CN117134295B - 一种井下电机的固态开关系统及其急停保护控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下电机的固态开关系统，包括依次连接在电网和电机之间的隔离开关、急停保护模块、控制电路模块和漏电闭锁保护模块；当控制器发出停止驱动双向可控硅信号后，采用三个电流传感器、三个电压传感器分别对A、B、C三相电路的线电压和相电流进行检测，根据检测结果判断双向可控硅是否断开成功，如果断开不成功，生成第二报警信号，提示至少一个双向可控硅损坏，并请求生成急停指令。本发明能够解决现有固态开关在运行中无法断开、在更换器件过程中无法判断哪一相双向可控硅击穿与维修等问题。

Description

一种井下电机的固态开关系统及其急停保护控制方法

技术领域

本发明属于工程电气及控制保护技术领域，具体涉及一种井下电机的固态开关系统及其急停保护控制方法。

背景技术

目前井下660V电机采用的基本都是传统机械开关。由于传统机械开关体积大、安装拆卸复杂，并且其开关过程会产生火花等问题导致传统机械开关在使用时存在安全隐患。有专家学者提出采用双向可控硅代替传统机械开关，但是双向可控硅属于半导体器件，有会被电网电能冲坏的可能，双向可控硅受到电网冲击损坏后，会出现无法断开情况，并且在双向可控硅更换器件的过程中，无法判断是哪个元器件烧毁，导致在更换双向可控硅的过程中费时费力。

发明内容

解决的技术问题：本发明公开了一种井下电机的固态开关系统及其急停保护控制方法，能够解决现有固态开关在运行中无法断开、在更换器件过程中无法判断哪一相双向可控硅击穿与维修等问题。

技术方案：

一种井下电机的固态开关系统，所述固态开关系统包括依次连接在电网和电机之间的隔离开关、急停保护模块、控制电路模块和漏电闭锁保护模块；

所述急停保护模块用于根据外部输入的急停指令断开电网对电机的供电线路，同时停止对固态开关系统的供电；

所述控制电路模块包括分别连接在A、B、C三相电路上的三个双向可控硅、三个电流传感器、三个电压传感器和控制器；三个双向可控硅的初始状态为断开状态；当固态开关系统启动时，控制器发送开机自检信号至漏电闭锁保护模块，由漏电闭锁保护模块对电机和线路中是否存在漏电进行检测，如果存在漏电，控制器禁止双向可控硅导通，生成第一报警信号，否则，控制器将双向可控硅切换为导通状态；

当控制器发出停止驱动双向可控硅信号后，采用三个电流传感器、三个电压传感器分别对A、B、C三相电路的线电压和相电流进行检测，根据检测结果判断双向可控硅是否断开成功，如果断开不成功，生成第二报警信号，提示至少一个双向可控硅损坏，并请求生成急停指令。

进一步地，所述急停保护模块包括三个熔断器、三个电容器模块、三个弹簧、电磁铁和急停按钮：

所述三个熔断器分别经隔离开关接入A、B、C三相电路中，其输出端分别与三个双向可控硅连接，在熔断器与双向可控硅中间并联电容器模块的正极，电容器模块的负极分别由三个弹簧连接三个金属触点随时与金属片短接；金属片远离弹簧的一侧通过电磁铁与急停按钮连接：电容器模块包括相互连接的电容和电阻：

当急停按钮未按下时，电磁铁未得电，电容器模块在三个弹簧的自身张力作用下与金属片断开，三个电容不接入三相电路；当急停按钮按下时，电磁铁得电，三个弹簧在磁力作用下使其连接的金属触点与金属片短接，电容器模块接入三相电路，三个电容形成星形连接的电路，电路电流持续上升，当电路电流达到并超过熔断器的熔断电流时，熔断器熔断。

进一步地，所述漏电闭锁保护模块包括测量电阻、高压二极管和虚拟对地电阻；

所述控制器输出的直流电压经高压二极管接入电机的C相，再经虚拟对地电阻与测量电阻回到控制器的GND端，通过测量虚拟对地电阻与测量电阻之间的电压判断电机或者固态开关系统是否发生漏电。

进一步地，所述固态开关系统包括整流器；所述整流器的两个输入端分别连接在急停保护模块和双向可控硅之间的A相和B相电路上，整流器用于将电网的交流电转化为急停保护模块与控制电路模块所需要的直流电；整流器输出侧电源的两路输出由急停按钮控制，对于急停保护模块的供电采用常开触点，对于控制器的供电采用常闭触点。

进一步地，所述控制电路模块包括显示屏和警报单元；

所述显示屏用于显示固态开关系统各结构件的运行参数；所述警报单元包括喇叭和指示灯，警报单元用于在第一报警信号或者第二报警信号发出声光警示。

进一步地，所述控制器包括双向可控硅驱动模块、状态监控模块和检测结果分析模块；

所述双向可控硅驱动模块用于对双向可控硅进行驱动控制；

当所述双向可控硅驱动模块发出停止驱动信号后，所述状态监控模块接收电流传感器、电压传感器传回的A、B、C三相电路的线电压和相电流，如果A、B、C三相电路的线电压持续为相电压的时长和相电流持续为0的时长超过预设时长阈值，判断双向可控硅断开成功，否则，调用双向可控硅驱动模块再次发出停止驱动信号，再对重新采集的A、B、C三相电路的线电压和相电流进行判断，如果A、B、C三相电路的线电压持续为相电压的时长和相电流持续为0的时长仍未超过预设时长阈值，则判断双向可控硅损坏，生成第二报警信号，并触发检测结果分析模块结合A、B、C三相电路的线电压和相电流对双向可控硅的损坏情况进行判断。

进一步地，所述检测结果分析模块对A、B、C三相电路的线电压和相电流进行分析：

如果三路相电流均为0，且其中一路电压为线电压，另外两路电压为相电压，则电压为线电压的那一路的双向可控硅被击穿：

如果一路电流为0且该路电压为1/2线电压，另外两路电流幅值相等相位相反且电压为线电压，则电流不为0的两路的双向可控硅均被击穿；

如果三路电压均等于线电压，且三路电流不为零，则三路双向可控硅均被击穿；

如果三路电流为零，且三路电压为相电压，则三路双向可控硅均未被击穿。

本发明还公开了一种井下电机的固态开关系统的急停保护控制方法，所述急停保护控制方法包括以下步骤：

步骤A1：按下控制电路模块的停止按钮，控制器发出停止驱动双向可控硅信号，等待T1个脉波时间后，采样三路线电压与相电流，如果电压为相电压与电流为零的时间超过T2个脉波时间，则判断电机已停止运行，显示固态开关断开，流程结束；否则判断固态开关关断失败，控制器再次发出停止驱动信号，再等待T1个脉波时间后，重新采样三相线电压，如果电压为相电压与电流为零的时间超过T2个脉波时间，则判断固态开关关断成功，流程结束，否则视为有双向可控硅烧穿，生成第二报警信号，转入步骤A2；

步骤A2：按下急停按钮，触发急停保护模块，控制器断电，电磁铁得电产生磁力带动电容器模块中三个弹簧连接的金属触点短接金属片，此时三个电容形成星形连接的电路，并由电网向电容充电，使得电路电流上升达到并超过熔断器的熔断电流，熔断器熔断，从而使双向可控硅断开。

进一步地，所述急停保护控制方法还包括以下步骤：

结合A、B、C三相电路的线电压和相电流对双向可控硅的损坏情况进行判断：

如果三路相电流均为0，且其中一路电压为线电压，另外两路电压为相电压，则电压为线电压的那一路的双向可控硅被击穿；

如果一路电流为0且该路电压为1/2线电压，另外两路电流幅值相等相位相反且电压为线电压，则电流不为0的两路的双向可控硅均被击穿；

如果三路电压均等于线电压，且三路电流不为零，则三路双向可控硅均被击穿；

如果三路电流为零，且三路电压为相电压，则三路双向可控硅均未被击穿。

有益效果：

第一，本发明的井下电机的固态开关系统及其急停保护控制方法，替代传统的机械开关与固态开关，实现了电机运行时的开机漏电自检、双向可控硅关断与击穿判断，使在发生双向可控硅击穿时，不仅可以断开双向可控硅而且可以精确定位到已经损坏的双向可控硅。

第二，本发明的井下电机的固态开关系统及其急停保护控制方法，相比于传统机械开关，本方案是采用双向可控硅驱动电机，消除了传统机械开关在开关过程中产生的火花，还采用漏电闭锁保护功能，防止电机漏电运行，确保了井下的安全性。相对于传统固态开关，设计急停保护模块，通过电容器模块与主电路并联，增大电路电流使熔断器烧断，从而达到急停的功能。

第三，本发明的井下电机的固态开关系统，方便进行维修与更换。

第四，本发明的井下电机的固态开关系统及其急停保护控制方法，针对双向可控硅及其他固态开关击穿时无法直接判断是哪个器件击穿的情况，设计击穿识别功能，从而方便直接更换已经击穿的器件。

附图说明

图1为本发明的井下电机的固态开关系统结构图；

图2为本发明的井下电机的固态开关系统的急停保护控制方法流程图；

图3为双向可控硅击穿情况及电压检测关系示意图。

具体实施方式

下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本发明公开了一种井下电机的固态开关系统，所述固态开关系统包括依次连接在电网和电机之间的隔离开关、急停保护模块、控制电路模块和漏电闭锁保护模块；

所述急停保护模块用于根据外部输入的急停指令断开电网对电机的供电线路，同时停止对固态开关系统的供电；

所述控制电路模块包括分别连接在A、B、C三相电路上的三个双向可控硅、三个电流传感器、三个电压传感器和控制器；三个双向可控硅的初始状态为断开状态；当固态开关系统启动时，控制器发送开机自检信号至漏电闭锁保护模块，由漏电闭锁保护模块对电机和线路中是否存在漏电进行检测，如果存在漏电，控制器禁止双向可控硅导通，生成第一报警信号，否则，控制器将双向可控硅切换为导通状态；

当控制器发出停止驱动双向可控硅信号后，采用三个电流传感器、三个电压传感器分别对A、B、C三相电路的线电压和相电流进行检测，根据检测结果判断双向可控硅是否断开成功，如果断开不成功，生成第二报警信号，提示至少一个双向可控硅损坏，并请求生成急停指令。

如图1所示，所述固态开关系统包括急停保护模块、控制电路模块以及漏电闭锁保护模块。所述急停保护模块用于使整个系统的急停断电；所述控制电路模块用于控制整个系统的启动、采样等功能；所述漏电闭锁保护模块用于系统启动前的开机自检；所述急停保护模块包括由电容与电阻组成的电容器模块、熔断器、电磁铁、弹簧与急停按钮等元件；所述控制电路模块包括双向可控硅、电压电流传感器、控制器、显示屏、启停按钮、喇叭、指示灯等元件；所述漏电闭锁保护模块包括高压二极管D、虚拟接地电阻R4与测量电阻R5等元件。

所述漏电闭锁保护模块包括测量电阻、高压二极管和虚拟对地电阻；所述控制器输出的直流电压经高压二极管接入电机的C相，再经虚拟对地电阻与测量电阻回到控制器的GND端，通过测量虚拟对地电阻与测量电阻之间的电压判断电机或者固态开关系统是否发生漏电。具体的，首先通过漏电闭锁保护模块，检测电机及线路是否存在漏电；漏电闭锁保护模块的采用的方法是，由控制器输出一个直流电压V_DC，经高压二极管D接入电机的C相，在经虚拟对地电阻R₄与测量电阻R₅回到控制器的GND，通过测量虚拟对地电阻R₄与测量电阻R₅之间的电压Ul_d判断系统是否发生漏电。具体地，当虚拟对地电阻R₄阻值小于22KΩ时即可认为发生漏电，所以当采样电压时，即可认为发生漏电。如果发生漏电，控制器禁止双向可控硅导通，系统进行报警，喇叭响起、指示灯闪烁。如果没有发生漏电，控制器正常运行，然后驱动双向可控硅开通，接通电机。

所述固态开关系统的电源由电网取电。所述固态开关系统包括整流器；所述整流器的两个输入端分别连接在急停保护模块和双向可控硅之间的A相和B相电路上，整流器用于将电网的交流电转化为急停保护模块与控制电路模块所需要的直流电；整流器输出侧电源的两路输出由急停按钮控制，对于急停保护模块的供电采用常开触点，对于控制器的供电采用常闭触点。

所述急停保护模块包括三个熔断器、三个电容器模块、三个弹簧、电磁铁和急停按钮；所述三个熔断器分别经隔离开关接入A、B、C三相电路中，其输出端分别与三个双向可控硅连接，在熔断器与双向可控硅中间并联电容器模块的正极，电容器模块的负极分别由三个弹簧连接三个金属触点随时与金属片短接；金属片远离弹簧的一侧通过电磁铁与急停按钮连接；电容器模块包括相互连接的电容和电阻；当急停按钮未按下时，电磁铁未得电，电容器模块在三个弹簧的自身张力作用下与金属片断开，三个电容不接入三相电路；当急停按钮按下时，电磁铁得电，三个弹簧在磁力作用下使其连接的金属触点与金属片短接，电容器模块接入三相电路，三个电容形成星形连接的电路，电路电流持续上升，当电路电流达到并超过熔断器的熔断电流时，熔断器熔断。

电容器模块的电容是为了增大系统电流使熔断器烧毁达到急停效果，电阻是为了防止电容与电机电感发生谐振。

如图1所示，检测双向可控硅击穿的传感器接线方式为：电压传感器1检测A、B相之间的线电压，其输入连接A相双向可控硅输出侧a点，输出连接B相双向可控硅输入侧b1点；电压传感器2检测B、C相之间的线电压，其输入连接B相双向可控硅输出侧b点，输出连接C相双向可控硅输入侧c1点；电压传感器3检测C、A相之间的线电压，其输入连接C相双向可控硅输出侧c点，输出连接A相双向可控硅输入侧a1点。

如图3所示，判断双向可控硅击穿情况的流程包括：

(1)当只有一相双向可控硅击穿时，三路电流均为零，所击穿相的双向可控硅两侧还存在电压，此时电压传感器测得两路电压为相电压，剩余一路电压为线电压。如A相击穿，U_ab1＝线电压，U_bc1＝相电压，U_ca1＝相电压；如B相击穿，U_ab1＝相电压，U_bc1＝线电压，U_ca1＝相电压；如C相击穿，U_ab1＝相电压，U_bc1＝相电压，U_ca1＝线电压。由此可以精确判断为哪一相双向可控硅击穿。

(2)当只有两相双向可控硅击穿时，这两路电流幅值相等相位相反，另一路电流为零，所击穿相的双向可控硅两侧还存在电压，此时电压传感器测得两路电压值为线电压，一路电压为线电压的一半。如A、B相击穿，U_ab1＝线电压，U_bc1＝线电压，U_ca1＝1/2线电压，I_a＝-I_b，I_c＝0；如B、C相击穿，U_ab1＝1/2线电压，U_bc1＝线电压，U_ca1＝线电压，I_c＝-I_b，I_a＝0：如C、A相击穿，U_ab1＝线电压，U_bc1＝1/2线电压，U_ca1＝线电压，I_a＝-I_c，I_b＝0。由此可以精确判断为哪两相双向可控硅击穿。

(3)三相双向可控硅都击穿，三路电压均等于线电压，三路电流不为零。

(4)三相双向可控硅无击穿，三路电流为零，三路电压为相电压。

如图2所示，本发明还公开了一种井下电机的固态开关系统的急停保护控制方法，所述急停保护控制方法包括以下步骤：

步骤A1：按下控制电路模块的停止按钮，控制器发出停止驱动双向可控硅信号，等待T1个脉波时间后，采样三路线电压与相电流，如果电压为相电压与电流为零的时间超过T2个脉波时间，则判断电机已停止运行，显示固态开关断开，流程结束；否则判断固态开关关断失败，控制器再次发出停止驱动信号，再等待T1个脉波时间后，重新采样三相线电压，如果电压为相电压与电流为零的时间超过T2个脉波时间，则判断固态开关关断成功，流程结束，否则视为有双向可控硅烧穿，生成第二报警信号，转入步骤A2。

步骤A2：按下急停按钮，触发急停保护模块，控制器断电，电磁铁得电产生磁力带动电容器模块中三个弹簧连接的金属触点短接金属片，此时三个电容形成星形连接的电路，并由电网向电容充电，使得电路电流上升达到并超过熔断器的熔断电流，熔断器熔断，从而使双向可控硅断开。

在本发明中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明性实施例。本发明的实施例不局限于附图所示。应当理解，本发明通过上面介绍的多种构思和实施例，以及下面详细描述的构思和实施方式中的任意一种来实现，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种井下电机的固态开关系统，其特征在于，所述固态开关系统包括依次连接在电网和电机之间的隔离开关、急停保护模块、控制电路模块和漏电闭锁保护模块；

所述急停保护模块用于根据外部输入的急停指令断开电网对电机的供电线路，同时停止对固态开关系统的供电；

所述控制电路模块包括分别连接在A、B、C三相电路上的三个双向可控硅、三个电流传感器、三个电压传感器和控制器；三个双向可控硅的初始状态为断开状态；当固态开关系统启动时，控制器发送开机自检信号至漏电闭锁保护模块，由漏电闭锁保护模块对电机和线路中是否存在漏电进行检测，如果存在漏电，控制器禁止双向可控硅导通，生成第一报警信号，否则，控制器将双向可控硅切换为导通状态；

当控制器发出停止驱动双向可控硅信号后，采用三个电流传感器、三个电压传感器分别对A、B、C三相电路的线电压和相电流进行检测，根据检测结果判断双向可控硅是否断开成功，如果断开不成功，生成第二报警信号，提示至少一个双向可控硅损坏，并请求生成急停指令；

所述急停保护模块包括三个熔断器、三个电容器模块、三个弹簧、电磁铁和急停按钮；

所述三个熔断器分别经隔离开关接入A、B、C三相电路中，其输出端分别与三个双向可控硅连接，在熔断器与双向可控硅中间并联电容器模块的正极，电容器模块的负极分别由三个弹簧连接三个金属触点随时与金属片短接；金属片远离弹簧的一侧通过电磁铁与急停按钮连接；电容器模块包括相互连接的电容和电阻；

当急停按钮未按下时，电磁铁未得电，电容器模块在三个弹簧的自身张力作用下与金属片断开，三个电容不接入三相电路；当急停按钮按下时，电磁铁得电，三个弹簧在磁力作用下使其连接的金属触点与金属片短接，电容器模块接入三相电路，三个电容形成星形连接的电路，电路电流持续上升，当电路电流达到并超过熔断器的熔断电流时，熔断器熔断。

2.根据权利要求1所述的井下电机的固态开关系统，其特征在于，所述漏电闭锁保护模块包括测量电阻、高压二极管和虚拟对地电阻；

所述控制器输出的直流电压经高压二极管接入电机的C相，再经虚拟对地电阻与测量电阻回到控制器的GND端，通过测量虚拟对地电阻与测量电阻之间的电压判断电机或者固态开关系统是否发生漏电。

3.根据权利要求1所述的井下电机的固态开关系统，其特征在于，所述固态开关系统包括整流器；所述整流器的两个输入端分别连接在急停保护模块和双向可控硅之间的A相和B相电路上，整流器用于将电网的交流电转化为急停保护模块与控制电路模块所需要的直流电；整流器输出侧电源的两路输出由急停按钮控制，对于急停保护模块的供电采用常开触点，对于控制器的供电采用常闭触点。

4.根据权利要求1所述的井下电机的固态开关系统，其特征在于，所述控制电路模块包括显示屏和警报单元；

所述显示屏用于显示固态开关系统各结构件的运行参数；所述警报单元包括喇叭和指示灯，警报单元用于在第一报警信号或者第二报警信号发出声光警示。

5.根据权利要求1所述的井下电机的固态开关系统，其特征在于，所述控制器包括双向可控硅驱动模块、状态监控模块和检测结果分析模块；

所述双向可控硅驱动模块用于对双向可控硅进行驱动控制；

当所述双向可控硅驱动模块发出停止驱动信号后，所述状态监控模块接收电流传感器、电压传感器传回的A、B、C三相电路的线电压和相电流，如果A、B、C三相电路的线电压持续为相电压的时长和相电流持续为0的时长超过预设时长阈值，判断双向可控硅断开成功，否则，调用双向可控硅驱动模块再次发出停止驱动信号，再对重新采集的A、B、C三相电路的线电压和相电流进行判断，如果A、B、C三相电路的线电压持续为相电压的时长和相电流持续为0的时长仍未超过预设时长阈值，则判断双向可控硅损坏，生成第二报警信号，并触发检测结果分析模块结合A、B、C三相电路的线电压和相电流对双向可控硅的损坏情况进行判断。

6.根据权利要求5所述的井下电机的固态开关系统，其特征在于，所述检测结果分析模块对A、B、C三相电路的线电压和相电流进行分析：

如果三路相电流均为0，且其中一路电压为线电压，另外两路电压为相电压，则电压为线电压的那一路的双向可控硅被击穿；

如果一路电流为0且该路电压为1/2线电压，另外两路电流幅值相等相位相反且电压为线电压，则电流不为0的两路的双向可控硅均被击穿；

如果三路电压均等于线电压，且三路电流不为零，则三路双向可控硅均被击穿；

如果三路电流为零，且三路电压为相电压，则三路双向可控硅均未被击穿。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的井下电机的固态开关系统的急停保护控制方法，其特征在于，所述急停保护控制方法包括以下步骤：

步骤A1：按下控制电路模块的停止按钮，控制器发出停止驱动双向可控硅信号，等待T1个脉波时间后，采样三路线电压与相电流，如果电压为相电压与电流为零的时间超过T2个脉波时间，则判断电机已停止运行，显示固态开关断开，流程结束；否则判断固态开关关断失败，控制器再次发出停止驱动信号，再等待T1个脉波时间后，重新采样三相线电压，如果电压为相电压与电流为零的时间超过T2个脉波时间，则判断固态开关关断成功，流程结束，否则视为有双向可控硅烧穿，生成第二报警信号，转入步骤A2；

步骤A2：按下急停按钮，触发急停保护模块，控制器断电，电磁铁得电产生磁力带动电容器模块中三个弹簧连接的金属触点短接金属片，此时三个电容形成星形连接的电路，并由电网向电容充电，使得电路电流上升达到并超过熔断器的熔断电流，熔断器熔断，从而使双向可控硅断开。

8.根据权利要求7所述的井下电机的固态开关系统的急停保护控制方法，其特征在于，所述急停保护控制方法还包括以下步骤：

结合A、B、C三相电路的线电压和相电流对双向可控硅的损坏情况进行判断：

如果三路相电流均为0，且其中一路电压为线电压，另外两路电压为相电压，则电压为线电压的那一路的双向可控硅被击穿；

如果一路电流为0且该路电压为1/2线电压，另外两路电流幅值相等相位相反且电压为线电压，则电流不为0的两路的双向可控硅均被击穿；

如果三路电压均等于线电压，且三路电流不为零，则三路双向可控硅均被击穿；

如果三路电流为零，且三路电压为相电压，则三路双向可控硅均未被击穿。