云南省曲靖市宣威市煤炭工业局 云南宣威 655400
摘要：针对在煤矿三相异步电动机电气控制中的隔爆开关比较笨重、维修比较困难、并且起动时容易出现的电火花和电弧现象，影响器件的使用寿命、工作的可靠性，以及操作不甚安全等问题，以及矿山难以实现自动化和智能化提出了用可控硅替代隔爆开关中交流接触器以实现电动机控制的无触点开关控制的方法，提高了电路工作的可靠性，保障了操作者的安全，为下步实现智能化矿山提供有利的条件。
关键词：可控硅；电动机；控制电路；隔爆开关交流接触器
1.概 述
在煤矿隔爆开关控制的三相异步电动机控制电路中（如图 1 所示），隔爆开关是不可缺少的启动设备，尽管隔爆开关制造技术、结构和元器件不断更新换代，但隔爆开关中交流接触器主触头拉弧损坏问题仍然没有得到彻底解决。不论是按下 SB1（SB2）使 KM1（KM2）主触头闭合的瞬间，还是按下 SB3 使 KM1（KM2）主触头断开的瞬间，都会不同程度产生拉弧和电火花，严重时会使主触头灼伤熔化，造成主回路相间的短路，还有可能造成电动机断相运行而损坏电动机，在煤矿井下环境中易引起火灾和瓦斯及煤尘爆炸，触头闭合、断开时还伴有较大的噪声等等。另外在一般场合使用的控制回路部分，操作者所接触的 SB1、SB2、SB3 等器件是接在相线L1、L2 之间，电压为 380 V，对操作者不甚安全。
可控硅又被称为晶闸管，它属于一种大功率开关型半导体元器件，该元器件具有硅整流器件的基本特性，能够在高电压、大电流条件下运行，且运行过程能够控制，常被应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关，高低压开关柜以及变频器等电子电路当中。随着半导体技术的发展，大功率可控硅不断涌现，并广泛应用在变流、变频领域，可控硅应用技术日趋成熟。煤矿隔爆开关传统的控制电路中交流接触器的主要作用是充当控制开关，可控硅可以导通并具有良好的开关特性，是目前较理想的交流开关器件。用可控硅替代隔爆开关中的交流接触器有不少优点：（1）可控硅为无触点式开关，无火花、寿命长、体积小、无噪音；（2）接触器工作时，其控制回路需要消耗一定的电能，而可控硅为弱电控制，控制回路耗电微乎其微；（3）接触器控制电路中，操作者接触的器件电压都相对较高或者经变压器变低电压控制，不安全而且故障率相对比校高，而可控硅控制电路中操作者只接触 5～15 V 的直流低压电源，非常安全；（4）可控硅为弱电控制强电，弱电电路更新方便，较容易设计出满足各种要求的控制电路；（5）可控硅能实现熔断器功能，可控硅的电流指正弦半波电流平均值，熔断器的特性与可控硅的允许过流特性非常近似；（6）可控硅易于实现过流保护功能，在长期过负荷的前提下，采用移相的方法可以使脉冲后移，并脱离长期过电流的状态，从而起到保护可控硅的作用。
图1 隔爆开关控制线路图
2.可控硅控制电路的组成及工作原理
2. 1 可控硅电路组成
（1）可控硅主回路：由6只大功率可控硅（VT1～VT6）替代传统隔爆开关电路中的交流接触器，由 R7 ～R11和 C1～C5 构成阻容吸收回路[1]，由 KA1、KA2的 6 对常开触头分别与 R1～R6 构成可控硅控制极触发回路等构成，如图2所示。
图2 可控硅开关控制线路图
图3 可控硅开关控制回路图
（2）可控硅控制回路：由微动按扭开关 AN1、AN2、AN3，NE555 集成电路 构成的双稳态电路（2 路）[2]，续流二极管（VD2、VD4），继电器 KA1、KA2 等构成，如图3所示。
（3）断相保护电路：由二极管（VD9～VD12）整流电路，电压取样电路，（UA741 集成）电压比较电路，Q19013 放大电路及继电器 KA3等构成，如图 4 所示。
（4）电源电路：由 C9、R15 降压限流，全桥整流（VD5～VD8）、滤波（C8）、VZ 稳压等构成，如图 5 所示。
2. 2 工作原理
（1）可控硅开关主回路的工作原理图 2 中合上 QS 后，当继电器 KA1 的三对常开触头闭合时，接通了可控硅VT1、VT2、VT3 的控制极回路，VT1、VT2、VT3 触发导通，电动机正转；当继电器 KA1 三对常开触头复位，继电器 KA2 的三对常开触头闭合时，接通了可控硅 VT4、VT5、VT6 的控制极回路，VT4、VT5、VT6 触发导通，这时接到电动机的三相交流电源L1、L3 互换相序，电动机反转；KA1、KA2 6 对常开触头处于复位时，VT1 ～VT6 的控制极电，VT1～VT6 截止，断开三相交流电源，电动机停转。KA1、KA2 的常开触头不能同时闭合，否则将发生相间短路，它们的互锁由控制电路来完成。R7～ R11，C1 ～ C5 组成的阻容吸收回路并联在可控硅的两端，对可控硅（VT1～VT6）起保护作用。
图4 可控硅开关断相保护控制图
图5 可控硅开关电源线路图
（2）可控硅开关控制回路的工作原理图3中由直流电源给两路 555 集成双稳态电路提供 12 V 的直流电压，KA3为断相保护电路中继电器的一对常闭触点。按下按钮开关 AN1，IC1（NE555）的 2 脚接地为低电平，3 脚输出高电平，KA1 线圈得电，KA1 的常开触头闭合，主回路中 VT1、VT2、VT3 触发导通，电动机正转。按下按钮开关 AN2，IC2（NE555）的 2 脚接地为低电平，3脚输出高电平，KA2 线圈得电，KA2 的常开触头闭合，主回路中VT4、VT5、VT6 触发导通电动机反转。由于在 AN1、AN2 上分别串联了 KA2、KA1 的一对常闭触头作为 KA2、KA1 的互锁触头，使得正转时按 AN2 无效，反转时按 AN1 无效，防止误动作而发生相间短路。按下按钮AN3，IC1、IC2（NE555）的 6 脚接电源的正极为高电平，3 脚输出为低电平，KA2、KA1 的线圈都失电，它们的常开触头都处于复位态。VT1～VT6 截止，电动机停转。
（3）断相保护电路的工作原理：图 4 中，UA741 集成电路的工作电源由 12 V 直流电源供给，当三相电源中任意一相断相时，中点电位 UNN 立即升到 20 V 以上。桥式整流（VD9～VD12）将 20 V 以上的交流电整成直流电，经 C10滤波后，送到电压取样电路，从 R17取样的电压信号送到 UA741 的 3 脚与 UA741 的 2 脚 6V 电压进行比较，当 3 脚电压高于 6 V 时，IC3（UA741）的 6 脚输出一高电平，断相指示 VL1 发光，6 脚的输出控制 Q1（9013）饱和导通驱动继电器 KA3 工作，KA3 的一对串接在控制回路的常闭触头断开。控制回路失电停止工作，主电路也断开。由于电网的不平衡，正常工作时，中性点与零线之间也存在 10 V 左右的电压。可以根据实际情况，通过调节 R17来避开电网的不平衡造成的保护电路的误动作。对于三角形接法的电动机，可以引入“人工中性点”，同样可以实现断相保护。
（4）电源电路工作原理：图 5 中，380 V 交流电经 C9 降压限流后，由 VD5～VD8 全桥整流，输出直流电，再经 C8 滤波、VZ 稳压得到 12 V 的直流输出，作为控制回路、断相保护电路的工作电源。
（5）主要元件的选择：主回路中，VT1 ～VT6 选 BTA10B（10A/ 800V），R1～ R6 选 1 kΩ/ 1 W，R7～R11取 100 Ω，C1～C5 选 0. 1 μF；控制回路中，NE555（2 块），VD1 ～VD4 选1N4148，KA1、KA2 选用 DZ46 型 DC12V 继电器，其他参数如图 3 所示；断相保护电路中，VD9～VD12选用 1N4004，R16= 75 kΩ，R17 = 50 kΩ，R19、R20为 20 kΩ，IC3 选用 UA741，Q1
选用 9013，KA3 采用 HRS1H - S（12VDC），其他参数如图 4所示；电源电路中，VD5 ～VD8 选用 1N4004，R15 = 470 kΩ，C9 为 0. 68 μF/ 400 V，C8 选用 1 000μF/ 35 V，VZ 选用 Z2V/ 1W。
3.结束结
用可控硅开关替代三相异步电动机正反转控制电路的交流接触器，解决了矿用隔爆开关中的交流接触器主触头拉弧所带来的系列问题，提高了电路工作的可靠性，保障了操作者的安全，使电路的维护工作减少，降低了成本。
参考文献：
[1]贾通均，可控硅整流装置的工作原理及保护措施.城市建设理论研究.
[2]廖秀华，进一步提高国产可控硅整流器应用水平之我见.电子技术应用.
论文作者:宁跃
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/4
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