礦用電磁啟動器系統(tǒng)設(shè)計研究

張麗霞

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備科工安全儀器有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000）

引言

目前，電磁啟動器被廣泛應(yīng)用于井下通風(fēng)機(jī)、電機(jī)、照明等設(shè)備，實現(xiàn)對各供電線路短路、過載、漏電等故障的保護(hù)，其性能的好壞直接影響著煤礦環(huán)境的運行安全。然而，現(xiàn)有煤礦環(huán)境中使用的電磁啟動器存在功能單一、安全性較低等問題，在井下線路發(fā)生漏電、短路時不能有效、及時、高效的進(jìn)行處理[1]，電磁啟動器實物圖如圖1所示。因此，提高井下供電線路的安全性，開展礦用電磁啟動器系統(tǒng)設(shè)計研究尤為重要。結(jié)合井下供電線路的實際工作狀態(tài)，分析了電磁啟動器結(jié)構(gòu)組成及工作原理及在設(shè)計過程實時性、可靠性、準(zhǔn)確性等性能要求，開展了電磁啟動器系統(tǒng)的總體方案設(shè)計及硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計特點，對所設(shè)計的電磁啟動器系統(tǒng)功能及系統(tǒng)工作原理進(jìn)行了分析說明，所設(shè)計電磁啟動器系統(tǒng)具有較高的可靠性和安全性，能滿足現(xiàn)有井下供電線路的使用需求。該研究為后期開展電磁啟動器的系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)奠定了理論基礎(chǔ)，對提高電磁啟動器系統(tǒng)的保護(hù)性能和井下供電安全具有重要意義。

圖1 電磁啟動器實物圖

1 電磁啟動器結(jié)構(gòu)組成及工作原理

電磁啟動器又稱磁力啟動器，主要由主控板、微處理器、電流傳感器、鍵盤、顯示屏、主控板等部件組成，具有較高的可靠性、實時性和準(zhǔn)確性，可將其分為逆型和不可逆型兩種型式。其中，可逆電磁啟動器能控制電動機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，而不可逆電磁啟動器只可實現(xiàn)電動機(jī)的單方向旋轉(zhuǎn)控制，目前使用較多的是可逆電磁啟動器[2]。電磁啟動器主要通過三相母線獲取電壓信號，主控板作為電磁啟動器的重要部件，可完成對模擬電量的內(nèi)部運算，并將處理分析好的電流、電壓等值通過顯示屏進(jìn)行顯示，并對井下線路保護(hù)過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行判斷，實現(xiàn)與整個監(jiān)測系統(tǒng)的通訊連接[3]。另外，通過鍵盤可完成對電磁啟動器各項功能的操作和編制，完成監(jiān)測系統(tǒng)對整個裝置的試驗測試。同時，電磁啟動器中設(shè)計了變壓器，通過該變壓器可將380 V、660 V等高壓信號轉(zhuǎn)換成220 V、12 V等低壓信號，實現(xiàn)對控制板的電源供應(yīng)。電磁啟動器的工作原理圖如圖2所示。

圖2 電磁啟動器工作原理圖

2 電磁啟動器設(shè)計要求

2.1 實時性要求

電磁啟動器作為井下線路保護(hù)中的重要裝置，要求其具有較高的實時性，能對實際工作中的監(jiān)測信號進(jìn)行快速反應(yīng)，在充分考慮時間因素情況下，將采集的信號進(jìn)行快速分析與處理，實現(xiàn)對各類信號的快速輸出[4]。

2.2 可靠性要求

在電磁啟動器設(shè)計過程中，各零部件均應(yīng)采用國家認(rèn)可監(jiān)測的合格產(chǎn)品，在完成各部件的組裝后，應(yīng)對該裝置的各部件及整體功能進(jìn)行反復(fù)試驗，以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為依據(jù)，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由此確保該裝置在各種復(fù)雜煤礦環(huán)境下的可靠性要求。

2.3 準(zhǔn)確性要求

由于電磁啟動器需通過自身傳感器及信號采集系統(tǒng)對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響著礦用監(jiān)測系統(tǒng)的性能。因此，在電磁啟動器設(shè)計過程中，應(yīng)保證裝置的監(jiān)測精度，減少裝置誤差，并充分考慮數(shù)據(jù)處理精度及外部環(huán)境影響，對裝置進(jìn)行綜合匹配設(shè)計，設(shè)置精度系數(shù)，從而保證電磁啟動器裝置所分析、處理及輸出信號的準(zhǔn)確性[5]。

3 電磁啟動器系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

結(jié)合井下線路實際工作狀態(tài)及各類故障問題，對電磁啟動器進(jìn)行了總體方案設(shè)計。所設(shè)計的方案能對井下供電線路上的各類信號參數(shù)進(jìn)行檢測與計算，并通過與上位機(jī)的通訊，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的交換，實現(xiàn)對井下線路的監(jiān)控和保護(hù)。因此，所設(shè)計的電磁啟動器系統(tǒng)的主要功能如下：

3.1.1 信號調(diào)理功能

由于電磁啟動器所監(jiān)測的信號電流值較多，從30 A～4500 A的電流值均有，而現(xiàn)有傳感器的監(jiān)測范圍較小，無法滿足較大范圍波動電流數(shù)據(jù)的監(jiān)測與分析，而電流值過大或過低均會影響整套裝置的監(jiān)測精度和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時也會導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的誤差較大。因此，在電磁啟動器系統(tǒng)中，設(shè)計了信號調(diào)理模塊，通過該模塊對傳感器監(jiān)測的各類數(shù)據(jù)信號進(jìn)行放大、濾波等處理，以實現(xiàn)對不同范圍電流值的信號調(diào)理。

3.1.2 保護(hù)功能

保護(hù)功能作為電磁啟動器的重要功能，對井下供電線路的保護(hù)起到重要作用。該功能針對電磁啟動器短路、缺相、漏電等各類故障進(jìn)行快速保護(hù)。當(dāng)井下線路出現(xiàn)過壓、過載、過流等故障時，電磁啟動器采用反時限的策略，對系統(tǒng)進(jìn)行延時保護(hù)；當(dāng)井下線路出現(xiàn)電壓過低并低于了線路額定電壓的60%時，電磁啟動器通過開關(guān)跳閘的方式對線路進(jìn)行欠壓保護(hù)。由此，可實現(xiàn)電磁啟動器對井下供電線路的安全保護(hù)[6]。

3.1.3 數(shù)據(jù)采集判斷功能

所設(shè)計的電磁啟動器設(shè)計了穿心電流互感器，可對進(jìn)行供電線路中的電壓、電流等各類信號進(jìn)行實時采集，并通過自身的判斷方程將監(jiān)測的信號與設(shè)定閥值進(jìn)行判斷，實現(xiàn)對信號的輸出，為供電線路的故障判斷提供有力的依據(jù)。

因此，根據(jù)前文設(shè)計的功能，結(jié)合井下實際工況，完成了電磁啟動器的系統(tǒng)總體方案設(shè)計，其方案如圖3所示。

3.2 電磁啟動器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合前文所設(shè)計的電磁啟動器系統(tǒng)，因此，對其硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。該硬件結(jié)構(gòu)主要包含如下幾個功能模塊。電磁啟動器硬件結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計如圖4所示。

圖3 電磁啟動器系統(tǒng)總體方案

圖4 電磁啟動器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

1）系統(tǒng)的微處理主要由時鐘電路、DSPTMS320LF2404A及復(fù)位電路組成，形成了電磁啟動器中最小的功能系統(tǒng)；

2）數(shù)據(jù)采集判斷模塊主要是由穿心式電流互感器、信號放大電路、電壓傳感器、A/D轉(zhuǎn)換等不同功能的模塊組成；

3）設(shè)計了FMCL6模塊可實現(xiàn)故障信號的故障存儲，PF563模塊可實現(xiàn)故障信號的實時時鐘功能；

4）通過設(shè)計鍵盤和液晶顯示，實現(xiàn)了電磁啟動器的人機(jī)對話功能；

5）設(shè)計了多路采集開關(guān)，結(jié)合2路開關(guān)量，通過繼電器，實現(xiàn)物料信號的輸入輸出功能。

其主要工作原理為：該系統(tǒng)將監(jiān)測的電流、電壓、絕緣電阻等信號傳遞至DSP，通過A/D轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)的運算處理，對線路中的電流、電壓等信號進(jìn)行故障判斷，若發(fā)生故障，則系統(tǒng)的主回路發(fā)出合閘指令，并將故障信號顯示于液晶顯示屏上；若未發(fā)生故障，則系統(tǒng)正常運行啟動，并通過信號調(diào)理模塊，將有用信號進(jìn)行調(diào)理篩選，通過DSP計算處理后，將正常運行的電流、電壓、絕緣電壓等信號顯示于顯示屏上。同時，通過鍵盤和液晶顯示屏的合理匹配，完成對線路的監(jiān)測保護(hù)和人機(jī)對話。由此，完成電磁啟動器的正常運行功能。

4 結(jié)論

結(jié)合井下供電線路的實際工作狀態(tài)，明確了設(shè)計方案的思路和宗旨，電磁啟動器實時性、可靠性、準(zhǔn)確性確保井下供電線路信號與上位機(jī)進(jìn)行交換，實現(xiàn)井下線路監(jiān)控和保護(hù)。該研究為后期開展電磁啟動器的系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)奠定了理論基礎(chǔ)，以便后期上線測試使用，對提高電磁啟動器系統(tǒng)的保護(hù)性能和井下供電安全具有重要意義。