改進型保安操縱箱電磁鐵技術參數的檢測方法研究

邱旺成，王亮，蘇琴，楊輝，王昌志，曾游欽

（1.中國長江動力集團有限公司，武漢 430200；2.武漢理工大學，武漢 430070）

0 引言

保安操縱箱是汽輪機保安系統中的控制和試驗操縱裝置[1]。我公司生產的汽輪機上常用的保安操縱箱有2種型號，分別是接220 V交流電源的A型和接220 V直流電源的B型。兩種型號保安操縱箱外觀基本一樣，僅電磁鐵型號不同，曾因電磁鐵混淆而導致燒壞，使保安操縱箱無法工作，嚴重影響汽輪機的正常運行。

改進后的保安操縱箱保持機械部分外觀不變，僅對電磁鐵部分進行了改進，增加了電氣控制單元，實現了無論接220 V交流電源還是接直流電源，均可使保安操縱箱正常穩定工作。由于市場上沒有專門的保安操縱箱電磁鐵技術參數檢測工具，判斷其是否滿足設計要求成了困擾我們的難題。本文介紹了一種簡便高效的檢測方法，并通過實驗對其技術參數進行了逐一檢測。

1 電磁鐵主要技術參數

1.1 工作原理

改進后的保安操縱箱電磁鐵特點在于：通過控制單元將輸入的220 V交流電源轉換成直流電，使電磁鐵得電動作，而當輸入的是220 V的直流電源時，控制單元無需轉換，直接使電磁鐵動作，以此實現了交直流電源通用，只要確保電源電壓在額定范圍內，均可使保安操縱箱正常穩定工作。

1.2 主要技術參數

根據設計輸入，改進后的保安操縱箱電磁鐵主要技術參數如下：1）額定工作電壓。交流電壓（220±22）V，50～60 Hz或直流電壓（220±22）V，電源電壓高低對電磁鐵動作時間有很大影響[2-3]。2）額定電壓下電磁鐵的啟動時間≤300 ms，電磁鐵啟動時間的定義為“從給電磁鐵施加勵磁電壓開始，到動鐵芯與靜鐵芯吸合，動鐵芯完成這段位移所需的時間”[4]，電磁鐵動作響應時間是衡量電磁鐵的重要性能指標之一[5]。3）電磁鐵額定牽引力≥50 N，這是為保證銜鐵能夠克服反力，從初始位置上起動所必需的電磁吸力[6]。4）通電30 min，電磁鐵溫升≤20 ℃。5）工作環境溫度為-10～+75 ℃。

2 技術參數的檢測

為了驗證此改進型保安操縱箱電磁鐵的主要技術參數是否滿足設計要求，本文通過建立實驗條件并以逐個檢測的方式來驗證。其中，對于額定工作電壓的檢測，使用合格的萬用表測量即可，本文不再贅述。以下主要介紹電磁鐵的啟動時間、牽引力大小、電磁鐵溫升及工作環境溫度等技術參數的檢測方法。

2.1 實驗條件的建立

1）參照萬書亭等[7]提出的一種利用振動信號提取斷路器合閘過程中運動時間參數的方法，測定額定電壓下電磁鐵啟動時間。由于要求電磁鐵的啟動時間≤300 ms，無法通過常規的計時器檢測，因此設計了專用的電子計時系統。在保安操縱箱電磁執行機構上安裝擋塊，保安操縱箱動作至最大開度時，行程末端的光電開關sw1可以捕捉到即時的狀態變化并傳入單片機內，采集程序標記末端觸發時間為T1；保安操縱箱電磁鐵動作觸發時的狀態變化信號同樣通過啟動開關的觸點傳入單片機內，標記開始時間為T0。由單片機計算兩次信號的時間差T=T1-T0，即為電磁鐵執行機構的動作響應時間[8]。檢測的過程參數和計算結果，通過串口通信接口輸出至上位機。單片機采集系統電路原理如圖1所示，控制流程如圖2所示。

圖1 電路原理圖

圖2 控制流程圖

另外，為方便試驗數據的采集和記錄，開發了一款保安操縱箱電磁鐵技術參數測試軟件，界面如圖3所示。

圖3 技術參數測試系統軟件

該系統可實現試驗數據的連續采集，并進行表格化顯示、儲存，可有效提高測試的精度和效率。

2）電磁鐵額定牽引力的測定。按照電磁鐵額定電壓下牽引力≥50 N的要求，在保安操縱箱電磁鐵杠桿處懸掛5.1 kg標準砝碼，若電磁鐵能夠正常動作，且啟動時間也滿足≤300 ms的要求，即說明電磁鐵的牽引力滿足要求。

3）通電30 min，測定電磁鐵溫升。在額定電壓下，使電磁鐵處于常閉狀態下30 min，使用測溫槍測量電磁鐵線圈處通電前后的溫差值，即為電磁鐵的溫升。

4）工作環境溫度的測定。將保安操縱箱置于80 ℃高溫的烘箱中，在額定工作電壓下檢測保安操縱箱是否正常動作，以及動作時間是否滿足要求，即可判定其耐高溫情況，低溫環境檢測方法類似，本文不再贅述。

綜上所述，改進型保安操縱箱電磁鐵主要技術參數的檢測可以分為常溫環境通交流電源工況（簡稱工況1）、常溫環境通直流電源工況（簡稱工況2）、80 ℃環境通交流電源工況（簡稱工況3）和80 ℃環境通直流電源工況（簡稱工況4），下面分別介紹4種工況下的實驗結果。

2.2 常溫環境通交流電源工況

在室溫20 ℃的環境下，將保安操縱箱電磁鐵接通220 V 交流電源，通過技術參數測試系統，分別測試空載和懸掛5.1 kg 砝碼狀態下電磁鐵的啟動時間，結果如圖4所示。

由圖4可知：保安操縱箱電磁鐵杠桿處懸掛5.1 kg標準砝碼，電磁鐵平均啟動時間是121 ms；空負荷時，電磁鐵平均啟動時間是49 ms。因此，工況1電磁鐵的啟動時間和牽引力大小均滿足設計要求。

圖4 工況1電磁鐵的啟動時間

接通交流電源30 min后，檢測通電前后電磁鐵的溫升情況，實驗數據如表1所示。從表1可以看出：通電30 min，電磁鐵的平均溫升只有4.7 ℃，工況1電磁鐵的溫升情況滿足設計要求。

表1 工況1電磁鐵的溫升統計表 ℃

2.3 常溫環境通直流電源工況

在室溫20 ℃的環境下，將保安操縱箱電磁鐵接通220 V直流電源，按照上述方法，分別測量電磁鐵的啟動時間，結果如圖5所示。

由圖5可知：工況2帶5.1 kg 負載時，電磁鐵平均啟動時間是262 ms；空負荷時，電磁鐵平均啟動時間是58.2 ms。因此，工況2電磁鐵的啟動時間和牽引力大小均滿足要求。

圖5 工況2電磁鐵的啟動時間

接通直流電源30 min后，檢測通電前后電磁鐵的溫升情況，實驗數據如表2所示。

表2 工況2電磁鐵的溫升統計表 ℃

從表2可以看出：通電30 min，電磁鐵的平均溫升只有3.4 ℃，工況2電磁鐵的溫升情況滿足要求。

2.4 80 ℃環境通交流電源工況

在高溫80 ℃的環境下，接通220 V交流電源，按照上述方法，分別測量電磁鐵的啟動時間，結果如圖6所示。

圖6 工況3電磁鐵的啟動時間

由圖6可知：工況3帶5.1 kg負載時，電磁鐵平均啟動時間是124 ms；空負荷時，電磁鐵平均啟動時間是49 ms。因此，工況3保安操縱箱電磁鐵的耐高溫程度滿足設計要求。

接通交流電源30 min后，檢測通電前后電磁鐵的溫升情況，實驗數據如表3所示。

表3 工況3電磁鐵的溫升統計表 ℃

從表3可以看出：通電30 min，此時電磁鐵的平均溫升只有4.6 ℃，工況3保安操縱箱在高溫環境下，電磁鐵的溫升情況滿足設計要求。

2.5 80 ℃環境通直流電源工況

在高溫80 ℃的環境下，接通220 V直流電源，按照上述方法，分別測量電磁鐵的啟動時間，結果如圖7所示。

由圖7可知：工況4帶5.1 kg 負載時，電磁鐵平均啟動時間為264.6 ms；空負荷時，電磁鐵平均啟動時間為59.8 ms。因此，工況4保安操縱箱電磁鐵的耐高溫程度滿足要求。

圖7 工況4電磁鐵的啟動時間

接通直流電源30 min后，檢測通電前后電磁鐵的溫升情況，實驗數據如表4所示。

表4 工況4電磁鐵的溫升統計表 ℃

從表4可以看出：通電30 min，此時電磁鐵的平均溫升只有4.1 ℃，工況4保安操縱箱在高溫環境下，電磁鐵的溫升情況滿足要求。

從上述4種工況可以看出，接交流電源時，保安操縱箱電磁鐵的動作時間要比接直流電源時的短，尤其是帶了5.1 kg的負載時，更加明顯。這是因為受測試條件所限，現場沒有220 V的直流電源，是通過電氣工程師自制的電源轉換模塊，將220 V的交流電源轉換成220 V的直流電源后再接入保安操縱箱電磁鐵技術參數測試系統進行檢測，電源轉換過程中的時間損耗所致。

另外，在模擬高溫80 ℃的環境下進行工況3和工況4的檢測，由于烘箱的溫度設定為80 ℃，但是保安操縱箱通電30 min后，電磁鐵的溫度只有60～70 ℃左右。這是由于保安操縱箱放入烘箱的時間沒有足夠長，且筆者測量電磁鐵的溫度時，是將烘箱門打開，使用測溫槍測量溫度，導致烘箱內的溫度降低所致。而保安操縱箱實際的工作環境溫度只有60 ℃左右，且其電磁鐵通電時間一般不超過1 min。因此，上述工況的設定是合理的。

3 結論

通過使用專用的工裝及保安操縱箱電磁鐵技術參數測試系統，實驗驗證了改進型保安操縱箱電磁鐵在額定電壓下的啟動時間、牽引力大小和溫升狀況均滿足設計要求。同時，模擬80 ℃高溫，驗證了改進型保安操縱箱電磁鐵的耐高溫程度也滿足設計要求。

新設計的電磁鐵技術參數測試系統解決了改進型保安操縱箱電磁鐵首件的驗收問題，同時也可應用于我公司的A型和B型保安操縱箱電磁鐵的驗收，具有很好的實用價值。