梁廷魁

（1.中北大學(xué),山西太原,030051;2.山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西長治,046011)

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

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

1 設(shè)計(jì)思路

本方案是要實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)控制的礦用隔爆雙回路軟啟動(dòng)器，用單片機(jī)作為軟啟動(dòng)器的控制部分，主要完成軟啟動(dòng)器的觸發(fā)信號(hào)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(jì)中還需要增設(shè)風(fēng)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(dòng)器的主電路部分，采用三相調(diào)壓電路，將3對6個(gè)反并聯(lián)的晶閘管串接到三相電源與電動(dòng)機(jī)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(hào)控制的實(shí)現(xiàn)是通過改變晶閘管觸發(fā)角來完成的，同時(shí)使電壓實(shí)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(hào)出現(xiàn)的準(zhǔn)確性，以及防止電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程出現(xiàn)的不平衡；對電流電壓的監(jiān)測可以保證電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的順利進(jìn)行，同時(shí)防止過電流及過電壓的出現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)升壓限流啟動(dòng)的功能，避免了電動(dòng)機(jī)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(shí)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(jì)

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(dòng)機(jī)之間串接3組6個(gè)反并聯(lián)的晶閘管來進(jìn)行調(diào)壓，六個(gè)晶閘管之間觸發(fā)信號(hào)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(jī)作為觸發(fā)信號(hào)的控制核心，為了使主回路以及控制電路之間實(shí)現(xiàn)電路的強(qiáng)弱分離，在單片機(jī)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(dòng)對觸發(fā)電路引起的干擾，同時(shí)將比較器采樣三相電路輸出的三路方波信號(hào)與MSP430F149的六個(gè)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(gè)過零點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)觸發(fā)信號(hào)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(chǔ)能元件造成晶閘管關(guān)斷時(shí)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(qiáng)，開斷時(shí)會(huì)引起特殊的操作過電壓，造成高壓電機(jī)絕緣擊穿，回路變壓器故障，甚至導(dǎo)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(hù)器可以專用于3～35kV中壓系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部操作過電壓（主要是真空開關(guān)強(qiáng)制截流過電壓，也包擴(kuò)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(dāng)機(jī)械化采煤、掘過迎頭回風(fēng)風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到煤礦安全規(guī)程規(guī)定的最高規(guī)定1.5%時(shí)，能立即切斷該工作面及掘進(jìn)迎頭的一切電源,并且在瓦斯?jié)舛任唇档揭欢舛葧r(shí)(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(jì)中需要增設(shè)風(fēng)電瓦斯閉鎖環(huán)節(jié)，硬件上根據(jù)閉鎖信號(hào)類型，需要在系統(tǒng)中增加一瓦斯閉鎖節(jié)點(diǎn)，具體功能通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

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(yùn)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(dòng)器的啟動(dòng)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(shí)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(dòng)、停止、雙回路切換、互聯(lián)互鎖、產(chǎn)生時(shí)間延遲等功能的實(shí)現(xiàn)。其中控制過程如圖四所示

圖四 PLC控制軟啟動(dòng)過程流程圖

4 系統(tǒng)功能分析

4.1 控制功能

手動(dòng)控制電機(jī)軟/直啟、停。聯(lián)機(jī)控制方式通過工作方式切換開關(guān)選擇。

切換工作方式時(shí)，根據(jù)兩組軟啟動(dòng)器的工作狀態(tài)，自由設(shè)定主機(jī)與輔機(jī)，當(dāng)主機(jī)停機(jī)時(shí)，自動(dòng)切換到輔機(jī)工作，反之當(dāng)輔機(jī)停機(jī)時(shí)，自動(dòng)切換到主機(jī)運(yùn)行。順序方式自由設(shè)定主機(jī)與輔機(jī)，當(dāng)主機(jī)啟動(dòng)時(shí)，輔機(jī)按照設(shè)定好的啟動(dòng)時(shí)間自動(dòng)跟隨啟動(dòng)，反之當(dāng)輔機(jī)啟動(dòng)時(shí)，主機(jī)也能按照設(shè)定好的啟動(dòng)時(shí)間自動(dòng)跟隨啟動(dòng)。

4.2 保護(hù)功能

系統(tǒng)保護(hù)功能較多，當(dāng)發(fā)生缺相、相序問題、電機(jī)電流過大、電機(jī)負(fù)載過大等任一異常現(xiàn)象時(shí)，保護(hù)功能開始動(dòng)作自動(dòng)使啟動(dòng)器停機(jī)。

4.3 監(jiān)視、報(bào)警功能

實(shí)時(shí)地監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的狀況，將主電路電流值、電壓值及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)都現(xiàn)實(shí)出來，尤其當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會(huì)有故障顯示，同時(shí)向井上控制室發(fā)送故障信息。

5 結(jié)束語

本文在詳細(xì)分析電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)過程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一臺(tái)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(dòng)器系統(tǒng)，該啟動(dòng)器經(jīng)過在長治市幾個(gè)煤礦的實(shí)際運(yùn)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(dòng)器的應(yīng)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(jìn)和實(shí)用性，應(yīng)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(huì)有更多的人投入到這項(xiàng)研究中去，設(shè)計(jì)出功能更強(qiáng)大、設(shè)施更完備的軟啟動(dòng)系統(tǒng)。

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