工礦電氣設(shè)備外置型過流報(bào)警器的研究與設(shè)計(jì)

崔建國，寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

安全生產(chǎn)是評價(jià)一個(gè)煤礦的重要指標(biāo)之一，機(jī)電設(shè)備在煤礦生產(chǎn)中的重要性不言而喻，故對礦山機(jī)電設(shè)備的安全操作在煤礦安全生產(chǎn)中有著舉足輕重的作用。一般工礦企業(yè)的供電設(shè)備(電氣配電柜等)為防止主回路設(shè)備短路，或電動(dòng)機(jī)發(fā)生環(huán)火等造成主回路電流過大而損壞發(fā)電機(jī)、主整流柜或電動(dòng)機(jī)等電氣設(shè)備的情況，對主回路的過電流應(yīng)進(jìn)行保護(hù)或控制，將設(shè)備損失控制在萌芽狀態(tài)。

最典型的一個(gè)例子是電動(dòng)機(jī)由于某些非正常原因嚴(yán)重過載如線圈短路或機(jī)械卡堵等，這種情況下供電主回路電流會(huì)超過正常的工作電流，這些過電流對發(fā)電機(jī)或配電柜來說仍屬于正常范圍，但如果電動(dòng)機(jī)沒有過流保護(hù)，或者既使有過流保護(hù)裝置也是僅僅依靠雙金屬片這種不可靠的保護(hù)模式，如果任其長期非正常超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)很容易被損壞。

最常用的辦法是在主回路各相分別接入一個(gè)電流互感器，在電流互感器二次級分別串聯(lián)相應(yīng)保護(hù)電流額定值的過流繼電器，一旦主回路電流超過額定值，過流繼電器馬上斷開主回路而保護(hù)供電設(shè)備以及回路里的電氣設(shè)備，這種應(yīng)用結(jié)構(gòu)簡單、成熟，在業(yè)界廣泛使用，但過流繼電器不但價(jià)格比較昂貴而且動(dòng)作準(zhǔn)確性較差，并且不是很安全。

本文設(shè)計(jì)了一種電氣設(shè)備外置型過流報(bào)警器，利用電流互感器的一次級測量主回路的電流，二次級的感應(yīng)電流作為采樣電流控制過流報(bào)警器，報(bào)警器聲光報(bào)警，顯示負(fù)載出錯(cuò)或是發(fā)生了短路現(xiàn)象，同時(shí)還可以斷開主回路從而保護(hù)電氣設(shè)備系統(tǒng)。

由于該報(bào)警器對于電氣設(shè)備來說是外置的，故完全不會(huì)破壞原電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)，且對主回路的額定電流保護(hù)值可以通過一個(gè)電位器靈活調(diào)節(jié)，極富人性化。這種設(shè)計(jì)可以集成到配電柜電路中，更加巧妙的是可以獨(dú)立設(shè)計(jì)為一個(gè)模塊電路，這個(gè)報(bào)警模塊在保證負(fù)載正常工作的前提下可以隨意應(yīng)用到幾乎所有的電氣設(shè)備系統(tǒng)上。

1 基于電流互感器的電氣設(shè)備外置型過流報(bào)警器

過流報(bào)警器電氣原理如圖1所示，包括電流互感器模塊電路、電阻采樣電路、LED發(fā)光電路及光敏電阻組成的偏置電路、RS觸發(fā)器型雙穩(wěn)態(tài)電路、主電機(jī)回路保護(hù)電路、多諧振蕩電路、聲光報(bào)警電路及+9V交流-直流電源模塊。其中+9V電源模塊的內(nèi)部電路由于篇幅原因不再詳細(xì)介紹。

1.1 電流互感器電路及電阻采樣電路

電流互感器英文縮寫CT，本文在電流互感器工作的二次回路里串入一個(gè)采樣電阻VR1，作為整個(gè)報(bào)警器的控制電壓。

在圖1中，電氣設(shè)備主回路(火線)A相和C相分別作為電流互感器CT1、CT2的一次級線圈(1匝)，俗稱穿心式電流互感器，CT1、CT2的二次級按照圖示順向串聯(lián)連接(注意同名端)，得到的采樣電流不是兩個(gè)互感器的二次級電流之和，而是接近分開連接的電流平均值。電解電容C01、C02負(fù)極相連，正極分別跨接在串聯(lián)后的互感器兩側(cè)，得到一個(gè)耐壓50V、容量為50μF的無極性電容，可以防止電動(dòng)機(jī)較大的啟動(dòng)電流流過采樣電阻VR1而產(chǎn)生誤報(bào)警和誤動(dòng)作[1]。

如果主回路實(shí)際電流是150A，那么可以選擇變比為200/5(例如型號為LMZJ1-0.5-200/5A澆注式電流互感器)的電流互感器。CT1、CT2電流互感器串聯(lián)以后的二次級串聯(lián)一個(gè)采樣電位器VR1，為了達(dá)到靈活、精確調(diào)節(jié)最大保護(hù)電流的目的，用精密多圈式電位器代替一般電位器。

采樣電阻VR1的值根據(jù)所要保護(hù)主回路的最大電流值IMAX而定，為了保證電氣電路安全，這個(gè)保護(hù)電流值總是小于等于發(fā)電機(jī)或配電柜的輸出最大電流值，在保證電氣設(shè)備正常運(yùn)行的前提下可以隨意定義IMAX。當(dāng)電氣設(shè)備主回路電流超過最大值IMAX時(shí)，那么經(jīng)過電流互感器二次級電流為IMAX/40(假如選擇200/5變比的電流互感器)。

在這里，通過采樣電阻VR1的電流比較關(guān)鍵，VR1的值可由下面方法來確定：

1.2 LED電路及光敏電阻電路

光敏電阻是用硫化隔或硒化隔等半導(dǎo)體材料制成的特殊電阻器，其工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光照愈強(qiáng)，阻值就愈低，隨著光照強(qiáng)度的升高，電阻值迅速降低，亮電阻值可小至1kΩ以下。光敏電阻對光線十分敏感，其在無光照時(shí)，呈高阻狀態(tài)，暗電阻一般可達(dá)1.5MΩ。光敏電阻的特殊性能，隨著科技的發(fā)展將得到極其廣泛應(yīng)用[2]。

上文提到的電流互感器的二次級回路里串聯(lián)一個(gè)電壓采樣電位器VR1，電位器上得到的電壓將是整個(gè)報(bào)警器電路的控制電壓，當(dāng)電位器VR1兩端的電壓降高到足以使發(fā)光二極管(LED)D1和D2發(fā)光，發(fā)光二極管控制光敏電阻CDS(型號為LXD5516)的阻值，這個(gè)電阻值作為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制端的偏置電阻，光敏電阻阻值降到一定程度就會(huì)立即觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平，如圖1。盡管一只發(fā)光二極管就可以使電路正常工作，但應(yīng)同時(shí)使用兩只以保證安全、穩(wěn)定[3]。

1.3 應(yīng)用555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)R-S觸發(fā)器型雙穩(wěn)態(tài)電路

圖2 555定時(shí)器

555電路只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路，這是555電路最常用的功能[4]。

本設(shè)計(jì)的特色之一是，應(yīng)用555定時(shí)器除了可以實(shí)現(xiàn)以上功能，也可以實(shí)現(xiàn)R-S觸發(fā)器型雙穩(wěn)態(tài)電路，這是一般教科書中沒有提到的功能。

555這種新穎的工作方式，有一個(gè)缺點(diǎn)就是當(dāng)電源第一次接通時(shí)，觸發(fā)器有可能誤輸出高電平，導(dǎo)致繼電器J(型號為JQX-10)誤斷開，被保護(hù)的電氣設(shè)備斷電停止工作，同時(shí)報(bào)警器聲光誤報(bào)警。為了解決這個(gè)問題，可以在IC1的復(fù)位引腳RD端(4腳)連接一個(gè)電容C5接地，這將導(dǎo)致引腳4在接通電源時(shí)保持一段時(shí)間低電平，這將重置輸出(IC1定時(shí)器輸出為0)，定時(shí)器初始化完成[5]。

同時(shí)得到了利用555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)R-S觸發(fā)器型雙穩(wěn)態(tài)電路的功能見表1。

表1 利用555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)R-S觸發(fā)器型雙穩(wěn)態(tài)電路的功能表

1.4 555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器

振蕩過程可以簡單描述為：電容C2充電時(shí)，定時(shí)器IC2輸出UIC2-3=1；電容C2放電時(shí)，UIC2-3=0，電容C2不斷地進(jìn)行充、放電，輸出端便獲得矩形波。

2 制作及注意事項(xiàng)

1)電流互感器的選型十分關(guān)鍵，不同型號的電流互感器在結(jié)構(gòu)上往往有較大差異(包括銅排搭接形式、外形、鐵心等以及動(dòng)熱穩(wěn)定的耐受能力)，選擇電流互感器的變比時(shí)，應(yīng)首先得到實(shí)際負(fù)載額定電流，該電流最好處于互感器測量范圍的65%～85%處。比如額定電流為70A，就應(yīng)該選擇100/5變比的互感器[8]。

2)發(fā)光二極管D1、D2以及光敏電阻CDS的裝配也極為關(guān)鍵，它們應(yīng)相互盡量靠近，一塊安裝在一個(gè)不透光的密閉容器內(nèi)，應(yīng)避免除發(fā)光二極管D1、D2光線以外的任何其它環(huán)境光線照射到光敏電阻上，以防誤控。

3)偏置電位器VR2的選擇也很關(guān)鍵，其沒有一個(gè)確定的阻值，可以試用不同的阻值以適合光敏電阻CDS與發(fā)光二極管D1、D2的不同的耦合度，具體操作就是當(dāng)發(fā)光二極管D1、D2點(diǎn)亮瞬間，報(bào)警器應(yīng)該馬上報(bào)警且斷開電氣設(shè)備的供電[9]。

3 應(yīng)用分析

去年按照設(shè)計(jì)試產(chǎn)了一批保護(hù)模塊，將其用到了汾西礦務(wù)局的甸頭煤礦的一些機(jī)電設(shè)備上，經(jīng)過近一年的試用，發(fā)現(xiàn)有時(shí)可能誤報(bào)警，使用稍顯麻煩，但大大降低了設(shè)備的損壞率，提高了生產(chǎn)效率，在煤炭行業(yè)不景氣的今天，相應(yīng)提高了經(jīng)濟(jì)效益。

誤報(bào)警的原因經(jīng)分析是由于采樣電位器VR1以及偏置電位器VR2的設(shè)置不是很合適，導(dǎo)致報(bào)警器的門限值設(shè)置過于偏低，從而出現(xiàn)誤報(bào)警的現(xiàn)象。

該設(shè)計(jì)的缺陷之一是被保護(hù)電氣設(shè)備處理完故障后，保護(hù)電路不能自動(dòng)接通被保護(hù)電氣設(shè)備的供電，且一直保持報(bào)警狀態(tài)，處理完故障后，除非按下開關(guān)SW1才可以解除保護(hù)和警報(bào)。

4 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)巧妙通過電位器取得電流互感器二次級電流的采樣電壓，即可實(shí)現(xiàn)隨意預(yù)置主回路保護(hù)電流的目的；發(fā)光二極管以及光敏電阻的使用，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離；利用555定時(shí)器電路實(shí)現(xiàn)RS觸發(fā)器型雙穩(wěn)態(tài)電路，這些都是該設(shè)計(jì)的特色?？梢钥闯?，該設(shè)計(jì)利用純硬件電路實(shí)現(xiàn)了對工作現(xiàn)場的實(shí)時(shí)控制，通常實(shí)時(shí)控制需要較強(qiáng)的時(shí)效性，純硬件電路恰好可以實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場的極速控制。有些設(shè)計(jì)采用微控制器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制，是為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的多功能化，如數(shù)據(jù)顯示或作為遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的接口電路，但計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)對象一定是數(shù)字信號，那么就需要A/D或D/A轉(zhuǎn)換器，故這種控制方式的缺點(diǎn)就是在控制速度方面具有不可忽視的延遲性，故工作現(xiàn)場的控制往往采用純硬件電路實(shí)現(xiàn)。