器等技术，向着硬件通用、软件兼容、信道共享、信息共享、多参数、多功能、多媒体全矿井综合监控系统的方向发展。早期的瓦斯遥测系统虽在早期的煤矿安全生产、提高生产率和设备利用率方面起到了重要作用，但由于这些系统监测参数单一，监测容量小，电缆用量大、系统性能价格比低。因此，难以满足煤矿安全生产的需要，特别是采 煤机械化程度的提高，对矿井监控提出了越来越高的要求。随着传感器技术、电子技术、计算机技术和信息传输技术的发展和在煤矿的应用，为适应机械化采煤的需要，矿井监控系统由早期的单一参数的监测系统，发展为多参数单方面监控系统。 （监测系统网络框图）2.工作环境由于煤矿井下具有甲烷等易燃、易爆性气体，硫化氢等腐蚀性气体，环境潮湿，有淋水，有矿尘，电网电压波动范围大（75 110 % ) ，空间狭小，工作场所分散。因此，矿井监控系统电源同一般直流电源相比具有如下待点：(1) 本质安全型防爆输出。 (2) 电网电压波动适应能力强。 (3) 效率高、体积小、重量轻。 (4) 保护功能强。 (5) 输人电压范围宽。 3.特点具体阐述： 由于煤矿井下具有甲烷等易燃、易爆性气体，硫化氢等腐蚀性气体，环境潮湿，有淋水，有矿尘，电网电压波动范围大（75 110 % ) ，空间狭小，工作场所分散。因此，矿井监控系统电源同一般直流电源相比具有如下待点： (1) 本质安全型防爆输出。煤矿井下具有甲烷、一氧化碳等易燃易爆性气体和煤尘，为防止电气设备的危险温度和电火花引起瓦斯和煤尘爆炸，用于煤矿井下爆炸性环境的电气设备必须是防爆型电气设备。由于本质安全型防爆电气设备具有体积小、重量轻、成本低，特别当电缆发生故障所产生的电火花，能量很低，不会引爆井下爆炸性气体混合物等优点。因此，矿井监控设备应优先采用本质安全型或本质安全型其他防爆型式的复合型。特别是当甲烷超限时，断电控制区域的矿井安全监控设备必须为本质安全型，以保证当甲烷超限时，监控设备连续工作。因此，矿井监控系统电源必须为本质安全型输出。由于矿井监控系统电源需从井下交流电网获取能量，而交流电网的引人难以使矿井监控系统电源制做成单一本质安全型。因此，矿井监控系统电源一般为隔爆兼本质安全型或浇封兼本质安全型。(2) 电网电压波动适应能力强。采煤机、掘进机，输送机等井下电气设备功率大，直接启动，频繁启动，供电距离远等造成了井下交流电网电压波动范围大（75110 % ）。因此，要求矿用电源电网电压波动适应能力强，在75110 的额定电压范围内正常工作。(3) 效率高、体积小、重量轻。井下空间狭小。因此，要求矿用电源体积小，重量轻。矿用电源电网电压波动范围大，负载变化大，为减小矿用电源的体积和重量，就必须提高电源效率，减小散热片面积。因为散热片体积的增大，还会进一步导致隔爆外壳体积的增大和重量的增加。 (4) 保护功能强。矿用电源工作在环境恶劣的煤矿井下，井下潮湿，有淋水和矿尘，顶板垮落，机械碰撞等，这些会造成负载或电缆短路。因此，矿用电源要有短路保护，过流保护等功能，同时要防潮、防水、防尘、防霉、防腐。(5) 输人电压范围宽。煤矿井下交流电网电压等级较多。36V 、127V 、380 V 、660v 、1140V 、3300V 等，矿用电源的输人电压一般选36V 、127V 、380V 和660V ，还应兼顾地面的220V 。因此，要求矿用电源输人电压范围宽。 4.稳定性要求（由于工作环境及功能要求设计矿用电源的主要技术指标达到其稳定性工作）矿用电源的主要技术指标有额定输入电压、允许输人电压范围、额定输出电压、输出电压范围、最大输出电压、额定输出电流、最大输出电流、稳定系数、电压调整率、电流调整率、输出电阻（内阻）、最大纹波电压、纹波系数。其中最大输出电压、最大输出电流是本质安全防爆电源的必备安全参数。( l ) 额定输人电压Ui 是矿用电源标称输人电压，如：36v 、127v 、220V 、380V 等。(2)允许输人电压范围是矿用电源允许输人电压范围，通常用额定输人电压的百分比表示（如：75110% Ui ) ，也可用允许输入电压的上限和下限表示（如95V 140V ）。当输人电压超出输人电压范围，电源将损坏或工作不正常，或失去防爆性能。(3）额定输出电压是矿用电源标称输出电压，如：5V 、6V 、9V 、12V 、15V 、18V 、24V等。(4）输出电压范围是矿用电源在规定的输人电压范围内和输出电流不大于额定输出电流的清况下，输出电压变化范围。输出电压的变化范围可以用输出电压的上、下限，如：4.75V 5.25V 表示，也可以用额定输出电压的相对值来表示，如：土5。(5）最大输出电压是指矿用电源在开路等情况下所能输出的最大电压。这是本质安全型防爆电源的一个重要指标。若矿用电源的输出电压大于最大输出电压，将无法保证电源的防爆性能，这种电源严禁在井下爆炸性环境中使用。(6）额定输出电流是矿用电源的标称电流。当输出电流不大于额定输出电流，输人电压不超过允许输人电压范围时，电源的防爆性能和输出电压范围均可得到保证。当电源的输出电流大于额定输出电流时，电源的一些技术指标将难以保证，但防爆性能必须保证。(7）最大输出电流是指矿用电源在短路等情况所能输出的最大电流。这是本质安全防爆电源的一个重要指标。若矿用电源的输出电流大于最大输出电流，将无法保证电源的防爆性能，这种电源严禁在井下爆炸性环境中使用。(8）稳压系数是指输人交流电压变化Vi 所引起的输出直流变化V。的变化量。稳压系数越小，说明输出越稳定。稳压系数又分为绝对稳压系数和相对稳压系数两种。绝对稳压系数是指当负载不变（Io0 ）环境温度不变（T0 ) ，而输人交流电压变化时，稳压电源输出直流电压变化量V。与输人交流电压变化量，之比，即：K=Vo/Vi相对稳压系数是指当负载不变（Io0) ，环境温度不变（T0) ，交流输人电压相对变化Vi/Vi 所引起的输出直流电压相对变化Vo/Vo 的比值，即：S=(Vo/Vo)/ (Vi/Vi )(9）电压调整率是指负载为额定负载时，输人交流电压在额定值上下变化 士10时，稳压电源输出电压的相对变化量Sv =（Vo/Vo) x 100。(10）电流调整率是指在额定交流输人电压条件下，负载电流从零变化到额定输出电流值时，输出电压变化Vo 与输出额定电压Vo 的比值Si = ( Vo/Vo ) x100 。Si反映了电源对负载电流变化的适应能力，Si越小越好。(11）输出电阻（内阻）是指在额定输人电压（V= 0 ）情况下，负载电流变化Io所引起的输出电压变化V。，Ro= Vo/Io ，Ro 越小越好。(12）纹波电压是指在额定输出电压、额定输出电流、额定输人电压情况下，输出交流分量电压的绝对值大小，通常用峰值或有效值表示。(13）纹波系数是指在额定输出电压、额定输出电流、额定输人电压情况下，输出纹波电压的有效值VNms与输出直流电压Vo 的比值，即：=（VNms/Vo) x100。纹波系数越小，说明电源输出电压越平滑、越好。第二章 电路设计方案设计本安兼隔爆的能实现21V/12V输出电压的内带备用电源的电源箱1电源箱整体规划（1）.从整体上电源箱设内部外观分布设计 电源箱内部结构示意图电源箱前上方共有五个喇叭口，通过这五个喇叭口接线安装。左边三个为非本安喇叭口，第一个接交流电源，第二、三个接断电。右边大小两个喇叭口为本安输出，大喇叭口与分站电源插座相连，小喇叭口为预留口，为电池充放电输入输出控制信号准备的(F分站暂无此功能)。（2）底板结构设计规划 底板结构示意图见图2。底板上X1为充电断电板插座，x2为+21V第1、2路插座，X3为+21V第3、4 路插座，X4为+21V第5、6路插座，X5为+12V板插座，X6为19芯本安输出插座，X7为第一路断电控制插座，X8为第二路断电控制插座，X9为充电断电板和+12V板交流输入插座，X10为电池输入插座，X11为6路+21V板交流输入插座。 sl为第5路+2lV的输出控制开关，s2为第5、6路交流输入控制开关、s3为第6路+21V的输出控制开关。 图2底板结构示意图本安输出19芯密封航空插头座(IXl)接线位置设计规划： X1：1 21V地1 X1：8 M(电池控制信号) Xl：15 21V 5+ x1：2 21V地2 x1：9 ADC(交直流指示) X1：16 21V 5+ Xl：3 21V地3地4 X1：10 DKI(断电控制1) X1：17 21V 6+ x1：4 21V 1+ X1：11 DK2(断电控制2) X1：18 12V地 Xl：5 21V 2+ X1：12 21V地5，地6 X1：19 空头 X1：6 21V 3+ X1：13 2lV 6+ Xl：7 21V 4+ X1：14 12V+（3）电源输入各个接口的功能说明X9是电源箱的电源输入口，给主电路板和传感器提供电源。 图3分站配接电源KDW6B时x9(电源口)接线图分站配接KDW6B电源箱，X9接线方式如图3所示：1路+12V本安电源提供给分站主板使用，另外6路+21V本安电源提供给分站所配接的传感器使用。（4.）接电源线电缆设计说明电源线电缆由左边第一个喇叭口引入，电缆由用户自行配备。电缆名称：VY型聚氯 乙烯护套电力电缆，电缆型号规格：VY3x16由197mm.（5）电源箱指示灯设计规划 有两个观查窗口。上盖的观查窗口中有四个指示灯，红灯为交流供电指示灯，绿灯为电池供电指示灯，白灯为断电指示灯(两个)。箱体上斜面右边的观查窗口中有七个指示灯，黄灯依次为六路+21V的指示灯，蓝灯为+12V的指示灯。显示功能电源设有绿色和红色指示灯，按他们不同的组合可以大致判断电源的工作状态如下：工作状态输出正常交流工作输出正常电池工作输出不正常交流输入输出不正常无输入绿灯亮亮不亮不亮红灯亮不亮亮不亮故障判断: 红灯亮，绿灯不亮 1.检查配接传感器是否有短路或过流故障存在，排除后，电源能知道恢复工作。2.断开交流电，检查电源机芯板上二级保险丝是否已经烧断。若烧断，换上相同规格保险丝。如屡次烧断，则说明机芯板损坏，必须升井检修换新。两灯均不亮1.检查交流接线是否正确。2.检查电源变压器初级的一级保险丝管是否已经烧断。若烧断换新。若屡次烧断，检查交流输入电压是否太高，（大于正常值的100%）或更换电源组件。电池不投入1.检查交流电是否能正常工作，本安电源必须由电源电首先启动，当交流断电或过低后，电池才能投入。电池不能单独直接启动电源。2.检查电池对接插头是否已经插好，接触是否可靠。3.检查隔爆断点开关合上后是否到位。4.电池寿命已到，升井等换新电池（电池端电压应为2028V之间，电池使用寿命为200400次充放电循环）。5.机芯板有故障，修理机芯板2,.矿用备用电源阐述（1）基本描述：为保证井下交流电网停电后，安全监控设备的正常工作，矿井监控设备必须配备备用电源，并保证维持正常工作时间不小2小时。由于矿井监控的特殊性，矿用备用电源同一般备用电源相比具有如下特点： 1) 应采用蓄电池 备用电源有蓄电池、原电池、贮备电池和燃料电池。由于要求备用电源至少维持2 小时的正常工作，并且输出功率较大。因此，采用原电池是不合理的，因为原电池能量耗尽后要更换，在煤矿井下爆炸性环境中经常更换电池是一件很困难的事情。贮备电池在使用前处于惰性活态，直到使用时才使电池“激活”，因此，难以保证停电频率较高、不间断供电的要求。燃料电池是将活性物质贮存在电池体系之外，使用时将活性物质连续注人电池。因此，也不能满足停电频率较高，并要不间断供电的要求。因此，矿用备用电源应采用蓄电他。 2）蓄电池应采用连续浮充制 蓄电池可工作在循环充放电制、定期浮充制和浮充制。 循环充放电制一般用于移动、小容量、便携式蓄电池，如：蓄电池电机车、矿灯、便携式甲烷检测报警仪和便携式工具等。若用于固定式蓄电池需有两组，一组工作（放电），一组备用（充电或待机）。该种工作方式输出直流中无脉冲交流成分，线路简单。 连续浮充制（又称全浮充制）是将蓄电池始终并接在负载回路上，负载所需的能量主要由整流电路提供，整流电路同时向蓄电池小电流充电。当电网停电或整流电路输出电压低于蓄电池电压时，蓄电池向负载放电。不难看出，蓄电池具有平滑输出电压的功能。连续浮充制可保证连续供电，但不能保证蓄电池的充满和放净。因此，镐镍等具有记忆效应的蓄电池不宜采用连续浮充制，否则会降低蓄电池的使用寿命。 定期浮充制（又称半浮充制）是部分时间由整流设备供电，并对蓄电池充电，部分时间由蓄电池供电。该种方法难以保证当电网停电后维持2 小时正常供电的要求，例如当蓄电池供电阶段结束时，恰好遇到井下停电，由于蓄电池已放净。因此，不能继续向负载供电。不难看出，为保证井下交流电网停电后，蓄电池供电时间不小于2 小时，矿用备用电源的蓄电地应采用连续浮充制。 3）备用电源要与主电路共用输出限压（稳压）和限流（恒流）电路。 为保证备用电池的本质安全防爆性能，蓄电池不能直接向负载供电，必须经过双重或多重限压（稳压）和限流（恒流）保护。而主电路也必须具备双重或多重限压（稳压）和限流（恒流）保护。为避免电路的重复设置，减小体积和重量，降低成本，提高效率，备用电源输出的双重化和多重化的限压（稳压）和限流（恒流）电路要与主电路的双重化和多重化的限压（稳压）和限流（恒流）电路共用。 4）蓄电池要全密封免维护 矿用备用电源蓄电池一般置于隔爆腔内。为防止电解液泄漏，破坏隔爆夕院的防爆性能，矿用备用电源蓄电池要全密封。置于隔爆外壳内的电气设备维护比较困难。因此，矿用备用电源蓄电池要免维护。电路的体积增大，会要求较大的隔爆外壳，大大增加设备重量。因此，矿用备用电源的蓄电池要体积小、重量轻。 5）蓄电池无记忆效应 由于矿用备用电源蓄电池应采用连续浮充制。因此，其蓄电池应无记忆效应，以防止蓄电池容量的迅速下降和使用寿命的降低。（2）主要技术指标 蓄电池的技术指标是选择蓄电池的重要依据。蓄电池的主要技术指标有电动势、开路电压、工作电压、容量、内阻、自放电率、比能量、比功率和寿命等。 l）电动势 电动势是电池在理论上输出能量大小的量度之一。如果其他条件相同，电动势愈高的电池，理论上能输出的能量就愈大，使用价值就愈高。电池的电动势等于组成电池的两个电极的平衡电势之差。2）开路电压与工作电压电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压在数值上接近电池的电动势。 工作电压指电池接通负荷后在放电过程中显示的电压，又称负荷（载）电压或放电电压。在电池放电初始的工作电压称为初始电压。 电池在接通负荷后，由于电池内阻等，电池的工作电压低于开路电压。电池的放电电压随放电时间的平稳性表示电压精度的高低。 电压随放电时间变化的曲线，称放电曲线。 电池工作电压的数值及平稳程度除与电池的活性物质有关外，还依赖于放电条件。高速率、低温条件下放电时，电池的工作电压将降低，平稳程度下降。 3）容量 电池在一定放电条件下所能给出的电量称电池的容量，以符号C 表示。常用单位为安培小时，简称安时（Ah）或毫安时（mAh）。电池的容量可分为理论容量、额定容量、实际容量和标称容量。 理论容量是活性物质的质量按法拉弟定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah/ kg 或Ah/L 。 实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为仙，其值小于理论容量。因为组成实际电池时，除活性物质外还包括非反应成分如外壳、导电零件等，同时还与活性物质被有效利用的程度有关。 额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。 标称容量（或公称容量）是用来鉴别电池适当的近似安时值，只标明电池的容量范围而没有确切值，因为在没有指定放电条件下，电池的容量是无法确定的。 电池的实际容量主要与电池正、负极活性物质的数量及利用的程度（利用率）有关，而活性物质利用率主要受到放电制度、电极的结构、制造工艺等因素的影响。 4）内阻 电池的内阻表示电流通过电池内部时引起输出电压变化的程度。电池的内阻不是常数，在放电过程中随时间而变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在放电过程中不断地变化。 电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，两者之和为电池的全内阻。其中欧姆内阻遵守欧姆定律，极化内阻随电流密度的增加而增大，但不是线性变化，常随电流密度的对数增大而增大。5 ）自放电 电池的自放电是指电池在存贮期间容量降低的现象。电池无负荷时由于自行放电使容量损失。自放电速率用单位时间容量降低的百分数表示。即：自放电率100 (2.28)式中Ca 一电池存贮前的容量；Cb一电池存贮后的容量；T一电池存贮的时间。荷电保持能力也是表示电池自放电性能的物理量。它是指电池经一定时间存贮后（其存贮时间是固定的），所剩余容量为最初容量的多少，也用百分数表示。K=100% (2.29)(6)比能量与比功率电池的能量是指在一定放电制度下，电池所能给出的电能，通常用瓦小时（W/ h）表示电池的能量。可分为理论能量和实际能量。理论能量是理论容量与电动势的乘积，实际能量是实际容量与平均工作电压的乘积。通常用比能量来比较不同的电池系列。比能量是电池单位质量或单位体积所能输出的电能，同样有理论比能量和实际比能量之分。 电池的功率是指在一定放电制度下，电池在单位时间内所能给出的能量的大小，单位为瓦（W）。单位质量的电池所能给出的功率称为比功率。比功率也是电池的重要性能指标，电池的比功率大，表示可承受大电流放电。 (7) 寿命 在规定条件下，蓄电池的有效寿命期限称为该蓄电池的使用寿命。电池的使用寿命可分为循环寿命和浮充寿命。蓄电池的容量减小到规定值以前，蓄电池的充放电循环次数称为循环寿命。在正常工作条件下，蓄电池浮充供电的时间称为浮充寿命。（3）.矿用备用电源与矿用电源的连接方式矿用备用电源与矿用电源的连接可分为矿用备用电源与矿用电源相互独立的连接方法和矿用备用电源与矿用电源一体化的连接方法。矿用备用电源与矿用电源相互独立的连接方法为保证矿用电源的本质安全防爆性能，相互独立的矿用备用电源与矿用电源的连接方式主要有以下几种。 l ）矿用备用电源接矿用电源的交流输人端矿用备用电源接矿用电源的交流输人端的连接方式如图2 . 56 所示，在该种连接方式中，矿用备用电源为隔爆型或浇封型等非本质安全型。矿用备用电源的内部电路为普通1 理S 电路。当交流电网有电时，矿用备用电源经AC / DC 电路向蓄电池充电，矿用电源的电能主要由交流电网提供。当电网停电或电压值较低时，蓄电池经DC/ AC 电路向矿用本质安全防爆直流电源供电。该种连接方式适合矿用电源与矿用备用电源相互独立的情况。 图2 , 56 矿用备用电源接矿用电源的交流输人端2 ）矿用备用电源与矿用电源并联矿用备用电源与矿用电源并联如图2 . 57 所示，该种连接方式没有实用价值。这是因为矿用本质安全防爆备用电源是一个完整的电源，完全可以替代矿用本质安全防爆电源。输出并联后，矿用本质安全防爆电源和矿用本质安全防爆备用电源的最大输出电流之和不得引起爆炸性混合物燃烧和爆炸。即：矿用备用电源和矿用电源的最大输出电流均减小。 图2 . 57 矿用备用电源与矿用电源并联3 ）矿用备用电源与矿用电源输出并接矿用备用电源与矿用电源输出井接方式如图2 . 58 所示。矿用备用电源为本质安全型防爆，该种连接方式也没有实用价值。当交流电网有电时，矿用电源向负载及矿用一备用电源供电，电网停电或矿用电源输出电压较低时，矿用备用电源向负载供电。由于矿用备用电源的并人，矿用电源的带负载能力下降，同时为保证本质安全防爆性能，矿用电源和矿用备用电源的最大输出电流必须很小，以保证两者之和满足本质安全防爆要求。图2 . 58 矿用备用电源与矿用电源输出并接4 ）矿用备用电源接矿用电源输出矿用备用电源接矿用电源输出的方式如图2 . 59 所示，矿用备用电源为本质安全防爆型，当电网有电时，矿用电源经矿用备用电源向负载供电时，矿用备用电源蓄电池充电。当电网停电或输出电压较低时，矿用备用电源向负载供电。该种方式的矿用电源与矿用各用电源的双重化（或多重化）限流（恒流）限压（恒压）电路重复设置，效率低、成本高、体积大。矿用备用电源与矿用电源一体化的连接方法矿用备用电源与矿用电源一体化，可共用双重化（或多重化）限流（恒流）限压（稳压）电路和防爆夕卜壳。因此，具有体积小、重量轻、成本低、效率高等优点，矿用备用电源与矿用电源一体化的连接方法有以下几种。 l ）蓄电池并接在整流电路输出端蓄电池并接在整流电路输出端的连接方式如图2 印所示。交流电网有电时，整流滤波电路除经双重化（或多重化）限流（恒流）限压（稳压）电路向负载供电外，还整流电电路向蓄电池供电。当交流电网停电或电压较低时，蓄电池经双重化（或多重化）限流（恒流）限压（稳压）电路向负载供电。其中充电电路根据所选用的蓄电池设计，可以是简单的限流电阻，也可以是具有电压、电流调节功能的集成电路芯片。该种连接方法具有电路简单、体积小、重量轻、效率高，适用于线性电源和开关电源的优点，在具有备用电源的矿用电源中应用较多。 图2 印蓄电池并接在整流电路输出端的连接方式 2 ）采用交Z 直双向变换器蓄电池采用A 丫DC 双向变换器的连接方式如图2 苗1 和图2 已所示。交流电网有电时，通过负载线圈和整流、滤波、双重化（或多重化）限流（恒流）限压（稳压）电路向负载供电，同时通过夕丫直双向变换器向蓄电池充电。当交流电网停电时，蓄电池经交Z 直双向变换器、负载线圈和整流、滤波双重化（或多重化）限流（恒流）限压（稳压）电路向负载供电。该连接方法电路复杂、成本高。 图2 . 61 蓄电池采用低频变压器和A C/DC 二双向变换器的连接方式 图2 . 62 蓄电池采用高频变压器和A C/DC 双向变换器向变换器的连接方式第三章 具体电路设计及元件参数计算总体设计前的一些细节的注意事项电气火花产生原理和分类电气火花是对着电路的接通和断开产生的，是电源与电路中储能元件的能量，放电时电路中电子流及通断点形成电机与电极间气体电离粒子形成的导电带，夹杂着熔融金属粒子和“蒸汽”，在极高的电流密度作用下，产生高温高热，形成的。可分为辉光放电火花，火花放电火花和电弧放电火花。如何减小电源点火能量，满足本质安全要求，1.降低本安输出电气参数。2.减少放电时间由（e=eit/6得） 本安电源双重保护的硬性要求；两级保护有两级过压和过流保护电路设计时三端稳压输出，通过限流电阻和稳压管来实现过压过流保护，原则上满足了标准要求，但其最大输出功率不会太大，由于效率，滤波等影响远低于标准限制了带载能力，因此提倡采用性靠，保护迅速，转换效率高的保护方式设计。保护功能；输出过流保护；当输出短接或过载时，本安电源进入双重化过流保护，输出电压急剧下降。当过流故障消除后，电源自动恢复工作。输出过电压保护；当输出过电压时，本安电源进入双重化过压保护状态。保证输出电压不超过额定的正偏差值，如属内部过压保护，则电源自动切断输出。电池过充过放电保护；外接电源供电时，备用电源处于浮充状态。并有防止电池过充的保护措施，外接电源断电时，备用电池自动投入运行，并有防止电池过放的保护措施。1、电源设计及电源变压器选择（1）矿用线性直流电源 线性直流电源又可分为稳压源、恒流源和非稳定电源3 种。矿用线性直流电源一般由变压器、整流电路、滤波电路、双重限流（恒流）限压（稳压）电路组成，如图3.1 所示。 变压器除具有降压作用外，还具有电磁隔离功能，以保证本质安全防爆的安全。整流电路将交流整定为直流。滤波电路滤除整流电路输中的交流成份。双重限流（恒流）限压（稳压）电路保证本质安全型防爆电源的输出，同时可作为稳压或恒流电路，输出稳压或恒流电源。矿用线性直流电源一般由电源变压器整流电路、滤波电路、双重化（或多重化）限流（恒流）限压（稳压）电路组成，如图2 . 39 所示。电源变压器将交流输人电压降为电源所需的交流低电压，并具有电磁隔离功能。因此，原副边绕组应分绕，或用接地屏蔽隔离或加强原副边绝缘。整流电路一般采用桥式整流电路将交流整定为直流。滤波一般采用电容滤波电路，滤除交流分量。双重化（或多重化）限流（恒流）限压（稳压）电路，保证电路在正常工作条件下和规定的故障状态下，输出最高电压和输出最大电流不大于允许值。对于ia二等级的本安电路，应具有三重化限流（恒流）限压（稳压）电路，对于ib等级的本安电路，应具有双重化限流（恒流）限压（稳压）电路。（2）变压器设计选用说明变压器的铭牌与使用 ：使用变压器首先要弄清并严格遵守制造厂提供的铭牌数据,以避免因使用不当而不能充分利用,甚至损坏.变压器铭牌上的主要额定数据有: 1.额定电压U1和U2 原边额定电压U1是指原边绕组上应加的电源电压(或输入电压),副边额定输出电压U2通常是指原边加U1时副边绕组的开路电压.使用时原边电压不允许超过额定值(一般规定电压额定值允许变化5%).考虑有载运行时变压器有内阻抗压降,所以副边额定输出电压U2应较负载所需的额定电压高5-10%.对于负载是固定的电源变压器, 副边额定电压U2有时是指负载下的输出电压. 附:输入电压不能超过额定电压的原因 变压器中主磁通和激磁电流的关系称为铁心的磁化曲线,它是一条具有饱和特性的非线性曲线.当主磁通小于额定电压时对应的主磁通时, 磁化曲线近似为线形;超过此值后,主磁通就逐渐趋向饱和.此时,如果再增加磁通, 即增加U1,则电流就会急剧增加,这样变压器就会因过热而马上烧毁.因此,在使用变压器时,必须注意变压器的额定电压和电源电压要一致. 2.额定电流I1和I2 额定电流是指变压器按规定的工作时间(长时连续工作或短时工作或间歇断续工作)运行时原副边绕组允许通过的最大电流,是根据绝缘材料允许的温度定下来的.由于铜耗,电流会发热.电流越大,发热越厉害,温度就越高.在额定电流下,材料老化比较慢.但如果实际的电流大大超过额定值,变压器发热就很厉害,绝缘迅速老化,变压器的寿命就要大大缩短. 3.额定容量S 额定容量是视在功率,是指变压器副边额定电压和额定电流的乘积.它不是变压器运行时允许输出的最大有功功率,后者和负载的功率因数有关.所以输出功率在数值上比额定容量小. 4.额定频率 使用变压器时,还要注意它对电源频率的要求.因为在变压器中,在设计变压器时,是根据给定的电源电压等级及频率来确定匝数及磁通最大值的. 如果乱用频率, 就有可能变压器损坏.例如一台设计用50Hz,220V电源的变压器,若用25Hz,220V电源,则磁通将要增加一倍,由于磁路饱和,激磁电流剧增,变压器马上烧毁.所以在降频使用时,电源电压必须与频率成正比地下降.另外,在维持磁通不变的条件下,也不能用到400Hz,1600V的电源上.此时虽不存在磁路的饱和问题,但是升频使用时耐压和铁耗却变成了主要矛盾.因为铁耗与频率成1.5-2次方的关系.频率增大时, 铁耗增加很多. 由于这个原因, 一般对于铁心采用0.35mm厚的热轧硅钢片的变压器,50Hz时的磁通密度可达0.9-1T,而400Hz时的磁通密度只能取到0.4T.此外变压器用的绝缘材料的耐压等级是一定的,低压变压器允许的工作电压不超过300-500V. 所以在升频使用时,电源电压不能与频率成正比的增加, 而只能适当地增加.与变压器有关的本安输出的隔离问题；一般交流供电等级7v/220v/380v/660v/1140v，输入端为非本安，输出为本安端，要保证二者之间有足够的电器间隙和爬行距离要大于等于50mm。这时设计时往往忘记的。 两端隔离器件源一般用交流电源变压器，按照保险丝额定电流1.7倍的要求来判定变压器绕组温升是否正常，因此减低保险丝额定电流，也可提高变压器的额定功率。漏感要小下图是双极性电路（半桥、全桥及推挽等）典型的电压、电流波形，变压器漏感储能引起的电压尖峰是功率开关管损坏的原因之一。功率开关管关断时电压尖峰的大小和集电极电路配置、电路关断条件以及漏感大小等因素有关，仅就变压器而言，减小漏感是十分重要的。2）避免瞬态饱和一般工频电源变压器的工作磁通密度设计在BH曲线接近拐点处，因而在通电瞬间由于变压器磁心的严重饱和而产生极大的浪涌电流。它衰减得很快，持续时间一般只有几个周期。对于脉冲变压器而言如果工作磁通密度选择较大，在通电瞬间就会发生磁饱和。由于脉冲变压器和功率开关管直接相连并加有较高的电压，脉冲变压器的饱和，即使是很短的几个周期，也会导致功率开关管的损坏，这是不允许的。所以一般在控制电路中都有软启动电路来解决这个问题。3）要考虑温度影响开关电源的工作频率较高，要求磁心材料在工作频率下的功率损耗应尽可能小，随着工作温度的升高，饱和磁通密度的降低应尽量小。在设计和选用磁心材料时，除了关心其饱和磁通密度、损耗等常规参数外，还要特别注意它的温度特性。一般应按实际的工作温度来选择磁通密度的大小，一般铁氧体磁心的Bm值易受温度影响，按开关电源工作环境温度为40考虑，磁心温度可达6080，一般选择Bm=0.20.4T，即20004000GS。4）合理进行结构设计从结构上看，有下列几个因素应当给予考虑：漏磁要小，减小绕组的漏感；便于绕制，引出线及变压器安装要方便，以利于生产和维护；便于散热。磁心材料的选择软磁铁氧体，由于具有价格低、适应性能和高频性能好等特点，而被广泛应用于开关电源中。软磁铁氧体，常用的分为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体两大系列，锰锌铁氧体的组成部分是Fe2O3，MnCO3，ZnO，它主要应用在1MHz以下的各类滤波器、电感器、变压器等，用途广泛。而镍锌铁氧体的组成部分是Fe2O3，NiO，ZnO等，主要用于1MHz以上的各种调感绕组、抗干扰磁珠、共用天线匹配器等。在开关电源中应用最为广泛的是锰锌铁氧体磁心，而且视其用途不同，材料选择也不相同。用于电源输入滤波器部分的磁心多为高导磁率磁心，其材料牌号多为R4KR10K，即相对磁导率为400010000左右的铁氧体磁心，而用于主变压器、输出滤波器等多为高饱和磁通密度的磁性材料，其Bs为0.5T（即5000GS）左右。开关电源用铁氧体磁性材应满足以下要求：（1）具有较高的饱和磁通密度Bs和较低的剩余磁通密度Br磁通密度Bs的高低，对于变压器和绕制结果有一定影响。从理论上讲，Bs高，变压器的绕组匝数可以减小，铜损也随之减小。在实际应用中，开关电源高频变换器的电路形式很多，对于变压器而言，其工作形式可分为两大类：1）双极性。电路为半桥、全桥、推挽等。变压器一次绕组里正负半周励磁电流大小相等，方向相反，因此对于变压器磁心里的磁通变化，也是对