礦用架線停送電開關的數字化改造

李群富

摘? 要：本文針對目前直流架線電機車使用的架線停送電開關存在的可控時間精度差、可靠性差、電壓適應性差等問題，對模擬式的停送電開關進行了數字化改造，實現了礦用架線停送電開關的通用性和高可靠性。

關鍵詞：礦用;停送電開關;數字式

中圖分類號：TD64? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

現有井下車場直流架線自動停送電裝置普遍采用的是基于模擬放大電路的控制技術，這種方式由于采用模擬控制方式，在響應時間和工作效率上遠遠不能滿足要求，造成極大的不安全隱患。此種產品的缺點是可控時間精度差、可靠性差、電壓適應性差。目前國內采用的直流架線停送電開關有徐州金科電子設備有限公司和唐山現代電器廠生產的兩種型號，都采用普通直流接觸器作為主控開關，適應電流小、易拉弧氧化、機械結構復雜、壽命短和故障率高的情況，無法正常使用。

在直流架線自動停送電裝置的構成上較理想的發展趨勢是采用架線電流來檢測機車的位置，控制回路采用單片機控制系統，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、高可靠性的開關電源，有必要對模擬轉置進行改造，研制新的拓撲結構的直流架線自動停送電裝置，以滿足工業現場可靠性、安全性的需要。

1 硬件設計

本數字式礦用架線自動停送電開關裝置由控制電路、主電路和聲光顯示電路三大部分構成。具體又分為采樣電路、信號放大電路、單片機系統、IGBT驅動電路、功率放大電路、語音提示控制電路、語音電路、燈光顯示控制電路、燈光顯示電路、寬輸入多路輸出開關電源10個部分。

1.1 采樣電路和控制電路設計

采樣電路采用兩個300A的電力二極管進行采樣。控制電路如圖1所示，架線電源接穩壓管D4，然后串接20個56K的電阻串并聯構成電阻降壓網絡后接電源的負極，使穩壓管的穩壓值為12V，給PNP三極管S9012提供電源。兩個ZP300A采樣二極管的壓降大于Q1的導通電壓時三極管Q1導通。當三極管Q1導通后，進入光耦隔離器件TLP181，輸出端有流過電阻R30的電流Ic產生，從而使Vout的電壓拉低，使進入控制電路單片機STC15F104W管腳8的輸入信號為低電平。單片機內部的程序對其進行判斷，若輸入單片機的信號持續時間超過設定的延時時間5s，則判斷架線電機車停止，單片機管腳7的輸出信號為低電平。低電平信號經電阻R31進入三極管Q2的基極，R31起限流作用，三極管Q2飽和導通+5V電源加到繼電器線圈的兩端，繼電器吸合，其內部的常開觸點閉合，使IGBT驅動芯片的輸入控制信號Q2接地。此時，驅動芯片的輸入信號為0，則使得IGBT的輸出信號也為0。

1.2 IGBT驅動電路設計

IGBT的驅動電路采用HCPL-316J驅動芯片，當IGBT的驅動電路輸入控制信號處于QD懸空時，高電平信號進入HCPL-316J的管腳1即正向信號輸入端，驅動信號輸出端輸出高電平信號。高電平信號經對稱推挽功率放大電路后驅動IGBT模塊開通，斷電架線區域此時處于有電狀態。否則IGBT模塊處于關斷狀，斷電區域架線此時處于無電狀態。

1.3 語音電路設計

由于該裝置為礦用型設備，所以裝置所處的環境較為惡劣，且礦井下聲音嘈雜，需要安全可靠的語音電路和大功率的揚聲器，用于提醒上下車人員架線已停電，可以安全上下車。該語音電路兼有報站功能，可以提醒人員提前做好下車準備，大大提高礦用電機車的運行效率。綜合考慮各種因素，最終決定采用的方案是語音芯片和功放芯片的組合電路。因為僅僅依靠語音芯片來直接驅動揚聲器，功率遠遠不夠驅動大功率的揚聲器，不能達到較好的語音效果，所以采用對音頻信號進行功率放大，然后再由揚聲器輸出，這樣使得語音提示更加響亮，確保每個人員都能夠聽到、聽清楚，提高礦井下運輸線路的效率。

語音芯片處于平時有電狀態，但是因為該芯片的輸入觸發腳需要等待來自單片機處理過的控制信號的觸發，故在觸發信號未到來之前，語音芯片不會對外輸出語音信號，這個設計在一定程度上降低了語音電路錯報、誤報的概率，提高了整個開關裝置的可靠性。

1.4 LED顯示電路設計

本次設計的架線自動停送電開關采用了LED顯示電路，在斷電區域架線停電時顯示“無電”，斷電架線區域沒有停電時顯示“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，該電路屬于平時有電狀態。當IGBT模塊正常導通時，架線電源經過電阻網絡降壓后，借助電解電容C1使得穩壓管D1的電壓穩定在25V左右，繼電器K2和K3的線圈得電，兩個繼電器的常開觸點閉合，常閉觸點斷開。若架線電機車經過或沒有通過該站，繼電器的常開觸點閉合，常閉觸點斷開，LED顯示電路顯示“有電”。

2 軟件設計

本次設計的主要特點是采用數字電路進行控制，所以單片機程序的編寫質量決定了該自動停送電開關裝置是否能正常工作。因所需的控制方式較為簡單，即需要的I/O口數、定時器、計數器和外部中斷也較少，所以使用了8腳的單片機STC15F104W。主程序流程圖如圖4所示。基本的程序邏輯是：當單片機管腳8輸入為高電平時或低電平持續時間小于設定的延時時間，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;當單片機管腳8輸入低電平且持續時間超過5s時，管腳7輸出低電平，管腳1輸出高電平，管腳3輸出低電平;當單片機管腳8輸入由低電平變為高電平，管腳1輸出低電平，管腳3輸出高電平。一共是有3種對應的工作狀態，管腳8對應P3.3，管腳7對應P3.2，管腳1對應P3.4，管腳3對應P3.5。軟件流程圖如圖3所示。

結論

改造主要考慮以下幾個方面：

一是通用性。目前礦用架線電機車有250V和550V兩種型號，分別采用了KKZI型（直流250V）和KKZⅡ型（直流550V）的自動停送電開關來滿足不同的需要。本次改造的目的之一是用一種型號的停送電開關滿足不同的電壓等級礦用架線電機車的需要。這可以通過選取高耐壓等級的IGBT（1200V）和寬電壓輸入（100V～800V）的開關電源來實現。

二是高可靠性。模擬式的自動停送電開關在可靠性方面的不足主要是其模擬電路的復雜性及主回路采用了直流接觸器，接觸器的觸點很容易被電弧灼傷，而灼傷后的觸點就會造成接觸不良，導致不能正常的通斷電。采用單片機控制和主回路采用無觸點的IGBT可以避免這一缺點，實現自動停送電開關的高可靠性。

參考文獻

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