一種礦用隔爆雙回路軟啟動器的設(shè)計

梁廷魁

（1.中北大學,山西太原,030051;2.山西機電職業(yè)技術(shù)學院,山西長治,046011)

隨著我國煤炭生產(chǎn)機械化和自動化程度的不斷提高，皮帶機、刮板機等設(shè)備的大運輸量和高速度量要求日益增多，解決皮帶機、刮板機等大型異步電動機的軟起動，是礦井運輸、安全生產(chǎn)、延長皮帶機、刮板機壽命的關(guān)鍵問題。作為異步電動機的啟動設(shè)備-軟啟動器，利用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)制作，從20世紀70年代開始推廣應用，同時，軟啟動器的晶閘管觸發(fā)環(huán)節(jié)采用單片機控制，由于其程序上的可擴展性，使得軟啟動器的功能越來越全面，能夠?qū)④浧饎印⒅苿印⒍搪贰⑦^載、缺相、斷相等保護溶于一體，使得其應用前景十分廣闊。

本文介紹基于單片機的交流電動機軟啟動控制器，及在該控制保護器基礎(chǔ)上實現(xiàn)的礦用隔爆兼本質(zhì)安全型雙回路軟啟動器系統(tǒng)設(shè)計，該啟動器可以實現(xiàn)不同電機的順序、切換等啟動過程，通過程序設(shè)定，可實現(xiàn)電動機運行過程中的各種保護，運行參數(shù)監(jiān)控等功能。由于軟啟動本身的特點，可以達到有效降低電動機的起動過程對電網(wǎng)中的其他運行設(shè)備的電力沖擊。

1 設(shè)計思路

本方案是要實現(xiàn)由單片機控制的礦用隔爆雙回路軟啟動器，用單片機作為軟啟動器的控制部分，主要完成軟啟動器的觸發(fā)信號控制、同步采集、相序檢測、電流電壓監(jiān)測等功能；雙回路切換以及通訊部分的功能由PLC來完成；由于礦井的特殊要求，在設(shè)計中還需要增設(shè)風電瓦斯閉鎖等環(huán)節(jié)。

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖一所示，軟啟動器的主電路部分，采用三相調(diào)壓電路，將3對6個反并聯(lián)的晶閘管串接到三相電源與電動機之間，考慮到礦井下設(shè)備的容量，可選用大功率的晶閘管。觸發(fā)信號控制的實現(xiàn)是通過改變晶閘管觸發(fā)角來完成的，同時使電壓實現(xiàn)平滑變化；同步及相序檢測環(huán)節(jié)主要保證觸發(fā)信號出現(xiàn)的準確性，以及防止電動機起動過程出現(xiàn)的不平衡；對電流電壓的監(jiān)測可以保證電動機起動過程的順利進行，同時防止過電流及過電壓的出現(xiàn)，并實現(xiàn)升壓限流啟動的功能，避免了電動機電壓突變帶的轉(zhuǎn)矩沖擊現(xiàn)象。本系統(tǒng)采用PLC的PPI通訊來實現(xiàn)雙回路之間的切換，為井下大型設(shè)備的穩(wěn)定工作提供保障。

2 硬件設(shè)計

通過圖一的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可以看出，本系統(tǒng)硬件由主回路、觸發(fā)電路、控制回路、阻容吸收緩沖電路、本安回路等電路部分組成。

主電路部分，采用三相交流調(diào)壓電路即在三相電源與三相異步電動機之間串接3組6個反并聯(lián)的晶閘管來進行調(diào)壓，六個晶閘管之間觸發(fā)信號相差60度相位角，這種連接方式調(diào)壓性能最為優(yōu)越，控制系統(tǒng)簡單、可靠。

控制回路采用MSP430F149單片機作為觸發(fā)信號的控制核心，為了使主回路以及控制電路之間實現(xiàn)電路的強弱分離，在單片機的P口上增設(shè)光耦隔離環(huán)節(jié)，可以有效地防止主回路電網(wǎng)波動對觸發(fā)電路引起的干擾，同時將比較器采樣三相電路輸出的三路方波信號與MSP430F149的六個中斷輸入接口相連，通過設(shè)定中斷申請的中斷方式，可以檢測出這三路方波的六個過零點，可以實現(xiàn)觸發(fā)信號的同步。

圖一 雙回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

阻容吸收環(huán)節(jié)能夠有效防止由于電路中存在儲能元件造成晶閘管關(guān)斷時產(chǎn)生泵生電壓引起的元件損壞現(xiàn)象，由于旁路接觸器選用的真空開關(guān)滅弧能力極強，開斷時會引起特殊的操作過電壓，造成高壓電機絕緣擊穿，回路變壓器故障，甚至導致開關(guān)柜自身損壞燒毀，所以阻容環(huán)節(jié)選用三相組合式過電壓保護器可以專用于3～35kV中壓系統(tǒng)，保護系統(tǒng)內(nèi)部操作過電壓（主要是真空開關(guān)強制截流過電壓，也包擴多次重燃過電壓和三相開斷不同步產(chǎn)生的過電壓）對電氣設(shè)備免受侵害。

另外，根據(jù)煤礦安全規(guī)定，當機械化采煤、掘過迎頭回風風流中瓦斯?jié)舛冗_到煤礦安全規(guī)程規(guī)定的最高規(guī)定1.5%時，能立即切斷該工作面及掘進迎頭的一切電源,并且在瓦斯?jié)舛任唇档揭欢舛葧r(1%),井下采區(qū)變電所內(nèi)的供電開關(guān)不能接通該區(qū)域的一切電源，所以在電路設(shè)計中需要增設(shè)風電瓦斯閉鎖環(huán)節(jié)，硬件上根據(jù)閉鎖信號類型，需要在系統(tǒng)中增加一瓦斯閉鎖節(jié)點，具體功能通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)。

3 軟件設(shè)計

3.1 晶閘管的觸發(fā)角控制環(huán)節(jié)

本系統(tǒng)中晶閘管的觸發(fā)角控制是采用中斷的形式運行的，程序則主要包括主程序和中斷服務(wù)程序，其中主程序包括系統(tǒng)初始化，參數(shù)設(shè)置，開放中斷等，其程序流程圖如圖二所示：

圖二 主程序流程圖

本系統(tǒng)啟動器的啟動有多種不同的工作方式，具體是通過中斷服務(wù)程序的形式完成的。其定時中斷程序流程圖如下圖三所示：

圖三 中斷程序流程圖

3.2 雙回路的PLC控制

雙回路部分由PLC完成啟動、停止、雙回路切換、互聯(lián)互鎖、產(chǎn)生時間延遲等功能的實現(xiàn)。其中控制過程如圖四所示

圖四 PLC控制軟啟動過程流程圖

4 系統(tǒng)功能分析

4.1 控制功能

手動控制電機軟/直啟、停。聯(lián)機控制方式通過工作方式切換開關(guān)選擇。

切換工作方式時，根據(jù)兩組軟啟動器的工作狀態(tài)，自由設(shè)定主機與輔機，當主機停機時，自動切換到輔機工作，反之當輔機停機時，自動切換到主機運行。順序方式自由設(shè)定主機與輔機，當主機啟動時，輔機按照設(shè)定好的啟動時間自動跟隨啟動，反之當輔機啟動時，主機也能按照設(shè)定好的啟動時間自動跟隨啟動。

4.2 保護功能

系統(tǒng)保護功能較多，當發(fā)生缺相、相序問題、電機電流過大、電機負載過大等任一異常現(xiàn)象時，保護功能開始動作自動使啟動器停機。

4.3 監(jiān)視、報警功能

實時地監(jiān)視整個系統(tǒng)運行的狀況，將主電路電流值、電壓值及系統(tǒng)運行狀態(tài)都現(xiàn)實出來，尤其當系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會有故障顯示，同時向井上控制室發(fā)送故障信息。

5 結(jié)束語

本文在詳細分析電動機軟啟動過程的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一臺適用于煤礦生產(chǎn)行業(yè)的礦用隔爆兼本質(zhì)安全型雙回路軟啟動器系統(tǒng)，該啟動器經(jīng)過在長治市幾個煤礦的實際運行情況表明該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，可靠性高。

礦用隔爆兼本質(zhì)安全型雙回路軟起動器的應用，符合目前國內(nèi)煤炭行業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策、技術(shù)先進和實用性，應用前景十分廣泛。隨著電力電子技術(shù)及控制技術(shù)的不斷更新，相信未來將會有更多的人投入到這項研究中去，設(shè)計出功能更強大、設(shè)施更完備的軟啟動系統(tǒng)。

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