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恒流型本安开关电源的研究与设计

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1绪论

1.1研究背景及意义(Background and Significance)

1.2本质安全基础理论(Basic Theory of Intrinsic Safety)

1.3本质安全理论发展现状(Evolution of Intrinsic Safety Theory)

1.4本质安全电源发展现状(Evolution of Intrinsic Safety Source)

1.5论文研究内容(Scope of Thesis)

2 恒流型开关电源的静态特性与本质安全特性分析

2.1 引言(Introduction)

2.2恒流输出反激变换器工作原理(Principle of Constant Current Flyback Converter)

2.3反激变换器的临界电感与工作模式(Critical Inductance and Working Modes of Flyback Converter)

2.4 不同工作模式下输出纹波电流分析(Output Ripple Current Analysis under Different Working Modes)

2.5工作区域划分及最大输出纹波电流分析(Division of Working Region and Analysis of the Maximum Output Ripple Current)

2.6 反激变换器正常工作模式下的能量传输过程( Energy Transfer Process of Flyback Converter under Normal Working Modes)

2.7反激变换器输出本安性能研究分析(Analysis of Intrinsically Safe Characteristics of Flyback Converter)

2.8小结(Conclusion)

3 提高本安电源功率的方法

3.1 引言(Introduction)

3.2 改善电源外特性提高本安电源功率( Changing Output Characteristics of Source to Improve the Power of Intrinsically Safe Converter)

3.3 降低等效电感值或等效电容值提高本安电源功率(Decreasing Equivalent Inductance Value or Capacitance Value to Improve the Power of Intrinsically Safe Converter)

3.4 缩短火花放电时间提高本安电源功率( Shortening Spark Discharge Time to Improve the Power of Intrinsically Safe Converter)

3.5 小结(Conclusion)

4恒流型本安开关电源的设计

4.1 引言(Introduction)

4.2系统总体设计方案(Program of the Overall Design)

4.3主电路设计(Design of Main Circuit)

4.4控制电路设计(Design of Control Circuit)

4.5截流型保护电路设计(Design of Protection Circuit)

4.6小结(Conclusion)

5 仿真与实验

5.1 引言(Introduction)

5.2 恒流型本安开关电源的仿真研究(Simulations Research of Constant Current Intrinsically Safe Switching Power Supply)

5.3恒流型本安开关电源实验结果及分析(Experimental Results and Analysis of Constant Current Intrinsically Safe Switching Power Supply)

5.4小结(Conclusion)

6总结与展望

参考文献

附录 A

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摘要

随着煤炭行业的迅速发展,越来越多的电气设备被应用在煤矿井下,同时对电气设备的安全用电提出了更高的要求。电源作为电气设备的核心,其安全性能至关重要,必须满足防爆的要求,本质安全型是最佳的防爆形式。LED作为第四代照明光源,在煤矿照明中有着广阔的应用前景。为获得预期的亮度要求,并保证多只LED亮度和色度的一致性,适合采用恒流驱动方式。而目前广泛研究的本安开关电源多是恒压输出,不适于驱动 LED,因此对恒流型本安开关电源进行研究有重要的学术意义和实际应用价值。
  首先,分析恒流输出反激变换器的工作原理与工作模式,推导出该变换器的临界电感与不同工作模式下的输出纹波电流表达式。通过对整个动态范围内的输出纹波电流进行分析,得到使最大输出纹波电流取得极小值的最小电感。通过分析变换器输出短路时的能量传输过程,得出最危险时刻以及此刻的最大输出短路释放能量,以容性电路火花放电最小点燃电压曲线为依据,得到变换器输出本质安全的判断方法。
  其次,对提高本安电源功率的方法进行研究,从改善电源输出特性、降低电源的等效电感值或等效电容值以及缩短火花放电时间三个方面展开分析。其中针对降低等效电感值或等效电容值这一方法,建立了不同性质电路的数学模型,推导出其火花电流、火花功率等与安全性能相关的表达式,并利用Mathcad软件进行数值仿真,验证方法的有效性,为设计大容量本安开关电源提供思路。
  然后,对恒流型本安开关电源进行设计,包括主电路、控制电路以及保护电路的设计。结合电气性能指标与本安性能指标对变压器以及输出滤波电容进行优化设计;通过芯片LM358实现恒流控制与输出过压控制;在涉及安全性能的保护电路设计中,采用电流变化率检测和图腾柱驱动以加快故障时的保护速度,进而缩短火花放电时间,提高本安电源输出功率。
  最后,搭建系统硬件平台,结合仿真研究和实验结果验证了理论方法与设计的正确性及有效性。

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