电机远程启停本安先导电路的优化设计

张宇翔,宋建成,田慕琴

（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）

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。

图1 先导电路工作原理Fig.1 Pilot circuit principle

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。

图2 电路原理图Fig.2 Circuit schematic

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：①+5 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。

表1 线路逻辑状态Table 1 Line logic state

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。

图3 先导执行电路Fig.3 Pilot execution circuit

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。

图4 测试样机与启动停止按钮接线Fig.4 Test prototype and start/stop button wiring

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 3836.4—2010 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。