（机械工程专业论文）煤矿井下隔爆兼本安型不间断电源的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 由于现代科技的迅猛发展，我国对于煤炭的需求日益增多，这必然导致新 型的高度集成智能化电气设备被广泛应用到煤矿井下等易燃易爆的场合中，这 些电子设备都需要由井下电源来供电，供电电源作为电气设备的“心脏 ，它的 本安特性对于整个电路来说至关重要。本课题将目前成熟使用的开关电源技术 成功的运用到本质安全电路研究中，研制出一个2 1 v 3 0 0 m a 输出的本质安全型 直流电源。该电源的体积小，成本低，输入与输出具备电气隔离，可以实现多 路本质安全输出，可为危险性环境下的各类用电设备提供不同电压等级的工作 电压。 电容短路时能产生电火花，释放出多余的能量，因此在设计本质安全型电 源时应严格控制在故障时产生的电火花能量，使其不具备点燃周围可燃性气体 混合物的条件。输入整流滤波电路在整个电源系统中存储的能量较大，本论文 就着手探讨了这部分电路，在输入滤波电容上串接一个电阻，以减小电容短路 时的瞬间放电电流，从而限制火花放电能量，增加其本质安全特性。 电容性本安电路放电特性的分析为后期本安电源的设计提供了有利的理论 支持。对于电路部分的本安设计是有效的减少了放电产生的火花，但是一旦出 现未知的电路故障导致火花产生也是在所难免的，这就需要对电源外壳的进行 防爆设计，为电源增添一份安全保障。 接下来的任务就是对本安防爆直流电源电路部分进行系统的研究，分析本 安电路设计的基本原理与方法，计算并确定本安电路的技术参数，探讨本安电 路与非本安电路的隔离措施及抗干扰的处理。然后完成爆煤矿井下隔爆兼本安 型不间断电源的原理图绘制、p c b 制板、重要元器件的选型、焊接、电路调试 等工作，然后对已完成的本安电源输出进行试验。 根据实验所得数据显示，本项目所设计的本质安全型不间断电源的主电路 及过流过压保护电路工作正常，电源输出比较稳定，纹波电压小，基本能够达 到设计的要求。 关键词s 本质安全；隔爆外壳：二级保护：多路输出 武汉理工大学硕士学位论文 d u et ot h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h e r ei sa g r o w i n gn m n b e r so fc o a l ，w h i c hw i l li n e v i t a b l yl e a dt ot h eh i g hi n t e g r a t i o no ft h en e w i n t e l l i g e n te l e c t r i c a le q u i p m e n tw i d e l ya p p l i e dt os u c ha sc o a lm i n ei n f l a m m a b l ea n d e x p l o s i v es i t u a t i o n ，t h e s ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t sn e e dt ob ep o w e r e db yu n d e r g r o u n d p o w e rs u p p l y , p o w e rs u p p l ya st h e ”h e a r t ”o ft h ee l e c t r i c a le q u i p m e n t , i t si n t r i n s i c s a f e t yp l a yac r u c i a lr o l et ot h ew h o l ec i r c u i t t h i sp a p e rw i l lu s et h em a t u r es w i t c h i n g p o w e rs u p p l yt e c h n o l o g ya p p l i e dt ot h es t u d yo fi n t r i n s i c a l l ys a f ec i r c u i t s ，a n d d e v e l o pai n t r i n s i c a l l ys a f ed cp o w e ro u t p u tw i t h2 1 v 3 0 0 m a t h ep o w e rs u p p l y h a st h ea d v a n t a g eo fs m a l lv o l u m e ，l o wc o s t , i n p u ta n do u t p u tw i t he l e c t r i c a li s o l a t i o n , i tc a nr e a l i z em u l t i p l ei n t r i n s i c a l l ys a f eo u t p u t , i ta l s oc a np r o v i d ed i f f e r e n tv o l t a g e o p e r a t i n gv o l t a g e f o rv a r i o u se l e c t r i c a ld e v i c e sw h i c hw o r ki n d a n g e r o u s e n v i r o n m e n t w h e nt h ec a p a c i t o rs h o r t - c i r c u i t , t h es p a r kw i l la p p e a r s i tr e l e a s et h er e d u n d a n t e n e r g y , s oi nd e s i g nt h ei n t r i n s i c a l l y s a f ep o w e rs u p p l yw es h o u l db es t r i c t l y c o n t r o l l e dt h es p a r ke n e r g yw h e nt h e r ei saf a u l t , m a k e si td o n th a v et h ec o n d i t i o no f i g n i t e dc o m b u s t i b l eg a sm i x t u r e t h er e c t i f i c a t i o nf i l t e rc i r c u i to fi n p u ts t o r e dl a r g e e n e r g yi nt h ee n t i r ep o w e rs y s t e m t h i sp a p e rw i l ls e to u tt oe x p l o r et h i sp a r to ft h e c i r c u i t , t h r e a d e dar e s i s t o ro nt h ei n p u tf i l t e rc a p a c i t o rt or e d u c et h ec a p a c i t a n c e t r a n s i e n td i s c h a r g ec u r r e n to fs h o r tc i r c u i t , t h e r e b yt ol i m i tt h es p a r kd i s c h a r g ee n e r g y a n di n c r e a s ei t si n t r i n s i cs a f e t yc h a r a c t e r i s t i c s t h ea n a l y s i so fd i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i co fc a p a c i t i v ei n t r i n s i cs a f e t yt y p e c i r c u i tp r o v i d e saf a v o r a b l et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o ri n t r i n s i c a l l ys a f ep o w e rs u p p l y f o r t h ed e s i g no ft h e i n t r i n s i c a l l y s a f ec i r c u i t , i t se f f e c t i v e t or e d u c et h ed i s c h a r g e s p a r k s b u ta p p e a ru n k n o w nc i r c u i tf a u l tl e a dt os p a r kp r o d u c ei si n e v i t a b l e ，i ti s n e c e s s a r yt od e s i g nae x p l o s i o n p r o o fs h e l lf o rp o w e rs u p p l a d d sas e c u r i t yf o r p o w e rs u p p l y t h en e x tt a s ki st oc a r r yo nt h ei n t r i n s i c a l l ys a f ee x p l o s i o n - p r o o fd cp o w e rw i t h s y s t e mr e s e a r c h ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec i r c u i td e s i g n ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dm e t h o d - 武汉望三丕堂堡主兰垡丝奎 一一 _ 一 o fc a l c u l a t i 锄dd c t c 咖i n c t h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h ei n t r i n s i c a l l y 嘲e c i r c u i t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ei n t r i n s i c a l l ys a f e c i r c u i ta n dt h ei m m 蛔1 a is a f e 够 c i r c u i ta n d 锄t i j 锄m i n gm e a s u r c so fp r o c e s s i n g t h e nc o m p l e t ed r a w t h es c h e m a t i c d i a g r a mo f t h ed e s i g no ff l a m e - p r o o f & i n t r i n s i c a l l yu n - i n t e r r u p t i b l e p o w c rs u p p i yl n 啪d e r g r o u n dc o a lm i n e s 、a n dp c b d e s i g n 、t h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t s o f i c l o c t 啪 w e i d i n g ，c i r c u i tc o m m i s s i o n i n gw o r k , a n dt h e n c o m p l e t e d t ot c s tt h eo u t p u t0 1 i n t r i n s i c a l l ys a f ep o w e rs u p p l y a c c o r d ；n g t 0t h ec x p e r i m e 删d a t as h o w st h a tt h ep r o j e c td e s i g n o fi n t r l n s l c a y s a f eu n i n t e r r u p t e dp o w e rs u p p l y o ft h em a i nc i r c u i ta n do v e r c u r r e n t - o v e r v o l t a g e c i r c u i tw o r k i n gp r o p e r l y , t h ep o w e r so u t p u t c 锄a c h i e v ct h eb a s i cr e q u i r e m e n to fd e s i g n i ss t a b l ea n dt h er i p p l ev o l t a g ei ss m a l l ， x 盯w o 曲：i n t r i n s i c a l l ys a f e ；f l a r e c p r o 。f s h e i i ；s e c o n 衄p r o t c c t i o n ； m u l t i p l e x e do u t p u t m 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1本课题研究的背景与意义 1 1 1 课题研究的背景 煤炭是我国国民发展生产必不可少的重要能源之一，我国的煤炭生产和消 费位居世界前列，在我国的一次性能源生产和消费结构中煤炭占的比例约六成 左右【1 】。在开发出新能源之前，煤炭仍然是用于生产的主要能源。然而生产煤炭 的环境十分恶劣，有大量的甲烷等易燃易爆气体及粉尘等其他易爆物质存在， 稍有不慎即会引发火灾、爆炸等惨剧。由于我国煤炭产量的日益增多以及现代 科技的迅猛发展，机械设计制造及其自动化程度不断改善，新型的高集成度智 能化电气设备被应用到易燃易爆的场合中，不合理的使用电气设备或者线路自 身老化都是容易引起短路并产生火花，引燃或者是引爆可燃气体混合物，严重 影响生产生活并有可能造成重大损失【2 j 。2 0 0 9 年l1 月2 1 日黑龙江省的新兴煤矿 发生了一起特大的瓦斯爆炸事故，事故造成1 0 8 人遇难，多人重伤；2 0 1 0 年1 2 月7 日，河南义马煤业集团巨源煤业公司发生瓦斯爆炸事故，共造成2 6 人遇难 2 0 1 2 年3 月2 2 日，辽宁省辽阳市灯塔市大黄二矿发生了一起重大的瓦斯爆炸事 故，造成5 人死亡、1 人受伤。在一次又一次的重大事故面前，生命是如此的苍 白无力。因此，在得益于煤炭工业取得成就的同时，煤矿生产中的安全问题也 应该引起我们的重视。为了安全生产也为了人民群众生命财产的安全，对于在 易燃易爆环境中使用的所有电气设备必须要满足防爆要求的相关等级【3 】，作为井 下供电必须使用的电源的防爆技术就显得至关重要了。 1 1 2 课题研究的意义 由于煤矿井下生产管理的不断进步，煤矿生产中普遍地使用了现代化的井 下环境监测系统。这些工作在井下恶劣环境中的监控系统对于整个生产工作有 着重大的意义它的工作状态是否稳定关系到生产安全。据有关专家统计指出。 电子电路不正常工作约有七成是电源设备损坏引起的。所以说，设法提高矿井 下稳压电源电压的质量迫在眉睫。 武汉理工大学硕士学位论文 现代科技的迅速进步，直流稳压电源的控制元器件已经集成化，元件成本 下降，为设计、生产出高效率的开关电源奠定了基础。与线性稳压电源相比较， 开关稳压电源所具备的优势可以归纳如下： 其一，开关电源的体积相对小，重量比较轻，效率也高【4 l ；线性稳压电源的 调整管多工作在线性放大区，效率较低，发热量大和损耗大是不可避免的，除 此之外它要使用工频变压器这就导致它的体积和质量变大。开关稳压电源的开 关管工作在高频开关状态，故损耗小，效率高，无需组装大的散热器件；开关 电源采用高频变压器替代工频变压器，从而降低了电源的体积和重量。 其二，输出过电压的危险性小；对于线性电源来说，电路中串联的有调整 管，这会使得电压下降很多，一旦它因击穿而遭到损坏时，很可能会使得输出 电压上升，损坏负载；线性电源中含有高频变压器【5 】，当开关管损坏，主回路将 会停止工作，就没有电压输出，这对过电压比较敏感的负载是有利的。 其三，开关稳压电源在电网波动比较大的场合同样有很强的适应能力；如 果线性稳压电源输入电压和输出电压之差增大，那么调整管的功耗和温升也随 之增加，所以线性电源不适合使用在电压波动大的场合。一般的状态时当供 电电网的波动在2 0 + 1 5 之间时，开关稳压电源都是可以安然无恙工作的1 6 j 且内部的功耗和温升几乎不会有较大变动。 综合上文可知，线性电源和开关稳压电源都有着诸多优缺点，通过分析煤 矿井下对电源的要求，如果开关电源运用于煤矿井下会比较合适：但是根据目 前的研究成果看来，开关电源多是应用于地面，它不能直接用于矿井下易燃易 爆这样恶劣的工作环境。这是由于普通的开关电源输出端有大的电容和电感等 储能元器件，不能够满足本安电气所要求的防爆技术等级。 本文综合考虑线性电源和开关电源的优缺点，将开关电源和线性电源很好 的结合起来，对电源的前级采用开关稳压器，在矿井的电网波动较大时仍能够 正常工作，经开关稳压器输出的电压为线性本安电源电路供电，这样一来极大 的满足了煤矿井下对本安电源的输出要求。本课题根据煤矿井下恶劣的环境特 点，深入分析研究了主电路与备用电源的连接关系并掌握了电源中各环节的基 本工作原理，然后进行电路试验，最终设计了带备用电源的本安防爆电源箱， 这项研究有着重要的理论和实际意义，希望该项成果能够最终获得相关部门的 许可认证并最终投入到实际的生产生活当中去。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 本安电路理论及本安电源的发展概况 1 2 1 国内外本质安全理论的发展 十九世纪八十年代亚琛工业大学针对瓦斯爆炸做了相关的研究和试验，并 在十九世纪末期的后续试验过程中最终得出“任何电火花都是可以引起爆炸”的 结论，这个结论意义深远。1 9 1 6 年桑顿在参与研制了火花试验装置之后，提出 设计本质安全电路的方法及相关理论，这是本质安全理论正式创立的标志【7 1 。 较早时使用的本质安全电源是蓄电池组，它由多个湿式勒兰社电池串联而 组成的，通过串联一个大电阻来限制短路电流，将蓄电池组和电阻封装成一个 整体结构。用蓄电池作为信号电源经常会出现故障，而且需要人工维护，这非 常不便，所以人们开始使用交流电来试制电源。二十世纪七十年代中后期，国 外一些技术专家应用脉冲变压器来设计本安电源，这就是本安型开关电源的雏 形。b o o k h o r s t 等研究者于1 9 8 1 年成功的申请了一种可以控制的本质安全型电 源专利【8 l 。到2 0 0 3 年，美国的科学家又成功的开发了一款能够在多数环境下使 用的本安型开关电源，这一发明获得了专利，有着历史性的意义。 上个世纪六十年代初，我国开始了对本安直流稳压电源进行研究，此时的 研究对象是为矿灯供电的本安型蓄电池。随后我国又相继研究出了大容量的本 质安全型的稳压电源，并开始应用于石油、煤矿等领域。九十年代所设计的本 安型开关电源，为增加其本质安全性能，在电源的输出端增加了多重保护电路， 这一想法被证实是完全正确的。我国科学家对几种常用的开关变换器分别做本 安特性试验，最终提出了电感、电容最优化设计方法和判断变换器本质安全的 方法【9 l ，对于深入研究本安全电源有着重大的理论意义。 国内外对本安型开关电源的研究成果可以归纳为：其一，先前对的本安开 关电源的研究停留在对输出的要求上，现在的研究则兼顾输出和内部的本质安 全，这是一种极大的进步：其二，先前的开关电源附加的有保护电路，这样一 来可以有效的增加其本安特性，但是现在的设计理念是着手改变电路内部的设 计参数 i o i 其三，以往用以保证电路本安特性是从能量释放和分流方面来考虑 的，现在则是设法减小电路产生的能量。 我国对本质安全理论的研究与国外相比较来说相对滞后，尽管如此，我国 的科学家经过不懈的努力，加强对理论知识的探索学习，对于本安电源的设计 研发取得了良好的成效。进入六十年代我国自行研发设计的煤矿用本安设备已 武汉理工大学硕士学位论文 经投入到实际应用当中，尤其是近期我国在本安理论方面的研究有着很大的进 展，已与国际水平接轨。随后我国的科研人员又对电容性电路以及更加复杂电 路的引燃特性与放电特性进行了细致的理论研究和分析，并健全的相应的数学 参考模型，为后续的研究提供了极大的便利。我国生产的本安电源等相关产品 与发达国家的同类产品相比可能会有些差异，但是通过我国科学家的不断努力， 相信在不久的将来我们的产品也会站在世界的前端。目前国内生产的隔爆兼本 质安全电源产品种类繁多，如d x j - 2 4 矿用隔爆兼本安电源箱【l 、m c d x h i 隔 爆兼本质安全型不间断电源箱、t k 2 2 0 矿用隔爆兼本安电源箱【1 2 1 、k d w l 7 矿用 隔爆兼本质安全型电源箱等。这些电源箱体的输出功率不大，不能够完全满足 煤矿生产，还有许多地方需要进一步的优化改进才能够投入使用，这也是本课 题研究的意义所在。 1 2 2 本安防爆电源的发展现状 美国人发明了自激振荡推挽式晶体管单变压器直流变换器，这一发明敲开 了高频转换控制电路的的大门，随后美国的科研人员建议去除开关电源的工频 变压器。1 9 7 6 年美国的硅通公司( s i l i c o ng e n e r a l ) 率先推出了脉宽调制( p w m ) 控制芯片，这种芯片有效的减小了体积提升了开关电源的工作可靠性【2 】，有着划 时代的意义。 国内对开关稳压电源研制始于六十年代，随后成功的研制出无工频的降压 变压器开关稳压电源。八十年代中期开始推广和应用自主研发的电源产品。c d c 功率变换技术也在上个世纪经历了长时间的发展和应用。在发展和应用硬开关 技术的同时，为减小开关损耗，提高电源效率和开关频率，国内外的科学研究 工作者深入研究高频软开关技术原理。当电压或电流自然过零时，关断或导通 开关管，以降低功率开关元器件的功耗，使得开关频率提高到m h z 的数量级别 全谐振型变换器最早出现在七十年代，我们称为谐振变换器。这种变换器通常 采取频率调制的方式，对负载变化很灵敏【1 3 l 。八十年代中期出现了多谐振变换 器和准谐振变换器。它们也是采用频率调制的控制方法，但是它们的谐振元件 只能参与能量变换的某一个阶段中，而非全过程中。在八十年代末期出现的零 开关p w m 变换器所采取的都是p w m 控制，谐振元件的谐振工作时间一般为开 关周期的五分之一左右0 4 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本安电源的主要技术要求及基本架构 1 3 1 本安电源的主要技术要求 本安电源与普通的开关电源相比工作在易燃易爆的危险性环境当中，需要 满足诸多特殊要求，对它的技术性能做出如下要求： 其一，本安电源的输入与输出端不能够直接连接，必须要设置有电气隔离 环节；本安电源输入的是高压交流电，它是非本质安全的，而输出端则是本质 安全的，输入端的能量不可以窜入到输出端，以免影响到电源的本安输出性能， 这样看来，电源的输入端和输出端必须要有隔离措施。本安电源常用的电气隔 离的方法主要有可靠电阻隔离、光电耦合、变压器隔离、继电器和安全栅隔离 等。大多数的井下本安型设备是由低压电网供电，不允许将它们的本质安全型 电路只通过电阻或电容器直接连接到电网当中，而是需要首先要满足g b 3 8 3 6 4 规定的相关标准f 1 0 3 。当电网系统的供电电压在6 6 0 v l1 4 0 v 之间，这时候要根据 相关规定采取两级变压的形式，通过这种方式进行隔离与降压可以改善电网质 量，提高供电的安全系数。 其二，对于输出需要加入有限能作用的电路以保证输出安全；本安型直流 电源与普通电源有很大的差异，对于电路因故障产生电火花式所释放的能量必 须限制在设定的安全范围之间。像那些输出功率不是很大，对稳压没有过多要 求的直流输出电源，可通过增大电源的内部电阻或者在输出端直接接入限流电 阻的方式取得电路限能的效果；对于那些输出功率比较大并且要电源电压稳定在 一定范围内输出的本安电源，要兼具稳压限流、过流和过压迅速切断等保护电 路，用来限制电路因不正常工作所释放的能量及热量，达到本质安全的效果。 通常来说，常规使用的过流保护电路手段大致分为截流型、减流型和限流型等， 它们在实际应用中各有千秋，对于不同的电路选用不同的保护手段能达到理想 的效果，前提是它们在保护电路中执行的效率要高且安全持久耐用。 其三主电源断电后保证供电不会间断；在煤矿监控系统总体设计规范) 中明确规定“甲烷、一氧化碳、风速等传感器在电网停止供电后仍然可以继续 工作2 小时 1 7 1 ，因此监控分站、瓦斯气体、风速等比较重要的环境参数传感 器都必须在不间断供电的状态下工作。实际情况并非如此，在煤矿井下这样恶 劣的生产环境当中交流供电中断的情况随时会出现。所以煤矿用的直流稳压电 源必须要装有备用电源，外部电网中断后可由内部备用电池持续供电，不会影 武汉理工大学硕士学位论文 响电气设备的正常工作，仍然可以采集与传输各种数据，保证生产安全持续进 行。 其四，要有多重保护电路，以增强输出安全性能【1 3 1 ：由于使用场合不同， 对本安型电气设备的要求也有所差异，但是总的来说可以划分为i a 等级和i b 等 级。对于有i a 等级要求的电气使用环境，要求设备在工作时，由于短路或者其 他原因产生一个或两个故障导致电气不能正常工作而释放的火花均不会引燃有 爆炸性的气体混合物。这样的本安电路要设立三重及其以上的保护电路以保障 工作安全，并且要对每重保护电路分别进行火花点燃试验。目的是保证保护电 路出现两个故障并且两重保护电路都出现问题时至少有一套仍能够起到保护作 用。这样的电路须设立两级保护电路或者两级以上。i b 等级的电气设备与i a 等 级的电气设备相比要求略低，电路中出现一个问题以及其中一个保护电路不能 正常工作时，另外的保护电路仍能正常运行。对于煤矿井下等易燃易爆场合所 用的本安设备来说多数是符合i b 等级要求的【l9 】。所以根据电源的设计要求在选 择及设计本安电源的组件、隔离元件和保护电路时，都要满足本安等级所规定 的双重化或者多重化，这样设计的目的是保证出现故障时引起的电火花均不可 以引燃可燃气体。 其五，有多路输出时要隔离1 2 0 | 工作在恶劣环境当中的电气装置多种多样， 如瓦斯气体、温度、烟雾等测量环境参数的传感器，有测量电压电流及功率等 电力参数的传感器，还有用途各异的监控分站。以上列举的电气设备都需要直 流电源供电，通常采用本质安全型防爆形式，由于煤矿用本质安全电源的单个 输出功率不易做大，这样就满足不了高输出功率的要求，所以本质安全电源需 要输出多路隔离直流电，以满足本质安全的防爆要求。 其六，要求电源的动态工作范围要大1 2 1 1 1 煤矿井下的工作条件恶劣，供电 电网的质量不很高好，供电波动大是在所难免的，可以达到7 5 11 5 。除此之 外矿用动力设备的功率一般较大，通常采取直接启动的方式并反复启停，供电 的距离又比较远。这就要求本安电源在这种恶劣的条件下仍然能够保持正常稳 定的工作状态。由于煤矿井下用的交流供电电网有多种电压等级，所以在设计 本安电源时应尽量尽可能多的满足不同的电压等级以适应宽电压波动。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 本安电源的基本架构 就目前使用的情况看来，隔爆兼本安型不间断电源所用的方案主要有两种， 它们的结构框图如图1 1 和图1 2 所示。在方案一中，外界电网提供交流电压首 先要通过电源降压器进行降压，然后流经整流滤波电路，随后输入到开关变换 器以实现d c d c 电压变换，最终根据电气设备所规定的安全等级来设计多重保 护电路得到所需的本质安全输出。这种方案的d c d c 开关变换器可以是隔离式 也可以是非隔离式的。在方案二中，本安型开关电源由输入整流滤波电路、 d c d c 开关变换器、多重过压过流保护电路等组成。这种方案输入的是交流电 压，经过整流滤波电路后变成脉动的直流电压，然后直接进行d c d c 变换。由 于本安电源的特殊性，输入与输出只能采用隔离式的进行电气隔离【2 2 1 。 卜 电薯 dc dc 多重 i 交流输入降压 卜 整流滤 开关 过压 波电路 交换器 过童 本质安全输 变压器 慑护 图1 - 1 本安电源结构方案一 图i 2 本安电源结构方案二 在易燃易爆的场合下使用的本安电气设备种类繁多，供电电压也不同，为 了布线方便也为了降低生产开支，不可能对给电气设备一一安装电源然后供电。 所以在设计本安型电源的时候只要能实现输出多路本安电压就迎刃而解了，并 且这一设计有着极大的优势，那就是对输入和输出做出了效果明显的电气隔离 由于煤矿井下电气设备在使用的过程中功率比较小，所以我们在对本安型开关 电源进行设计时，可以优先考虑单端反激式变换器，它的电路结构相对来说不 算复杂，想要的外部元件也不多，它的电压调整率比较好，可在同一时间内输 出多路稳定电压，除此之外它还可以极大地满足输入和输出之间的电气隔离， 这为电源的设计提供了诸多便利。本文将会有针对性的选择相关措施去设计电 路以限制火花放电时的能量，最终设计出一个具有实际意义的本安电源，并有 可能投入到实际的生产生活运用当中去。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本文的要完成的任务 按照武汉理工大学对专业性硕士研究生的培养宗旨，鼓励专业性硕士多动 手实践，尽量的把学习和具体实践很好的结合起来，为响应学校的这一号召， 也为了对今后的工作和时候注入良好的契机，我有针对性的对现有的本安电源 相关的成熟设备及其相关的技术做了充分的调研和了解之后，着手对煤矿井下 恶劣环境中所使用隔爆兼本质安全型不间断电源进行了分析研究、并最终动手 设计试制出成品并积极努力的申报，希望能够有效的生产，并投入到实际的生 活应用当中去，这也是设计和研究煤矿井下隔爆电源的意义所在【2 3 】。 本文是在这一大的背景下，结合我自己所学的机械工程专业相关的特长， 在机与电有机结合的产品技术研制方面做出一些尝试。最终要设计出一款煤矿 井下隔爆兼本安型不间断电源，电源的具体参数是：电源箱输入电压为a c 6 6 0 v 和1 2 7 v 两种情况，电源电压波动范围为7 5 0 o - - i1 0 ，输入电流3 0 0 m a ，整机 功率2 0 0 w ；系统额定的输出直流电压第l 7 路为d c2 1 v ，第8 路为d c1 8 v 输出电流3 0 0 m a ，过流保护动作值为3 0 0 m a ，短路电流稳定值为4 0 m a 。纹波 电压小于1 。 现对于本篇论文的内容及主要工作大致规划做出如下的布局： 第一章：调研国内外有关本安理论以及电源的科研概况及未来发展动向， 对于像矿井下这样易燃易爆危险场使用的电源提出了本安防爆的特殊要求；介 绍了煤矿井下防爆本安电源的主要技术要求及基本架构。 第二章：着重分析电容性本安电路的放电特性，为后期本安电源的防爆设 计提供理论支持。 第三章：重点研究隔爆兼本质安全型不间断电源的防爆外壳，并对其进行 设计。 第四章：对本安防爆直流电路进行系统研究，简要分析本安电路设计的基 本原理与方法，计算并确定本安电路的技术参数，探讨本安电路与非本安电路 的隔离措施及抗干扰的处理。 第五章：解决和完成爆煤矿井下隔爆兼本安型不间断电源项目的原理图绘 制、p c b 制板、电子元器件焊接、电路调试、输出试验以及和成果鉴定等工作。 第六章：总结所做的工作内容与并展望煤矿井下隔爆兼本安型不间断电源 的设计及研究。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章本安电源电路放电特性的分析 开关电源属于电容性电路，其输出端的滤波电容对电源的本安输出有比较 大的影响。所以要研究设计本安电源，就必须要弄清电容放电的整个过程，把 握放电的相关规律，才能设计出合格的本安电源。 2 1 火花试验简要介绍 设计本安电路时可以依据火花试验设备来评价其工作性能，主要是使用该 试验设备得出试验结论，然后根据所得结论借助电脑绘出各种点燃样条曲线。 由于前西德的火花试验设备测量结果与实际情况相当接近，所以各个国家大多 许可其为国际标准。国内的科学家经充分研究后也统一制定出火花试验装置的 标准，我国在国标g b 3 8 3 6 4 2 0 0 0 中明确规定接纳i e c 7 9 3 火花试验设备用于电 火花的试验研究1 2 4 l 。 2 2本安电路产生电火花的规律 电子元器件工作中产生的电火花对于本安电路的检测来说至关重要的。电 路因短路或者其他原因造成电路故障而产生的电火花一旦超出爆炸性气体的极 限值就会引发爆炸，酿成悲剧，因此要着重探索电路的放电形式掌握其内在的 动态变化。通过分析电子元件的放电规律，其主要的放电形式可以分为电弧放 电，辉光放电，火花放电，除此之外还有以上几种放电形式组合而形成的混合 放电形式，下面就着重介绍这些放电形式，为后期的电路设计做理论铺垫。 2 2 1 电弧放电的简要介绍 作为本安电路研究中最为广泛的放电形式之一的电弧放电工作在电压和电 流的都不高的情况下，在做电路切换时会因为断开液态金属桥而形成电弧放电， 这是不可避免的。形成液态金属桥的原因大概可以描述为：当断开触点那一个 极其短暂的时间里，触点的结合能力会很快的下降，电路的工作面也会相应的 9 武汉理工大学硕士学位论文 变小，电路因此而产生的阻值会升高。在这种非正常工作的状态下电极上的电 流和电压会相应的增大，当他们升高到某个极限状态即会熔化接触点，此时工 作电路的电极之间会相应的出现液化的金属滴，影响电路的正常工作。然而情 况并未好转，电极间的距离会随着时间的推移继续变化着，液态的金属滴会随 着时间的增加逐渐增多然后被拉长最终会成为连接两个电极之间的电桥而参与 到电路的工作当中。此时电路进入非正常工作状态，电路中的电压会随着电桥 的介入不断升高，等到一定的程度之后便会导致金属的温度急剧升高，这样一 来桥就会瞬间被切断。对于那些使用了熔点不高的电路，其金属被液化就比较 容易，切断桥的电流不会很大。由此，在设计测量火花的设备时就优先使用镉， 这是由于它的沸腾温度不高，形成弧就轻而易举了。图2 1 是根据实际电路测量 而得出的低压电感性电路电弧放电波形，这一电路清晰的显示了电弧放电的过 程。 洲：捌d 伪呐珀i 黟o 一 一 ；- 电压 7 电澶 - 、 。：。： ：一： ： ： 图2 - 1 电感性电路电弧放电波形 2 2 2 辉光放电的简要介绍 电路中的电子元件工作时的电压比较大，而此时的电流却不是较大时，就 会引起辉光放电发生。这一放电过程的重要表征状态就是同电弧放电相比较辉 光放电的阴极所产生的电压降大得多，极限状态甚至会达到四百伏左右。由此 看来，辉光放电所产生的能量主要都损耗在电路的电极之中，它所产生的能量 一般不会引起空气中的可燃气体混合物的爆炸。由于种种原因，在一般的电路 设计中不会出现辉光放电，我们也就不必对此加以担忧。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 火花放电的简要介绍 本安电路通常情况下是带有电容的，电路在导通和断开的过程中，会产生 电火花放电，这是由于击穿了放电间隙，这种就是火花放电产生的原理。产生 电火花大致可以分为以下几个阶段：首现是电火花出现的过程，从外界提供电 压直到间隙被击穿这段极短的时间里，由于这个过程中施加在此时加在放电间 隙上的电压较稳定，所以出现的电火花携带的电流就不大，这个过程延续的极 其短暂，也就是l o 由s 。其次，在电火花出现的这个过程会产生相应的导通带， 这个时候整个电荷都施加在电容当中，它会伴随火花带朝一个方向移动，这样 一来会使得电容上升到很高的温度。这个时候电路中的电压会很快的减小到某 个值，这个值一般不大，但是这个时候产生的电流却非同小可，它的值极限时 可以达到1 0 4 a 【2 5 l 。如果这一过程持续进行，电容就会时刻处于放电状态，但是 放电间隙中的电阻会由初始的最大值变为不大的终了值，这时火花放电的第二 个阶段。最后就进入衰减阶段了，由于火花带的展宽导致周边的气体层吸收高 温火花带的热辐射量，此时火花带遭到极大的影响会被破坏。其中电极表面传 导的能量的大小对释放的电量能否引燃爆炸性气体混合物起着至关重要的作 用。 综合分析以上几种放电形式我们得知，在本安电路工作状态下，辉光放电 所产生的引爆可燃性气体所需的能量比火花放电以及电弧放电所需的能量要 大。所以说，火花放电和电弧放电是本安电路中最为常见的放电状态，它们两 者是产生爆炸的不可小觑的成因，对于本安电路的设计者来说是要多加防范的。 2 3 电容性电路放电特性 电容性电路同电感性以及电阻性电路相比较来说，有着诸多的差异，加在 电容两端的电压是不可以突变的。它的电极接触点在闭合时会产生火花放电。 想要深入了解电容性放电电路的基本特征，就必须要对比大量的闭合试验数据； 为此我们借助标准火花试验设备对电容性放电电路做了大量的实验工作【2 6 】，其 试验电路见图2 2 。 武汉理工大学硕士学位论文 r 0r 图2 2 电容性放电试验电路 根据图2 - 2 所示，e 为电容提供所需的电压，r o 是充电电阻，r 是放电回 路所必须的电阻，h 是火花试验设备。其中r o 的阻值要尽可能的大点，目的是 在电容短路后减小电源所提供的电流，降低电源对整个实验过程的干扰，但是 与此同时r o 也不可以过大，如果r o 过大的话，电容会因为来不及充电而影响 实验结果。在这里，为了试验方便就取值为1 0 k 左右，同时也可以确保电容充 电及时。 2 3 1 电容性电路放电过程分析 对于目前广泛运用的电子电路来说，电容是电路中重要的储能元件，它可 以将电源电路中释放的能量转化成电场能，然后存储在电容当中。在元器件工 作时，电源就会为电极间隙放电，与此同时也有电容释放出来的电能。在这里。 我们之前探讨了r o 的取值偏大，因此可不忽略电源在电容放电电路中的消极作 用。在电容放电的那个极短的时间里产的电流是很大的，这一过程持续的时间 极为短暂，能量都集中在某个特定的区域，这对于本安电路来说是极不安全的。 做了很充足的试验工作之后，我们对实验结果进行了细致的统计，经过分 析我们得出了放电电流和电压的规律，下面我们给出能够充分体现这一规律的 波形图，如图2 3 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 我们可以清晰的看到放电过程由三个阶段构成：第一阶段，也就是火花放 电阶段：这个时候电极接点没有闭合，当t o - - t 时电极闭合，由于接点间的电压较 大而击穿了放电间隙产生火花；这个时候就有可能听见空气中超响的爆裂的声 音，这是由通道中的压力增大向外扩张引起的，这个过程持续的时间不会太长： 但放电电流持续上升到饱和状态时电流就会相应的变小，电路的放电电压会按 一定的规律一直向下降，当电压降到某个阶段，开始了就会进入放电维持阶段。 这就是第二个阶段；这一阶段电极间的电压为此在某个区间之内，几乎保持为 恒定值。接下来的第三阶段是放电结束之后电极彻底闭合阶段，电极因为受到 外力的作用而闭合【2 7 l ，极间的电压持续下降直到消失，但是此时电容中储存的 的能量会相应的释放出来，这时候电路中的电流短暂的出现一个峰值，但此时 电路中的电极已处于闭合状态，电路所释放的能量大多数被电路中的电阻吸收。 2 3 2 火花放电的功率和能量计算 对于可能引爆可燃性气体混合物的电火花，不仅要重点考虑放电能量这个 极为重要的参数，还要考虑到放电这一瞬时放电功率。当放电的能量和功率同 时满足某个极限值的时候才能够使得可燃气体混合物发生爆炸。换言之，当放 电所产生的功率达到一定程度才能够放出足够的能量，只有这样才有可能引爆 可燃性气体。对于那些功率不大的火花来说，虽然放电久也不会构成安全威胁 依照之前绘制的火花放电的电流及电压波形图，绘制出如图2 - 4 所示的火花放电 的能量和功率曲线。 根据图2 - 4 的绘制结果，我们很容易得出结论：电容性电路在闭合放电的过 程中有电路电流波动快、电压变化迅速、维持时间不长，放电能量比较的集中 等特征。电容性电路放电是引燃爆炸性气体混合物的主要因素。接下来要研究 火花放电阶段的所具有伏安特性。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 b ) 火花放电电流 图2 - 4 电容性电路火花放电参数曲线波形 2 3 3 火花放电的伏安特性研究 在研究火花放电的放电特性之前，首先对其伏安特性进行研究。综合大量 实验结果绘制出火花放电的电压及电流波形，如图2 5 所示： 图2 5 电容性电路火花放电电压、电流波形 图2 5 所绘制的是加在电容值为4 7 u f ，电容上的电压为3 0 v 时火花放电电 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 及、电流波形，在参数不同的情况下放电特性也有相似之处【2 8 】：其后参照电压， 电流的数据绘制出相应的火花放电伏安特性曲线，如图2 - 6 所示。 州 3 5 3 0j 净艄 。r _ ，r 一 嗣2 0 1 5 l t l c 5 o l o 约 i a 图2 - 6 电容性电路火花放电伏安特性 在绘制的过程中我们可以看出研究的伏安特性曲线有着类似的特征：在分 析的过程中可以把曲线看成a b 和b c 两段，曲线a b 所代表着火花放电的电流 上升直到峰值的路径，这个时候的放电间隙被击穿，电路中的电流迅速增加， 电压则降低，电路会出现比较显著的负阻抗态势：b c 段所显示的代表火花电流 从峰值一直下降，直到值为零时停止，电压下降的过程是放电维持电压造成的， 显示出一般电阻所具有的伏安特制状况 2 9 1 。a b 部分和b c 部分可以近似的看成 直线段。a b 阶段显示，伴随着火花电流的持续升高，火花电压会逐渐变低；而 b c 部分显示，伴随着火花放电电流的不断降低，火花放电电压也相应的变小。 根据图2 - 5 所示的波形我们绘制出火花放电时火花放电的间隙电阻如图2 7 所示。可以看出火花放电间隙电阻呈现出凹形线条，其中电阻在火花放电导通 带形成阶段的电阻值较小，在放电间隙刚被击穿和火花带被破坏的时较大。一 旦火花放电