礦用隔爆型真空電磁起動器控制空壓機在電性能方面增加的部分功能設計

陳向芬

(山西長防電器股份有限公司，山西 長治 046000)

1 引言

礦用隔爆型真空電磁起動器主要用于煤礦井下瓦斯和煤塵的礦井中，控制鼠籠式異步電動機的起動、停止。同時，具有針對電動機及供電線路進行的電流、電壓、絕緣等多種保護功能。現應用戶要求，需要選用我們公司生產的礦用隔爆型真空電磁起動器控制空氣壓縮機的主驅動電動機及其冷卻風扇驅動電動機的起動或停止。另外，可以與空壓機的溫度、壓力、斷水、斷油等開關配套進行溫度、壓力和斷水、斷油保護，要有相序識別并閉鎖保護的功能。這就要求我們在不改變原產品結構、性能的基礎上，針對用戶具體要求，增加部分電性能功能，以滿足用戶的實際使用要求。

2 總體方案設計及工作原理介紹

(1)根據用戶要求，真空電磁起動器需在電性能方面增加以下功能;

①原保護功能不變的基礎上增加溫度、壓力、斷水、斷油四個保護功能;

②相序識別并相序保護功能;

③增加一路小電流輸出控制回路，且具有過載、短路、斷相、漏電閉鎖等保護功能。

(2)根據需要增加的電氣功能要求，在電性能方面確定整機電氣控制原理圖如圖1所示。

①主回路

主回路主要有:電源輸入接線端子U1、V1、W1;電源輸出接線端子:U2、V2、W2及 U3、V3、W3。其中 U2、V2、W2連接主驅動電動機的電源側，U3、V3、W3連接冷卻風扇驅動電動機的電源側。隔離換相開關QS，具有正向、分斷、反向三位置，主要是控制電源輸入端子U1、V1、W1三相電源何時接入主回路和控制回路;交流真空接觸器KM，通過控制交流真空接觸器三相主觸頭的閉合和斷開，從而控制空壓機的主驅動電動機及其冷卻風扇驅動電動機的起動或停止;電流互感器TA1、TA2，主要為綜合保護裝置 ZB1、ZB2提供主回路及冷卻風扇回路工作電流取樣信號;阻容保護裝置FV，用于吸收電機停止運轉時產生的過電壓。

②控制回路

控制回路主要有:控制電源變壓器TC1、TC2，為保護裝置及中間繼電器線圈和交流真空接觸器吸合線圈提供對應工作電源;起動和停機按鈕SB1、SB2，主要通過控制綜合保護裝置ZB1的先導回路執行繼電器線圈電源的接通和分斷，先導執行繼電器的輸出接點接通和分斷中間繼電器工作電源，從而控制交流真空接觸器吸合線圈工作電源，最終控制空壓機主驅動電機和冷卻風扇電機的起動和停止工作。

③保護回路

保護回路主要有:綜合保護裝置 ZB1、ZB2，其中ZB1主要針對空壓機的主驅動電機進行電流、系統電壓及供電系統絕緣檢測等保護;同時，空壓機的溫度、壓力、斷水、斷油等開關及相序保護模塊XHB、XXBH提供的無源接點分別接入保護裝置ZB1對應開關量輸入口，保護裝置根據開關量輸入口狀態的變化從而判斷空壓機在溫度、壓力、斷水、斷油、相序等方面是否正常，從而執行相應的故障保護。顯示器件XS，顯示當前時間、系統電壓、工作電流、絕緣電阻及故障狀態和故障參數。通過操作按鈕SY(上移)、XY(下移)、QR(確認)、FW(復位)，配合顯示器件XS可以實現人機對話，進行工作參數設定;綜合保護裝置ZB2主要是對冷卻風扇電機進行電流及絕緣保護。

圖1 電氣控制原理圖

(3)溫度、壓力、斷油、斷水保護工作原理

溫度保護:起動器在正常運行過程中，當外部的當前溫度值達到設定的報警點時，空壓機溫度開關的干結點由常閉轉為常開狀態，這時，壓風機Ⅱ型保護裝置ZB1檢測到故障狀態，對應保護輸出點斷開中間繼電器ZJ線圈電源。交流真空接觸器KM吸合線圈斷電，交流真空接觸器的主觸頭分斷壓縮機電源，同時，顯示器XS顯示出相應故障信息。

壓力保護:在起動器起動后50s內，外部的壓力開關的干結點一直保持常開狀態或在運行過程中壓力開關的干結點由常閉轉為常開狀態，這時，壓風機Ⅱ型保護裝置ZB1檢測到故障狀態，對應保護輸出點斷開中間繼電器ZJ線圈電源。交流真空接觸器KM吸合線圈斷電，交流真空接觸器的主觸頭分斷壓縮機電源，同時，顯示器XS顯示出相應故障信息。

斷油保護:起動器在正常運行過程中，斷油開關的干結點由常閉轉為常開狀態，這時，壓風機Ⅱ型保護裝置ZB1檢測到故障狀態，對應保護輸出點斷開中間繼電器ZJ線圈電源。交流真空接觸器KM吸合線圈斷電，交流真空接觸器的主觸頭分斷壓縮機電源，同時，顯示器XS顯示出相應故障信息。

斷水保護:在起動器正常運行過程中，斷水開關的干結點由常閉轉為常開狀態，這時，壓風機Ⅱ型保護裝置ZB1檢測到故障狀態，對應保護輸出點斷開中間繼電器ZJ線圈電源。交流真空接觸器KM吸合線圈斷電，交流真空接觸器的主觸頭分斷壓縮機電源，同時，顯示器XS顯示出相應故障信息。

(4)相序識別保護器件介紹

利用不需零線的三相交流電源相序檢測保護集成電路 TH221A芯片，芯片外引腳排列如圖 2所示。TH221A芯片由取樣電路、缺相判斷電路、相序邏輯鑒別電路、功率放大電路四部分組成，采用線電壓進行錯相或缺相的判斷。當取樣電路輸入三相交流電源相序正確，則缺相判斷電路、功率放大電路和直流繼電器不動作。相反，輸出信號經功放電路放大后輸出低電平，從而使外接繼電器動作，切斷供電裝置電源。

TH221A芯片主要參數:

繼電器工作電壓+12V;

工作電源電壓范圍:15～18V;

輸入交流線電壓:

直接輸入時30V;

若串入1MΩ電阻可接入380V;

若串入1.6MΩ電阻可接入660V;

若串入2.7MΩ電阻可接入1140V;

各引腳最大負載電流小于10mA;

外形尺寸:50mm×20mm×6mm。

(5)相序識別并相序保護工作原理

圖2 TH221A的引腳排列圖

相序識別并相序保護的工作原理如圖3所示，起動器上電以后，首先對系統電源相序進行識別，如果三相交流電源相位彼此互差120℃，說明三相電源正常，這時相序識別線路TH221A的16腳輸出高電位信號，綠色指示燈亮且G1管子處于導通狀態，光電偶合器件TL521－1的3、4腳接通，使G2管子處于導通狀態，這樣，控制繼電器J線圈接通+12V電源，對應輸出控制接點J1、J2閉合，壓風機Ⅱ型保護裝置ZB1檢測到這個輸入口信號，斷定相序正常。同時，系統在無任何故障的情況下，保護輸出點閉合。按“起動”按鈕，先導回路輸出接點閉合，接通中間繼電器ZJ線圈電源。同時，中間繼電器對應接點接通交流真空接觸器吸合線圈電源，交流真空接觸器主觸頭正常閉合，空壓機可以正常工作;相反，如果三相交流電源相位彼此互差不是120℃，那么顯示界面的綠色指示燈熄滅，TH221A的15腳輸出高電位信號，紅色相序出錯故障指示燈亮。16腳輸出低電位信號，G1管子處于截止狀態，光電偶合器件TL521－1的3、4腳斷開，使G2管子處于截止狀態，這樣，控制繼電器J線圈+12V電源沒有接通，對應輸出控制接點J1、J2處于斷開狀態，按“起動”按鈕不能正常起動實現閉鎖。這時只需把隔離換相開關的手柄打到另一個方向即可。

圖3 相序識別保護原理圖

(6)增加小電流輸出回路及保護功能

應用戶要求，當空氣壓縮機的主驅動電動機正常工作時，其冷卻風扇驅動電動機也需正常工作，故在交流真空接觸器輸出端引出三根電源線控制冷卻風扇驅動電動機的工作，且在輸出端串接綜合保護裝置ZB2的電流互感器TA2，由綜合保護裝置ZB2來完成對冷卻風扇驅動電動機的各種保護功能。保護器的電流整定范圍為2.7～40A分為四檔，每檔電流細分為10小檔可調。

3 設計方案的實施

3.1 相序識別保護線路的試驗

依據對應原理圖購買相應的器件，器件篩選合格后在面包板上連接線路、通電試驗。修正設計線路及參數的不足之處，最終確定合理線路及參數。依據線路，對照實物設計出對應的PCB線路板，確定引入、引出接線方式及插件外殼形狀和大小尺寸。

3.2 小電流輸出保護功能的試驗

利用JDB－80C保護裝置對小電流輸出回路進行保護，由于JDB－80C的電流整定范圍為5.5～80A之間四檔，而冷卻風扇驅動電動機功率小，保護器的保護范圍有些大，保護功能不能很好實現。為此，我們通過將穿過電流互感器的母線繞兩圈的方式取電流信號，通過加電流試驗，最后確定綜合保護裝置的電流整定范圍為2.7～40A之間四檔，每檔電流又細分為10小檔可調。具體分檔電流與刻度電流對應整定值如圖4所示。

圖4 分檔電流與刻度電流對應表

3.3 整機電性能試驗

在原礦用隔爆型真空電磁起動器的內部找到相序保護插件的安裝位置，同時，在其接線腔確定控制冷卻風扇電機的電源輸出方式。依據電氣控制原理圖繪制相應的接線圖，依圖連接正確確認無誤，通電進行電性能試驗。

主要試驗項目有:

(1)介電性能:技術要求:主回路:絕緣電阻:≥100MΩ;耐壓值:4200V/1min無擊穿或閃絡。

(2)相序保護性能試驗

工作電壓在75% ～110%Ue范圍內，起動器在三相電源相序正常時，綠色正常指示燈亮，同時，按“起動”按鈕起動器可以正常合閘運行;將隔離換相開關手把打到相反方向，綠色正常指示燈滅，紅色故障指示燈亮，同時，按“起動”按鈕，起動器不能正常合閘運行。同時，用萬用表檢測到相序保護模塊輸出對應繼電器控制點J1、J2由閉合狀態轉為斷開狀態，顯示器顯示相序出錯故障信息。

(3)溫度、壓力、斷油、斷水保護性能試驗

工作電壓在75%Ue～110%Ue范圍內，在礦用隔爆型真空電磁起動器的接線腔對應開關量輸入口用短接線對應一一短接，表示溫度、壓力、斷油、斷水各開關為正常狀態，這時，按“起動”按鈕，起動器正常起動。當依次斷開對應短接線，模擬相應故障狀態，起動器分斷，同時，顯示相應故障信息。

(4)小電流回路保護性能試驗

①電流試驗:依據分檔電流與刻度電流對應表，設置回路正常工作電流。同時，把主回路三相串接在一起，外加大電流發生器的輸出端，按“起動”按鈕，起動器正常起動。然后在主回路中加相應工作電流，工作一段時間后，把電流增加到正常工作電流的6倍，這時，起動器在約10s左右分閘，表明過載保護功能正常。

②絕緣電阻試驗

在主回路三相輸出端，將任意一相對地短接，這時按“起動”按鈕，起動器不能起動，表明漏電閉鎖功能正常。

(5)老化試驗

考慮到該保護功能借用穩壓電源的+12V，擔心影響到綜合保護器的正常工作電源;故進行24小時不間斷老化試驗。

4 小結

礦用隔爆型真空電磁起動器，在不改變原產品結構、性能的基礎上，針對用戶具體要求，增加部分電性能功能，滿足不同用戶的使用要求，這是作為電器生產廠家必須面對的問題，同時，開創了礦用電器開關與其它煤礦設備配套使用的一種新模式。設備在使用中，運行穩定，安全可靠，得到用戶的好評，并確立了長期合作意向。

[1]GB3836.1～4—2010爆炸性環境用電氣設備[S].

[2]MT111—2011礦用隔爆型低壓交流真空電磁起動器[S].

[3]國外電子元器件使用手冊[Z].