礦用電磁啟動器系統設計研究

張麗霞

（大同煤礦集團機電裝備科工安全儀器有限責任公司， 山西 大同 037000）

引言

目前，電磁啟動器被廣泛應用于井下通風機、電機、照明等設備，實現對各供電線路短路、過載、漏電等故障的保護，其性能的好壞直接影響著煤礦環境的運行安全。然而，現有煤礦環境中使用的電磁啟動器存在功能單一、安全性較低等問題，在井下線路發生漏電、短路時不能有效、及時、高效的進行處理[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設計研究尤為重要。結合井下供電線路的實際工作狀態，分析了電磁啟動器結構組成及工作原理及在設計過程實時性、可靠性、準確性等性能要求，開展了電磁啟動器系統的總體方案設計及硬件結構設計，結合系統設計特點，對所設計的電磁啟動器系統功能及系統工作原理進行了分析說明，所設計電磁啟動器系統具有較高的可靠性和安全性，能滿足現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設計和產品生產奠定了理論基礎，對提高電磁啟動器系統的保護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 電磁啟動器結構組成及工作原理

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的正轉和反轉，而不可逆電磁啟動器只可實現電動機的單方向旋轉控制，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部運算，并將處理分析好的電流、電壓等值通過顯示屏進行顯示，并對井下線路保護過程中出現的故障進行判斷，實現與整個監測系統的通訊連接[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，完成監測系統對整個裝置的試驗測試。同時，電磁啟動器中設計了變壓器，通過該變壓器可將380 V、660 V等高壓信號轉換成220 V、12 V等低壓信號，實現對控制板的電源供應。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 電磁啟動器設計要求

2.1 實時性要求

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

2.2 可靠性要求

在電磁啟動器設計過程中，各零部件均應采用國家認可監測的合格產品，在完成各部件的組裝后，應對該裝置的各部件及整體功能進行反復試驗，以相關標準規范為依據，對試驗數據進行分析，由此確保該裝置在各種復雜煤礦環境下的可靠性要求。

2.3 準確性要求

由于電磁啟動器需通過自身傳感器及信號采集系統對各類數據進行采集分析，其數據的準確性直接影響著礦用監測系統的性能。因此，在電磁啟動器設計過程中，應保證裝置的監測精度，減少裝置誤差，并充分考慮數據處理精度及外部環境影響，對裝置進行綜合匹配設計，設置精度系數，從而保證電磁啟動器裝置所分析、處理及輸出信號的準確性[5]。

3 電磁啟動器系統方案設計

3.1 系統總體方案設計

結合井下線路實際工作狀態及各類故障問題，對電磁啟動器進行了總體方案設計。所設計的方案能對井下供電線路上的各類信號參數進行檢測與計算，并通過與上位機的通訊，完成監測數據的交換，實現對井下線路的監控和保護。因此，所設計的電磁啟動器系統的主要功能如下：

3.1.1 信號調理功能

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

3.1.2 保護功能

保護功能作為電磁啟動器的重要功能，對井下供電線路的保護起到重要作用。該功能針對電磁啟動器短路、缺相、漏電等各類故障進行快速保護。當井下線路出現過壓、過載、過流等故障時，電磁啟動器采用反時限的策略，對系統進行延時保護；當井下線路出現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跳閘的方式對線路進行欠壓保護。由此，可實現電磁啟動器對井下供電線路的安全保護[6]。

3.1.3 數據采集判斷功能

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

因此，根據前文設計的功能，結合井下實際工況，完成了電磁啟動器的系統總體方案設計，其方案如圖3所示。

3.2 電磁啟動器硬件結構設計

結合前文所設計的電磁啟動器系統，因此，對其硬件結構進行設計。該硬件結構主要包含如下幾個功能模塊。電磁啟動器硬件結構的系統設計如圖4所示。

圖3 電磁啟動器系統總體方案

圖4 電磁啟動器系統硬件結構設計圖

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

2）數據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轉換等不同功能的模塊組成；

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

4）通過設計鍵盤和液晶顯示，實現了電磁啟動器的人機對話功能；

5）設計了多路采集開關，結合2路開關量，通過繼電器，實現物料信號的輸入輸出功能。

其主要工作原理為：該系統將監測的電流、電壓、絕緣電阻等信號傳遞至DSP，通過A/D轉換和系統的運算處理，對線路中的電流、電壓等信號進行故障判斷，若發生故障，則系統的主回路發出合閘指令，并將故障信號顯示于液晶顯示屏上；若未發生故障，則系統正常運行啟動，并通過信號調理模塊，將有用信號進行調理篩選，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，完成對線路的監測保護和人機對話。由此，完成電磁啟動器的正常運行功能。

4 結論

結合井下供電線路的實際工作狀態，明確了設計方案的思路和宗旨，電磁啟動器實時性、可靠性、準確性確保井下供電線路信號與上位機進行交換，實現井下線路監控和保護。該研究為后期開展電磁啟動器的系統設計和產品生產奠定了理論基礎，以便后期上線測試使用，對提高電磁啟動器系統的保護性能和井下供電安全具有重要意義。