電機遠程啟停本安先導電路的優化設計

張宇翔,宋建成,田慕琴

（1.太原理工大學 電氣與動力工程學院，山西 太原030024；2.太原理工大學 礦用智能電器技術國家地方聯合工程實驗室，山西 太原030024）

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

1 先導電路的工作原理及存在的問題

三線式先導電路的工作原理如圖1。

圖1 先導電路工作原理Fig.1 Pilot circuit principle

先導電路包括遠控按鈕盒中的檢測二極管、檢測電路和執行電路。電路運行時檢測電路配合遠控按鈕盒中的檢測二極管檢測線路狀態并首先獲得遠控啟停信號，在線路正常情況下將信號通過執行電路送入電機啟停控制電路。當檢測電路和遠控按鈕盒之間的線路發生短路或者斷路故障時閉鎖執行電路，防止電機誤啟動。

現有的先導電路有典型的繼電器隔離式先導電路和新型的光耦隔離式先導電路[4]。

繼電器隔離式先導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行檢測，然而這種先導電路存在一些缺點[5]：①繼電器線圈位于電路本安側，電感的放電會引起火花進而影響電路的本安性能；②在線路發生短路故障時，由于按鈕盒內二極管被短路，檢測回路中繼電器線圈兩端電壓變為交流電，引起繼電器抖動甚至損壞；③在電網電壓波動或者降低時，繼電器線圈不能可靠吸合，導致電機拒動。

光耦隔離式先導電路為近幾年出現的新型電路，雖然解決了繼電器隔離式先導電路的大部分缺點但其還存在一些問題[6-7]：①有些電路采用單片機電路檢測，然而微機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，導致停止按鈕線路短路時，電機無法停止。

2 優化后的光耦隔離式本質安全先導電路

針對現有光耦隔離式電路存在的無法識別所有線路故障的問題，對其進行了優化設計。優化后的光耦隔離式本質安全先導電路原理如圖2。

圖2 電路原理圖Fig.2 Circuit schematic

優化分為2 部分：首先是對按鈕盒內部二極管的優化,通過增加二極管D2實現對所有線路故障的檢測；其次對檢測電路的優化，將555 定時器（圖中未畫出）產生的±5 V、7 kHz 的方波信號輸入按鈕盒b 點，經過檢測電路內部的4 支光電耦合器及濾波電路得到4 個開關量信號，再結合邏輯門電路即可對所有線路故障進行識別。

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，分別接收±5 V 的線路導通信號，以OP1和OP2為例，在線纜ae 和bf 短路時：①+5 V 期間：導通路徑為+5 V、線纜bf、線纜ae、R1、OP1的LED 端、GND；②-5V 期間：導通路徑為GND、OP2的LED 端、R1、線纜ae、線纜bf、-5 V。從而通過4 支光電耦合器實現對3 條線路及按鈕狀態的檢測。由于在半個周期內只能檢測2 路光耦輸出，所以光電耦合器的輸出端接RC濾波器將5 V、3.5 kHz 的方波信號轉換為穩定的直流信號，并在其關斷后將信號繼續保持一段時間，邏輯門電路對4 路光耦輸出信號進行檢測。

2.2 線路故障識別

三線制遠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 條線纜同時短路。如圖2，設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。“1”代表光電耦合器導通，“0”代表光電耦合器截止，則4 路邏輯信號的狀態對應按鈕及3 條線纜的狀態見表1。

表1 線路邏輯狀態Table 1 Line logic state

2.3 繼電器自鎖輸出電路

先導執行電路如圖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的解除即可實現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KA2為先導電路輸出，觸點閉合表示電機啟動，觸點打開表示電機停止或者線路故障。這樣，只有在線路正常且啟動開關按下后繼電器KA 才會動作，保證了系統操作的安全性。

圖3 先導執行電路Fig.3 Pilot execution circuit

3 試驗測試及應用

對所開發的本安先導電路樣機進行了功能和本安性能試驗，測試樣機與啟動停止按鈕的接線實物圖如圖4，其中SB1為啟動點動常開按鈕，SB2為停止點動常閉按鈕，D1、D2為檢測二極管，ae、bf、cg 為3 條可能發生故障的線纜。

圖4 測試樣機與啟動停止按鈕接線Fig.4 Test prototype and start/stop button wiring

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，試驗結果顯示在各種可能出現的線路故障情況下輸出繼電器沒有出現誤動作現象，線路正常情況下繼電器動作正常。

2）本安性能測試。對樣機可能處于危險環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進行測試，本安性能數據如下：①最大輸入電容Ci：1.21 μF；②最大輸入電感Li：0.02 μH；③最大輸出電壓Uo：4.89 V；④最大短路電流Io：7.85 mA。

由電路臨界點燃曲線圖、功率判別公式和能量判別公式可知[8-9]，該本安先導電路在正常和線路故障情況下都滿足GB 3836.4—2010 由本質安全型“i”保護的設備中的國家標準規定[10]。

經優化設計的光耦隔離式本質安全先導電路應用于礦用千米鉆機電控系統中鉆機電機的遠程啟停控制，對啟動停止信號及線路狀態進行監測。保證千米鉆機穩定安全運行。

4 結 語

針對現有本安先導電路存在的誤動作、無法識別所有線路故障等問題，對光耦隔離式本質安全先導電路進行了優化設計。通過設計新型電路結構，可對長距離控制線纜的所有線路狀態進行監測并閉鎖輸出節點；優化電路符合本安規定，可在井下等特殊環境安全穩定運行；樣機在小空間內集成2 路啟停按鈕及線路狀態監測，可同時控制2 路電機的遠程啟停。