李群富

摘? 要：本文針對(duì)目前直流架線電機(jī)車(chē)使用的架線停送電開(kāi)關(guān)存在的可控時(shí)間精度差、可靠性差、電壓適應(yīng)性差等問(wèn)題，對(duì)模擬式的停送電開(kāi)關(guān)進(jìn)行了數(shù)字化改造，實(shí)現(xiàn)了礦用架線停送電開(kāi)關(guān)的通用性和高可靠性。

關(guān)鍵詞：礦用;停送電開(kāi)關(guān);數(shù)字式

中圖分類號(hào)：TD64? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

現(xiàn)有井下車(chē)場(chǎng)直流架線自動(dòng)停送電裝置普遍采用的是基于模擬放大電路的控制技術(shù)，這種方式由于采用模擬控制方式，在響應(yīng)時(shí)間和工作效率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，造成極大的不安全隱患。此種產(chǎn)品的缺點(diǎn)是可控時(shí)間精度差、可靠性差、電壓適應(yīng)性差。目前國(guó)內(nèi)采用的直流架線停送電開(kāi)關(guān)有徐州金科電子設(shè)備有限公司和唐山現(xiàn)代電器廠生產(chǎn)的兩種型號(hào)，都采用普通直流接觸器作為主控開(kāi)關(guān)，適應(yīng)電流小、易拉弧氧化、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壽命短和故障率高的情況，無(wú)法正常使用。

在直流架線自動(dòng)停送電裝置的構(gòu)成上較理想的發(fā)展趨勢(shì)是采用架線電流來(lái)檢測(cè)機(jī)車(chē)的位置，控制回路采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，主回路采用晶閘管或IGBT等電力電子器件，聲光顯示電路需要寬輸入電壓、高可靠性的開(kāi)關(guān)電源，有必要對(duì)模擬轉(zhuǎn)置進(jìn)行改造，研制新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流架線自動(dòng)停送電裝置，以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可靠性、安全性的需要。

1 硬件設(shè)計(jì)

本數(shù)字式礦用架線自動(dòng)停送電開(kāi)關(guān)裝置由控制電路、主電路和聲光顯示電路三大部分構(gòu)成。具體又分為采樣電路、信號(hào)放大電路、單片機(jī)系統(tǒng)、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、功率放大電路、語(yǔ)音提示控制電路、語(yǔ)音電路、燈光顯示控制電路、燈光顯示電路、寬輸入多路輸出開(kāi)關(guān)電源10個(gè)部分。

1.1 采樣電路和控制電路設(shè)計(jì)

采樣電路采用兩個(gè)300A的電力二極管進(jìn)行采樣?？刂齐娐啡鐖D1所示，架線電源接穩(wěn)壓管D4，然后串接20個(gè)56K的電阻串并聯(lián)構(gòu)成電阻降壓網(wǎng)絡(luò)后接電源的負(fù)極，使穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為12V，給PNP三極管S9012提供電源。兩個(gè)ZP300A采樣二極管的壓降大于Q1的導(dǎo)通電壓時(shí)三極管Q1導(dǎo)通。當(dāng)三極管Q1導(dǎo)通后，進(jìn)入光耦隔離器件TLP181，輸出端有流過(guò)電阻R30的電流Ic產(chǎn)生，從而使Vout的電壓拉低，使進(jìn)入控制電路單片機(jī)STC15F104W管腳8的輸入信號(hào)為低電平。單片機(jī)內(nèi)部的程序?qū)ζ溥M(jìn)行判斷，若輸入單片機(jī)的信號(hào)持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間5s，則判斷架線電機(jī)車(chē)停止，單片機(jī)管腳7的輸出信號(hào)為低電平。低電平信號(hào)經(jīng)電阻R31進(jìn)入三極管Q2的基極，R31起限流作用，三極管Q2飽和導(dǎo)通+5V電源加到繼電器線圈的兩端，繼電器吸合，其內(nèi)部的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使IGBT驅(qū)動(dòng)芯片的輸入控制信號(hào)Q2接地。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片的輸入信號(hào)為0，則使得IGBT的輸出信號(hào)也為0。

1.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IGBT的驅(qū)動(dòng)電路采用HCPL-316J驅(qū)動(dòng)芯片，當(dāng)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路輸入控制信號(hào)處于QD懸空時(shí)，高電平信號(hào)進(jìn)入HCPL-316J的管腳1即正向信號(hào)輸入端，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端輸出高電平信號(hào)。高電平信號(hào)經(jīng)對(duì)稱推挽功率放大電路后驅(qū)動(dòng)IGBT模塊開(kāi)通，斷電架線區(qū)域此時(shí)處于有電狀態(tài)。否則IGBT模塊處于關(guān)斷狀，斷電區(qū)域架線此時(shí)處于無(wú)電狀態(tài)。

1.3 語(yǔ)音電路設(shè)計(jì)

由于該裝置為礦用型設(shè)備，所以裝置所處的環(huán)境較為惡劣，且礦井下聲音嘈雜，需要安全可靠的語(yǔ)音電路和大功率的揚(yáng)聲器，用于提醒上下車(chē)人員架線已停電，可以安全上下車(chē)。該語(yǔ)音電路兼有報(bào)站功能，可以提醒人員提前做好下車(chē)準(zhǔn)備，大大提高礦用電機(jī)車(chē)的運(yùn)行效率。綜合考慮各種因素，最終決定采用的方案是語(yǔ)音芯片和功放芯片的組合電路。因?yàn)閮H僅依靠語(yǔ)音芯片來(lái)直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠驅(qū)動(dòng)大功率的揚(yáng)聲器，不能達(dá)到較好的語(yǔ)音效果，所以采用對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，然后再由揚(yáng)聲器輸出，這樣使得語(yǔ)音提示更加響亮，確保每個(gè)人員都能夠聽(tīng)到、聽(tīng)清楚，提高礦井下運(yùn)輸線路的效率。

語(yǔ)音芯片處于平時(shí)有電狀態(tài)，但是因?yàn)樵撔酒妮斎胗|發(fā)腳需要等待來(lái)自單片機(jī)處理過(guò)的控制信號(hào)的觸發(fā)，故在觸發(fā)信號(hào)未到來(lái)之前，語(yǔ)音芯片不會(huì)對(duì)外輸出語(yǔ)音信號(hào)，這個(gè)設(shè)計(jì)在一定程度上降低了語(yǔ)音電路錯(cuò)報(bào)、誤報(bào)的概率，提高了整個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的可靠性。

1.4 LED顯示電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的架線自動(dòng)停送電開(kāi)關(guān)采用了LED顯示電路，在斷電區(qū)域架線停電時(shí)顯示“無(wú)電”，斷電架線區(qū)域沒(méi)有停電時(shí)顯示“有電”。

LED顯示電路如圖2所示。電路的工作原理為，電路左端的端子接IGBT模塊的E端，該電路屬于平時(shí)有電狀態(tài)。當(dāng)IGBT模塊正常導(dǎo)通時(shí)，架線電源經(jīng)過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)降壓后，借助電解電容C1使得穩(wěn)壓管D1的電壓穩(wěn)定在25V左右，繼電器K2和K3的線圈得電，兩個(gè)繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。若架線電機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)或沒(méi)有通過(guò)該站，繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，LED顯示電路顯示“有電”。

2 軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是采用數(shù)字電路進(jìn)行控制，所以單片機(jī)程序的編寫(xiě)質(zhì)量決定了該自動(dòng)停送電開(kāi)關(guān)裝置是否能正常工作。因所需的控制方式較為簡(jiǎn)單，即需要的I/O口數(shù)、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和外部中斷也較少，所以使用了8腳的單片機(jī)STC15F104W。主程序流程圖如圖4所示。基本的程序邏輯是：當(dāng)單片機(jī)管腳8輸入為高電平時(shí)或低電平持續(xù)時(shí)間小于設(shè)定的延時(shí)時(shí)間，管腳7要輸出高電平，管腳1輸出低電平，管腳3輸出低電平;當(dāng)單片機(jī)管腳8輸入低電平且持續(xù)時(shí)間超過(guò)5s時(shí)，管腳7輸出低電平，管腳1輸出高電平，管腳3輸出低電平;當(dāng)單片機(jī)管腳8輸入由低電平變?yōu)楦唠娖剑苣_1輸出低電平，管腳3輸出高電平。一共是有3種對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)，管腳8對(duì)應(yīng)P3.3，管腳7對(duì)應(yīng)P3.2，管腳1對(duì)應(yīng)P3.4，管腳3對(duì)應(yīng)P3.5。軟件流程圖如圖3所示。

結(jié)論

改造主要考慮以下幾個(gè)方面：

一是通用性。目前礦用架線電機(jī)車(chē)有250V和550V兩種型號(hào)，分別采用了KKZI型（直流250V）和KKZⅡ型（直流550V）的自動(dòng)停送電開(kāi)關(guān)來(lái)滿足不同的需要。本次改造的目的之一是用一種型號(hào)的停送電開(kāi)關(guān)滿足不同的電壓等級(jí)礦用架線電機(jī)車(chē)的需要。這可以通過(guò)選取高耐壓等級(jí)的IGBT（1200V）和寬電壓輸入（100V～800V）的開(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)。

二是高可靠性。模擬式的自動(dòng)停送電開(kāi)關(guān)在可靠性方面的不足主要是其模擬電路的復(fù)雜性及主回路采用了直流接觸器，接觸器的觸點(diǎn)很容易被電弧灼傷，而灼傷后的觸點(diǎn)就會(huì)造成接觸不良，導(dǎo)致不能正常的通斷電。采用單片機(jī)控制和主回路采用無(wú)觸點(diǎn)的IGBT可以避免這一缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停送電開(kāi)關(guān)的高可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒甲，程紅，楊曉輝.基于數(shù)字控制的架線自動(dòng)停送電裝置的設(shè)計(jì)[J].煤炭工程，2012（7）：118-120.

[2]趙金明，毛寶霞，張豪.KKJ-100/500型直流架線分區(qū)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].中州煤炭，2010（5）：26-27.

[3]蘇偉，鐘玉林，劉鈞，等.基于HCPL-316J的IGBT過(guò)流保護(hù)研究[J].電工電能新技術(shù)，2014，4（4）：67-80.