礦用架線停送電開關(guān)的數(shù)字化改造

李群富

摘? 要：本文針對目前直流架線電機(jī)車使用的架線停送電開關(guān)存在的可控時間精度差、可靠性差、電壓適應(yīng)性差等問題，對模擬式的停送電開關(guān)進(jìn)行了數(shù)字化改造，實(shí)現(xiàn)了礦用架線停送電開關(guān)的通用性和高可靠性。

關(guān)鍵詞：礦用;停送電開關(guān);數(shù)字式

中圖分類號：TD64? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

現(xiàn)有井下車場直流架線自動停送電裝置普遍采用的是基于模擬放大電路的控制技術(shù)，這種方式由于采用模擬控制方式，在響應(yīng)時間和工作效率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，造成極大的不安全隱患。此種產(chǎn)品的缺點(diǎn)是可控時間精度差、可靠性差、電壓適應(yīng)性差。目前國內(nèi)采用的直流架線停送電開關(guān)有徐州金科電子設(shè)備有限公司和唐山現(xiàn)代電器廠生產(chǎn)的兩種型號，都采用普通直流接觸器作為主控開關(guān)，適應(yīng)電流小、易拉弧氧化、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壽命短和故障率高的情況，無法正常使用。

在直流架線自動停送電裝置的構(gòu)成上較理想的發(fā)展趨勢是采用架線電流來檢測機(jī)車的位置，控制回路采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，主回路采用晶閘管或IGBT等電力電子器件，聲光顯示電路需要寬輸入電壓、高可靠性的開關(guān)電源，有必要對模擬轉(zhuǎn)置進(jìn)行改造，研制新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流架線自動停送電裝置，以滿足工業(yè)現(xiàn)場可靠性、安全性的需要。

1 硬件設(shè)計

本數(shù)字式礦用架線自動停送電開關(guān)裝置由控制電路、主電路和聲光顯示電路三大部分構(gòu)成。具體又分為采樣電路、信號放大電路、單片機(jī)系統(tǒng)、IGBT驅(qū)動電路、功率放大電路、語音提示控制電路、語音電路、燈光顯示控制電路、燈光顯示電路、寬輸入多路輸出開關(guān)電源10個部分。

1.1 采樣電路和控制電路設(shè)計

采樣電路采用兩個300A的電力二極管進(jìn)行采樣?？刂齐娐啡鐖D1所示，架線電源接穩(wěn)壓管D4，然后串接20個56K的電阻串并聯(lián)構(gòu)成電阻降壓網(wǎng)絡(luò)后接電源的負(fù)極，使穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為12V，給PNP三極管S9012提供電源。兩個ZP300A采樣二極管的壓降大于Q1的導(dǎo)通電壓時三極管Q1導(dǎo)通。當(dāng)三極管Q1導(dǎo)通后，進(jìn)入光耦隔離器件TLP181，輸出端有流過電阻R30的電流Ic產(chǎn)生，從而使Vout的電壓拉低，使進(jìn)入控制電路單片機(jī)STC15F104W管腳8的輸入信號為低電平。單片機(jī)內(nèi)部的程序?qū)ζ溥M(jìn)行判斷，若輸入單片機(jī)的信號持續(xù)時間超過設(shè)定的延時時間5s，則判斷架線電機(jī)車停止，單片機(jī)管腳7的輸出信號為低電平。低電平信號經(jīng)電阻R31進(jìn)入三極管Q2的基極，R31起限流作用，三極管Q2飽和導(dǎo)通+5V電源加到繼電器線圈的兩端，繼電器吸合，其內(nèi)部的常開觸點(diǎn)閉合，使IGBT驅(qū)動芯片的輸入控制信號Q2接地。此時，驅(qū)動芯片的輸入信號為0，則使得IGBT的輸出信號也為0。

1.2 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計

IGBT的驅(qū)動電路采用HCPL-316J驅(qū)動芯片，當(dāng)IGBT的驅(qū)動電路輸入控制信號處于QD懸空時，高電平信號進(jìn)入HCPL-316J的管腳1即正向信號輸入端，驅(qū)動信號輸出端輸出高電平信號。高電平信號經(jīng)對稱推挽功率放大電路后驅(qū)動IGBT模塊開通，斷電架線區(qū)域此時處于有電狀態(tài)。否則IGBT模塊處于關(guān)斷狀，斷電區(qū)域架線此時處于無電狀態(tài)。

1.3 語音電路設(shè)計

由于該裝置為礦用型設(shè)備，所以裝置所處的環(huán)境較為惡劣，且礦井下聲音嘈雜，需要安全可靠的語音電路和大功率的揚(yáng)聲器，用于提醒上下車人員架線已停電，可以安全上下車。該語音電路兼有報站功能，可以提醒人員提前做好下車準(zhǔn)備，大大提高礦用電機(jī)車的運(yùn)行效率。綜合考慮各種因素，最終決定采用的方案是語音芯片和功放芯片的組合電路。因?yàn)閮H僅依靠語音芯片來直接驅(qū)動揚(yáng)聲器，功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠驅(qū)動大功率的揚(yáng)聲器，不能達(dá)到較好的語音效果，所以采用對音頻信號進(jìn)行功率放大，然后再由揚(yáng)聲器輸出，這樣使得語音提示更加響亮，確保每個人員都能夠聽到、聽清楚，提高礦井下運(yùn)輸線路的效率。

語音芯片處于平時有電狀態(tài)，但是因?yàn)樵撔酒妮斎胗|發(fā)腳需要等待來自單片機(jī)處理過的控制信號的觸發(fā)，故在觸發(fā)信號未到來之前，語音芯片不會對外輸出語音信號，這個設(shè)計在一定程度上降低了語音電路錯報、誤報的概率，提高了整個開關(guān)裝置的可靠性。

1.4 LED顯示電路設(shè)計

本次設(shè)計的架線自動停送電開關(guān)采用了LED顯示電路，在斷電區(qū)域架線停電時顯示“無電”，斷電架線區(qū)域沒有停電時顯示“有電”。

LED顯示電路如圖2所示。電路的工作原理為，電路左端的端子接IGBT模塊的E端，該電路屬于平時有電狀態(tài)。當(dāng)IGBT模塊正常導(dǎo)通時，架線電源經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)降壓后，借助電解電容C1使得穩(wěn)壓管D1的電壓穩(wěn)定在25V左右，繼電器K2和K3的線圈得電，兩個繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開。若架線電機(jī)車經(jīng)過或沒有通過該站，繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，LED顯示電路顯示“有電”。

2 軟件設(shè)計

本次設(shè)計的主要特點(diǎn)是采用數(shù)字電路進(jìn)行控制，所以單片機(jī)程序的編寫質(zhì)量決定了該自動停送電開關(guān)裝置是否能正常工作。因所需的控制方式較為簡單，即需要的I/O口數(shù)、定時器、計數(shù)器和外部中斷也較少，所以使用了8腳的單片機(jī)STC15F104W。主程序流程圖如圖4所示?；镜某绦蜻壿嬍牵寒?dāng)單片機(jī)管腳8輸入為高電平時或低電平持續(xù)時間小于設(shè)定的延時時間，管腳7要輸出高電平，管腳1輸出低電平，管腳3輸出低電平;當(dāng)單片機(jī)管腳8輸入低電平且持續(xù)時間超過5s時，管腳7輸出低電平，管腳1輸出高電平，管腳3輸出低電平;當(dāng)單片機(jī)管腳8輸入由低電平變?yōu)楦唠娖?，管腳1輸出低電平，管腳3輸出高電平。一共是有3種對應(yīng)的工作狀態(tài)，管腳8對應(yīng)P3.3，管腳7對應(yīng)P3.2，管腳1對應(yīng)P3.4，管腳3對應(yīng)P3.5。軟件流程圖如圖3所示。

結(jié)論

改造主要考慮以下幾個方面：

一是通用性。目前礦用架線電機(jī)車有250V和550V兩種型號，分別采用了KKZI型（直流250V）和KKZⅡ型（直流550V）的自動停送電開關(guān)來滿足不同的需要。本次改造的目的之一是用一種型號的停送電開關(guān)滿足不同的電壓等級礦用架線電機(jī)車的需要。這可以通過選取高耐壓等級的IGBT（1200V）和寬電壓輸入（100V～800V）的開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn)。

二是高可靠性。模擬式的自動停送電開關(guān)在可靠性方面的不足主要是其模擬電路的復(fù)雜性及主回路采用了直流接觸器，接觸器的觸點(diǎn)很容易被電弧灼傷，而灼傷后的觸點(diǎn)就會造成接觸不良，導(dǎo)致不能正常的通斷電。采用單片機(jī)控制和主回路采用無觸點(diǎn)的IGBT可以避免這一缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動停送電開關(guān)的高可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒甲，程紅，楊曉輝.基于數(shù)字控制的架線自動停送電裝置的設(shè)計[J].煤炭工程，2012（7）：118-120.

[2]趙金明，毛寶霞，張豪.KKJ-100/500型直流架線分區(qū)開關(guān)的設(shè)計和應(yīng)用[J].中州煤炭，2010（5）：26-27.

[3]蘇偉，鐘玉林，劉鈞，等.基于HCPL-316J的IGBT過流保護(hù)研究[J].電工電能新技術(shù)，2014，4（4）：67-80.