【正文】 1 礦用本安 直流 電源的設(shè)計(jì) 摘 要 電力是現(xiàn)代煤炭工業(yè)的主要?jiǎng)恿?，在煤炭生產(chǎn)中占有重要的地位，是保證礦業(yè)生產(chǎn)的先決條件。礦井供電要求保證可靠，礦井供電中斷時(shí)不僅會(huì)影響原煤的生產(chǎn)產(chǎn)量，而且會(huì)導(dǎo)致礦井排水系統(tǒng)停止工作，同時(shí)井下停電停風(fēng)后，還會(huì)造成瓦斯積累，從而導(dǎo)致設(shè)備 損 壞、生產(chǎn)停頓、危害井下人身安全，造成礦井的破壞，后果比較嚴(yán)重 。 隨著煤礦管理現(xiàn)代化的提高 , 本安設(shè)備越來越多地被煤礦所采用 。本安電源作為本安系統(tǒng)不可缺少的組成部分 ,關(guān)系到礦井安全生產(chǎn)、抗災(zāi)能力和礦工安危 ， 其技術(shù)先進(jìn)性 和產(chǎn)品質(zhì)量決定了本安設(shè)備的可靠性 , 從而直接影響到監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、可靠性 、穩(wěn)定性 。 據(jù)資料統(tǒng)計(jì) ,電子設(shè)備的故障大約有 80%是由于電源引起的 。因此 ,本安電源的質(zhì)量 、技術(shù)發(fā)展水平越來越得到人們的重視 。本文結(jié)合新版國家標(biāo)準(zhǔn) GB3836. 4 2021 和安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心的相關(guān)要求 , 介紹了一種礦用本安直流電源的設(shè)計(jì)，并通過仿真軟件 Multisim 的調(diào)試驗(yàn)證，基本實(shí)現(xiàn)了礦用電源的要求。 關(guān)鍵詞：本安 直流 電源 故障 Multisim 調(diào)試驗(yàn)證 2 Abstract Electric power is the main driving force of modern coal mining industry, coal production occupies an important position, is to ensure that the mining production power supply requirements to ensure reliable power supply interruption, the mine will not only affect the coal production yield, but also causes the mine drainage system to stop working, and the underground power to stop the wind, can cause gas accumulation, leading to equipment with bad, production to a standstill, endanger personal safety under the coal mine well, causing damage, more serious the development of coal mine management modernization to improve, intrinsically safe equipment is increasingly being used in coal mine. Intrinsically safe power as an indispensable part of intrinsically safe system, its advanced technology and product quality has decided the intrinsically safe equipment reliability, which directly affects the accuracy of data acquisition monitoring system, reliability, stability, matter to the safety in production of coal mine, the ability that fight calamity and miners. According to statistics, the electronic 3 equipment fault about 80% is the result caused by power supply. Therefore, intrinsically safe power supply quality, developing level of technology has been paid more and more attention. This paper introduces a kind of mine intrinsically safe DC power supply design, and through the Multisim simulation software debugging test, the basic realization of the mine power supply. Key words: intrinsically safe power supply fault Multisim debugging verification 4 目 錄 摘 要 第一章 緒論 ................................... 1 第二章 礦用本安電源的簡介 ...................... 2 本質(zhì)安全型電路的基本原理 .................. 2 應(yīng)用礦用本安電源的 特殊性 .................. 3 3 礦山企業(yè)對供電的基本要求 ................ 4 第三章 礦用本安直流電源的的設(shè)計(jì) ................. 6 過壓過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì) ................... 7 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì) .......................... 17 開關(guān)控制電路的設(shè)計(jì) ...................... 19 整體設(shè)計(jì)電路圖 .......................... 22 第四章 礦用本安直流電源設(shè)計(jì)電路的仿真實(shí)驗(yàn) .... 24 Multisim 仿真軟件 ........................ 25 過壓過流保護(hù)電路的仿真實(shí)驗(yàn) .............. 30 穩(wěn)壓電路的仿真實(shí)驗(yàn) ...................... 36 5 4 開關(guān)控制電路的仿真實(shí)驗(yàn) ................. 38 總體礦用本安直流電源電路的仿真實(shí)驗(yàn) ..... 38 第五章 畢業(yè)設(shè)計(jì) 總結(jié)和 體會(huì) .................... 42 參考文獻(xiàn)： ..................................... 42 致 謝 ......................................... 44 附錄： ......................................... 45 1 第一章 緒論 不間斷電源（ uninterrupted power supply， UPS）， 是針對電網(wǎng)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)等對電源的可靠性要求，克服中、大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集中供電所造成的供電電網(wǎng)環(huán)境日益惡劣的問題，以全新的數(shù)字技術(shù)研制出的第三代工頻純在線式智能型 UPS。直流電源，是維持電路中形成穩(wěn)恒電流的裝置。 礦井井下工作環(huán)境特殊，特別容易發(fā)生事故 ，引起人身安全，對電源的要求特別高。 煤礦自動(dòng)化的高速發(fā)展 使得本安電源在礦井中的使用越來越頻繁，同時(shí)對它的使用要求也越來越嚴(yán)格。在礦井等存在易燃、易爆氣體的工作環(huán)境中，本安電源已經(jīng)是不可缺少的安全設(shè)備。一般情況 下，礦井下有如瓦斯等爆炸性氣體存在 ，這就需要本安電 源在設(shè)計(jì)過程中充分地考慮到電路中的電壓和電流以及功率情況，并做好保護(hù)工作 , 以防止過壓或過流產(chǎn)生的火花點(diǎn)燃井下氣體，造成設(shè)備和人員的損壞和傷亡。 本安電源，即本質(zhì)安全型電源，本質(zhì)安全電路是指在正常工作和規(guī)定的故障條件下 , 產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。在國標(biāo) 中規(guī)定了本質(zhì)安全型電路的各種 指 標(biāo) ,主要有：輸出電壓或電流不能點(diǎn)燃周圍可燃 2 性氣體；本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路之間必須有可靠的電氣隔離； 要采用雙重過壓過流保護(hù)電路 ；這些指標(biāo)給本安電源的設(shè)計(jì)提供了明確的設(shè)計(jì)方向。 所以，設(shè)計(jì)一種性能優(yōu)良、通用性強(qiáng)、體積較小、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜的不間斷供電電源單元有非常好的應(yīng)用前景。本文中設(shè)計(jì)的 礦用 本安 直流 電源， 滿足了礦井工作對電源的高度要求， 并 在仿真實(shí)驗(yàn)過程中 各個(gè)功能模塊 效果很好，證明了它能夠在易燃等危險(xiǎn)環(huán)境下正常使用。而且它還有著體積小、安裝簡單、成本較低等一系列優(yōu)點(diǎn) ，實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)。 第二章 礦用本安電源的 簡介 本安電源即本質(zhì)安全電源，這種電源在正常工作和故障狀態(tài)下，其輸出的 最高電壓、最大電流均具有本安性能。本安性能指本質(zhì)安全電源電路在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件 (包括正常工作和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的故障條件 )下產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境。 本質(zhì)安全 型 電路的基本原理 礦用本質(zhì)安全電路及相關(guān)設(shè)備 , 主要應(yīng)用于礦井通訊、安全監(jiān)測、監(jiān)控、報(bào)警等系統(tǒng)中。本質(zhì)安全電路及設(shè)備的防爆原理是 :通過規(guī)定電氣設(shè)備電路中的各種電氣參數(shù)或者采用必要的保護(hù)措施來控制電路出現(xiàn)故障時(shí)產(chǎn)生的電火花能量和熱能 ,從而實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備防爆。由 3 于本質(zhì)安全型電氣設(shè)備電路本身被認(rèn)為是安全的 , 電路產(chǎn)生的放電火花、電 弧以及熱能均不能點(diǎn)燃電路周圍環(huán)境中的爆炸性混合物 , 所以本質(zhì)安全電路及設(shè)備在使用過程中 , 具有安全程度高、體積小、重量輕、安裝簡單、維護(hù)方便、制造成本低等優(yōu)點(diǎn) , 更重要的是可以應(yīng)用在易燃、易爆等危險(xiǎn)工作環(huán)境中 , 目前本質(zhì)安全電路及設(shè)備已經(jīng)成為不可缺少的安全設(shè)備。 本質(zhì)安全型電氣設(shè)備根據(jù)其安全程度不同分為 ia 和 ib兩個(gè)等級。 ia 等級是指電路在正常工作、一個(gè)或兩個(gè)計(jì)數(shù)故障時(shí)，都不能點(diǎn)燃爆炸性混合物的電氣設(shè)備。 ib 等級是指電路在正常工作或一個(gè)計(jì)數(shù)故障時(shí)，不能點(diǎn)燃爆炸性混合物的電氣設(shè)備。 應(yīng)用 礦用本安電源的 特殊 性 本安電源與非本安電源相比 ,具有許多特殊性 ， 使得 更便于用于煤礦生產(chǎn)中。 （ 1）輸入和輸出端電氣隔離。 由于本安電源的輸人端為非本安輸出 ,輸出端為本安型輸出 ,電路內(nèi)部是由非本安向本安轉(zhuǎn)換的過程。為防止非本安的輸人端傳遞到本安的輸出端 , 影響本安電源性能 ,要求輸人、輸出端必須采取電氣隔離 ,并且達(dá)到規(guī)定的耐壓等級 。 （ 2）不間斷供電 煤礦井下交流電因多種原因造成供電中斷。 根據(jù)煤礦相關(guān)的規(guī)定 ,許多傳感器在電網(wǎng)停后必須繼續(xù)工作。因此 ,本安電源必須具有備用電池 ,以便在電網(wǎng)停電時(shí)由備用電池繼續(xù)向負(fù)載 供電 。 4 （ 3）保護(hù)電路多重化。 本安型電氣設(shè)備根據(jù)安全程度的不同分為 IA 和 IB 等級 。 按 GB3836 一 2021《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定 ,本安電源采用 IB 等級 , 保護(hù)元件或組件需要雙重化。 （ 4） 輸出功率受限制。 本安電源必須限制電路火花的放電能量 ,即限制電源的輸出電壓、放電電流和放 電時(shí)間 。在電路實(shí)現(xiàn)上 ,就是要有過流或短路、過壓、快速切斷功能。 除了這些特性外， 本 質(zhì) 安全 型 電路及設(shè)備在使用過程中 , 具有安全程度高、體積小、重量輕、安裝簡單、維護(hù)方便、制造成本低等優(yōu)點(diǎn) , 更重要的是 可以應(yīng)用在易燃、易爆等危險(xiǎn)工作環(huán)境中 。 3 礦山企業(yè)對供電的基本要求 電力是礦山生產(chǎn)的主要能源。對礦山進(jìn)行可靠、安全、經(jīng)濟(jì)的供電，對提高經(jīng)濟(jì)效益及保證安全生產(chǎn)等方面都有十分重要的意義。因此，礦山企業(yè)對供電提出以下基本要求： 1 供電可靠 供電可靠就是要求供電不間斷。在礦山企業(yè)中，各種電力負(fù)荷對電可靠性的要求是不同的，為了能在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的前提下滿足不同負(fù)荷對供電可能性的要求，把電力負(fù)荷分為三類。 一類負(fù)荷 :凡因突然中斷供電，可能造成人身傷亡事故或重大設(shè)備損壞，給國民經(jīng)濟(jì)造成重大損失 的或在政治上產(chǎn)生不良影響的負(fù) 5 荷，均屬一類負(fù)荷。如礦井的主通風(fēng)設(shè)備一旦停電，可能導(dǎo)致瓦斯爆炸及井下人身傷亡等重大事故。一類負(fù)荷中影響人身與設(shè)備安全的負(fù)荷又叫保安負(fù)荷。對一類負(fù)荷應(yīng)由兩個(gè)獨(dú)電源供電；對有特殊要求的一類負(fù)荷，兩個(gè)獨(dú)立電源應(yīng)來自不同地點(diǎn)，以保證供電的絕對可靠。 二類負(fù)荷 :凡因突然停電，造成大量減產(chǎn)或生產(chǎn)大量廢品的負(fù)荷。如礦井集中提煤設(shè)備、空壓機(jī)及采區(qū)變電所等。 三類負(fù)荷 :三類負(fù)荷是指除一類、二類負(fù)荷外的其他負(fù)荷，如礦山企業(yè)的附屬車場。對三類負(fù)荷供電一般采用單回路供電方式，不考慮備 用電源，根據(jù)需要各負(fù)荷還可用一條輸電線路。 對電力負(fù)荷分類的目的是為了便于合理地供電。在供電系統(tǒng)運(yùn)行，確保一類負(fù)荷的供電不間斷；保證二類負(fù)荷的用電；而對三類負(fù)荷則更多地考慮供電的經(jīng)濟(jì)性。因此，當(dāng)電力系統(tǒng)因故障必須拉閘限電時(shí)，首先停三類負(fù)荷，必要時(shí)再停二類負(fù)荷，但必須保證