矿用隔爆型真空电磁起动器控制空压机在电性能方面增加的部分功能设计

2014-09-22陈向芬

电气开关 2014年5期

陈向芬

(山西长防电器股份有限公司，山西长治 046000)

1 引言

矿用隔爆型真空电磁起动器主要用于煤矿井下瓦斯和煤尘的矿井中，控制鼠笼式异步电动机的起动、停止。同时，具有针对电动机及供电线路进行的电流、电压、绝缘等多种保护功能。现应用户要求，需要选用我们公司生产的矿用隔爆型真空电磁起动器控制空气压缩机的主驱动电动机及其冷却风扇驱动电动机的起动或停止。另外，可以与空压机的温度、压力、断水、断油等开关配套进行温度、压力和断水、断油保护，要有相序识别并闭锁保护的功能。这就要求我们在不改变原产品结构、性能的基础上，针对用户具体要求，增加部分电性能功能，以满足用户的实际使用要求。

2 总体方案设计及工作原理介绍

(1)根据用户要求，真空电磁起动器需在电性能方面增加以下功能;

①原保护功能不变的基础上增加温度、压力、断水、断油四个保护功能;

②相序识别并相序保护功能;

③增加一路小电流输出控制回路，且具有过载、短路、断相、漏电闭锁等保护功能。

(2)根据需要增加的电气功能要求，在电性能方面确定整机电气控制原理图如图1所示。

①主回路

主回路主要有:电源输入接线端子U1、V1、W1;电源输出接线端子:U2、V2、W2及 U3、V3、W3。其中 U2、V2、W2连接主驱动电动机的电源侧，U3、V3、W3连接冷却风扇驱动电动机的电源侧。隔离换相开关QS，具有正向、分断、反向三位置，主要是控制电源输入端子U1、V1、W1三相电源何时接入主回路和控制回路;交流真空接触器KM，通过控制交流真空接触器三相主触头的闭合和断开，从而控制空压机的主驱动电动机及其冷却风扇驱动电动机的起动或停止;电流互感器TA1、TA2，主要为综合保护装置 ZB1、ZB2提供主回路及冷却风扇回路工作电流取样信号;阻容保护装置FV，用于吸收电机停止运转时产生的过电压。

②控制回路

控制回路主要有:控制电源变压器TC1、TC2，为保护装置及中间继电器线圈和交流真空接触器吸合线圈提供对应工作电源;起动和停机按钮SB1、SB2，主要通过控制综合保护装置ZB1的先导回路执行继电器线圈电源的接通和分断，先导执行继电器的输出接点接通和分断中间继电器工作电源，从而控制交流真空接触器吸合线圈工作电源，最终控制空压机主驱动电机和冷却风扇电机的起动和停止工作。

③保护回路

保护回路主要有:综合保护装置 ZB1、ZB2，其中ZB1主要针对空压机的主驱动电机进行电流、系统电压及供电系统绝缘检测等保护;同时，空压机的温度、压力、断水、断油等开关及相序保护模块XHB、XXBH提供的无源接点分别接入保护装置ZB1对应开关量输入口，保护装置根据开关量输入口状态的变化从而判断空压机在温度、压力、断水、断油、相序等方面是否正常，从而执行相应的故障保护。显示器件XS，显示当前时间、系统电压、工作电流、绝缘电阻及故障状态和故障参数。通过操作按钮SY(上移)、XY(下移)、QR(确认)、FW(复位)，配合显示器件XS可以实现人机对话，进行工作参数设定;综合保护装置ZB2主要是对冷却风扇电机进行电流及绝缘保护。

图1 电气控制原理图

(3)温度、压力、断油、断水保护工作原理

温度保护:起动器在正常运行过程中，当外部的当前温度值达到设定的报警点时，空压机温度开关的干结点由常闭转为常开状态，这时，压风机Ⅱ型保护装置ZB1检测到故障状态，对应保护输出点断开中间继电器ZJ线圈电源。交流真空接触器KM吸合线圈断电，交流真空接触器的主触头分断压缩机电源，同时，显示器XS显示出相应故障信息。

压力保护:在起动器起动后50s内，外部的压力开关的干结点一直保持常开状态或在运行过程中压力开关的干结点由常闭转为常开状态，这时，压风机Ⅱ型保护装置ZB1检测到故障状态，对应保护输出点断开中间继电器ZJ线圈电源。交流真空接触器KM吸合线圈断电，交流真空接触器的主触头分断压缩机电源，同时，显示器XS显示出相应故障信息。

断油保护:起动器在正常运行过程中，断油开关的干结点由常闭转为常开状态，这时，压风机Ⅱ型保护装置ZB1检测到故障状态，对应保护输出点断开中间继电器ZJ线圈电源。交流真空接触器KM吸合线圈断电，交流真空接触器的主触头分断压缩机电源，同时，显示器XS显示出相应故障信息。

断水保护:在起动器正常运行过程中，断水开关的干结点由常闭转为常开状态，这时，压风机Ⅱ型保护装置ZB1检测到故障状态，对应保护输出点断开中间继电器ZJ线圈电源。交流真空接触器KM吸合线圈断电，交流真空接触器的主触头分断压缩机电源，同时，显示器XS显示出相应故障信息。

(4)相序识别保护器件介绍

利用不需零线的三相交流电源相序检测保护集成电路 TH221A芯片，芯片外引脚排列如图 2所示。TH221A芯片由取样电路、缺相判断电路、相序逻辑鉴别电路、功率放大电路四部分组成，采用线电压进行错相或缺相的判断。当取样电路输入三相交流电源相序正确，则缺相判断电路、功率放大电路和直流继电器不动作。相反，输出信号经功放电路放大后输出低电平，从而使外接继电器动作，切断供电装置电源。

TH221A芯片主要参数:

继电器工作电压+12V;

工作电源电压范围:15～18V;

输入交流线电压:

直接输入时30V;

若串入1MΩ电阻可接入380V;

若串入1.6MΩ电阻可接入660V;

若串入2.7MΩ电阻可接入1140V;

各引脚最大负载电流小于10mA;

外形尺寸:50mm×20mm×6mm。

(5)相序识别并相序保护工作原理

图2 TH221A的引脚排列图

相序识别并相序保护的工作原理如图3所示，起动器上电以后，首先对系统电源相序进行识别，如果三相交流电源相位彼此互差120℃，说明三相电源正常，这时相序识别线路TH221A的16脚输出高电位信号，绿色指示灯亮且G1管子处于导通状态，光电偶合器件TL521－1的3、4脚接通，使G2管子处于导通状态，这样，控制继电器J线圈接通+12V电源，对应输出控制接点J1、J2闭合，压风机Ⅱ型保护装置ZB1检测到这个输入口信号，断定相序正常。同时，系统在无任何故障的情况下，保护输出点闭合。按“起动”按钮，先导回路输出接点闭合，接通中间继电器ZJ线圈电源。同时，中间继电器对应接点接通交流真空接触器吸合线圈电源，交流真空接触器主触头正常闭合，空压机可以正常工作;相反，如果三相交流电源相位彼此互差不是120℃，那么显示界面的绿色指示灯熄灭，TH221A的15脚输出高电位信号，红色相序出错故障指示灯亮。16脚输出低电位信号，G1管子处于截止状态，光电偶合器件TL521－1的3、4脚断开，使G2管子处于截止状态，这样，控制继电器J线圈+12V电源没有接通，对应输出控制接点J1、J2处于断开状态，按“起动”按钮不能正常起动实现闭锁。这时只需把隔离换相开关的手柄打到另一个方向即可。

图3 相序识别保护原理图

(6)增加小电流输出回路及保护功能

应用户要求，当空气压缩机的主驱动电动机正常工作时，其冷却风扇驱动电动机也需正常工作，故在交流真空接触器输出端引出三根电源线控制冷却风扇驱动电动机的工作，且在输出端串接综合保护装置ZB2的电流互感器TA2，由综合保护装置ZB2来完成对冷却风扇驱动电动机的各种保护功能。保护器的电流整定范围为2.7～40A分为四档，每档电流细分为10小档可调。

3 设计方案的实施

3.1 相序识别保护线路的试验

依据对应原理图购买相应的器件，器件筛选合格后在面包板上连接线路、通电试验。修正设计线路及参数的不足之处，最终确定合理线路及参数。依据线路，对照实物设计出对应的PCB线路板，确定引入、引出接线方式及插件外壳形状和大小尺寸。

3.2 小电流输出保护功能的试验

利用JDB－80C保护装置对小电流输出回路进行保护，由于JDB－80C的电流整定范围为5.5～80A之间四档，而冷却风扇驱动电动机功率小，保护器的保护范围有些大，保护功能不能很好实现。为此，我们通过将穿过电流互感器的母线绕两圈的方式取电流信号，通过加电流试验，最后确定综合保护装置的电流整定范围为2.7～40A之间四档，每档电流又细分为10小档可调。具体分档电流与刻度电流对应整定值如图4所示。

图4 分档电流与刻度电流对应表

3.3 整机电性能试验

在原矿用隔爆型真空电磁起动器的内部找到相序保护插件的安装位置，同时，在其接线腔确定控制冷却风扇电机的电源输出方式。依据电气控制原理图绘制相应的接线图，依图连接正确确认无误，通电进行电性能试验。

主要试验项目有:

(1)介电性能:技术要求:主回路:绝缘电阻:≥100MΩ;耐压值:4200V/1min无击穿或闪络。

(2)相序保护性能试验

工作电压在75% ～110%Ue范围内，起动器在三相电源相序正常时，绿色正常指示灯亮，同时，按“起动”按钮起动器可以正常合闸运行;将隔离换相开关手把打到相反方向，绿色正常指示灯灭，红色故障指示灯亮，同时，按“起动”按钮，起动器不能正常合闸运行。同时，用万用表检测到相序保护模块输出对应继电器控制点J1、J2由闭合状态转为断开状态，显示器显示相序出错故障信息。

(3)温度、压力、断油、断水保护性能试验

工作电压在75%Ue～110%Ue范围内，在矿用隔爆型真空电磁起动器的接线腔对应开关量输入口用短接线对应一一短接，表示温度、压力、断油、断水各开关为正常状态，这时，按“起动”按钮，起动器正常起动。当依次断开对应短接线，模拟相应故障状态，起动器分断，同时，显示相应故障信息。

(4)小电流回路保护性能试验

①电流试验:依据分档电流与刻度电流对应表，设置回路正常工作电流。同时，把主回路三相串接在一起，外加大电流发生器的输出端，按“起动”按钮，起动器正常起动。然后在主回路中加相应工作电流，工作一段时间后，把电流增加到正常工作电流的6倍，这时，起动器在约10s左右分闸，表明过载保护功能正常。

②绝缘电阻试验

在主回路三相输出端，将任意一相对地短接，这时按“起动”按钮，起动器不能起动，表明漏电闭锁功能正常。

(5)老化试验

考虑到该保护功能借用稳压电源的+12V，担心影响到综合保护器的正常工作电源;故进行24小时不间断老化试验。