矿用机电设备断电保护控制装置的研究

鲍 捷，欧仁侠，陈洪斌＊

（吉林医药学院生物医学工程学院，吉林 吉林 132013）

1 断电保护的定义与作用

断电保护，是指仪器或者电器在突然断电的情况下保护正在处理的数据不丢失或者功能损坏的功能；或者指仪器或者电器在运行时出现可能导致损坏或危险的情况时自动切断电源停止运行来保障设备安全的功能[1]。用电系统断电原因由多种因素构成，断电导致的后果则不可估量，断电保护意义重大，是保证用电设备安全、家庭、企业安全的重要防护手段。断电保护装置作为保证用电设备安全的重要手段，在电路中可以接通、阻断和承受额定最大工作电流的功能，并能在线路和设备出现短路、过压、过流和超载的情况下对用电设备进行安全保护的一种防护装置[2]。断电保护装置需要具有稳定性和快速性两大特点。稳定性指的是用电设备在正常和断电情况下，保护装置都能保证其设备的可靠稳定性，特别在出现突发断电情况下，保护装置要可靠进行动作；快速性指的是断电保护装置在极限参数范围内出现断电情况的动态响应时间要快，尽量降低用电设备和线路的故障率和损坏率。

2 矿区机电设备简介

矿山机电设备分为主要设备和辅助设备。主要设备指的是在采矿过程中使用到的运输、掘进、排风、排水、提升、供电系统等大型强电设备和用电控制系统；辅助设备指选矿、探矿、运输管理和安全监控系统、抢险、转运等辅助采矿的设备和计算机管理系统。近年来矿山机电设备生产制造技术成熟，主要涉及传感器检测、自动控制、无线和远程通信、信息管理系统等领域的技术[3]，这些技术为矿山的科学管理、安全增产提供了有力保障。虽然矿山大型机电设备需求量很大，有品质保证，但根据相关统计，我国柴油发动机所匹配的起动机故障率大约在1%，其主要原因在于使用不当或发动着车后未及时断电导致的损坏[4]，可以看出断电保护对于机电设备至关重要，在延长其使用寿命、降低成本和安全生产方面作用不容忽视。现有的断电保护器，在使用的过程中操作烦琐，难于维修，散热效果差，并且在出现电路故障时容易出现尖峰电流，损坏机器，因此现有断电保护器还有很多需要改进和优化的地方。

3 断电保护在矿用机电设备中的需求分析

在采矿行业中，机电设备是采矿必备的重要工具，无论是煤矿还是有色金属矿的开采，都缺少不了机电设备，随着工业自动控制水平和现代微电子技术的不断发展，从大型机电设备到小型电子通信设备，从采矿设备到井下安全监控设备都在矿区经常出现，这些设备的正常运行使用对于矿区安全生产和采矿企业的经济效益都是至关重要的，当电路出现过载、欠压、过流等现象时会损坏起动机的齿轮减少使用寿命，或直接导致用电系统的瘫痪短路。在考虑到矿井下诸多干扰因素的基础上，设计适合矿区所使用的断电保护装置无疑是在井下安全使用用电设备的前提条件，当事故发生时稳定可靠的供电系统和断电保护装置可以大大降低事故所带来的灾害性。

4 机电设备断电保护控制装置的整体设计

本系统设计的断电保护控制装置为矿区的机电设备提供一种保护控制，防止因突然断电或两次起动间隔时间过短而导致过热，损坏电机和齿轮的情况发生，本系统在设计延时保护电路的同时还增加了逻辑控制电路部分。图1是系统的整体设计框图，下面介绍几种主要的电路。

图1 系统整体设计框图

4.1 MCU控制电路

本系统的MCU控制电路是采用SMT32芯片设计的，其主要功能是协调控制各部分模块稳定工作，将采集到的信号进行比较分析，并通过AD转换获得所采集的数字信号，通过逻辑电路输出控制机电设备，当系统正常运行时，输出为高电平，用电设备正常启动工作；当系统突然断电或有故障发生时，输出为低电平，并启动报警电路，用电设备不工作。

4.2 信号采样电路

该电路主要涉及机电设备在运行中出现故障时中间节点的采样数据。

一般机电设备出现故障的节点有交流电源、电源变压器、整流电路、快速熔断器、可控硅电路、主控电缆等[5]，因此，在信号采集电路里，要检测各个节点的状态值，与标准值比较后存入主控电路的缓存中，以备输出逻辑控制电路调取使用。

4.3 断电延时保护电路

此电路主要是为了当机电设备起动成功后，系统电磁电源开关与保护控制装置断开，主控电路处于无电状态，但必须要在电磁电源开关为系统正常供电，正常运行的前提下，目的是为了保证当设备在工作时突然掉电时，此保护控制装置也可以正常为设备服务，保证机电设备在频繁起动时有充足的延时时间，降低断电和频繁起动对机电设备的损害；另外，断电延时保护电路在另一方面还可降低机电设备在运行中对此控制装置MCU电路的电磁干扰。

4.4 输出逻辑控制电路

主控电路通过信号采集电路获取了机电设备在运行中各节点的采样数据，并以此数据为依据，进行逻辑判断，最终控制机电设备的启停。在信号采集电路里，要包含各个节点的参数，将这些会发生故障的信号采集好后经MCU主控电路进行逻辑判断，电路正常工作信号与各节点电路输出正常信号应该为与逻辑关系，按照逻辑表达式设计逻辑电路，再将输出信号经过输出电路控制起动继电器工作状态，如果各节点状态信号都正常，则起动继电器开始工作；否则关断起动继电器。

5 结语

本文通过对断电保护控制装置的研究，分析了断电保护装置在矿用机电设备中的应用意义与价值所在，详细阐述了断电保护控制装置中的主要组成电路，并在输出电路中采用了逻辑控制，电路结构相对简单、设计原理清晰易懂，可对设备进行有效断电保护控制，延长设备的使用年限，值得推广应用。