煤矿井下多路全控无触点开关

王苏　贾传圣　柳传民　陈璟瑜

摘 要：煤矿开采过程中伴有大量粉尘和沼气的产生，为了保证相关从业人员的安全提出了无触点开关的重要性，并在此基础上进行多路控制开关的分析，保证了煤矿生产及职工的安全性，并合理利用资源，加强职工的工作效率。

关键词：无触点开关；多路控制开关；固态开关

中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）07-0161-02

1 概况

至今，因煤炭的经济的价格和丰富的储藏量特别适合发电，煤炭一直是重要的能源。

我国绝大多数煤矿属于井工煤矿，大量的煤炭从业者需要井下工作。煤矿开采的过程中通常伴有沼气（甲烷等）、粉尘等存在。由于煤矿井下有大量可燃物（煤炭等）的存在，一旦出现电火花，甲烷（CH4）、粉尘等对燃烧反应敏感，会迅速爆炸。煤矿范围包括地上地下及相关设施所在的较大区域，客观上期望采用直接起动控制、远距离控制和联锁控制仪保护采、掘、运等用电设备的组合式开关电器在大范围内以进行煤矿井下无触点多路控制开关，从而进行安全且合理的煤矿井下生产工作，保证职工的工作安全，加强工作效率。

2 煤矿井下无触点开关

常规的可控开关都是由交流接触器、真空开关和电源操作机构等构成，由于自身物理结构的限制，机械动作时，其开断容量很难在此基础上进行大幅度的提高和技术更新。并且，其动、静触头分开时，引起的电弧会延长电气开关的动作时间和速度，在实际应用中，电气应用寿命较短故障率高，特别在发生合闸短路故障时很容易产生熔焊，且在煤矿井下工作过程中只能装人防爆壳内，但未杜绝事故的根源；与触点式开关电器相比，半导体的功率开关器件具有高速的开关特性和极为方便的控制能力，有触点开关在开启或关断的一瞬间会快速增加电弧压降，以限制被断开的电流值，但只具有一定的限流效果，无法从根本上消除由电弧带来的火花等危险。

由于煤矿井下所含的有害气体的浓度比较高，特别是粉尘、瓦斯和空气混合后极容易发生大规模爆炸事故。井下人员工作时，利用传统开关起动电机会伴有火花，严重时将引起瓦斯爆炸。从而传统型可控开关应逐渐被淘汰，需要采用真空开关——一对反并联的IGBT构成的固态切换开关（Solid State Transfer Switch SSTS）来替代传统的“线圈—簧片触点式”接触器，来避免电弧火花引起的危害。

由于半导体晶体管不存在开关断口，从根本上消除了由断口电弧带来的一系列问题，只要使用得当，其使用寿命会相较长久。并且近年来固态开关容量已有很大的发展，IGBT的额定电流和电压已达较高值，可以替代现有的交直流接触器，可以满足一般直流回路和交流配电网络负载控制的要求。在保证煤矿井下职工的安全的情况下，进一步加强煤矿井下生产工作环境的安全可靠。

如图1，该左电路是由一对反并联的晶体管并联一个电感L组成，而如图2所示，将电路中的晶体管改进成为IGBT，即利用MOS管来控制晶体管控制电路。当发生电路发生短路的时候，保护电路会瞬时强迫关断晶体管，同样，IGBT是能源变换与传输的器件，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体，都可以将短路电流的值限制为远低于峰值电流的值，而稳态短路电流则由电感L限制。保护电路应能快速响应并断开晶体管，这时被切断的短路电流瞬时值被立即转移到电感L上，过大在电感的两端会造成大的感应电压加在晶体管及其他元件上，因此必须在其两端进行并联元件，保护电路，并且可以通过电力电子电路设定电流值，保证在正常工作时负载两端的电压始终等于电源电压，晶体管所在支路对负载的工作不产生任何影响，使短路电流可以根据需要设计，限制在较小的水平，为采用半导体无触点开关断开短路电流创造了条件。

由于IGBT的N+区存在电导效应，所以其通态压降小。耐压1000V的IGBT的通态压降一般为2至3V，可以基级中的小电流通过控制PLC的运行。

IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET运行的，所以在该工作过程中可以将IGBT的工作方式看作MOSFET的运行方式，但是相对而言，IGBT的热稳定性好，安全工作区大在煤矿井下的环境中更加有安全性和保障性。

如图3，是IGBT固态开关在三相系统上的综合使用，在电气设备使用的过程中对电动机更安全的起动，以保证电机的稳定运行。将该固态开关装入矿用防爆外壳中，避免与煤矿里的空气进行接触，从而保证了电机的安全稳定的运行。

3 无触点多路控制开关设计

我们在无触点控制开关的基础上再将其进行多路控制并进行设计电路。

首先从系统的稳定性和安全性考虑，固定开关从根本上消除了点火花的产生；其次，从金属资源的节约和系统操作的方便性考虑，采用半导体器件对其进行发展拓宽；结合PLC可编程逻辑智能控制器件，和相关的电气控制器件设计无触点多路控制开关以及必要的外围电路，设计出煤矿井下无触点多路控制开关控制电路。

电源上，采用了交流380V的工作电压为其供电带动电机运行，并采用了四路控制电路对系统中的电路的进行控制，控制电流分别可为80A、200A、300A，将设备中的固态开关SSR分别装入煤矿用防爆壳对其进行隔离在根本上避免电火花的产生。

如图3示，无触点四路控制开关电气原理图，分别采用了电能测控仪对三相交流电进行电量的检测控制；采用了三相交流固态继电器（由三只单相交流固态继电器组成），用以控制大功率负载的起动与切断的开关器件，可以单一输入端对三相负载进行直接开关切换，并将其装入煤矿用防爆壳再对其接线；采用了电动机智能监控保护装置，可以完成电机操作、自诊断以及上位机的通讯，为电动机提供了测量保护，避免了因电动机过载、堵转、过压、欠压、轻载、断相、三相不平衡、接地等故障导致的生产事故，最大限度的保证了设备正常运行的有效安全。通过数据信息通讯，实现电动机运行状况的详细信息在上位机上进行实时监测，并经过計算机数据处理提供管理信息。在设备可能产生重大故障前，越限报警可及时提醒管理人员进行处理，避免了不必要的停机而对正常生产造成影响，最大限度地保证设备运行和控制的有效性。当电动机运行参数达到预置的脱扣值时，保护装置进入脱扣触发延时。在预置脱扣延时时间内若设备恢复正常运行，则取消脱扣执行；而超过延时时限，则保护装置发出脱扣信号，驱动执行元件，断开电源停止电动机的运行。在此基础上，配合固态继电器时，加强了职工的工作执行效率，保证了煤矿井下的生产安全。

采用变压器降低电信号，并结合触摸屏PLC的触点开关与固态继电器相连对其进行数据通讯；采用整流二极管、电解电容和7812集成三端稳压器等稳定在12V的电压对电路进行供电。

无触点四路控制开关电气原理图设计如图3。

4 结语

固态开关是一种综合新型的电力电子器件，使用IGBT构成的无触点开关的无电弧火花的存在保证其在矿用环境下的生产安全和工作，多路控制开关保证了在设计布局上的更多的合理性，减少了其开关延时，保证设备的安全性和稳定性。因此，本设计的无触点多路控制开关适用于煤矿井下的生产工作环境。它具有以下优點：

（1）整个线路实现了全部无触点化，彻底避免了电气火花；（2）将固态开关装入煤矿用防爆壳可适用于煤矿井下的危险环境，保证了煤矿的生产安全，职工的煤矿井下的工作安全；（3）采用了电气智能保护装置，可以实现过载，短路，三项不平衡，欠电压，过电压，连锁功能，并且能够对故障实现记忆，便于维修人员的检查维修；（4）该套装置采用了PLC和触摸屏一体化技术，设备状态，操作都能够直观并且直接操作；（5）该套装置能够实现柔性自动化控制，通过编程实现不同的控制功能。硬件电路不改的情况下，能够通过编程实现不同的控制功能；（6）可以通过编程实现用户的特殊需要。

参考文献

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