改進(jìn)型保安操縱箱電磁鐵技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)方法研究

邱旺成，王亮，蘇琴，楊輝，王昌志，曾游欽

（1.中國(guó)長(zhǎng)江動(dòng)力集團(tuán)有限公司，武漢 430200；2.武漢理工大學(xué)，武漢 430070）

0 引言

保安操縱箱是汽輪機(jī)保安系統(tǒng)中的控制和試驗(yàn)操縱裝置[1]。我公司生產(chǎn)的汽輪機(jī)上常用的保安操縱箱有2種型號(hào)，分別是接220 V交流電源的A型和接220 V直流電源的B型。兩種型號(hào)保安操縱箱外觀基本一樣，僅電磁鐵型號(hào)不同，曾因電磁鐵混淆而導(dǎo)致燒壞，使保安操縱箱無(wú)法工作，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的正常運(yùn)行。

改進(jìn)后的保安操縱箱保持機(jī)械部分外觀不變，僅對(duì)電磁鐵部分進(jìn)行了改進(jìn)，增加了電氣控制單元，實(shí)現(xiàn)了無(wú)論接220 V交流電源還是接直流電源，均可使保安操縱箱正常穩(wěn)定工作。由于市場(chǎng)上沒(méi)有專門的保安操縱箱電磁鐵技術(shù)參數(shù)檢測(cè)工具，判斷其是否滿足設(shè)計(jì)要求成了困擾我們的難題。本文介紹了一種簡(jiǎn)便高效的檢測(cè)方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了逐一檢測(cè)。

1 電磁鐵主要技術(shù)參數(shù)

1.1 工作原理

改進(jìn)后的保安操縱箱電磁鐵特點(diǎn)在于：通過(guò)控制單元將輸入的220 V交流電源轉(zhuǎn)換成直流電，使電磁鐵得電動(dòng)作，而當(dāng)輸入的是220 V的直流電源時(shí)，控制單元無(wú)需轉(zhuǎn)換，直接使電磁鐵動(dòng)作，以此實(shí)現(xiàn)了交直流電源通用，只要確保電源電壓在額定范圍內(nèi)，均可使保安操縱箱正常穩(wěn)定工作。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)輸入，改進(jìn)后的保安操縱箱電磁鐵主要技術(shù)參數(shù)如下：1）額定工作電壓。交流電壓（220±22）V，50～60 Hz或直流電壓（220±22）V，電源電壓高低對(duì)電磁鐵動(dòng)作時(shí)間有很大影響[2-3]。2）額定電壓下電磁鐵的啟動(dòng)時(shí)間≤300 ms，電磁鐵啟動(dòng)時(shí)間的定義為“從給電磁鐵施加勵(lì)磁電壓開始，到動(dòng)鐵芯與靜鐵芯吸合，動(dòng)鐵芯完成這段位移所需的時(shí)間”[4]，電磁鐵動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間是衡量電磁鐵的重要性能指標(biāo)之一[5]。3）電磁鐵額定牽引力≥50 N，這是為保證銜鐵能夠克服反力，從初始位置上起動(dòng)所必需的電磁吸力[6]。4）通電30 min，電磁鐵溫升≤20 ℃。5）工作環(huán)境溫度為-10～+75 ℃。

2 技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)

為了驗(yàn)證此改進(jìn)型保安操縱箱電磁鐵的主要技術(shù)參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求，本文通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)條件并以逐個(gè)檢測(cè)的方式來(lái)驗(yàn)證。其中，對(duì)于額定工作電壓的檢測(cè)，使用合格的萬(wàn)用表測(cè)量即可，本文不再贅述。以下主要介紹電磁鐵的啟動(dòng)時(shí)間、牽引力大小、電磁鐵溫升及工作環(huán)境溫度等技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)方法。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件的建立

1）參照萬(wàn)書亭等[7]提出的一種利用振動(dòng)信號(hào)提取斷路器合閘過(guò)程中運(yùn)動(dòng)時(shí)間參數(shù)的方法，測(cè)定額定電壓下電磁鐵啟動(dòng)時(shí)間。由于要求電磁鐵的啟動(dòng)時(shí)間≤300 ms，無(wú)法通過(guò)常規(guī)的計(jì)時(shí)器檢測(cè)，因此設(shè)計(jì)了專用的電子計(jì)時(shí)系統(tǒng)。在保安操縱箱電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)上安裝擋塊，保安操縱箱動(dòng)作至最大開度時(shí)，行程末端的光電開關(guān)sw1可以捕捉到即時(shí)的狀態(tài)變化并傳入單片機(jī)內(nèi)，采集程序標(biāo)記末端觸發(fā)時(shí)間為T1；保安操縱箱電磁鐵動(dòng)作觸發(fā)時(shí)的狀態(tài)變化信號(hào)同樣通過(guò)啟動(dòng)開關(guān)的觸點(diǎn)傳入單片機(jī)內(nèi)，標(biāo)記開始時(shí)間為T0。由單片機(jī)計(jì)算兩次信號(hào)的時(shí)間差T=T1-T0，即為電磁鐵執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間[8]。檢測(cè)的過(guò)程參數(shù)和計(jì)算結(jié)果，通過(guò)串口通信接口輸出至上位機(jī)。單片機(jī)采集系統(tǒng)電路原理如圖1所示，控制流程如圖2所示。

圖1 電路原理圖

圖2 控制流程圖

另外，為方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和記錄，開發(fā)了一款保安操縱箱電磁鐵技術(shù)參數(shù)測(cè)試軟件，界面如圖3所示。

圖3 技術(shù)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)軟件

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，并進(jìn)行表格化顯示、儲(chǔ)存，可有效提高測(cè)試的精度和效率。

2）電磁鐵額定牽引力的測(cè)定。按照電磁鐵額定電壓下牽引力≥50 N的要求，在保安操縱箱電磁鐵杠桿處懸掛5.1 kg標(biāo)準(zhǔn)砝碼，若電磁鐵能夠正常動(dòng)作，且啟動(dòng)時(shí)間也滿足≤300 ms的要求，即說(shuō)明電磁鐵的牽引力滿足要求。

3）通電30 min，測(cè)定電磁鐵溫升。在額定電壓下，使電磁鐵處于常閉狀態(tài)下30 min，使用測(cè)溫槍測(cè)量電磁鐵線圈處通電前后的溫差值，即為電磁鐵的溫升。

4）工作環(huán)境溫度的測(cè)定。將保安操縱箱置于80 ℃高溫的烘箱中，在額定工作電壓下檢測(cè)保安操縱箱是否正常動(dòng)作，以及動(dòng)作時(shí)間是否滿足要求，即可判定其耐高溫情況，低溫環(huán)境檢測(cè)方法類似，本文不再贅述。

綜上所述，改進(jìn)型保安操縱箱電磁鐵主要技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)可以分為常溫環(huán)境通交流電源工況（簡(jiǎn)稱工況1）、常溫環(huán)境通直流電源工況（簡(jiǎn)稱工況2）、80 ℃環(huán)境通交流電源工況（簡(jiǎn)稱工況3）和80 ℃環(huán)境通直流電源工況（簡(jiǎn)稱工況4），下面分別介紹4種工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 常溫環(huán)境通交流電源工況

在室溫20 ℃的環(huán)境下，將保安操縱箱電磁鐵接通220 V 交流電源，通過(guò)技術(shù)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，分別測(cè)試空載和懸掛5.1 kg 砝碼狀態(tài)下電磁鐵的啟動(dòng)時(shí)間，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：保安操縱箱電磁鐵杠桿處懸掛5.1 kg標(biāo)準(zhǔn)砝碼，電磁鐵平均啟動(dòng)時(shí)間是121 ms；空負(fù)荷時(shí)，電磁鐵平均啟動(dòng)時(shí)間是49 ms。因此，工況1電磁鐵的啟動(dòng)時(shí)間和牽引力大小均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 工況1電磁鐵的啟動(dòng)時(shí)間

接通交流電源30 min后，檢測(cè)通電前后電磁鐵的溫升情況，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出：通電30 min，電磁鐵的平均溫升只有4.7 ℃，工況1電磁鐵的溫升情況滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 工況1電磁鐵的溫升統(tǒng)計(jì)表 ℃

2.3 常溫環(huán)境通直流電源工況

在室溫20 ℃的環(huán)境下，將保安操縱箱電磁鐵接通220 V直流電源，按照上述方法，分別測(cè)量電磁鐵的啟動(dòng)時(shí)間，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：工況2帶5.1 kg 負(fù)載時(shí)，電磁鐵平均啟動(dòng)時(shí)間是262 ms；空負(fù)荷時(shí)，電磁鐵平均啟動(dòng)時(shí)間是58.2 ms。因此，工況2電磁鐵的啟動(dòng)時(shí)間和牽引力大小均滿足要求。

圖5 工況2電磁鐵的啟動(dòng)時(shí)間

接通直流電源30 min后，檢測(cè)通電前后電磁鐵的溫升情況，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 工況2電磁鐵的溫升統(tǒng)計(jì)表 ℃

從表2可以看出：通電30 min，電磁鐵的平均溫升只有3.4 ℃，工況2電磁鐵的溫升情況滿足要求。

2.4 80 ℃環(huán)境通交流電源工況

在高溫80 ℃的環(huán)境下，接通220 V交流電源，按照上述方法，分別測(cè)量電磁鐵的啟動(dòng)時(shí)間，結(jié)果如圖6所示。

圖6 工況3電磁鐵的啟動(dòng)時(shí)間

由圖6可知：工況3帶5.1 kg負(fù)載時(shí)，電磁鐵平均啟動(dòng)時(shí)間是124 ms；空負(fù)荷時(shí)，電磁鐵平均啟動(dòng)時(shí)間是49 ms。因此，工況3保安操縱箱電磁鐵的耐高溫程度滿足設(shè)計(jì)要求。

接通交流電源30 min后，檢測(cè)通電前后電磁鐵的溫升情況，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 工況3電磁鐵的溫升統(tǒng)計(jì)表 ℃

從表3可以看出：通電30 min，此時(shí)電磁鐵的平均溫升只有4.6 ℃，工況3保安操縱箱在高溫環(huán)境下，電磁鐵的溫升情況滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 80 ℃環(huán)境通直流電源工況

在高溫80 ℃的環(huán)境下，接通220 V直流電源，按照上述方法，分別測(cè)量電磁鐵的啟動(dòng)時(shí)間，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：工況4帶5.1 kg 負(fù)載時(shí)，電磁鐵平均啟動(dòng)時(shí)間為264.6 ms；空負(fù)荷時(shí)，電磁鐵平均啟動(dòng)時(shí)間為59.8 ms。因此，工況4保安操縱箱電磁鐵的耐高溫程度滿足要求。

圖7 工況4電磁鐵的啟動(dòng)時(shí)間

接通直流電源30 min后，檢測(cè)通電前后電磁鐵的溫升情況，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 工況4電磁鐵的溫升統(tǒng)計(jì)表 ℃

從表4可以看出：通電30 min，此時(shí)電磁鐵的平均溫升只有4.1 ℃，工況4保安操縱箱在高溫環(huán)境下，電磁鐵的溫升情況滿足要求。

從上述4種工況可以看出，接交流電源時(shí)，保安操縱箱電磁鐵的動(dòng)作時(shí)間要比接直流電源時(shí)的短，尤其是帶了5.1 kg的負(fù)載時(shí)，更加明顯。這是因?yàn)槭軠y(cè)試條件所限，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有220 V的直流電源，是通過(guò)電氣工程師自制的電源轉(zhuǎn)換模塊，將220 V的交流電源轉(zhuǎn)換成220 V的直流電源后再接入保安操縱箱電磁鐵技術(shù)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，電源轉(zhuǎn)換過(guò)程中的時(shí)間損耗所致。

另外，在模擬高溫80 ℃的環(huán)境下進(jìn)行工況3和工況4的檢測(cè)，由于烘箱的溫度設(shè)定為80 ℃，但是保安操縱箱通電30 min后，電磁鐵的溫度只有60～70 ℃左右。這是由于保安操縱箱放入烘箱的時(shí)間沒(méi)有足夠長(zhǎng)，且筆者測(cè)量電磁鐵的溫度時(shí)，是將烘箱門打開，使用測(cè)溫槍測(cè)量溫度，導(dǎo)致烘箱內(nèi)的溫度降低所致。而保安操縱箱實(shí)際的工作環(huán)境溫度只有60 ℃左右，且其電磁鐵通電時(shí)間一般不超過(guò)1 min。因此，上述工況的設(shè)定是合理的。

3 結(jié)論

通過(guò)使用專用的工裝及保安操縱箱電磁鐵技術(shù)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)型保安操縱箱電磁鐵在額定電壓下的啟動(dòng)時(shí)間、牽引力大小和溫升狀況均滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，模擬80 ℃高溫，驗(yàn)證了改進(jìn)型保安操縱箱電磁鐵的耐高溫程度也滿足設(shè)計(jì)要求。

新設(shè)計(jì)的電磁鐵技術(shù)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)解決了改進(jìn)型保安操縱箱電磁鐵首件的驗(yàn)收問(wèn)題，同時(shí)也可應(yīng)用于我公司的A型和B型保安操縱箱電磁鐵的驗(yàn)收，具有很好的實(shí)用價(jià)值。