矿用架线停送电开关的数字化改造

李群富

摘  要：本文针对目前直流架线电机车使用的架线停送电开关存在的可控时间精度差、可靠性差、电压适应性差等问题，对模拟式的停送电开关进行了数字化改造，实现了矿用架线停送电开关的通用性和高可靠性。

关键词：矿用;停送电开关;数字式

中图分类号：TD64        文献标志码：A

0 引言

现有井下车场直流架线自动停送电装置普遍采用的是基于模拟放大电路的控制技术，这种方式由于采用模拟控制方式，在响应时间和工作效率上远远不能满足要求，造成极大的不安全隐患。此种产品的缺点是可控时间精度差、可靠性差、电压适应性差。目前国内采用的直流架线停送电开关有徐州金科电子设备有限公司和唐山现代电器厂生产的两种型号，都采用普通直流接触器作为主控开关，适应电流小、易拉弧氧化、机械结构复杂、寿命短和故障率高的情况，无法正常使用。

在直流架线自动停送电装置的构成上较理想的发展趋势是采用架线电流来检测机车的位置，控制回路采用单片机控制系统，主回路采用晶闸管或IGBT等电力电子器件，声光显示电路需要宽输入电压、高可靠性的开关电源，有必要对模拟转置进行改造，研制新的拓扑结构的直流架线自动停送电装置，以满足工业现场可靠性、安全性的需要。

1 硬件设计

本数字式矿用架线自动停送电开关装置由控制电路、主电路和声光显示电路三大部分构成。具体又分为采样电路、信号放大电路、单片机系统、IGBT驱动电路、功率放大电路、语音提示控制电路、语音电路、灯光显示控制电路、灯光显示电路、宽输入多路输出开关电源10个部分。

1.1 采样电路和控制电路设计

采样电路采用两个300A的电力二极管进行采样。控制电路如图1所示，架线电源接稳压管D4，然后串接20个56K的电阻串并联构成电阻降压网络后接电源的负极，使稳压管的稳压值为12V，给PNP三极管S9012提供电源。两个ZP300A采样二极管的压降大于Q1的导通电压时三极管Q1导通。当三极管Q1导通后，进入光耦隔离器件TLP181，输出端有流过电阻R30的电流Ic产生，从而使Vout的电压拉低，使进入控制电路单片机STC15F104W管脚8的输入信号为低电平。单片机内部的程序对其进行判断，若输入单片机的信号持续时间超过设定的延时时间5s，则判断架线电机车停止，单片机管脚7的输出信号为低电平。低电平信号经电阻R31进入三极管Q2的基极，R31起限流作用，三极管Q2饱和导通+5V电源加到继电器线圈的两端，继电器吸合，其内部的常开触点闭合，使IGBT驱动芯片的输入控制信号Q2接地。此时，驱动芯片的输入信号为0，则使得IGBT的输出信号也为0。

1.2 IGBT驱动电路设计

IGBT的驱动电路采用HCPL-316J驱动芯片，当IGBT的驱动电路输入控制信号处于QD悬空时，高电平信号进入HCPL-316J的管脚1即正向信号输入端，驱动信号输出端输出高电平信号。高电平信号经对称推挽功率放大电路后驱动IGBT模块开通，断电架线区域此时处于有电状态。否则IGBT模块处于关断状，断电区域架线此时处于无电状态。

1.3 语音电路设计

由于该装置为矿用型设备，所以装置所处的环境较为恶劣，且矿井下声音嘈杂，需要安全可靠的语音电路和大功率的扬声器，用于提醒上下车人员架线已停电，可以安全上下车。该语音电路兼有报站功能，可以提醒人员提前做好下车准备，大大提高矿用电机车的运行效率。综合考虑各种因素，最终决定采用的方案是语音芯片和功放芯片的组合电路。因为仅仅依靠语音芯片来直接驱动扬声器，功率远远不够驱动大功率的扬声器，不能达到较好的语音效果，所以采用对音频信号进行功率放大，然后再由扬声器输出，这样使得语音提示更加响亮，确保每个人员都能够听到、听清楚，提高矿井下运输线路的效率。

语音芯片处于平时有电状态，但是因为该芯片的输入触发脚需要等待来自单片机处理过的控制信号的触发，故在触发信号未到来之前，语音芯片不会对外输出语音信号，这个设计在一定程度上降低了语音电路错报、误报的概率，提高了整个开关装置的可靠性。

1.4 LED显示电路设计

本次设计的架线自动停送电开关采用了LED显示电路，在断电区域架线停电时显示“无电”，断电架线区域没有停电时显示“有电”。

LED显示电路如图2所示。电路的工作原理为，电路左端的端子接IGBT模块的E端，该电路属于平时有电状态。当IGBT模块正常导通时，架线电源经过电阻网络降压后，借助电解电容C1使得稳压管D1的电压稳定在25V左右，继电器K2和K3的线圈得电，两个继电器的常开触点闭合，常闭触点断开。若架线电机车经过或没有通过该站，继电器的常开触点闭合，常闭触点断开，LED显示电路显示“有电”。

2 软件设计

本次设计的主要特点是采用数字电路进行控制，所以单片机程序的编写质量决定了该自动停送电开关装置是否能正常工作。因所需的控制方式较为简单，即需要的I/O口数、定时器、计数器和外部中断也较少，所以使用了8脚的单片机STC15F104W。主程序流程图如图4所示。基本的程序逻辑是：当单片机管脚8输入为高电平时或低电平持续时间小于设定的延时时间，管脚7要输出高电平，管脚1输出低电平，管脚3输出低电平;当单片机管脚8输入低电平且持续时间超过5s时，管脚7输出低电平，管脚1输出高电平，管脚3输出低电平;当单片机管脚8输入由低电平变为高电平，管脚1输出低电平，管脚3输出高电平。一共是有3种对应的工作状态，管脚8对应P3.3，管脚7对应P3.2，管脚1对应P3.4，管脚3对应P3.5。软件流程图如图3所示。

结论

改造主要考虑以下几个方面：

一是通用性。目前矿用架线电机车有250V和550V两种型号，分别采用了KKZI型（直流250V）和KKZⅡ型（直流550V）的自动停送电开关来满足不同的需要。本次改造的目的之一是用一种型号的停送电开关满足不同的电压等级矿用架线电机车的需要。这可以通过选取高耐压等级的IGBT（1200V）和宽电压输入（100V～800V）的开关电源来实现。

二是高可靠性。模拟式的自动停送电开关在可靠性方面的不足主要是其模拟电路的复杂性及主回路采用了直流接触器，接触器的触点很容易被电弧灼伤，而灼伤后的触点就会造成接触不良，导致不能正常的通断电。采用单片机控制和主回路采用无触点的IGBT可以避免這一缺点，实现自动停送电开关的高可靠性。

参考文献

[1]邹甲，程红，杨晓辉.基于数字控制的架线自动停送电装置的设计[J].煤炭工程，2012（7）：118-120.

[2]赵金明，毛宝霞，张豪.KKJ-100/500型直流架线分区开关的设计和应用[J].中州煤炭，2010（5）：26-27.

[3]苏伟，钟玉林，刘钧，等.基于HCPL-316J的IGBT过流保护研究[J].电工电能新技术，2014，4（4）：67-80.