毕业设计矿用本安直流电源的设计 开题报告.doc

1、1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2设计（论文）题目矿用本安直流电源的设计工程设计应用研究 开发研究 基础研究 其它设计（论文）类型（划“”） 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

2、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

3、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3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

4、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。41D21N4007GP1D11N4007GPQ1BD138R31.0

5、kOhm_5%R41.0kOhm_5%R5499Ohm_1%Q2BC108BPR74.7kOhm_5%R1010kOhm_5%Q3BC108BPR620kOhm_5% C247uF Q4BC557APD31N4007GPR810.0kOhm_1%R9470Ohm_5%R112.4kOhm_5%D41N4007GPD51N4007GPQ5BD138R141.0Ohm_5%Q6BC108BPQ7BC108BPR17470Ohm_5%R1820kOhm_5%C147uF D112 V D212 V R1910.0kOhm_1%Q8BC557APD61N4007GPR2010kOhm_5%R2110k

6、Ohm_5%R222.4kOhm_5%R23470Ohm_5%D712 V D812 V Q9BC108BPR241.0kOhm_5%Q10BC557APR2510kOhm_5%R273.0kOhm_5%LED1LED2GNDGND GNDGNDGNDVCC12VGNDR281.0kOhm_5%R263.0kOhm_5%VCC12VJ1Key = SpaceR161.0kOhm_5%R1499Ohm_1%R2499Ohm_1%R12499Ohm_1%R13499Ohm_1%R15499Ohm_1%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

7、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，5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

8、 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

9、 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

10、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6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

11、 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

12、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

13、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7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）

14、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

15、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：8经 过 双 重 过 压 过 流 保

16、 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

17、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

18、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

19、 路 和 设 计 原 理 完 全 相 同 ，都 是 通 过 控 制 晶 体 三 极9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

20、 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

21、 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

22、。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10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. 模拟电子技术基础（第四版）. 高等教育出版社，2009.【3】李成章.现代 UPS 电源及电路图集M. 北京:电子工业出版社，2001.【4】张燕美，李维坚.本质安全电路设计M.北京：煤炭工 业出版社【5】王连英.Multisim 7 仿真 设计.江西高等教育出版社，2007【6】阎石.数字电子技术基础（第五版）.高等教育出版社

23、，2006【7】刘 辉. 隔爆兼本安直流稳压电源的研究 D. 西安 ：西安科技大学， 2005.【8】王其英, 刘秀荣. 新型不停电电源( U PS) 的管理使用和维护 M . 北京: 人民邮电出版社, 2005.【9】商立群 本质安全电路及其研究 J 仪器仪 表学报, 2002, 23 ( 3 增)【10】孙继平 矿井安全控制系 统 北京: 中国煤炭工业劳动保护科学技术学会, 安全监控专业委员会, 中国矿业大学 ( 北京) 信息工程研究所, 2004【11】国家标准起草小组中华人民共和国国家标准 GB38364- 2000 eqvIEC60079- 11:1999 爆炸性气体环境用 电气设备

24、第 4 部分: 本质安全型iS 中国标准出版社, 2001【12】刘强，杨昉昉.矿用直流不间断电源的设计 工矿自动化，2011 第 8 期【13】 马福昌，程旭 ，马 珺 ，等. 新型矿用直流开关电源 J. 煤矿机械 ，2010，3(6):123-124.【14】王文清，田柏林. 矿用本安直流稳压电源的设计与研究J. 煤炭科学技术，2008(10):35-38.【15】 M T / T 1078 - 2008 矿用本质安全直流输出电源 S . 北京: 中国标准出版社, 2008【16】王尽余. 防爆电气手册 M . 北京: 化学工业出版社,2008.【17】 GB3836. 1 - 2010

25、爆炸性环境第 1 部分: 设备通用要求 S . 北京: 中国标准出版社, 2011.11【18】 GB3836. 4 - 2010 爆炸性环境第 4 部分: 由本质安全型/ i0 保护的设备 S . 北京: 中国标准出版社, 2011.【19】史凌峰, 王根荣, 来新泉, 等. 新型过压保护电路设计 J . 电 子科技大学学报, 2011( 2) : 52- 55.【20】MOLT P V,ANDERSON H.Unit Power Supplies Today Installation Engineering Designing and Maintaining successful system cThird International Conference,1988,London.【21】GA LTID. Control and Monitoring of Un-interruptiblePower Systems C / / International TelecommunicationsEnergy Conference, 1989, Washington.指导教师意见指导教师（签名）：年 月 日12所在系（所）意见负责人（签章）：年 月 日