基于本安直流電動閥的負壓自動放水器

王祖迅

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

在高瓦斯及突出礦井根據《煤礦安全規程》和《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》規定，要求在地面或井下建立瓦斯抽采系統，通過抽采泵、水泵、電動閥、抽采管道等設備將煤層中賦存的瓦斯氣體輸送至地面利用或排空，減少煤礦井下發生瓦斯爆炸或煤與瓦斯突出事故，保障煤礦安全生產[1]。在抽采過程中往往由于被抽采煤層地質條件復雜，有些采煤工作面煤層中含水量大，同時在瓦斯泵正常運行時瓦斯抽采管路內的負壓又比較高，在抽采瓦斯時從抽采鉆孔中吸入大量的煤層積水，這些積水進入抽采管內不僅使瓦斯抽采管路的有效抽采橫截面面積變小，影響單位時間內通過瓦斯抽采管路的瓦斯流量，而且大量積水混合著瓦斯氣體一起運動，抽采泵要克服積水的運動做大量的無用功，這樣就會使瓦斯抽采泵的抽采效率大大減低[2-7]。由于煤礦井下巷道取電困難，目前對抽采管路積水的處理主要采用機械式負壓自動防水器，但經常出現彈簧損壞放，無法壓縮和伸展導致的放水困難、放不出水等問題，因此需要設計一種放水效果更好的負壓自動放水器。

1 電動式負壓自動放水器

電動式負壓自動放水器主要由集水管、直流驅動器、兩通球閥、三通球閥、集水箱、放水管和控制器等組成。電動式負壓自動放水器主要工作在集水和放水2 個狀態，由控制器協調控制。在集水狀態時，出水管上的兩通球閥關閉，集水管上的三通球閥連通抽采管道的管路打開，這時集水箱和抽采負壓管道形成一個聯通體，水在自身重力作用下經集水管進入集水箱內；在放水狀態時，集水管上的三通球閥連通大氣的管路打開，這時集水箱和大氣形成一個聯通體，打開放水管道上的兩通球閥，水在自身重力的作用下從集水箱中流走。放水器不斷重復集水-放水-集水過程，實現對抽采負壓管道進行自動放水。

2 直流電動閥

電動式負壓放水器主要采用電源驅動放水器上的兩通放水球閥和三通集水球閥的開關進行放水操作。由于井下抽采管道安裝環境復雜，在巷道內取交流127 V 及以上電源困難，而且管道內存在瓦斯氣體，采用高壓控制危險，因此設計采用監控電源箱提供的24 V 本安直流電源作為驅動電源，電動閥采用直流無刷電機驅動閥門動作。直流驅動器原理如圖1。

圖1 直流驅動器原理Fig.1 Principle of DC driver

直流驅動器主要由微處理器、直流無刷電機、齒輪減速機構及過流保護電路、驅動電路、采樣電路、遙控及顯示電路、控制接口和RS485 通訊等組成。驅動器采用監控系統監控電源箱提供的24 V 本安直流電源進行供電，微處理器接收來自控制接口的觸點命令或來自RS485 通訊的數字命令，經微處理器解析處理后輸出PWM 控制信號，通過驅動電路控制三相全橋功率開關來驅動直流無刷電機的正反向轉動，再通過齒輪減速機構帶動球閥動作。其中，位置采樣主要用于檢測閥門是否開關到位，電流采樣主要用于檢測驅動器工作電流，遙控及顯示電路用于設置驅動器的參數和顯示工作狀態，RS485 通訊電路主要用于對外輸出驅動器狀態信息和控制參數等，實現閥門的遠程控制。

2.1 直流驅動及電流采樣電路

直流無刷電機的驅動及電流采樣電路如圖2。

驅動及電流采樣電路主要采用JY01 直流無刷電機IC 控制芯片與外圍電路組成的橋式驅動來實現。IC 芯片的AT、BT、CT 引腳接入橋式驅動功率開關的上臂，IC 芯片的AB、BB、CB 引腳接入橋式驅動功率開關的下臂，其中上臂采用P 型場效應管，下臂采用N 型場效應管，由于球閥電機功率較小采用集成的PN 雙MOS 芯片來作為功率開關。電機霍爾元件的采樣信號分別進入Ha、Hb、Hc 引腳，通過霍爾元件和JY01 控制芯片的配合來控制功率管，電路工作時每次導通2 個功率開關管，這2 個功率管在轉子經過120°電角度所持續的時間內保持導通狀態。每當轉子經過60°電角度后，電動機就必須改變1 次相位，改變相位后，2 個正在導通的功率管其中1 個被斷開，電路中未導通的功率管按照電路接收到的電信號導通其中1 個[7-11]。微處理器輸出的轉速控制PWM 信號經限流電阻R5進入VR 控制引腳，根據占空比實現電機的調速控制。正反轉控制信號進入F/R 引腳，實現電機的正反轉控制。電流采樣電路由R10和R11和比例運算放大器組成，通過R10采樣電阻把電機電流轉換成電壓信號，通過限流電阻進入運算放大器的同向輸入端，根據比例運算放大器的電壓增益系數F＝（1＋R13/R12），將采樣電壓放大20 倍后進入微處理器，經微處理器的AD 轉換為數字信號供程序使用。

2.2 本安電源保護電路

直流電動閥采用監控電源箱提供的24 V 本安直流電源進行供電，對電動閥的工作電流設計了硬件限流和軟件過流2 種保護。其中，硬件限流保護主要是在電源的輸入端口設計了限流電路，通過硬件對整機的工作電流進行初步限制，限流電路可以有效地隔離電機驅動電路中的大容量儲能電容向外部電路釋放的能量，避免產生引起可以點燃瓦斯的電火花，限流保護電路原理如圖3。

圖2 驅動和電流采集電路Fig.2 Drive and current acquisition circuit

圖3 限流保護電路Fig.3 Current limiting protection circuit

限流保護電路由電阻R6、R7、R8、R10和OP1A運算放大器組成差分放大電路，穩壓管U3和電阻R7、R8為運算放大器提供參考電壓，通過R6對整機工作電流進行取樣，當電流增大時運算放大器根據輸入誤差調整Q1管進行分壓，使得負載上的電壓降低，從而保持電流恒定不再增大，實現了恒流限流的功能。軟件過流保護主要是通過電流采樣電路實時檢測直流電機拖動負載的電流變化情況，一旦檢測的電流變化有可能引起本安電源發生過流保護的時候，微處理器便會實時的調節電機速度，以動態調節電機的驅動電流，避免電流過大引起本安電源的過流保護。

2.3 控制程序

電動式負壓自動放水器對兩通和三通球閥的控制主要由放水器的控制器進行定時操作控制，控制器通過采集閥門的工作狀態，定時自動打開和關閉直流電動閥，控制流程如圖4。

首先對參數進行初始化操作，讀取直流驅動器的保護參數、工作狀態、集水和放水時間等參數，初始化完成后關閉放水兩通球閥，打開集水三通球閥，即三通球閥的A 點和B 點相通，使水箱與抽采負壓管道相通進行集水。如果集水定時時間未到，繼續集水過程，如果集水定時時間到，關閉集水三通球閥，即三通球閥的C 點和B 點相通，使水箱與大氣相通，然后再打開放水閥進行放水操作。如果放水時間未到，繼續放水操作，如果放水時間到，關閉放水兩通球閥，進行集水過程。此過程不斷循環，實現放水器的定時自動放水操作。

圖4 放水器控制流程Fig.4 Control process of drainer

3 結 語

設計了一種基于本安直流電動閥的負壓自動放水器。通過在放水器集水箱的進水口和出水口采用直流電動球閥，能有效的解決機械式負壓放水器由于彈簧損壞，無法壓縮和伸展導致的放水困難、放不出水等問題；通過采用監控電源箱提供的24 V 本安直流電源供電，供電電源安全且容易在巷道內取到電源，能有效解決井下巷道取交流127 V 及以上電源困難問題；根據設定集水時間和放水時間，直流驅動器自動控制兩通和三通球閥進行集水和放水操作，定時將高負壓抽采管路中的積水排出管道外。通過測試表明：基于本安直流電動閥驅動的放水器在高負壓情況下能有效排出抽采管道內的積水，能有效解決機械式負壓放水器存在的問題，對提高瓦斯抽采系統工作效率具有重要意義。