電機(jī)遠(yuǎn)程啟停本安先導(dǎo)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

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摘要：介紹了現(xiàn)有電機(jī)遠(yuǎn)程啟停先導(dǎo)電路的類型以及存在的誤啟動、無法識別所有線路故障和供電電壓降低工作不穩(wěn)定等問題，提出一種優(yōu)化后的光耦隔離式本質(zhì)安全先導(dǎo)電路，詳細(xì)闡述了電路的工作原理。試驗(yàn)測試表明：經(jīng)優(yōu)化的先導(dǎo)電路不存在上述問題，端口輸出電容電感及最大短路電流符合本安規(guī)定。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程啟動；先導(dǎo)電路；光耦隔離；自鎖輸出電路；三線制線路故障識別

在煤礦井下，許多帶有電機(jī)的設(shè)備需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離啟?？刂芠1]，由于井下空閑狹小，長距離的控制線纜經(jīng)常發(fā)生碰撞、摩擦和碾壓等問題，可能造成線纜發(fā)生短路或者斷路的線路故障，使電氣設(shè)備發(fā)生自啟動或者強(qiáng)烈抖動的現(xiàn)象。又由于井下的煤塵和瓦斯，安裝在控制電機(jī)啟停的電路和遠(yuǎn)程控制按鈕盒之間并具有本質(zhì)安全防爆特性的電路稱為本安先導(dǎo)電路[2-3]。目前的幾種本安先導(dǎo)電路仍然存在一些問題，為此針對一種電機(jī)遠(yuǎn)程啟停本安先導(dǎo)電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1先導(dǎo)電路的工作原理及存在的問題

三線式先導(dǎo)電路的工作原理如圖1。先導(dǎo)電路包括遠(yuǎn)控按鈕盒中的檢測二極管、檢測電路和執(zhí)行電路。電路運(yùn)行時(shí)檢測電路配合遠(yuǎn)控控啟停信號，在線路正常情況下將信號通過執(zhí)行電路送入電機(jī)啟?？刂齐娐?。當(dāng)檢測電路和遠(yuǎn)控按鈕盒之間的線路發(fā)生短路或者斷路故障時(shí)閉鎖執(zhí)行電路，防止電機(jī)誤啟動?，F(xiàn)有的先導(dǎo)電路有典型的繼電器隔離式先導(dǎo)電路和新型的光耦隔離式先導(dǎo)電路[4]。繼電器隔離式先導(dǎo)電路采用井下交流直接供電，通過變壓器向按鈕盒輸入交流電信號對線路進(jìn)行檢測，然而這種先導(dǎo)電路存在一些缺點(diǎn)[5]：①繼電器線圈位于電路本安側(cè)，電感的放電會引起火花進(jìn)而影響電路的本安性能；②在線路發(fā)生短路故障時(shí)，由于按鈕盒內(nèi)二極管被短路，檢測回路中繼電器線圈兩端電壓變?yōu)榻涣麟?，引起繼電器抖動甚至損壞；③在電網(wǎng)電壓波動或者降低時(shí)，繼電器線圈不能可靠吸合，導(dǎo)致電機(jī)拒動。光耦隔離式先導(dǎo)電路為近幾年出現(xiàn)的新型電路，雖然解決了繼電器隔離式先導(dǎo)電路的大部分缺點(diǎn)但其還存在一些問題[6-7]：①有些電路采用單片機(jī)電路檢測，然而微機(jī)電路容易被井下噪聲干擾并且會使電路成本增加;②電路不能檢測出所有的線路故障，一些電路只能檢測出啟動按鈕線路的故障，導(dǎo)致停止按鈕線路短路時(shí)，電機(jī)無法停止。

2優(yōu)化后的光耦隔離式本質(zhì)安全先導(dǎo)電路

針對現(xiàn)有光耦隔離式電路存在的無法識別所有線路故障的問題，對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的光耦隔離式本質(zhì)安全先導(dǎo)電路原理如圖2。優(yōu)化分為2部分：首先是對按鈕盒內(nèi)部二極管的優(yōu)化,通過增加二極管D2實(shí)現(xiàn)對所有線路故障的檢測；其次對檢測電路的優(yōu)化，將555定時(shí)器（圖中未畫出）產(chǎn)生的±5V、7kHz的方波信號輸入按鈕盒b點(diǎn)，經(jīng)過檢測電路內(nèi)部的4支光電耦合器及濾波電路得到4個(gè)開關(guān)量信號，再結(jié)合邏輯門電路即可對所有線路故障進(jìn)行識別。

2.1光耦檢測及濾波電路

如圖2，4支光電耦合器兩兩反并聯(lián)，分別接收±5V的線路導(dǎo)通信號，以O(shè)P1和OP2為例，在線纜ae和bf短路時(shí)：①+5V期間：導(dǎo)通路徑為+5V、線纜bf、線纜ae、R1、OP1的LED端、GND；②-5V期間：導(dǎo)通路徑為GND、OP2的LED端、R1、線纜ae、線纜bf、-5V。從而通過4支光電耦合器實(shí)現(xiàn)對3條線路及按鈕狀態(tài)的檢測。由于在半個(gè)周期內(nèi)只能檢測2路光耦輸出，所以光電耦合器的輸出端接RC濾波器將5V、3.5kHz的方波信號轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流信號，并在其關(guān)斷后將信號繼續(xù)保持一段時(shí)間，邏輯門電路對4路光耦輸出信號進(jìn)行檢測。

2.2線路故障識別

三線制遠(yuǎn)控按鈕盒線路故障可分為以下7種故障：線纜ae斷路、線纜bf斷路、線纜cg斷路、線纜ae與bf短路、線纜bf與cg短路、線纜ae與cg短路以及3條線纜同時(shí)短路。如圖2，設(shè)4路光耦-濾波電路輸出的邏輯信號從上到下依次為A、B、C、D?！?”代表光電耦合器導(dǎo)通，“0”代表光電耦合器截止，則4路邏輯信號的狀態(tài)對應(yīng)按鈕及3條線纜的狀態(tài)見表1。

2.3繼電器自鎖輸出電路

先導(dǎo)執(zhí)行電路如圖3。由表1可知，通過2組邏輯電路分別控制輸出繼電器的吸合自鎖和自鎖狀態(tài)的解除即可實(shí)現(xiàn)啟動信號和線路故障信號的傳遞，邏輯輸出Y1通過NPN三極管Q1控制繼電器吸合并自鎖，邏輯輸出Y2通過PNP三極管Q2使繼電器線圈失電。繼電器常開觸點(diǎn)KA2為先導(dǎo)電路輸出，觸點(diǎn)閉合表示電機(jī)啟動，觸點(diǎn)打開表示電機(jī)停止或者線路故障。這樣，只有在線路正常且啟動開關(guān)按下后繼電器KA才會動作，保證了系統(tǒng)操作的安全性。

3試驗(yàn)測試及應(yīng)用

對所開發(fā)的本安先導(dǎo)電路樣機(jī)進(jìn)行了功能和本安性能試驗(yàn)，測試樣機(jī)與啟動停止按鈕的接線實(shí)物圖如圖4，其中SB1為啟動點(diǎn)動常開按鈕，SB2為停止點(diǎn)動常閉按鈕，D1、D2為檢測二極管，ae、bf、cg為3條可能發(fā)生故障的線纜。1）正常啟停與線路故障測試。通過對3條線纜ae、bf、cg的短路或斷路連接模擬各種線路故障，試驗(yàn)結(jié)果顯示在各種可能出現(xiàn)的線路故障情況下輸出繼電器沒有出現(xiàn)誤動作現(xiàn)象，線路正常情況下繼電器動作正常。2）本安性能測試。對樣機(jī)可能處于危險(xiǎn)環(huán)境的端口最大輸入電容Ci、最大輸入電感Li、最大輸出電壓Uo、及最大短路電流Io進(jìn)行測試，本安性能數(shù)據(jù)如下：①最大輸入電容Ci：1．21μF；②最大輸入電感Li：0．02μH；③最大輸出電壓Uo：4．89V；④最大短路電流Io：7．85mA。由電路臨界點(diǎn)燃曲線圖、功率判別公式和能量判別公式可知[8-9]，該本安先導(dǎo)電路在正常和線路故障情況下都滿足GB3836.4—2010由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備中的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[10]。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的光耦隔離式本質(zhì)安全先導(dǎo)電路應(yīng)用于礦用千米鉆機(jī)電控系統(tǒng)中鉆機(jī)電機(jī)的遠(yuǎn)程啟?？刂?，對啟動停止信號及線路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。保證千米鉆機(jī)穩(wěn)定安全運(yùn)行。

4結(jié)語

針對現(xiàn)有本安先導(dǎo)電路存在的誤動作、無法識別所有線路故障等問題，對光耦隔離式本質(zhì)安全先導(dǎo)電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)新型電路結(jié)構(gòu)，可對長距離控制線纜的所有線路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測并閉鎖輸出節(jié)點(diǎn)；優(yōu)化電路符合本安規(guī)定，可在井下等特殊環(huán)境安全穩(wěn)定運(yùn)行；樣機(jī)在小空間內(nèi)集成2路啟停按鈕及線路狀態(tài)監(jiān)測，可同時(shí)控制2路電機(jī)的遠(yuǎn)程啟停。

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作者：張宇翔 宋建成 田慕琴 單位：太原理工大學(xué)