改进型保安操纵箱电磁铁技术参数的检测方法研究

邱旺成，王亮，苏琴，杨辉，王昌志，曾游钦

（1.中国长江动力集团有限公司，武汉 430200；2.武汉理工大学，武汉 430070）

0 引言

保安操纵箱是汽轮机保安系统中的控制和试验操纵装置[1]。我公司生产的汽轮机上常用的保安操纵箱有2种型号，分别是接220 V交流电源的A型和接220 V直流电源的B型。两种型号保安操纵箱外观基本一样，仅电磁铁型号不同，曾因电磁铁混淆而导致烧坏，使保安操纵箱无法工作，严重影响汽轮机的正常运行。

改进后的保安操纵箱保持机械部分外观不变，仅对电磁铁部分进行了改进，增加了电气控制单元，实现了无论接220 V交流电源还是接直流电源，均可使保安操纵箱正常稳定工作。由于市场上没有专门的保安操纵箱电磁铁技术参数检测工具，判断其是否满足设计要求成了困扰我们的难题。本文介绍了一种简便高效的检测方法，并通过实验对其技术参数进行了逐一检测。

1 电磁铁主要技术参数

1.1 工作原理

改进后的保安操纵箱电磁铁特点在于：通过控制单元将输入的220 V交流电源转换成直流电，使电磁铁得电动作，而当输入的是220 V的直流电源时，控制单元无需转换，直接使电磁铁动作，以此实现了交直流电源通用，只要确保电源电压在额定范围内，均可使保安操纵箱正常稳定工作。

1.2 主要技术参数

根据设计输入，改进后的保安操纵箱电磁铁主要技术参数如下：1）额定工作电压。交流电压（220±22）V，50～60 Hz或直流电压（220±22）V，电源电压高低对电磁铁动作时间有很大影响[2-3]。2）额定电压下电磁铁的启动时间≤300 ms，电磁铁启动时间的定义为“从给电磁铁施加励磁电压开始，到动铁芯与静铁芯吸合，动铁芯完成这段位移所需的时间”[4]，电磁铁动作响应时间是衡量电磁铁的重要性能指标之一[5]。3）电磁铁额定牵引力≥50 N，这是为保证衔铁能够克服反力，从初始位置上起动所必需的电磁吸力[6]。4）通电30 min，电磁铁温升≤20 ℃。5）工作环境温度为-10～+75 ℃。

2 技术参数的检测

为了验证此改进型保安操纵箱电磁铁的主要技术参数是否满足设计要求，本文通过建立实验条件并以逐个检测的方式来验证。其中，对于额定工作电压的检测，使用合格的万用表测量即可，本文不再赘述。以下主要介绍电磁铁的启动时间、牵引力大小、电磁铁温升及工作环境温度等技术参数的检测方法。

2.1 实验条件的建立

1）参照万书亭等[7]提出的一种利用振动信号提取断路器合闸过程中运动时间参数的方法，测定额定电压下电磁铁启动时间。由于要求电磁铁的启动时间≤300 ms，无法通过常规的计时器检测，因此设计了专用的电子计时系统。在保安操纵箱电磁执行机构上安装挡块，保安操纵箱动作至最大开度时，行程末端的光电开关sw1可以捕捉到即时的状态变化并传入单片机内，采集程序标记末端触发时间为T1；保安操纵箱电磁铁动作触发时的状态变化信号同样通过启动开关的触点传入单片机内，标记开始时间为T0。由单片机计算两次信号的时间差T=T1-T0，即为电磁铁执行机构的动作响应时间[8]。检测的过程参数和计算结果，通过串口通信接口输出至上位机。单片机采集系统电路原理如图1所示，控制流程如图2所示。

图1 电路原理图

图2 控制流程图

另外，为方便试验数据的采集和记录，开发了一款保安操纵箱电磁铁技术参数测试软件，界面如图3所示。

图3 技术参数测试系统软件

该系统可实现试验数据的连续采集，并进行表格化显示、储存，可有效提高测试的精度和效率。

2）电磁铁额定牵引力的测定。按照电磁铁额定电压下牵引力≥50 N的要求，在保安操纵箱电磁铁杠杆处悬挂5.1 kg标准砝码，若电磁铁能够正常动作，且启动时间也满足≤300 ms的要求，即说明电磁铁的牵引力满足要求。

3）通电30 min，测定电磁铁温升。在额定电压下，使电磁铁处于常闭状态下30 min，使用测温枪测量电磁铁线圈处通电前后的温差值，即为电磁铁的温升。

4）工作环境温度的测定。将保安操纵箱置于80 ℃高温的烘箱中，在额定工作电压下检测保安操纵箱是否正常动作，以及动作时间是否满足要求，即可判定其耐高温情况，低温环境检测方法类似，本文不再赘述。

综上所述，改进型保安操纵箱电磁铁主要技术参数的检测可以分为常温环境通交流电源工况（简称工况1）、常温环境通直流电源工况（简称工况2）、80 ℃环境通交流电源工况（简称工况3）和80 ℃环境通直流电源工况（简称工况4），下面分别介绍4种工况下的实验结果。

2.2 常温环境通交流电源工况

在室温20 ℃的环境下，将保安操纵箱电磁铁接通220 V 交流电源，通过技术参数测试系统，分别测试空载和悬挂5.1 kg 砝码状态下电磁铁的启动时间，结果如图4所示。

由图4可知：保安操纵箱电磁铁杠杆处悬挂5.1 kg标准砝码，电磁铁平均启动时间是121 ms；空负荷时，电磁铁平均启动时间是49 ms。因此，工况1电磁铁的启动时间和牵引力大小均满足设计要求。

图4 工况1电磁铁的启动时间

接通交流电源30 min后，检测通电前后电磁铁的温升情况，实验数据如表1所示。从表1可以看出：通电30 min，电磁铁的平均温升只有4.7 ℃，工况1电磁铁的温升情况满足设计要求。

表1 工况1电磁铁的温升统计表 ℃

2.3 常温环境通直流电源工况

在室温20 ℃的环境下，将保安操纵箱电磁铁接通220 V直流电源，按照上述方法，分别测量电磁铁的启动时间，结果如图5所示。

由图5可知：工况2带5.1 kg 负载时，电磁铁平均启动时间是262 ms；空负荷时，电磁铁平均启动时间是58.2 ms。因此，工况2电磁铁的启动时间和牵引力大小均满足要求。

图5 工况2电磁铁的启动时间

接通直流电源30 min后，检测通电前后电磁铁的温升情况，实验数据如表2所示。

表2 工况2电磁铁的温升统计表 ℃

从表2可以看出：通电30 min，电磁铁的平均温升只有3.4 ℃，工况2电磁铁的温升情况满足要求。

2.4 80 ℃环境通交流电源工况

在高温80 ℃的环境下，接通220 V交流电源，按照上述方法，分别测量电磁铁的启动时间，结果如图6所示。

图6 工况3电磁铁的启动时间

由图6可知：工况3带5.1 kg负载时，电磁铁平均启动时间是124 ms；空负荷时，电磁铁平均启动时间是49 ms。因此，工况3保安操纵箱电磁铁的耐高温程度满足设计要求。

接通交流电源30 min后，检测通电前后电磁铁的温升情况，实验数据如表3所示。

表3 工况3电磁铁的温升统计表 ℃

从表3可以看出：通电30 min，此时电磁铁的平均温升只有4.6 ℃，工况3保安操纵箱在高温环境下，电磁铁的温升情况满足设计要求。

2.5 80 ℃环境通直流电源工况

在高温80 ℃的环境下，接通220 V直流电源，按照上述方法，分别测量电磁铁的启动时间，结果如图7所示。

由图7可知：工况4带5.1 kg 负载时，电磁铁平均启动时间为264.6 ms；空负荷时，电磁铁平均启动时间为59.8 ms。因此，工况4保安操纵箱电磁铁的耐高温程度满足要求。

图7 工况4电磁铁的启动时间

接通直流电源30 min后，检测通电前后电磁铁的温升情况，实验数据如表4所示。

表4 工况4电磁铁的温升统计表 ℃

从表4可以看出：通电30 min，此时电磁铁的平均温升只有4.1 ℃，工况4保安操纵箱在高温环境下，电磁铁的温升情况满足要求。

从上述4种工况可以看出，接交流电源时，保安操纵箱电磁铁的动作时间要比接直流电源时的短，尤其是带了5.1 kg的负载时，更加明显。这是因为受测试条件所限，现场没有220 V的直流电源，是通过电气工程师自制的电源转换模块，将220 V的交流电源转换成220 V的直流电源后再接入保安操纵箱电磁铁技术参数测试系统进行检测，电源转换过程中的时间损耗所致。

另外，在模拟高温80 ℃的环境下进行工况3和工况4的检测，由于烘箱的温度设定为80 ℃，但是保安操纵箱通电30 min后，电磁铁的温度只有60～70 ℃左右。这是由于保安操纵箱放入烘箱的时间没有足够长，且笔者测量电磁铁的温度时，是将烘箱门打开，使用测温枪测量温度，导致烘箱内的温度降低所致。而保安操纵箱实际的工作环境温度只有60 ℃左右，且其电磁铁通电时间一般不超过1 min。因此，上述工况的设定是合理的。

3 结论

通过使用专用的工装及保安操纵箱电磁铁技术参数测试系统，实验验证了改进型保安操纵箱电磁铁在额定电压下的启动时间、牵引力大小和温升状况均满足设计要求。同时，模拟80 ℃高温，验证了改进型保安操纵箱电磁铁的耐高温程度也满足设计要求。

新设计的电磁铁技术参数测试系统解决了改进型保安操纵箱电磁铁首件的验收问题，同时也可应用于我公司的A型和B型保安操纵箱电磁铁的验收，具有很好的实用价值。