張宇翔,宋建成,田慕琴

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

在煤礦井下，許多帶有電機的設(shè)備需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離啟?？刂芠1]，由于井下空閑狹小，長距離的控制線纜經(jīng)常發(fā)生碰撞、摩擦和碾壓等問題，可能造成線纜發(fā)生短路或者斷路的線路故障，使電氣設(shè)備發(fā)生自啟動或者強烈抖動的現(xiàn)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(yuǎn)程控制按鈕盒之間并具有本質(zhì)安全防爆特性的電路稱為本安先導(dǎo)電路[2-3]。目前的幾種本安先導(dǎo)電路仍然存在一些問題，為此針對一種電機遠(yuǎn)程啟停本安先導(dǎo)電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

1 先導(dǎo)電路的工作原理及存在的問題

三線式先導(dǎo)電路的工作原理如圖1。

圖1 先導(dǎo)電路工作原理Fig.1 Pilot circuit principle

先導(dǎo)電路包括遠(yuǎn)控按鈕盒中的檢測二極管、檢測電路和執(zhí)行電路。電路運行時檢測電路配合遠(yuǎn)控按鈕盒中的檢測二極管檢測線路狀態(tài)并首先獲得遠(yuǎn)控啟停信號，在線路正常情況下將信號通過執(zhí)行電路送入電機啟?？刂齐娐?。當(dāng)檢測電路和遠(yuǎn)控按鈕盒之間的線路發(fā)生短路或者斷路故障時閉鎖執(zhí)行電路，防止電機誤啟動。

現(xiàn)有的先導(dǎo)電路有典型的繼電器隔離式先導(dǎo)電路和新型的光耦隔離式先導(dǎo)電路[4]。

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

光耦隔離式先導(dǎo)電路為近幾年出現(xiàn)的新型電路，雖然解決了繼電器隔離式先導(dǎo)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(dǎo)致停止按鈕線路短路時，電機無法停止。

2 優(yōu)化后的光耦隔離式本質(zhì)安全先導(dǎo)電路

針對現(xiàn)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(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后的光耦隔離式本質(zhì)安全先導(dǎo)電路原理如圖2。

圖2 電路原理圖Fig.2 Circuit schematic

優(yōu)化分為2 部分：首先是對按鈕盒內(nèi)部二極管的優(yōu)化,通過增加二極管D2實現(xiàn)對所有線路故障的檢測；其次對檢測電路的優(yōu)化，將555 定時器（圖中未畫出）產(chǎn)生的±5 V、7 kHz 的方波信號輸入按鈕盒b 點，經(jīng)過檢測電路內(nèi)部的4 支光電耦合器及濾波電路得到4 個開關(guān)量信號，再結(jié)合邏輯門電路即可對所有線路故障進(jìn)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(lián)，分別接收±5 V 的線路導(dǎo)通信號，以O(shè)P1和OP2為例，在線纜ae 和bf 短路時：①+5 V 期間：導(dǎo)通路徑為+5 V、線纜bf、線纜ae、R1、OP1的LED 端、GND；②-5V 期間：導(dǎo)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(xiàn)對3 條線路及按鈕狀態(tài)的檢測。由于在半個周期內(nèi)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(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流信號，并在其關(guān)斷后將信號繼續(xù)保持一段時間，邏輯門電路對4 路光耦輸出信號進(jìn)行檢測。

2.2 線路故障識別

三線制遠(yuǎn)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(shè)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?！?”代表光電耦合器導(dǎo)通，“0”代表光電耦合器截止，則4 路邏輯信號的狀態(tài)對應(yīng)按鈕及3 條線纜的狀態(tài)見表1。

表1 線路邏輯狀態(tài)Table 1 Line logic state

2.3 繼電器自鎖輸出電路

先導(dǎo)執(zhí)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(tài)的解除即可實現(xiàn)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(dǎo)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(guān)按下后繼電器KA 才會動作，保證了系統(tǒng)操作的安全性。

圖3 先導(dǎo)執(zhí)行電路Fig.3 Pilot execution circuit

3 試驗測試及應(yīng)用

對所開發(fā)的本安先導(dǎo)電路樣機進(jìn)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(fā)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(jié)果顯示在各種可能出現(xiàn)的線路故障情況下輸出繼電器沒有出現(xiàn)誤動作現(xiàn)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(huán)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(jìn)行測試，本安性能數(shù)據(jù)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(dǎo)電路在正常和線路故障情況下都滿足GB 3836.4—2010 由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備中的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[10]。

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的光耦隔離式本質(zhì)安全先導(dǎo)電路應(yīng)用于礦用千米鉆機電控系統(tǒng)中鉆機電機的遠(yuǎn)程啟?？刂?，對啟動停止信號及線路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。保證千米鉆機穩(wěn)定安全運行。

4 結(jié) 語

針對現(xiàn)有本安先導(dǎo)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(zhì)安全先導(dǎo)電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。通過設(shè)計新型電路結(jié)構(gòu)，可對長距離控制線纜的所有線路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測并閉鎖輸出節(jié)點；優(yōu)化電路符合本安規(guī)定，可在井下等特殊環(huán)境安全穩(wěn)定運行；樣機在小空間內(nèi)集成2 路啟停按鈕及線路狀態(tài)監(jiān)測，可同時控制2 路電機的遠(yuǎn)程啟停。