电机远程启停本安先导电路的优化设计_张宇翔.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 1先导电路工作原理 Fig.1Pilot circuit principle 电机远程启停本安先导电路的优化设计 张宇翔 1,2,宋建成1,2,田慕琴1,2 （1.太原理工大学 电气与动力工程学院， 山西 太原 030024； 2.太原理工大学 矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室， 山西 太原 030024） 摘要 介绍了现有电机远程启停先导电路的类型以及存在的误启动、 无法识别所有线路故障 和供电电压降低工作不稳定等问题， 提出一种优化后的光耦隔离式本质安全先导电路， 详细阐 述了电路的工作原理。试验测试表明 经优化的先导电路不存在上述问题， 端口输出电容电感及 最大短路电流符合本安规定。 关键词 远程启动； 先导电路； 光耦隔离； 自锁输出电路； 三线制线路故障识别 中图分类号 TD676文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0261-03 Optimization Design of Intrinsic Safety Pilot Circuit for Motor Remote Start and Stop ZHANG Yuxiang1,2, SONG Jiancheng1,2, TIAN Muqin1,2 （1.College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2.National pilot circuit; optical coupler isolation; self-locking output circuit; line fault identification of three wire system 在煤矿井下，许多带有电机的设备需要进行远 距离启停控制[1]， 由于井下空闲狭小， 长距离的控制 线缆经常发生碰撞、摩擦和碾压等问题，可能造成 线缆发生短路或者断路的线路故障，使电气设备发 生自启动或者强烈抖动的现象。又由于井下的煤尘 和瓦斯，安装在控制电机启停的电路和远程控制按 钮盒之间并具有本质安全防爆特性的电路称为本安 先导电路[2-3]。目前的几种本安先导电路仍然存在一 些问题，为此针对一种电机远程启停本安先导电路 进行了优化设计。 1先导电路的工作原理及存在的问题 三线式先导电路的工作原理如图 1。 先导电路包括远控按钮盒中的检测二极管、 检 测电路和执行电路。电路运行时检测电路配合远控 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.043 张宇翔， 宋建成， 田慕琴.电机远程启停本安先导电路的优化设计 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 261-263. ZHANG Yuxiang, SONG Jiancheng, TIAN Muqin. Optimization Design of Intrinsic Safety Pilot Circuit for Motor Remote Start and Stop ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 261-263.移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51577123） 261 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 按钮盒中的检测二极管检测线路状态并首先获得远 控启停信号，在线路正常情况下将信号通过执行电 路送入电机启停控制电路。当检测电路和远控按钮 盒之间的线路发生短路或者断路故障时闭锁执行电 路， 防止电机误启动。 现有的先导电路有典型的继电器隔离式先导电 路和新型的光耦隔离式先导电路[4]。 继电器隔离式先导电路采用井下交流直接供 电，通过变压器向按钮盒输入交流电信号对线路进 行检测， 然而这种先导电路存在一些缺点[5] ①继电 器线圈位于电路本安侧，电感的放电会引起火花进 而影响电路的本安性能；②在线路发生短路故障 时，由于按钮盒内二极管被短路，检测回路中继电 器线圈两端电压变为交流电，引起继电器抖动甚至 损坏；③在电网电压波动或者降低时，继电器线圈 不能可靠吸合， 导致电机拒动。 光耦隔离式先导电路为近几年出现的新型电 路，虽然解决了继电器隔离式先导电路的大部分缺 点但其还存在一些问题[6-7] ①有些电路采用单片机 电路检测，然而微机电路容易被井下噪声干扰并且 会使电路成本增加; ②电路不能检测出所有的线路 故障，一些电路只能检测出启动按钮线路的故障， 导致停止按钮线路短路时， 电机无法停止。 2优化后的光耦隔离式本质安全先导电路 针对现有光耦隔离式电路存在的无法识别所有 线路故障的问题，对其进行了优化设计。优化后的 光耦隔离式本质安全先导电路原理如图 2。 优化分为 2 部分首先是对按钮盒内部二极管 的优化,通过增加二极管 D2实现对所有线路故障的 检测； 其次对检测电路的优化， 将 555 定时器 （图中 未画出） 产生的5 V、 7 kHz 的方波信号输入按钮盒 b 点，经过检测电路内部的 4 支光电耦合器及滤波 电路得到 4 个开关量信号，再结合逻辑门电路即可 对所有线路故障进行识别。 2.1光耦检测及滤波电路 如图 2， 4 支光电耦合器两两反并联，分别接 收5 V 的线路导通信号， 以 OP1和 OP2为例， 在线 缆 ae 和 bf 短路时 ①5 V 期间 导通路径为5 V、 线缆 bf、 线缆 ae、 R1、 OP1的 LED 端、 GND； ②-5V 期 间 导通路径为 GND、 OP2的 LED 端、 R1、 线缆 ae、 线 缆 bf、 -5 V。从而通过 4 支光电耦合器实现对 3 条 线路及按钮状态的检测。由于在半个周期内只能检 测 2 路光耦输出，所以光电耦合器的输出端接 RC 滤波器将 5 V、 3.5 kHz 的方波信号转换为稳定的直 流信号， 并在其关断后将信号继续保持一段时间， 逻 辑门电路对 4 路光耦输出信号进行检测。 2.2线路故障识别 三线制远控按钮盒线路故障可分为以下 7 种故 障 线缆 ae 断路、 线缆 bf 断路、 线缆 cg 断路、 线缆 ae 与 bf 短路、 线缆 bf 与 cg 短路、 线缆 ae 与 cg 短路 以及 3 条线缆同时短路。如图 2， 设 4 路光耦-滤波 电路输出的逻辑信号从上到下依次为 A、 B、 C、 D。 “1”代表光电耦合器导通，“0”代表光电耦合器截 止，则 4 路逻辑信号的状态对应按钮及 3 条线缆的 状态见表 1。 2.3继电器自锁输出电路 先导执行电路如图 3。 由表 1 可知，通过 2 组逻辑电路分别控制输出 继电器的吸合自锁和自锁状态的解除即可实现启动 信号和线路故障信号的传递， 逻辑输出 Y1通过 NPN 三极管 Q1控制继电器吸合并自锁，逻辑输出 Y2通 过 PNP 三极管 Q2使继电器线圈失电。继电器常开 图 2电路原理图 Fig.2Circuit schematic 表 1线路逻辑状态 Table 1Line logic state ABCDY1Y2系统状态 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 停止按钮按下、 cg 或 bf 断路 ae 断路 bf、 cg 短路 启动按钮按下 ae、 cg 短路 ae、 bf 短路 三线短路 262 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 4测试样机与启动停止按钮接线 Fig.4Test prototype and start/stop button wiring 触点 KA2为先导电路输出，触点闭合表示电机启 动， 触点打开表示电机停止或者线路故障。这样， 只 有在线路正常且启动开关按下后继电器 KA 才会动 作， 保证了系统操作的安全性。 3试验测试及应用 对所开发的本安先导电路样机进行了功能和本 安性能试验，测试样机与启动停止按钮的接线实物 图如图 4，其中 SB1为启动点动常开按钮， SB2为停 止点动常闭按钮， D1、 D2为检测二极管， ae、 bf、 cg 为 3 条可能发生故障的线缆。 1） 正常启停与线路故障测试。通过对 3 条线缆 ae、 bf、 cg 的短路或断路连接模拟各种线路故障， 试 验结果显示在各种可能出现的线路故障情况下输出 继电器没有出现误动作现象，线路正常情况下继电 器动作正常。 2） 本安性能测试。对样机可能处于危险环境的 端口最大输入电容 Ci、 最大输入电感 Li、 最大输出电 压 Uo、 及最大短路电流 Io进行测试， 本安性能数据 如下 ①最大输入电容 Ci 1．21 μF； ②最大输入电感 Li 0．02 μH； ③最大输出电压 Uo 4．89 V； ④最大短 路电流 Io 7．85 mA。 由电路临界点燃曲线图、功率判别公式和能量 判别公式可知[8-9]， 该本安先导电路在正常和线路故 障情况下都满足 GB 3836.42010 由本质安全型 “i” 保护的设备中的国家标准规定[10]。 经优化设计的光耦隔离式本质安全先导电路应 用于矿用千米钻机电控系统中钻机电机的远程启停 控制，对启动停止信号及线路状态进行监测。保证 千米钻机稳定安全运行。 4结语 针对现有本安先导电路存在的误动作、无法识 别所有线路故障等问题，对光耦隔离式本质安全先 导电路进行了优化设计。通过设计新型电路结构， 可对长距离控制线缆的所有线路状态进行监测并闭 锁输出节点； 优化电路符合本安规定， 可在井下等特 殊环境安全稳定运行；样机在小空间内集成 2 路启 停按钮及线路状态监测，可同时控制 2 路电机的远 程启停。 参考文献 ［1］ 张军， 宋建成， 郑丽君.一种电动机远程控制电路 ［J］ . 电气开关， 2010， 48 （3） 17-19. ［2］ 汪淳.本安电路与非本安电路的隔离方式及要求 ［J］ . 工矿自动化， 1998 （2） 40-41. ［3］ 郝俊芳， 李海英， 宋建成.电动机控制系统本质安全型 先导电路的试验研究 ［J］ .电气应用， 2001 （9） 1-4. ［4］ 严树勋， 杨维义.煤矿井下软启动器本安先导电路的 改进设计 ［J］ .工矿自动化， 2012， 38 （8） 121-123. ［5］ 童军， 尹红雨， 张成民.一种新型的磁力启动器本质安 全先导电路设计 ［J］ .工矿自动化， 2014， 40 （3） 22. ［6］ 丁俊峰， 谢国军.一种基于微控制器的先导电路设计 ［J］ .煤矿机电， 2015 （5） 40-42. ［7］ 李思光.新型矿用隔爆兼本质安全型先导电路设计 ［J］ .工矿自动化， 2012， 38 （6） 17-20. ［8］ 王振龙， 吴冬妮.复杂本质安全电路容性放电引燃特 性研究 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （4） 112-115. ［9］ 刘树林， 钟久明， 樊文斌， 等.电容电路短路火花放电 特性及其建模研究 ［J］ .煤炭学报， 2012， 37 （12） 2123-2128. ［10］ GB 3836．42010 爆炸性环境 第 4 部分由本质安 全型 “i” 保护的设备 ［S］ ． 图 3先导执行电路 Fig.3Pilot cution circuit 作者简介 张宇翔 （1994） ， 山西太原人， 在读硕士研 究生， 研究方向为矿用智能电器技术。 （收稿日期 2019-11-29； 责任编辑 李力欣） 263