隔爆兼本質(zhì)安全型交流軟起動(dòng)器的控制電路設(shè)計(jì)

封秋燕，唐　亮

（1.國(guó)電永福發(fā)電有限公司，廣西 桂林541805；2.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

0　概述

我國(guó)礦用隔爆電氣的研制始上世紀(jì)五十年代。由仿制國(guó)外產(chǎn)品起步，逐漸形成我國(guó)自己的產(chǎn)品體系，完成了相關(guān)技術(shù)引進(jìn)、消化，改進(jìn)與新技術(shù)開發(fā)。我國(guó)軟起動(dòng)技術(shù)起步于80年代，部分國(guó)內(nèi)重點(diǎn)科研院所及高校對(duì)隔爆兼本安型礦用軟起動(dòng)器展開研制，其中如中煤科工集團(tuán)上海研究院、撫順研究院，防爆電氣南陽研究所等機(jī)構(gòu)皆成功研制出礦用隔爆軟起動(dòng)器；浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校也對(duì)軟起動(dòng)器控制技術(shù)展開了深入研究。煤炭行業(yè)國(guó)標(biāo)《礦用低壓交流軟起動(dòng)器》（MT/T943-2005）[1]發(fā)布后，礦用軟起動(dòng)器技術(shù)開發(fā)日益成熟、產(chǎn)品種類大幅增加。在國(guó)外，可控硅三相交流調(diào)壓電路出現(xiàn)在1970年的英國(guó)。經(jīng)過40多年的不斷發(fā)展，軟起動(dòng)技術(shù)已得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。軟起動(dòng)器代表產(chǎn)品有：AB公司（美國(guó)）低至315 kW高至2000kW的新型軟起動(dòng)器，西門子公司（德國(guó)）生產(chǎn)的用于不同功率的軟起動(dòng)器，此外還有艾默生、AEG、ABB等公司。這些公司現(xiàn)在已將單純的控制電壓電流的閉環(huán)控制方式發(fā)展到建立數(shù)學(xué)模型，如將磁場(chǎng)控制與矢量控制帶入變頻調(diào)速中，發(fā)展成為新型控制方法——轉(zhuǎn)矩控制。國(guó)外公司生產(chǎn)的產(chǎn)品在工作性能、起動(dòng)性能、元件可靠性等均處于領(lǐng)先水平。但大多數(shù)此類軟起動(dòng)器無防爆隔爆功能，且無法應(yīng)用于中高電壓等級(jí)的軟起動(dòng)器，其不適用井下高電壓等級(jí)且要求防爆的生產(chǎn)環(huán)境。

在煤礦生產(chǎn)中，異步電動(dòng)機(jī)主要用于拖動(dòng)采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)等大型礦山機(jī)械。為保障安全生產(chǎn)，異步電動(dòng)機(jī)的起停通常由采用三相可控硅調(diào)壓電路的軟起動(dòng)器控制。在井下爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中，軟起動(dòng)器置于隔爆腔體內(nèi)，可防止電機(jī)起停時(shí)產(chǎn)生的電火花與外界可燃?xì)怏w接觸，發(fā)生意外事故，從而保證井下工人及設(shè)備的安全。礦用隔爆兼本質(zhì)安全型交流軟起動(dòng)器采用變頻起動(dòng)是一種改變電機(jī)電壓及頻率達(dá)到調(diào)速目的的起動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)自由停車、軟停車及各種特殊要求的電機(jī)控制，有著極強(qiáng)的起動(dòng)性能?？煽毓柢浧饎?dòng)器在起動(dòng)電流不超過設(shè)定電流的基礎(chǔ)上，通過控制導(dǎo)通角不斷增加以升高電壓。變頻器具備電壓、頻率調(diào)節(jié)功能，但其成本較高且控制線路復(fù)雜。所以對(duì)于無調(diào)速要求的電機(jī)來說，可控硅調(diào)壓軟起動(dòng)器是首選。以QJR-400/1140（660）型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型交流軟起動(dòng)器為對(duì)象，設(shè)計(jì)軟起動(dòng)器的控制系統(tǒng)電路，包括調(diào)壓控制電路、電機(jī)綜合保護(hù)電路、單片機(jī)系統(tǒng)等電路?？刂齐娐酚布D如圖1所示。

圖1　控制電路硬件圖

1　調(diào)壓控制系統(tǒng)電路

電壓過零電路不僅作為為電壓過零信號(hào)檢測(cè)電路也作為相序檢測(cè)和缺相檢測(cè)。電路原理如圖2所示。電路中R、S、T連接三相電源，每一相都通過三個(gè)電阻進(jìn)行限流，采用多個(gè)電阻如：R31~R33串聯(lián)的目的是因?yàn)檫x型的電阻耐壓值較低為250 V，單各個(gè)電阻的耐壓值不能滿足礦用電壓等級(jí)，通過串聯(lián)分壓的形式才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。6N139是最高速度為100K bit/S的三極SCR輸出光電耦合器，在電路中IN4007為光耦提供反向電流保護(hù)，三相電源的電流經(jīng)限流后交替流過光耦輸入端，在光耦輸出端經(jīng)施密特觸發(fā)器兩次反相后（原理與電流過零信號(hào)檢測(cè)的光耦輸出端相同）用邏輯分析儀進(jìn)行測(cè)試分析，采集結(jié)果如圖3波形。

圖2　電壓過零信號(hào)檢測(cè)電路圖

圖3　電壓過零信號(hào)波形

根據(jù)電路原理可知，每相電壓過零信號(hào)的上升沿和下一下個(gè)上升沿之間為一個(gè)周期，周期時(shí)間為20 Ms，單片機(jī)采用每相波形的上升沿作為可控硅觸發(fā)的過零信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)在A相檢測(cè)波形的上升沿時(shí)刻對(duì)另外兩項(xiàng)的電平進(jìn)行檢測(cè)，假設(shè)B為0，C為1判定相序?yàn)檎?，則B為1，C為0可判定相序?yàn)榉葱?；?duì)每一相單位時(shí)間內(nèi)是否有電平變化，即可檢測(cè)判斷出主回路是否缺項(xiàng)。因此電路也是相序檢測(cè)和缺相檢測(cè)電路，即簡(jiǎn)化了檢測(cè)電路又降低了生產(chǎn)成本也提高了系統(tǒng)的可靠性。

2　電流過零信號(hào)檢測(cè)電路

電流過零信號(hào)，是檢測(cè)可控硅陽極與陰極之間的電壓來判斷主回路中電流是否過零，其目的讓MCU檢測(cè)出功率因素角和電機(jī)起動(dòng)時(shí)振蕩情況。電路原理如圖4所示。

圖4　電流過零檢測(cè)原理圖

電路中W、T分別連接到主回路中的其中組可控硅的兩端，在可控硅關(guān)斷時(shí)W、T兩端電壓為主回路的輸入電壓，電流通過R40和R41限流后，再經(jīng)過BR7整流后驅(qū)動(dòng)6N139光耦的內(nèi)部發(fā)光二極管，此時(shí)輸出端電平為低；當(dāng)可控硅被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)W、T兩端電壓為零，關(guān)耦輸出電平為高。下面為用邏輯分析儀采集到的幾種狀態(tài)的波形（圖5）：

圖5　電流過零波形圖

3　可控硅觸發(fā)電路

可控硅組件的選型也是本課題的一個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)，經(jīng)過樣品比較測(cè)試最終選擇KP800-42型可控硅組件。該組件執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為：JB/T 5838-1991[2]，JB/T 5839-1991[3]。根據(jù)可控硅組件所提供的測(cè)試參數(shù)和建議值設(shè)計(jì)的可控硅觸發(fā)方案為MOC集成驅(qū)動(dòng)觸發(fā)電路，如圖6所示。在此以A相反向并聯(lián)的兩個(gè)可控硅的觸發(fā)電路為例說明原理，B相和C相原理相同，這里不再贅述。其中G1和G2與兩個(gè)可控硅門級(jí)相連接，當(dāng)A相處于正半波，電流從G1經(jīng)電阻限流后，流過被控全部導(dǎo)通的MOC3052后到達(dá)G2，此時(shí)可控硅門極與陰極為正向偏置，可控硅被觸發(fā)導(dǎo)通。A相的負(fù)半波觸發(fā)原理相同。MOC3052的耐壓值只有240 V，為滿足1 140 V的設(shè)計(jì)要求，電路采用6個(gè)MOC3052串聯(lián)，并且通過R6~R11進(jìn)行分壓處理，達(dá)到耐壓要求。電路采用兩級(jí)光電隔離來提高觸發(fā)電路的可靠性，其中R1、C1、D1組成一個(gè)約2 s的延時(shí)電路，目的是在控制單片機(jī)剛上電時(shí)，單片機(jī)的IO口處于不確定狀態(tài)，通過延時(shí)來避免剛上電時(shí)對(duì)可控硅的誤觸發(fā)。該電路方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)潔、電路體積小，成本低，可實(shí)現(xiàn)三路脈沖觸發(fā)模式。

圖6　MOC集成驅(qū)動(dòng)觸發(fā)原理圖[4]

4　漏電檢測(cè)電路

根據(jù)MT/T943-2005礦用低壓交流軟起動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)，第4.13.1條主電路漏電閉鎖的保護(hù)性能試驗(yàn)的要求。當(dāng)主電路絕緣電阻低于試驗(yàn)規(guī)定值時(shí)，保護(hù)器需完成漏電閉鎖動(dòng)作。當(dāng)絕緣電阻增大到規(guī)定值的1.5倍解除閉鎖。1 140 V/660 V的規(guī)定值為40 k/22 k，允許誤差為+20%.漏電閉鎖檢測(cè)電路涉及到1 140 V/660 V等級(jí)的電壓，因此電路必須與MCU之間進(jìn)行隔離處理，設(shè)計(jì)的方案是通過獨(dú)立供電、光電隔離模擬信號(hào)，具體電路如圖7.

圖7　漏電檢測(cè)原理圖

電路中R17連接至電機(jī)其中一相，R66提供一個(gè)高壓偏置，當(dāng)發(fā)生漏電時(shí)，漏電電阻和測(cè)試保護(hù)電阻R71串聯(lián)會(huì)將點(diǎn)位下拉，C42為信號(hào)濾波，D4為穩(wěn)壓二極管。LM293其中A運(yùn)放作為電壓跟隨，B運(yùn)放和光耦以及外圍原件組成對(duì)光耦的線性處理，利于TLP2來延長(zhǎng)光耦的電流傳輸比線性區(qū)域，利于光耦電流傳輸比較穩(wěn)定的一段來傳輸模擬信號(hào)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)中允許誤差為+20%和1.5倍解鎖值，對(duì)精度的要求并不是很高，信號(hào)在AD轉(zhuǎn)換后通過查表方式進(jìn)一步進(jìn)行線性處理后進(jìn)行積分計(jì)算和判斷輸出，滿足設(shè)計(jì)要求，并且簡(jiǎn)化了電路、降低了成本，并且漏電電阻值可以量化并且在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示，比市面上常用的漏電檢測(cè)電路更具有優(yōu)勢(shì)。

5　結(jié)論

（1）本研究所涉及的軟起動(dòng)器完全達(dá)到國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，通過相關(guān)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)定，并已取得國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心頒發(fā)的MA標(biāo)志。

（2）可控硅三路觸發(fā)電路采用兩級(jí)光電隔離，通過R1、C1、D1組成一個(gè)約2 s的延時(shí)電路，以避免剛上電時(shí)對(duì)可控硅的誤觸發(fā)，提高了觸發(fā)電路的可靠性。