一種刮板輸送機智能過電流預警裝置的設計與應用

張建浩

(潞安環保能源開發股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

電動機過載保護的工作原理是：在工作電流超過預設的定值并達到一定時間后跳閘，從而達到保護電動機的目的，在煤礦井下所有開關里都設置有過載保護裝置。這種保護裝置雖然保護了電動機，但因過載保護動作帶來的設備處理過程比較復雜。如：當綜采工作面刮板輸送機開關顯示過載并達到其允許時間時，開關跳閘，原因是刮板輸送機上的運煤量超過了它的運輸能力。常規的處理方法是：先把刮板輸送機開關停電閉鎖，然后把超出的煤清理出來，再啟動刮板輸送機，最后再把剛才清理出來的煤重新裝到刮板輸送機上。這個處理過程投入的人力太多，時間耗費太長。尤其是當綜采工作面頂板不穩定，放頂煤時稍不注意就會出現短時間內上煤太多的現象，造成刮板輸送機過載，開關跳閘，導致整個工作面停產。為盡快處理故障，需要所有生產人員都參與到卸煤、裝煤的工作中去。如果通過采取調大開關保護值的方式來避免過載保護動作，就會有超過電動機額定電流的電流通過電動機，時間一長，輕則縮短電動機使用壽命，重則燒毀電動機，引起工作面火災或爆炸事故，后果不堪設想。

鑒于此，我們設計一種刮板輸送機智能過電流預警裝置，在電動機過電流事件發生后、過載保護動作前采取措施，降低刮板輸送機電動機實際運行電流，避免因過載而導致的停機事故，進而降低事故率，提高設備運行效率。

1 設計目標及方案

1.1 設計目標

針對現有的過載保護，在跳閘動作前沒有明顯征兆這一缺陷，設計一種用于刮板輸送機電動機保護的過電流預警裝置，當其達到過電流值而未達到過電流保護動作時間時，提醒操作人員注意，在該時間內，通過降低刮板輸送機上煤量，將刮板輸送機電動機運行電流降低至規定范圍內，避免因過載保護動作而導致的停機事故，從而實現不停機處理電動機過載問題的目標。

1.2 技術方案

根據電流的熱效應計算公式：Q=I2Rt，在不考慮溫度影響的前提下，視電動機繞組的電阻為定值，熱量Q與通過電動機繞組電流I的平方和時間t成正比，在熱量Q一定的情況下，電流越大則電動機的溫升越快，所以必須在其規定的時間里把實際運行電流減下來。礦用隔爆兼本質安全型刮板輸送機控制開關說明書中過載保護動作時間表如表1所示。

表1 過載動作時間

從表1可以看出，電動機運行電流是額定電流1.05倍時，過載保護2 h內不動作；電動機運行電流是額定電流1.2倍時，過載保護動作時間為12～60 min；電動機運行電流在額定電流1.5倍時，過載保護動作時間為90～180 s；電動機運行電流在額定電流6倍時，過載保護動作時間為8～14 s.我們可以在電動機運行電流超過額定電流1.2倍或1.5倍時但還未達到動作時間前，即在過電流現象已發生但未達到過電流保護動作時間前進行聲光預警，提示操作人員通過減少刮板輸送機上煤量或禁止刮板輸送機上煤來控制電動機運行電流，使其雖然超過允許范圍，但在過電流時間允許范圍內又降低到額定范圍內。這樣一來既保護了電動機，又避免了過載跳閘后處理故障。

刮板輸送機智能過電流預警裝置的主要元器件包括：電流互感器、PLC、繼電器及聲光警報裝置。其中，電流互感器包括電流互感器一次側A、B、C，分別串接至刮板輸送機電動機的三相負荷線，電流互感器二次側a、b、c分別連接PLC模擬量輸入端口La、Lb和Lc，以將從電流互感器a、b、c采集的電流輸入PLC；PLC的L和N端口連接至AC220V；PLC的存儲器存儲預設的電流定值，通過PLC實時識別從模擬量輸入端La、Lb和Lc輸入的電流值，并與預設電流定值進行比較；比較結果通過PLC的模擬量輸出端Q1.2、Q1.3和Q1.4輸出；模擬量輸出端Q1.2、Q1.3和Q1.4分別連接3個繼電器線圈1J、2J、3J一端，繼電器線圈1J、2J、3J另一端均連接至PLC的L+端口，PLC的L+端口與PLC的2M端口連接；PLC的L1和N接口連接AC220V進行供電；聲光警報裝置包括警示燈L1、L2和L3，進行聲音警報的第一警報裝置S1和第二警報裝置S2；警示燈L1、L2和L3分別為綠、黃、紅三色燈，與3個繼電器的觸點開關1J-1、2J-1、3J-1串聯后并聯連接至AC220V，第一警報裝置S1和第二警報裝置S2分別與警示燈L2和L3并聯。

1.3 工作原理

如圖1所示：在設定額定值后，PLC通過模擬量輸入端口La、Lb和Lc實時接收電流互感器ABC讀取的電流值，并與設定的定值進行比較。當3個端口接收到的電流值最大者超過設定值時發出不同警報。當實時電流值最大者為電動機額定電流的1.2倍時，此時PLC通過模擬量輸出端口Q1.2輸出信號，與模擬量輸出端口Q1.2連接的繼電器的線圈1J得電，對應的觸點開關1J-1閉合，使警示燈L1通電發光。警示燈L1為綠光燈，當該警示燈發光時，工作人員可在完成手頭工作后再進行處理；當實時電流值最大者為電動機額定電流的1.5倍時，此時PLC通過模擬量輸出端口Q1.3輸出信號，與模擬量輸出端口Q1.3連接的繼電器的線圈2J得電，對應的觸點開關2J-1閉合，使警示燈L2通電發光，同時作為聲音警報的第一警報裝置S1通電發聲警報，警示燈L2為黃光燈，且第一警報裝置S1發出第一警示信號，工作人員觀察到黃光信號，并接收到第一警示信號時，可稍作延時然后進行處理，提示操作人員下一步工作應該減少上煤量，防止輸送機電動機受到損壞；當實時電流值最大者為電動機額定電流的6倍時，此時PLC通過模擬量輸出端口Q1.4輸出信號，與模擬量輸出端口Q1.4連接的繼電器的線圈3J得電，對應的觸點開關3J-1閉合，使警示燈L3通電發光，同時作為聲音警報的第二警報裝置S2通電發聲警報，警示燈L3為紅光燈，且第二警報裝置S2發出第二警示信號，此時工作人員應立即進行處理，提示操作人員立即停止上煤。

圖1 過電流預警原理圖

1.4 應用效果

利用電流互感器和PLC對電動機電流進行識別，在發生過電流而未達到其動作時間內進行聲光預警提示，提示操作人員在規定允許時間內把電動機運行電流降下來，使電動機在設定電流允許范圍內運行，這樣既能保護了電動機，又能避免過載停機所帶來的弊端。通過在王莊煤礦9102工作面應用，因過載造成的停機故障大大減少，使用效果良好。

2 技術創新點

利用過載保護動作的兩個必要條件：一是需要電流超過額定電流一定范圍，二是在不同電流范圍內超過各自動作時間范圍。我們充分利用這個動作時間范圍，在運行電流超過額定電流一定范圍時，發出警報讓操作人員注意操作，使電動機在允許過電流時間范圍內把電動機運行電流降下來，降低了事故率，提高了設備運行效率。

3 結 語

該裝置的成功研制，通過聲光提示在電動機電流超出允許范圍而過電流動作時間還未達到以前，通過采取措施把電動機運行電流降下來，在保護電動機的同時，又避免了設備停機，提高了設備運行效率。