1、4 矿用电源及备用电源,4.1 矿用电源的特点及主要技术指标4.1.1 矿用电源的特点4.1.2 矿用电源的主要技术指标4.1.3 矿用电源的分类 4.2 矿用线性直流电源 4.3 矿用开关电源 4.4 矿用备用电源,4.1.1 矿用电源的特点,矿用电源（监控系统、甲烷断电仪、甲烷风电闭锁电源等）除向分站、传感器、声光报警器、断电器等提供本质安全防爆直流电源外，还须保证井下交流电网停电后维持系统正常工作时间不少于2h。其特点： 本质安全型防爆输出。 电网电压波动适应能力强。 效率高、体积小、重量轻。 保护能力强。 输入电压范围宽。一般选36、127、220、380、660V,额定输入电压U1是
2、矿用电源标称输入电压，如：36、127、220、380V等。 允许输入电压范围是矿用电源允许输入电压范围，通常用额定输入电压的百分比表示（如75%110%U1）。也可用允许输入电压的上限和下限表示（如95V140V）。当输入电压超出输入电压范围，电源将损坏，或不正常或失去防爆。 额定输出电压是矿用电源标称输出电压。如5、6、9、12、15、18、24V等。,4.1.2 矿用电源的主要技术指标,输出电压范围是矿用电源在规定的输入电压范围内和输出电流不大于额定输出电流的情况下，输出电压变化范围。可用上下限如：4.755.25V，也可用额定输出电压的相对值表示：5%。 最大输出电压是指矿用电源在开路
3、等情况下所能输出的最大电压。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，井下严禁使用。 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。若矿用电源的输出电流大于最大输出电流，无法保证防爆。,稳压系数是指输入交流电压变化V1所引起的输出直流变化V0的变化量。稳压系数越小输出越稳定。稳压系数又分绝对稳压系数和相对稳压系数。 电压调整率是指负载为额定负载时，输入交流电压在额定值上下变化10%时，稳压电源输出电压的相对变化值。 电流调整率。 输出电阻（内阻）。 纹波电压。 纹波系数。,4.1.3 矿用电源的分类,线性直流电源电源稳定度高，负载稳定度高，输出纹波电压小，瞬态响
4、应速度快，线路结构简单，便于维护，没有开关干扰等优点。但也存有缺点，见书。 开关直流电源体积小，重量轻，电网电压波动适应能力强，过载能力强，输入电压范围宽等。由于开关电源输出端一般都有用于滤波的大电感和大电容，难以满足本质安全电气防爆，故目前少用。,4.2 矿用线性直流电源,线性直流电源又可分：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。 变压器除有稳压作用外，还具有电磁隔离功能，保证本质安全防爆的安全。整流电路将交流整流为直流。滤波电路滤除整流电路输出中的交流成份。双重限流限压电路保证本质安全型防爆电源的输出，同时可
5、作为稳压和恒流电路，输出稳压或恒流电源。,4.3 矿用开关电源,4.3.1 矿用开关电源的特点 输出功率受限 本质安全防爆措施是限制放电火花能量，即限制了电源的输出能量。限制输出能量即须限制输出功率，即限电流限电压。 输出端滤波电容和电感受限 本质安全防爆限制火花放电能量，要限制电源输出能量，要限制电源输出端和负载中的电容和电感的储能，以防电容或电感等储能,元件的储能造成火花放电能量的增大。 输入、输出必须电气隔离 矿用电源的输入为交流高压，输出为本质安全型防爆直流。为防止高压串入本质安全型防爆直流，引起瓦斯爆炸，矿用电源的输入与输出之间必须电气隔离。对主回路一般采用电磁隔离，对监控回路一般采
6、用光电隔离或电磁隔离。 大的电压允许输入范围 由于井下电压波动范围大，设备功率大，起,动频繁，供电距离远，为防损坏矿用电源的防爆性能规定矿用电源只能使用一个电压等级。如既可用于127V又可用于220V的输入电压范围应为95242V（即75%11%）。 多重化保护 为保证本质安全防爆电源在正常工作条件下和规定的故障状态下所产生的电火花和热效均不会引燃爆炸性气体混合物。本质安全型电源的限流限压等保护性元件必须双重化（Ib）或三重化（Ia）。 恒压-恒流输出特性,由于电源最大输出电流电压受限，为满足本质安全防爆要求，提高电源带负载能力，故本质安全型电源的输出宜为恒压-恒流输出，即当负载较重（轻）时，
7、恒流（压）输出。 故障自动恢复 矿用电源当输出短路或开路故障排除后必须能自动恢复，而不应由人工恢复。井下短路故障时有发生，距离远，电源设在隔爆外壳内，难以人工恢复。 体积小、重量轻、可靠性高,4.2.3 开关电源的本质安全防爆,采用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另外一种电源形态，并且有稳定输出控制和短路等保护功能的电路称开关电源。开关电源分交流输入和直流输入两种结构。 开关电源输出端通常并联有一个大容量滤波电容或串联有大的电感，这样的开关电源电路不能直接用作本质安全电源，所以必须接入双重或多重保护元器件，当一个或两个损坏时，应能继续正常工作；提高开关电源工作频率，降低滤波电容量
8、和电感量；稳压限流。,4.4 矿用备用电源,当井下交流电网停电后，为保证安全监控系统正常工作，且时间不小于2h，矿井监控设备必须配备备用电源。其特点： 应采用蓄电池。 蓄电池应采用连续浮充制。 备用电源要与主电路共用输出限压（稳压）和限流（恒流）电路。 蓄电池要全密封免维护。 蓄电池无记忆效应。,5 矿用传感器,矿井监控系统中所测物理量大多数是非电量，如甲烷、风速、温度等，不能直接远距离传输，必须对这些物理量进行变换为便于传输、存储和处理的物理量。目前最能满足要求的是电信号。它的测量、放大、传输、存储和处理技术最为成熟。这就需要一个设备将非电信号转换为电信号 传感器作为监控系统的第一个环节，完
9、成信息获取和转换的功能，其性能直接影响系统监测精度。,5.1 基础知识 5.2 甲烷传感器 5.3 一氧化碳传感器 5.4 风速传感器 5.5 温度传感器 5.6 开关量传感器,5.1 基础知识,传感器主要由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源组成。如下图所示：传感元件被测参数 输出信号,敏感 元件,转换 元件,测量 电路,辅助 电源,在进行非电量到电量的转换时，并非所有非电量一次直接转换为电量，而是将被测非电量先转换为另一种便于转换为电量的非电量，敏感元件即是。转换元件是将敏感元件所输出的非电量转换为电量的器件。如矿用超声波旋涡式风速传感器，首先通过敏感元件将风速转换为与风速成正比的旋涡频
10、率，然后再通过转换元件将与风速成正比的旋涡频率转换为电脉冲频率。热催化式甲烷传感器中的敏感元件同时兼做转换元件，将被测非电量直接转换为电量。,转换元件输出可以是电信号（电压、电流或脉冲），也可是电阻、电容和电感等参数的变化。当转换元件输出为电信号时，测量电路就是一般的放大器，否则就需通过电桥先将这些参数变换成电信号，然后再进行放大。测量电路完成此功能外，一般还应具有非线性补偿、阻抗和电平匹配等功能。随着集成电路集成度的提高，微处理机芯片的应用，在智能传感器里，测量电路还具有信号的预处理等功能。,传感器分类： 按输入量（物理量）分：如甲烷、风速、负压等传感器。 按变换原理分：如电化学、热催化等。
11、 通常将上述两种分类同时使用。如热导式甲烷传感器、超声波旋涡式风速传感器等。 还有按能量传递方式分：如有源、无源等；使用型式分。如固定式、机载式等；输出信号分。如模拟式、数字式等。,5.1.1 基本概念,为了能定量度量传感器的性能，现场中常用到如下参数概念： 量程 精度 迟滞 重复性 线性度 灵敏度,5.1.2 供电方式,传感器供电方式内部供电。外部供电。 内部供电分：传感器自带整流电源。蓄电池（或干电池）。 外部供电：这是矿井监控系统一般采用的。外部供电分：就近供电：由系统分站电源、或电控箱、或电源箱向传感器供电，同集中供电比，有供电距离近、功耗小、简单方便优点，现场广泛采用。为保证电网短时
12、停电传感器能正常工作不小于2h，在分站电源或电控箱或电源箱还设有一定容量蓄电池集中供电：当井下供电不正常仍需监测时，可采用集中供电，但电缆较多系统投资较大，不便于安装维修。,5.1.3 输出信号,矿井监控系统中的被测物理量，可分为开关量和模拟量。 开关量：只取两种状态的物理量。如：采煤机、掘进机、运输机、水泵、风机的开停等。可用电压的有无、电流的有无和极性来实现。 模拟量：量值连续变化的物理量。如：甲烷浓度、风速、一氧化碳浓度等。可用电压的大小、电流的大小和频率的高低等来实现。 传感器（CH4、CO、风速）的技术要求见教材P160。,5.2 甲烷传感器,CH4浓度监测是矿井安全监控首要内容。环
13、境中CH4浓度大于等于报警浓度则发出声光报警信号；大于等于断电浓度则切断被控区域全部非本质安全型电气设备电源并闭锁，仅当浓度低于复电浓度时解锁。所以甲烷传感器是矿井安全监控中重要的、必备的设备之一。 甲烷传感器按其工作原理分为催化燃烧式（用于低浓甲烷监测）和热导式（用于高浓甲烷监测）。,5.2.1 催化燃烧式,工作原理：在传感元件（含敏感元件）表面的甲烷（可燃性气体）在催化剂催化作用下发生无焰燃烧放出热量，使传感元件升温，进而使传感元件电阻变大，通过测量传感元件电阻变化可测出CH4气体浓度。 催化燃烧式甲烷传感器有铂丝催化元件和载体催化元件两种。在矿井安全监控系统装置中，测量低浓度甲烷传感器主要是载体催化元件。,载体催化元件结构及工作原理 载体催化元件一般由一个带催化剂的传感元件（俗称黑元件）和一个不带催化剂的补偿元件（俗称白元件）组成。 两元件结构尺寸完全相同，白元件表面无催化剂，仅起环境温度补偿作用。 黑元件由铂丝线圈、Al2O3载体和表面的催化剂组成。铂丝线圈用来给元件加温，提供甲烷催化燃烧所需的温度。同时甲烷燃烧放出热量使其升温，测量电阻变化测得空气中甲烷浓度。Al2O3载体固定铂丝线圈，增强元件机械强度。涂在元件表面的铂（Pt）和钯（Pd）等重金属催化剂，使吸附在元件表面的甲烷无焰燃烧。,5.3 一氧化碳传感器,5.3.1 电化学式 5.3.2 红外线吸收式,
