矿用电磁启动器系统设计研究

张丽霞

（大同煤矿集团机电装备科工安全仪器有限责任公司， 山西 大同 037000）

引言

目前，电磁启动器被广泛应用于井下通风机、电机、照明等设备，实现对各供电线路短路、过载、漏电等故障的保护，其性能的好坏直接影响着煤矿环境的运行安全。然而，现有煤矿环境中使用的电磁启动器存在功能单一、安全性较低等问题，在井下线路发生漏电、短路时不能有效、及时、高效的进行处理[1]，电磁启动器实物图如图1所示。因此，提高井下供电线路的安全性，开展矿用电磁启动器系统设计研究尤为重要。结合井下供电线路的实际工作状态，分析了电磁启动器结构组成及工作原理及在设计过程实时性、可靠性、准确性等性能要求，开展了电磁启动器系统的总体方案设计及硬件结构设计，结合系统设计特点，对所设计的电磁启动器系统功能及系统工作原理进行了分析说明，所设计电磁启动器系统具有较高的可靠性和安全性，能满足现有井下供电线路的使用需求。该研究为后期开展电磁启动器的系统设计和产品生产奠定了理论基础，对提高电磁启动器系统的保护性能和井下供电安全具有重要意义。

图1 电磁启动器实物图

1 电磁启动器结构组成及工作原理

电磁启动器又称磁力启动器，主要由主控板、微处理器、电流传感器、键盘、显示屏、主控板等部件组成，具有较高的可靠性、实时性和准确性，可将其分为逆型和不可逆型两种型式。其中，可逆电磁启动器能控制电动机的正转和反转，而不可逆电磁启动器只可实现电动机的单方向旋转控制，目前使用较多的是可逆电磁启动器[2]。电磁启动器主要通过三相母线获取电压信号，主控板作为电磁启动器的重要部件，可完成对模拟电量的内部运算，并将处理分析好的电流、电压等值通过显示屏进行显示，并对井下线路保护过程中出现的故障进行判断，实现与整个监测系统的通讯连接[3]。另外，通过键盘可完成对电磁启动器各项功能的操作和编制，完成监测系统对整个装置的试验测试。同时，电磁启动器中设计了变压器，通过该变压器可将380 V、660 V等高压信号转换成220 V、12 V等低压信号，实现对控制板的电源供应。电磁启动器的工作原理图如图2所示。

图2 电磁启动器工作原理图

2 电磁启动器设计要求

2.1 实时性要求

电磁启动器作为井下线路保护中的重要装置，要求其具有较高的实时性，能对实际工作中的监测信号进行快速反应，在充分考虑时间因素情况下，将采集的信号进行快速分析与处理，实现对各类信号的快速输出[4]。

2.2 可靠性要求

在电磁启动器设计过程中，各零部件均应采用国家认可监测的合格产品，在完成各部件的组装后，应对该装置的各部件及整体功能进行反复试验，以相关标准规范为依据，对试验数据进行分析，由此确保该装置在各种复杂煤矿环境下的可靠性要求。

2.3 准确性要求

由于电磁启动器需通过自身传感器及信号采集系统对各类数据进行采集分析，其数据的准确性直接影响着矿用监测系统的性能。因此，在电磁启动器设计过程中，应保证装置的监测精度，减少装置误差，并充分考虑数据处理精度及外部环境影响，对装置进行综合匹配设计，设置精度系数，从而保证电磁启动器装置所分析、处理及输出信号的准确性[5]。

3 电磁启动器系统方案设计

3.1 系统总体方案设计

结合井下线路实际工作状态及各类故障问题，对电磁启动器进行了总体方案设计。所设计的方案能对井下供电线路上的各类信号参数进行检测与计算，并通过与上位机的通讯，完成监测数据的交换，实现对井下线路的监控和保护。因此，所设计的电磁启动器系统的主要功能如下：

3.1.1 信号调理功能

由于电磁启动器所监测的信号电流值较多，从30 A～4500 A的电流值均有，而现有传感器的监测范围较小，无法满足较大范围波动电流数据的监测与分析，而电流值过大或过低均会影响整套装置的监测精度和数据的准确性，同时也会导致监测数据的误差较大。因此，在电磁启动器系统中，设计了信号调理模块，通过该模块对传感器监测的各类数据信号进行放大、滤波等处理，以实现对不同范围电流值的信号调理。

3.1.2 保护功能

保护功能作为电磁启动器的重要功能，对井下供电线路的保护起到重要作用。该功能针对电磁启动器短路、缺相、漏电等各类故障进行快速保护。当井下线路出现过压、过载、过流等故障时，电磁启动器采用反时限的策略，对系统进行延时保护；当井下线路出现电压过低并低于了线路额定电压的60%时，电磁启动器通过开关跳闸的方式对线路进行欠压保护。由此，可实现电磁启动器对井下供电线路的安全保护[6]。

3.1.3 数据采集判断功能

所设计的电磁启动器设计了穿心电流互感器，可对进行供电线路中的电压、电流等各类信号进行实时采集，并通过自身的判断方程将监测的信号与设定阀值进行判断，实现对信号的输出，为供电线路的故障判断提供有力的依据。

因此，根据前文设计的功能，结合井下实际工况，完成了电磁启动器的系统总体方案设计，其方案如图3所示。

3.2 电磁启动器硬件结构设计

结合前文所设计的电磁启动器系统，因此，对其硬件结构进行设计。该硬件结构主要包含如下几个功能模块。电磁启动器硬件结构的系统设计如图4所示。

图3 电磁启动器系统总体方案

图4 电磁启动器系统硬件结构设计图

1）系统的微处理主要由时钟电路、DSPTMS320LF2404A及复位电路组成，形成了电磁启动器中最小的功能系统；

2）数据采集判断模块主要是由穿心式电流互感器、信号放大电路、电压传感器、A/D转换等不同功能的模块组成；

3）设计了FMCL6模块可实现故障信号的故障存储，PF563模块可实现故障信号的实时时钟功能；

4）通过设计键盘和液晶显示，实现了电磁启动器的人机对话功能；

5）设计了多路采集开关，结合2路开关量，通过继电器，实现物料信号的输入输出功能。

其主要工作原理为：该系统将监测的电流、电压、绝缘电阻等信号传递至DSP，通过A/D转换和系统的运算处理，对线路中的电流、电压等信号进行故障判断，若发生故障，则系统的主回路发出合闸指令，并将故障信号显示于液晶显示屏上；若未发生故障，则系统正常运行启动，并通过信号调理模块，将有用信号进行调理筛选，通过DSP计算处理后，将正常运行的电流、电压、绝缘电压等信号显示于显示屏上。同时，通过键盘和液晶显示屏的合理匹配，完成对线路的监测保护和人机对话。由此，完成电磁启动器的正常运行功能。

4 结论

结合井下供电线路的实际工作状态，明确了设计方案的思路和宗旨，电磁启动器实时性、可靠性、准确性确保井下供电线路信号与上位机进行交换，实现井下线路监控和保护。该研究为后期开展电磁启动器的系统设计和产品生产奠定了理论基础，以便后期上线测试使用，对提高电磁启动器系统的保护性能和井下供电安全具有重要意义。