王蘇　賈傳圣　柳傳民　陳璟瑜

摘 要：煤礦開采過(guò)程中伴有大量粉塵和沼氣的產(chǎn)生，為了保證相關(guān)從業(yè)人員的安全提出了無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)的重要性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多路控制開關(guān)的分析，保證了煤礦生產(chǎn)及職工的安全性，并合理利用資源，加強(qiáng)職工的工作效率。

關(guān)鍵詞：無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)；多路控制開關(guān)；固態(tài)開關(guān)

中圖分類號(hào)：TM564 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）07-0161-02

1 概況

至今，因煤炭的經(jīng)濟(jì)的價(jià)格和豐富的儲(chǔ)藏量特別適合發(fā)電，煤炭一直是重要的能源。

我國(guó)絕大多數(shù)煤礦屬于井工煤礦，大量的煤炭從業(yè)者需要井下工作。煤礦開采的過(guò)程中通常伴有沼氣（甲烷等）、粉塵等存在。由于煤礦井下有大量可燃物（煤炭等）的存在，一旦出現(xiàn)電火花，甲烷（CH4）、粉塵等對(duì)燃燒反應(yīng)敏感，會(huì)迅速爆炸。煤礦范圍包括地上地下及相關(guān)設(shè)施所在的較大區(qū)域，客觀上期望采用直接起動(dòng)控制、遠(yuǎn)距離控制和聯(lián)鎖控制儀保護(hù)采、掘、運(yùn)等用電設(shè)備的組合式開關(guān)電器在大范圍內(nèi)以進(jìn)行煤礦井下無(wú)觸點(diǎn)多路控制開關(guān)，從而進(jìn)行安全且合理的煤礦井下生產(chǎn)工作，保證職工的工作安全，加強(qiáng)工作效率。

2 煤礦井下無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)

常規(guī)的可控開關(guān)都是由交流接觸器、真空開關(guān)和電源操作機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，由于自身物理結(jié)構(gòu)的限制，機(jī)械動(dòng)作時(shí)，其開斷容量很難在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大幅度的提高和技術(shù)更新。并且，其動(dòng)、靜觸頭分開時(shí)，引起的電弧會(huì)延長(zhǎng)電氣開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間和速度，在實(shí)際應(yīng)用中，電氣應(yīng)用壽命較短故障率高，特別在發(fā)生合閘短路故障時(shí)很容易產(chǎn)生熔焊，且在煤礦井下工作過(guò)程中只能裝人防爆殼內(nèi)，但未杜絕事故的根源；與觸點(diǎn)式開關(guān)電器相比，半導(dǎo)體的功率開關(guān)器件具有高速的開關(guān)特性和極為方便的控制能力，有觸點(diǎn)開關(guān)在開啟或關(guān)斷的一瞬間會(huì)快速增加電弧壓降，以限制被斷開的電流值，但只具有一定的限流效果，無(wú)法從根本上消除由電弧帶來(lái)的火花等危險(xiǎn)。

由于煤礦井下所含的有害氣體的濃度比較高，特別是粉塵、瓦斯和空氣混合后極容易發(fā)生大規(guī)模爆炸事故。井下人員工作時(shí)，利用傳統(tǒng)開關(guān)起動(dòng)電機(jī)會(huì)伴有火花，嚴(yán)重時(shí)將引起瓦斯爆炸。從而傳統(tǒng)型可控開關(guān)應(yīng)逐漸被淘汰，需要采用真空開關(guān)——一對(duì)反并聯(lián)的IGBT構(gòu)成的固態(tài)切換開關(guān)（Solid State Transfer Switch SSTS）來(lái)替代傳統(tǒng)的“線圈—簧片觸點(diǎn)式”接觸器，來(lái)避免電弧火花引起的危害。

由于半導(dǎo)體晶體管不存在開關(guān)斷口，從根本上消除了由斷口電弧帶來(lái)的一系列問(wèn)題，只要使用得當(dāng)，其使用壽命會(huì)相較長(zhǎng)久。并且近年來(lái)固態(tài)開關(guān)容量已有很大的發(fā)展，IGBT的額定電流和電壓已達(dá)較高值，可以替代現(xiàn)有的交直流接觸器，可以滿足一般直流回路和交流配電網(wǎng)絡(luò)負(fù)載控制的要求。在保證煤礦井下職工的安全的情況下，進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦井下生產(chǎn)工作環(huán)境的安全可靠。

如圖1，該左電路是由一對(duì)反并聯(lián)的晶體管并聯(lián)一個(gè)電感L組成，而如圖2所示，將電路中的晶體管改進(jìn)成為IGBT，即利用MOS管來(lái)控制晶體管控制電路。當(dāng)發(fā)生電路發(fā)生短路的時(shí)候，保護(hù)電路會(huì)瞬時(shí)強(qiáng)迫關(guān)斷晶體管，同樣，IGBT是能源變換與傳輸?shù)钠骷怯葿JT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體，都可以將短路電流的值限制為遠(yuǎn)低于峰值電流的值，而穩(wěn)態(tài)短路電流則由電感L限制。保護(hù)電路應(yīng)能快速響應(yīng)并斷開晶體管，這時(shí)被切斷的短路電流瞬時(shí)值被立即轉(zhuǎn)移到電感L上，過(guò)大在電感的兩端會(huì)造成大的感應(yīng)電壓加在晶體管及其他元件上，因此必須在其兩端進(jìn)行并聯(lián)元件，保護(hù)電路，并且可以通過(guò)電力電子電路設(shè)定電流值，保證在正常工作時(shí)負(fù)載兩端的電壓始終等于電源電壓，晶體管所在支路對(duì)負(fù)載的工作不產(chǎn)生任何影響，使短路電流可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)，限制在較小的水平，為采用半導(dǎo)體無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)斷開短路電流創(chuàng)造了條件。

由于IGBT的N+區(qū)存在電導(dǎo)效應(yīng)，所以其通態(tài)壓降小。耐壓1000V的IGBT的通態(tài)壓降一般為2至3V，可以基級(jí)中的小電流通過(guò)控制PLC的運(yùn)行。

IGBT在開通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET運(yùn)行的，所以在該工作過(guò)程中可以將IGBT的工作方式看作MOSFET的運(yùn)行方式，但是相對(duì)而言，IGBT的熱穩(wěn)定性好，安全工作區(qū)大在煤礦井下的環(huán)境中更加有安全性和保障性。

如圖3，是IGBT固態(tài)開關(guān)在三相系統(tǒng)上的綜合使用，在電氣設(shè)備使用的過(guò)程中對(duì)電動(dòng)機(jī)更安全的起動(dòng)，以保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。將該固態(tài)開關(guān)裝入礦用防爆外殼中，避免與煤礦里的空氣進(jìn)行接觸，從而保證了電機(jī)的安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 無(wú)觸點(diǎn)多路控制開關(guān)設(shè)計(jì)

我們?cè)跓o(wú)觸點(diǎn)控制開關(guān)的基礎(chǔ)上再將其進(jìn)行多路控制并進(jìn)行設(shè)計(jì)電路。

首先從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性考慮，固定開關(guān)從根本上消除了點(diǎn)火花的產(chǎn)生；其次，從金屬資源的節(jié)約和系統(tǒng)操作的方便性考慮，采用半導(dǎo)體器件對(duì)其進(jìn)行發(fā)展拓寬；結(jié)合PLC可編程邏輯智能控制器件，和相關(guān)的電氣控制器件設(shè)計(jì)無(wú)觸點(diǎn)多路控制開關(guān)以及必要的外圍電路，設(shè)計(jì)出煤礦井下無(wú)觸點(diǎn)多路控制開關(guān)控制電路。

電源上，采用了交流380V的工作電壓為其供電帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，并采用了四路控制電路對(duì)系統(tǒng)中的電路的進(jìn)行控制，控制電流分別可為80A、200A、300A，將設(shè)備中的固態(tài)開關(guān)SSR分別裝入煤礦用防爆殼對(duì)其進(jìn)行隔離在根本上避免電火花的產(chǎn)生。

如圖3示，無(wú)觸點(diǎn)四路控制開關(guān)電氣原理圖，分別采用了電能測(cè)控儀對(duì)三相交流電進(jìn)行電量的檢測(cè)控制；采用了三相交流固態(tài)繼電器（由三只單相交流固態(tài)繼電器組成），用以控制大功率負(fù)載的起動(dòng)與切斷的開關(guān)器件，可以單一輸入端對(duì)三相負(fù)載進(jìn)行直接開關(guān)切換，并將其裝入煤礦用防爆殼再對(duì)其接線；采用了電動(dòng)機(jī)智能監(jiān)控保護(hù)裝置，可以完成電機(jī)操作、自診斷以及上位機(jī)的通訊，為電動(dòng)機(jī)提供了測(cè)量保護(hù)，避免了因電動(dòng)機(jī)過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、過(guò)壓、欠壓、輕載、斷相、三相不平衡、接地等故障導(dǎo)致的生產(chǎn)事故，最大限度的保證了設(shè)備正常運(yùn)行的有效安全。通過(guò)數(shù)據(jù)信息通訊，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況的詳細(xì)信息在上位機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理提供管理信息。在設(shè)備可能產(chǎn)生重大故障前，越限報(bào)警可及時(shí)提醒管理人員進(jìn)行處理，避免了不必要的停機(jī)而對(duì)正常生產(chǎn)造成影響，最大限度地保證設(shè)備運(yùn)行和控制的有效性。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到預(yù)置的脫扣值時(shí)，保護(hù)裝置進(jìn)入脫扣觸發(fā)延時(shí)。在預(yù)置脫扣延時(shí)時(shí)間內(nèi)若設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行，則取消脫扣執(zhí)行；而超過(guò)延時(shí)時(shí)限，則保護(hù)裝置發(fā)出脫扣信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，斷開電源停止電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，配合固態(tài)繼電器時(shí)，加強(qiáng)了職工的工作執(zhí)行效率，保證了煤礦井下的生產(chǎn)安全。

采用變壓器降低電信號(hào)，并結(jié)合觸摸屏PLC的觸點(diǎn)開關(guān)與固態(tài)繼電器相連對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；采用整流二極管、電解電容和7812集成三端穩(wěn)壓器等穩(wěn)定在12V的電壓對(duì)電路進(jìn)行供電。

無(wú)觸點(diǎn)四路控制開關(guān)電氣原理圖設(shè)計(jì)如圖3。

4 結(jié)語(yǔ)

固態(tài)開關(guān)是一種綜合新型的電力電子器件，使用IGBT構(gòu)成的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)的無(wú)電弧火花的存在保證其在礦用環(huán)境下的生產(chǎn)安全和工作，多路控制開關(guān)保證了在設(shè)計(jì)布局上的更多的合理性，減少了其開關(guān)延時(shí)，保證設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。因此，本設(shè)計(jì)的無(wú)觸點(diǎn)多路控制開關(guān)適用于煤礦井下的生產(chǎn)工作環(huán)境。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）整個(gè)線路實(shí)現(xiàn)了全部無(wú)觸點(diǎn)化，徹底避免了電氣火花；（2）將固態(tài)開關(guān)裝入煤礦用防爆殼可適用于煤礦井下的危險(xiǎn)環(huán)境，保證了煤礦的生產(chǎn)安全，職工的煤礦井下的工作安全；（3）采用了電氣智能保護(hù)裝置，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)載，短路，三項(xiàng)不平衡，欠電壓，過(guò)電壓，連鎖功能，并且能夠?qū)收蠈?shí)現(xiàn)記憶，便于維修人員的檢查維修；（4）該套裝置采用了PLC和觸摸屏一體化技術(shù)，設(shè)備狀態(tài)，操作都能夠直觀并且直接操作；（5）該套裝置能夠?qū)崿F(xiàn)柔性自動(dòng)化控制，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。硬件電路不改的情況下，能夠通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)不同的控制功能；（6）可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)用戶的特殊需要。

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