陳向芬

(山西長防電器股份有限公司，山西 長治 046000)

1 引言

礦用隔爆型真空電磁起動器主要用于煤礦井下瓦斯和煤塵的礦井中，控制鼠籠式異步電動機(jī)的起動、停止。同時，具有針對電動機(jī)及供電線路進(jìn)行的電流、電壓、絕緣等多種保護(hù)功能?，F(xiàn)應(yīng)用戶要求，需要選用我們公司生產(chǎn)的礦用隔爆型真空電磁起動器控制空氣壓縮機(jī)的主驅(qū)動電動機(jī)及其冷卻風(fēng)扇驅(qū)動電動機(jī)的起動或停止。另外，可以與空壓機(jī)的溫度、壓力、斷水、斷油等開關(guān)配套進(jìn)行溫度、壓力和斷水、斷油保護(hù)，要有相序識別并閉鎖保護(hù)的功能。這就要求我們在不改變原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能的基礎(chǔ)上，針對用戶具體要求，增加部分電性能功能，以滿足用戶的實際使用要求。

2 總體方案設(shè)計及工作原理介紹

(1)根據(jù)用戶要求，真空電磁起動器需在電性能方面增加以下功能;

①原保護(hù)功能不變的基礎(chǔ)上增加溫度、壓力、斷水、斷油四個保護(hù)功能;

②相序識別并相序保護(hù)功能;

③增加一路小電流輸出控制回路，且具有過載、短路、斷相、漏電閉鎖等保護(hù)功能。

(2)根據(jù)需要增加的電氣功能要求，在電性能方面確定整機(jī)電氣控制原理圖如圖1所示。

①主回路

主回路主要有:電源輸入接線端子U1、V1、W1;電源輸出接線端子:U2、V2、W2及 U3、V3、W3。其中 U2、V2、W2連接主驅(qū)動電動機(jī)的電源側(cè)，U3、V3、W3連接冷卻風(fēng)扇驅(qū)動電動機(jī)的電源側(cè)。隔離換相開關(guān)QS，具有正向、分?jǐn)?、反向三位置，主要是控制電源輸入端子U1、V1、W1三相電源何時接入主回路和控制回路;交流真空接觸器KM，通過控制交流真空接觸器三相主觸頭的閉合和斷開，從而控制空壓機(jī)的主驅(qū)動電動機(jī)及其冷卻風(fēng)扇驅(qū)動電動機(jī)的起動或停止;電流互感器TA1、TA2，主要為綜合保護(hù)裝置 ZB1、ZB2提供主回路及冷卻風(fēng)扇回路工作電流取樣信號;阻容保護(hù)裝置FV，用于吸收電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的過電壓。

②控制回路

控制回路主要有:控制電源變壓器TC1、TC2，為保護(hù)裝置及中間繼電器線圈和交流真空接觸器吸合線圈提供對應(yīng)工作電源;起動和停機(jī)按鈕SB1、SB2，主要通過控制綜合保護(hù)裝置ZB1的先導(dǎo)回路執(zhí)行繼電器線圈電源的接通和分?jǐn)?，先?dǎo)執(zhí)行繼電器的輸出接點接通和分?jǐn)嘀虚g繼電器工作電源，從而控制交流真空接觸器吸合線圈工作電源，最終控制空壓機(jī)主驅(qū)動電機(jī)和冷卻風(fēng)扇電機(jī)的起動和停止工作。

③保護(hù)回路

保護(hù)回路主要有:綜合保護(hù)裝置 ZB1、ZB2，其中ZB1主要針對空壓機(jī)的主驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行電流、系統(tǒng)電壓及供電系統(tǒng)絕緣檢測等保護(hù);同時，空壓機(jī)的溫度、壓力、斷水、斷油等開關(guān)及相序保護(hù)模塊XHB、XXBH提供的無源接點分別接入保護(hù)裝置ZB1對應(yīng)開關(guān)量輸入口，保護(hù)裝置根據(jù)開關(guān)量輸入口狀態(tài)的變化從而判斷空壓機(jī)在溫度、壓力、斷水、斷油、相序等方面是否正常，從而執(zhí)行相應(yīng)的故障保護(hù)。顯示器件XS，顯示當(dāng)前時間、系統(tǒng)電壓、工作電流、絕緣電阻及故障狀態(tài)和故障參數(shù)。通過操作按鈕SY(上移)、XY(下移)、QR(確認(rèn))、FW(復(fù)位)，配合顯示器件XS可以實現(xiàn)人機(jī)對話，進(jìn)行工作參數(shù)設(shè)定;綜合保護(hù)裝置ZB2主要是對冷卻風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行電流及絕緣保護(hù)。

圖1 電氣控制原理圖

(3)溫度、壓力、斷油、斷水保護(hù)工作原理

溫度保護(hù):起動器在正常運(yùn)行過程中，當(dāng)外部的當(dāng)前溫度值達(dá)到設(shè)定的報警點時，空壓機(jī)溫度開關(guān)的干結(jié)點由常閉轉(zhuǎn)為常開狀態(tài)，這時，壓風(fēng)機(jī)Ⅱ型保護(hù)裝置ZB1檢測到故障狀態(tài)，對應(yīng)保護(hù)輸出點斷開中間繼電器ZJ線圈電源。交流真空接觸器KM吸合線圈斷電，交流真空接觸器的主觸頭分?jǐn)鄩嚎s機(jī)電源，同時，顯示器XS顯示出相應(yīng)故障信息。

壓力保護(hù):在起動器起動后50s內(nèi)，外部的壓力開關(guān)的干結(jié)點一直保持常開狀態(tài)或在運(yùn)行過程中壓力開關(guān)的干結(jié)點由常閉轉(zhuǎn)為常開狀態(tài)，這時，壓風(fēng)機(jī)Ⅱ型保護(hù)裝置ZB1檢測到故障狀態(tài)，對應(yīng)保護(hù)輸出點斷開中間繼電器ZJ線圈電源。交流真空接觸器KM吸合線圈斷電，交流真空接觸器的主觸頭分?jǐn)鄩嚎s機(jī)電源，同時，顯示器XS顯示出相應(yīng)故障信息。

斷油保護(hù):起動器在正常運(yùn)行過程中，斷油開關(guān)的干結(jié)點由常閉轉(zhuǎn)為常開狀態(tài)，這時，壓風(fēng)機(jī)Ⅱ型保護(hù)裝置ZB1檢測到故障狀態(tài)，對應(yīng)保護(hù)輸出點斷開中間繼電器ZJ線圈電源。交流真空接觸器KM吸合線圈斷電，交流真空接觸器的主觸頭分?jǐn)鄩嚎s機(jī)電源，同時，顯示器XS顯示出相應(yīng)故障信息。

斷水保護(hù):在起動器正常運(yùn)行過程中，斷水開關(guān)的干結(jié)點由常閉轉(zhuǎn)為常開狀態(tài)，這時，壓風(fēng)機(jī)Ⅱ型保護(hù)裝置ZB1檢測到故障狀態(tài)，對應(yīng)保護(hù)輸出點斷開中間繼電器ZJ線圈電源。交流真空接觸器KM吸合線圈斷電，交流真空接觸器的主觸頭分?jǐn)鄩嚎s機(jī)電源，同時，顯示器XS顯示出相應(yīng)故障信息。

(4)相序識別保護(hù)器件介紹

利用不需零線的三相交流電源相序檢測保護(hù)集成電路 TH221A芯片，芯片外引腳排列如圖 2所示。TH221A芯片由取樣電路、缺相判斷電路、相序邏輯鑒別電路、功率放大電路四部分組成，采用線電壓進(jìn)行錯相或缺相的判斷。當(dāng)取樣電路輸入三相交流電源相序正確，則缺相判斷電路、功率放大電路和直流繼電器不動作。相反，輸出信號經(jīng)功放電路放大后輸出低電平，從而使外接繼電器動作，切斷供電裝置電源。

TH221A芯片主要參數(shù):

繼電器工作電壓+12V;

工作電源電壓范圍:15～18V;

輸入交流線電壓:

直接輸入時30V;

若串入1MΩ電阻可接入380V;

若串入1.6MΩ電阻可接入660V;

若串入2.7MΩ電阻可接入1140V;

各引腳最大負(fù)載電流小于10mA;

外形尺寸:50mm×20mm×6mm。

(5)相序識別并相序保護(hù)工作原理

圖2 TH221A的引腳排列圖

相序識別并相序保護(hù)的工作原理如圖3所示，起動器上電以后，首先對系統(tǒng)電源相序進(jìn)行識別，如果三相交流電源相位彼此互差120℃，說明三相電源正常，這時相序識別線路TH221A的16腳輸出高電位信號，綠色指示燈亮且G1管子處于導(dǎo)通狀態(tài)，光電偶合器件TL521－1的3、4腳接通，使G2管子處于導(dǎo)通狀態(tài)，這樣，控制繼電器J線圈接通+12V電源，對應(yīng)輸出控制接點J1、J2閉合，壓風(fēng)機(jī)Ⅱ型保護(hù)裝置ZB1檢測到這個輸入口信號，斷定相序正常。同時，系統(tǒng)在無任何故障的情況下，保護(hù)輸出點閉合。按“起動”按鈕，先導(dǎo)回路輸出接點閉合，接通中間繼電器ZJ線圈電源。同時，中間繼電器對應(yīng)接點接通交流真空接觸器吸合線圈電源，交流真空接觸器主觸頭正常閉合，空壓機(jī)可以正常工作;相反，如果三相交流電源相位彼此互差不是120℃，那么顯示界面的綠色指示燈熄滅，TH221A的15腳輸出高電位信號，紅色相序出錯故障指示燈亮。16腳輸出低電位信號，G1管子處于截止?fàn)顟B(tài)，光電偶合器件TL521－1的3、4腳斷開，使G2管子處于截止?fàn)顟B(tài)，這樣，控制繼電器J線圈+12V電源沒有接通，對應(yīng)輸出控制接點J1、J2處于斷開狀態(tài)，按“起動”按鈕不能正常起動實現(xiàn)閉鎖。這時只需把隔離換相開關(guān)的手柄打到另一個方向即可。

圖3 相序識別保護(hù)原理圖

(6)增加小電流輸出回路及保護(hù)功能

應(yīng)用戶要求，當(dāng)空氣壓縮機(jī)的主驅(qū)動電動機(jī)正常工作時，其冷卻風(fēng)扇驅(qū)動電動機(jī)也需正常工作，故在交流真空接觸器輸出端引出三根電源線控制冷卻風(fēng)扇驅(qū)動電動機(jī)的工作，且在輸出端串接綜合保護(hù)裝置ZB2的電流互感器TA2，由綜合保護(hù)裝置ZB2來完成對冷卻風(fēng)扇驅(qū)動電動機(jī)的各種保護(hù)功能。保護(hù)器的電流整定范圍為2.7～40A分為四檔，每檔電流細(xì)分為10小檔可調(diào)。

3 設(shè)計方案的實施

3.1 相序識別保護(hù)線路的試驗

依據(jù)對應(yīng)原理圖購買相應(yīng)的器件，器件篩選合格后在面包板上連接線路、通電試驗。修正設(shè)計線路及參數(shù)的不足之處，最終確定合理線路及參數(shù)。依據(jù)線路，對照實物設(shè)計出對應(yīng)的PCB線路板，確定引入、引出接線方式及插件外殼形狀和大小尺寸。

3.2 小電流輸出保護(hù)功能的試驗

利用JDB－80C保護(hù)裝置對小電流輸出回路進(jìn)行保護(hù)，由于JDB－80C的電流整定范圍為5.5～80A之間四檔，而冷卻風(fēng)扇驅(qū)動電動機(jī)功率小，保護(hù)器的保護(hù)范圍有些大，保護(hù)功能不能很好實現(xiàn)。為此，我們通過將穿過電流互感器的母線繞兩圈的方式取電流信號，通過加電流試驗，最后確定綜合保護(hù)裝置的電流整定范圍為2.7～40A之間四檔，每檔電流又細(xì)分為10小檔可調(diào)。具體分檔電流與刻度電流對應(yīng)整定值如圖4所示。

圖4 分檔電流與刻度電流對應(yīng)表

3.3 整機(jī)電性能試驗

在原礦用隔爆型真空電磁起動器的內(nèi)部找到相序保護(hù)插件的安裝位置，同時，在其接線腔確定控制冷卻風(fēng)扇電機(jī)的電源輸出方式。依據(jù)電氣控制原理圖繪制相應(yīng)的接線圖，依圖連接正確確認(rèn)無誤，通電進(jìn)行電性能試驗。

主要試驗項目有:

(1)介電性能:技術(shù)要求:主回路:絕緣電阻:≥100MΩ;耐壓值:4200V/1min無擊穿或閃絡(luò)。

(2)相序保護(hù)性能試驗

工作電壓在75% ～110%Ue范圍內(nèi)，起動器在三相電源相序正常時，綠色正常指示燈亮，同時，按“起動”按鈕起動器可以正常合閘運(yùn)行;將隔離換相開關(guān)手把打到相反方向，綠色正常指示燈滅，紅色故障指示燈亮，同時，按“起動”按鈕，起動器不能正常合閘運(yùn)行。同時，用萬用表檢測到相序保護(hù)模塊輸出對應(yīng)繼電器控制點J1、J2由閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)為斷開狀態(tài)，顯示器顯示相序出錯故障信息。

(3)溫度、壓力、斷油、斷水保護(hù)性能試驗

工作電壓在75%Ue～110%Ue范圍內(nèi)，在礦用隔爆型真空電磁起動器的接線腔對應(yīng)開關(guān)量輸入口用短接線對應(yīng)一一短接，表示溫度、壓力、斷油、斷水各開關(guān)為正常狀態(tài)，這時，按“起動”按鈕，起動器正常起動。當(dāng)依次斷開對應(yīng)短接線，模擬相應(yīng)故障狀態(tài)，起動器分?jǐn)啵瑫r，顯示相應(yīng)故障信息。

(4)小電流回路保護(hù)性能試驗

①電流試驗:依據(jù)分檔電流與刻度電流對應(yīng)表，設(shè)置回路正常工作電流。同時，把主回路三相串接在一起，外加大電流發(fā)生器的輸出端，按“起動”按鈕，起動器正常起動。然后在主回路中加相應(yīng)工作電流，工作一段時間后，把電流增加到正常工作電流的6倍，這時，起動器在約10s左右分閘，表明過載保護(hù)功能正常。

②絕緣電阻試驗

在主回路三相輸出端，將任意一相對地短接，這時按“起動”按鈕，起動器不能起動，表明漏電閉鎖功能正常。

(5)老化試驗

考慮到該保護(hù)功能借用穩(wěn)壓電源的+12V，擔(dān)心影響到綜合保護(hù)器的正常工作電源;故進(jìn)行24小時不間斷老化試驗。

4 小結(jié)

礦用隔爆型真空電磁起動器，在不改變原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能的基礎(chǔ)上，針對用戶具體要求，增加部分電性能功能，滿足不同用戶的使用要求，這是作為電器生產(chǎn)廠家必須面對的問題，同時，開創(chuàng)了礦用電器開關(guān)與其它煤礦設(shè)備配套使用的一種新模式。設(shè)備在使用中，運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，得到用戶的好評，并確立了長期合作意向。

[1]GB3836.1～4—2010爆炸性環(huán)境用電氣設(shè)備[S].

[2]MT111—2011礦用隔爆型低壓交流真空電磁起動器[S].

[3]國外電子元器件使用手冊[Z].