CN105244847B - 一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及防爆变频器技术领域，公开的一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统及方法，包括：快开门安全闭锁机构、多重化安全连锁保护电路，所述快开门安全闭锁机构通过转换开关与多重化安全连锁保护电路相连，多重化安全连锁保护电路由充放电安全闭锁电路、漏电检测安全闭锁电路、多路PWM故障闭锁电路和常规的继电器安全保护电路构成。本发明不仅能有效地解决上述安全隐患，同时还具有检测单元标准化、无源在线式实时检测、安全报警等特点。实现复杂而又准确的预保护，安全系数高、保护可靠、升级便利，及遵循系统总成化、单元模块化、零部件标准化、插拔式结构组合化等原则，安装维护简易、体容比小，且能实现高可靠性和优异的调速性能。

Description

一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统及方法

技术领域

本发明涉及防爆变频器技术领域，尤其是涉及适用于煤矿井下矿井提升机用660V/1140V四象限的一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统及方法。

背景技术

目前，防爆变频器作为一种新型节能环保产品，在煤矿井下、粉尘环境等易燃易爆性场所的应用越来越普遍。根据矿井提升机的工艺要求，在调速的同时还需要实现四象限运行。然而，煤矿井下环境恶劣、高温高湿，且对空间和安全要求极其苛刻，防爆变频器既要实现隔爆以保证安全，又要实现变频调速性能，以满足工艺要求和节能指标，温升、EMC、可靠性、安装维护简易性、体容比、调速比等问题成了产品设计的短板，尤其是应用在矿井提升机场合，这些短板若处理不好，将给煤矿安全生产带来极大隐患。

发明内容

为了克服现有的矿井提升机专用防爆变频器电气绝缘监视、安全联锁等方面的不足，易导致其存在诸多安全隐患，本发明提供了一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统及方法，不仅能够有效地解决上述安全隐患，同时还具有检测单元标准化、无源在线式实时检测、安全报警等特点。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统，包括：快开门安全闭锁机构、多重化安全连锁保护电路，所述快开门安全闭锁机构通过转换开关与多重化安全连锁保护电路相连，多重化安全连锁保护电路由充放电安全闭锁电路、漏电检测安全闭锁电路、多路PWM故障闭锁电路和常规的继电器安全保护电路构成；所述快开门安全闭锁机构，包括：连锁机构（1）、转换开关（2）、卡条（3）、隔爆壳体（4）、左右箱门（5）、操作手柄（6），所述隔爆壳体（4）的左右箱门（5）之间设置有连锁机构（1），连锁机构（1）由左箱门挡块（1.1）、右箱门挡块（1.6）、上齿条（1.2）、下齿条（1.5）、转换开关旋钮（1.3）和导向块（1.4）组成，转换开关旋钮（1.3）的转轴通过导向块（1.4）与转换开关（2）连接，转换开关旋钮（1.3）的转轴端的方轴与上齿条（1.2）、下齿条（1.5）啮合连接，连锁伸出或缩进的上齿条（1.2）、下齿条（1.5）另一端分别与左右箱门（5）上分别固定的左箱门挡块（1.1）、右箱门挡块（1.6）配合位接触；所述隔爆壳体（4）的左右箱门（5）上端分别与门轴上的左右操作手柄（6）相连，左右箱门（5）底端边设置有固定在隔爆壳体（4）上的卡条（3）。

一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统，所述充放电安全闭锁电路，包括：放电电路（9）、整流电路（7）、预充电电路（10）、直流侧储能电路（8）、控制电路（11），所述直流侧储能电路（8）第一输入端与整流电路（7）相连，第二输入端与预充电电路（10）相连，直流侧储能电路（8）输出端与放电电路（9）相连；所述放电电路（9）由真空接触器KM（9.1）与小功率耐高压电阻R电连接构成，放电电路的两端直接并联在直流侧正、负极两端；

其中，整流电路（7）的信号端与预充电电路（10）的信号端相连；预充电电路（10）、直流侧储能电路（8）、放电电路（9）的信号端与控制电路（11）相连。

一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统，所述漏电闭锁检测电路（14）由高压接触器KM与漏电闭锁检测装置LB电连接构成，高压接触器KM一端与防爆变频器输出端点相连，漏电闭锁检测装置LB一端与大地连接；防爆变频器输出端点为逆变电路与电机的连接点；漏电检测安全闭锁电路的信号端通过信号线与控制电路相连；控制电路另一信号端通过信号线与逆变电路信号端相连。

一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统，所述多路PWM故障闭锁电路，包括：第一上下桥臂光电转换器、第二上下桥臂光电转换器、逻辑互锁电路、指示显示电路、多路并联信号处理接口电路，连接控制电路（11）的第一上下桥臂光电转换器通过逻辑互锁电路与多路并联信号处理接口电路相连，多路并联信号处理接口电路的驱动输出端、信号输入端与全控型开关元件相连；多路并联信号处理接口电路的信号输出端通过指示显示电路、第二上下桥臂光电转换器与控制电路（11）相连；其中，第一上下桥臂光电转换器输出端与指示显示电路相连；

所述逻辑互锁电路，包括：非门电路、电容充放电电路、与门电路，所述非门电路通过电容充放电电路与与门电路电连接；所述非门电路为六反相斯密特触发器，所述与门电路为四组两输入端与门电路。

一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统，所述指示显示电路为无源交直流带电显示电路，包括：无源交流带电显示电路、无源直流带电显示电路、PCB板，所述PCB板上的无源交流带电显示电路通过A、B、C电极与三相电源相连，所述PCB板上的无源直流带电显示电路通过正、负电极与直流电源相连；所述无源交流带电显示电路由三组发光电路星形连接，每组发光电路由分压限流电阻与发光二极管串联构成；所述无源直流带电显示电路由分压限流电阻、发光二极管和稳压二极管构成，n个分压限流电阻R一端与直流电源正电极相连，n个分压限流电阻R另一端通过发光二极管与稳压二极管的正极相连；其中，第一稳压二极管至第n稳压二极管为串联连接，第n稳压二极管的负极与直流电源负极相连。

一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统的防爆方法，其具体步骤如下：

1）、对矿井提升机用四象限防爆变频器多重化安全联锁系统初始化；

2）、对快开门安全闭锁机构运行闭锁的判断，当未闭锁是N，进入故障停止运行；

3）、当快开门安全闭锁是Y，进入充放电安全闭锁判断和漏电检测安全闭锁判断，当未闭锁是N，进入故障停止运行；

4）、当充放电安全闭锁和漏电检测安全闭锁均是Y，进入多路PWM故障闭锁判断，当未闭锁是N，进入故障停止运行；

5）、当多路PWM故障闭锁是Y，进入常规安全保护判断，当未保护是N，进入故障停止运行；

6）、当常规安全保护判断全保是正常的情况下Y，四象限防爆变频器多重化安全联锁系统正常运行；才能送电，一旦有异常，直接进入故障状态并闭锁，保证设备安全；

其中，充放电安全闭锁的方法，是当变频器上电开始工作时，控制电路（11）发出控制信号，依靠电磁作用使真空接触器（9.1）保持断开状态，进而直流侧正母线、接触器、电阻、直流侧负母线构成的回路断开，停止放电，并将放电电路（9）与整流电路（7）、预充电电路（10）、直流侧储能电路（8）的信号反馈给控制电路（11），控制电路进行安全互锁，严禁变频器工作时放电电路工作；当变频器停止工作时，依靠机械装置使真空接触器KM保持导通状态，进而直流侧正母线、真空接触器（9.1）、小功率耐高压电阻（9.2）、直流侧负母线构成放电回路，进行放电；

其中，漏电检测安全闭锁的方法，是在变频器主回路上电前，通过控制回路（11）发出信号指令，使漏电闭锁检测电路中的高压接触器KM（14.1）闭合，使漏电闭锁检测装置LB（14.2）工作，对防爆变频器主回路绝缘进行检测，若绝缘无问题，则允许主回路上电，则逆变电路（12）开始工作，使电机（13）驱动负载做功；若有问题，则报故障至控制回路（11），禁止变频器主回路上电；另外，当防爆变频器上电工作时，通过控制电路（11）使高压接触器（14.1）断开，使漏电闭锁检测电路与变频器主回路断开，在变频器工作期间，通过软件指令严禁高压接触器（14.1）闭合，保证防爆变频器的正常工作运行；

按照保护等级分为一、二、三、四级保护，机械安全闭锁保护设置为一级保护；绝缘检测、充放电闭锁保护设置为二级保护；PWM驱动信号及故障闭锁保护设置为三级保护；常规安全保护设置为四级保护；系统一、二、三级保护均是在主回路断电的情况下进行安全闭锁的，只有四级保护是在主回路通电情况下进行安全保护的，所以在主回路送电前，必须要通过一、二、三级保护检测才能送电，一旦有异常，直接进入故障状态并闭锁。

一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统的防爆方法，采用的快开门安全闭锁机构、四象限防爆变频器多重化安全联锁系统的方法，即开关门连锁的方法，是防爆变频器正常工作时，转换开关（2）实现主电路的接通，隔爆壳体（4）的左、右箱门（5）锁紧；

当隔爆壳体（4）的左、右箱门（5）需要打开时，首先转动转换开关旋钮（1.3），通过转换开关（2）实现主电路的电源关闭，同时上齿条（1.2）、下齿条（1.5）缩进；搬动带凸轮的左右操作手柄（6），运动使左右箱门（5）向上移动，脱离卡条（3），再向外旋转左右操作手柄（6），左、右箱门（5）打开；

当没有转动转换开关旋钮（1.3）关闭电源，搬动左右操作手柄（6），则上齿条（1.2）、下齿条（1.5）限制左、右箱门（5）上移，左、右箱门（5）无法开启。

一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统的防爆方法，采用多路PWM故障闭锁电路的方法，是在上下桥臂PWM驱动信号进行过互锁检测的前提条件下，该多路驱动信号转接电路板通过非门、与门集成芯片构建的硬件逻辑互锁电路，及电容充放电的非线性特性来替代死区特性；其步骤如下：

1）、控制电路（11）的两路驱动光信号经过光电转换器（15）得到相对应的电模拟信号；

2）、再经过逻辑互锁电路（17）对其电模拟信号进行相应的逻辑处理，得到一路具有死区特性的互补信号；

3）、再经过多路并联信号处理接口电路（19）处理，若单相桥臂需要n个单管开关管并联，则将2路具有死区特性的互补信号扩展为n/2路互补信号；

4）、最后将多路并联信号处理接口电路（19）得到的n/2路互补驱动信号通过排线传送给全控型开关元器件（20），驱动变频器主电路开关管的导通与关断；

5）、并且全控型开关元器件（20）的驱动板检测到的故障信号通过多路并联信号处理接口电路（19）反馈到指示显示电路（18），同时，由光电转换器（15）得到的驱动信号也传送给指示显示电路（18），如此指示显示电路（18）既能显示驱动信号是否正常，又能显示是否有故障出现；

6）、最后指示显示电路（18）输出故障信号给光电转换器（16），将电信号转换为光信号反馈给控制电路（11）；

所述光电转换器（15）输出的电信号，首先传送给六反相斯密特触发器（21），对其进行取反处理，然后通过电容充放电电路（22）将互补的信号增加死区时间，最后经过四组两输入端与门电路（23）的处理得到所需的具有死区特性的互补的驱动信号。

一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统的防爆方法，所述采用的指示显示电路的显示方法，其步骤如下：

1）将电路直接连接在主回路进线交流电源R、S、T的660V/1140V AC侧和直流母线正、负极的1100V/1900V DC，通过n个电阻R的分压和稳压电路WY的稳压，将低压电源提供给LED发光管进行交流三相、直流两相分别独立的带电显示；

2）在变频器工作过程中，直流储能电路储集电能，将无源直流带电显示电路直接并联与直流侧正、负极，使其承受储能电路电压；

当变频器正常工作时，正负极承受满载电压，稳压二极管WY0-WY9平均承受满载电压，发光二极管LED13-LED4导通工作；

当直流储能电压降低至1800V，稳压二极管WY9不满足导通条件，则与之对应的发光二极管LED4不能工作，从变频器箱面板上能看到直流电压的降低；

当变频器停止工作断电后，随着放电过程的进行，直流储能电压一直处于降低状态，那么相对应的稳压二极管（26）逐级关断，进而与之对应的发光二极管（25）也停止工作，为此，在变频器箱前面板上也能指示电源电能衰减的过程，观测变频器直流带电状态；同时为保证安全，若显示电路故障，将使电阻烧断变成断路，自动与主回路断开，避免故障扩大；

针对不同的电压等级，选择与之匹配的稳压二极管（26）型号、数目及发光二极管（25）的数目及不同规格的分压限流电阻（24）、稳压二极管（26）即能满足带电显示功能。

由于采用如上所述的技术方案，本发明的优越性如下：

一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统及方法，不仅能有效地解决上述安全隐患，同时还具有检测单元标准化、无源在线式实时检测、安全报警等特点。本发明是不仅限硬件安全闭锁，在硬件闭锁保护的基础上，利用软件来实现复杂而又准确的预保护，安全系数高、保护可靠、升级便利。本发明涉及的矿井提升机用防爆变频器，遵循系统总成化、单元模块化、零部件标准化、插拔式结构组合化等原则，安装维护简易性好、体容比小，且实现高可靠性和优异的调速性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是防爆变频器安全联锁软件流程图；

图2是防爆变频器箱总体外观图；

图3是双快开门连锁机构与转换开关连接示意图；

图4是双快开门连锁机构主视图；

图5是直流电容放电电路；

图6是漏电闭锁检测电路；

图7是IGBT多路驱动信号转接电路；

图8是逻辑互锁电路原理图；

图9是无源交直流带电显示电路框图；

图10是无源交流带电显示电路原理图；

图11是无源直流带电显示电路原理图。

图中1.双快开门连锁机构、1.1.左箱门挡块、1.2.上齿条、1.3.转换开关旋钮、1.4.导向块、1.5.下齿条、1.6.右箱门挡块、2.转换开关、3.卡条、4.隔爆壳体、5.箱门、6.操作手柄、7.整流电路、8.直流储能电路、9.放电电路、9-1.特殊真空接触器、9-2.小功率耐高压电阻、10.预充电电路、11.控制电路、12.逆变电路、13.电机、14.漏电闭锁检测电路、14.1.高压接触器、14.2.漏电闭锁检测装置、15. 驱动信号光电转换器、16.故障信号光电转换器、17.逻辑互锁电路、18.指示显示电路、19.多路并联信号处理接口电路、20.全控型开关元器件、21.六反相斯密特触发器、22.电容充放电电路、23.四组两输入端与门电路、24.分压限流电阻、25.发光二极管、26.稳压二极管。

具体实施方式

矿井提升机专用四象限防爆变频器除了满足普通变频器的要求，还要满足防爆、矿井提升机工艺、煤矿安标的要求，因此不仅要做硬件安全联锁，还要通过软件编程做软件安全联锁。现有的防爆变频器大多针对常规保护做安全连锁，保护程度有限，而且存在隐患，如：绝缘老化、破损、放电电路故障、带电打开隔爆壳体及放电时间过长等问题。

如图1所示，本防爆变频器采用多重化安全连锁保护系统，通过机械闭锁开关、电气硬件和软件闭锁等方式来实时监测防爆变频器的安全系统，防爆变频器多重安全连锁系统主要由快开门安全闭锁、充放电安全闭锁、漏电检测安全闭锁、多路PWM故障闭锁和常规安全保护等构成，形成一套完备的安全闭锁保护系统，按照保护等级及类别，分为一、二、三、四级保护，机械安全闭锁保护为一级，绝缘检测、充放电安全闭锁为二级，PWM驱动信号及故障闭锁为三级，常规安全保护为四级，数字越小，等级越高，故障和保护反应时间越短。系统一、二、三级保护均是在主回路断电的情况下进行安全闭锁的，只有四级保护是在主回路通电情况下进行安全保护的，所以在主回路送电前，必须要通过一、二、三级保护检测才可以送电，一旦有异常，直接进入故障状态并闭锁，安全可靠性有保障。另外，在箱门上增加无源交直流带电显示功能，可以在不打开箱门的情况下，观察防爆变频器的带电状态，避免了带电误操作现象的发生，提高系统整体安全系数。

1、快开门安全闭锁机构主要由左右箱门挡块、上下齿条、旋钮齿轮、转换开关旋钮、导向块、垫板和连接轴组成，左右箱门挡块安装在箱门上，其他构件安装在壳体上，转动开关旋钮可实现主电路的接通和关断。通常情况下，快开门隔爆壳体打开时，首先搬动操作手柄，使箱门上移脱离卡条，然后向外旋转操作手柄打开箱门。在防爆壳体上安装连锁结构后，转换开关旋钮带动转换开关实现接通和关断，同时带动连锁机构运动，上下齿条连锁伸出和缩进，通过固定在防爆壳体上的箱门挡块限制箱门上移。防爆变频器正常工作时，转换开关旋钮开启，主电路导通，隔爆壳体锁紧。快开门防爆变频器隔爆壳体打开时，需首先转动转换开关旋钮，关闭电源，同时上下齿条缩进，搬动左右操作手柄，手柄带动凸轮运动使箱门向上移动脱离卡条，再向外旋转手柄箱门打开。若没有关闭电源，则上下齿条限制了箱门上移，箱门无法开启。该结构可确保断电情况下才可开启箱门操作。

2、充放电安全闭锁装置直接并联在直流侧正负极两端，放电电路由特殊真空接触器和小功率耐高压电阻构成，其中特殊真空接触器完全为自主研制，在变频器停止工作时靠机械装置使真空接触器保持导通状态，进而直流侧正母线、接触器、电阻、直流侧负母线构成通路进行放电，当变频器工作时靠电磁作用使真空接触器保持断开状态，进而直流侧正母线、接触器、电阻、直流侧负母线构成的回路断开，停止放电，并将放电电路与整流电路、预充电电路、直流侧储能电路的信号反馈给控制电路，利用软件进行安全互锁，严禁变频器工作时放电电路工作。

3、变频器主电路对地绝缘降低到表1动作值应实现主电路漏电闭锁，当对地绝缘电阻上升到漏电闭锁动作值1.5倍时应自动解除闭锁。

表1

序号	主回路额定工作电压	单相漏电闭锁整定值kΩ	动作值允许误差%
				1	660V	22	+20%
2	1140V	40	+20%

漏电检测安全闭锁装置一端接在防爆变频器输出端，另一端连接大地，漏电闭锁检测电路由高压接触器、漏电闭锁检测装置构成，通过软件对其进行控制，在变频器主回路上电前，高压接触器闭合，使漏电闭锁检测装置工作，对防爆变频器主回路绝缘进行检测，若绝缘无问题，则允许主回路上电，若有问题，则报故障禁止上电；同时在防爆变频器工作时，严禁高压接触器闭合，使漏电闭锁检测回路与主回路断开。

4、在软件程序对上下桥臂PWM驱动信号进行过互锁检测的前提条件下，该多路驱动信号转接电路板利用非门、与门集成芯片构建了硬件逻辑互锁电路，并利用电容充放电的非线性特性来替代死区特性。另外，增加了故障信号的通道数，避免了故障信号通道的复用，提高了追踪故障信号的精确度。最后，利用与非门集成芯片替代三极管等分立器件，构成指示显示电路，可以清楚的观察相应信号是否正常，随着并联信号处理接口的增加，只需增加指示显示电路集成芯片的片数即可。如此，该多路驱动信号转接板扩展性更好，并且增强了系统整体性能的可靠性。

5、无源交直流带电显示电路，用以显示防爆变频器带电状态。此电路直接连接在主回路进线交流电源R、S、T（660V/1140V AC）侧和直流母线正、负极（1100V/1900V DC），通过n个电阻R串联分压和稳压电路WY稳压，将稳压后的低压电源提供给LED发光管进行交流三相、直流两相分别独立带电显示，此电路可以持续工作，即使断电后也能指示电源电能衰减的过程，最低可显示200V左右的直流电；同时为保证安全，若显示电路故障，将使电阻烧断变成断路，自动与主回路断开，避免故障扩大。

图1中展示的是一种矿井提升机专用四象限防爆变频器多重化安全联锁系统，按照保护等级及类别，分为一、二、三、四级保护，机械安全闭锁保护为一级，绝缘检测、充放电闭锁保护为二级，PWM驱动信号及故障闭锁保护为三级，常规安全保护为四级，数字越小，等级越高，故障和保护反应时间越短。系统一、二、三级保护均是在主回路断电的情况下进行安全闭锁的，只有四级保护是在主回路通电情况下进行安全保护的，所以在主回路送电前，必须要通过一、二、三级保护检测才可以送电，一旦有异常，直接进入故障状态并闭锁，安全可靠性有保障。

在图2中双快开门连锁机构（1）、转换开关（2）、卡条（3）、隔爆壳体（4）、箱门（5）和操作手柄（6）共同构成快开门连锁机构。

在图3和图4中，双快开门连锁结构（1）与转换开关（2）通过中间的连接轴连接，转动转换开关旋钮（1.3）可实现主电路的接通与关断。当防爆变频器正常工作时，转换双快开门连锁结构（1）上面的开关旋钮（1.3）开启，隔爆壳体（4）锁紧。若要打开快开门防爆变频器隔爆壳体（4）时，首先转动转换开关旋钮（1-3），关闭电源，同时上下齿条（1.2）、（1.5）缩进，搬动左右操作手柄（6），带动凸轮运动使箱门（5）向上移动脱离卡条（3），再向外旋转左右操作手柄（6），箱门（5）打开。若没有关闭电源，则上下齿条（1.2）、（1.5）限制箱门（5）上移，箱门（5）无法开启。

另外，该连锁结构同样适用于单快开门防爆壳体，只需去除单侧箱门挡块（1.1）和齿条（1.2）。

在图5中由整流电路（7）、预充电电路（10）、直流储能电路（8）、控制电路（11）和放电电路（9）共同构成直流电容放电系统，其中放电电路（9）由直流侧正、负母线、特殊真空接触器（9.1）和小功率耐高压电阻（9.2）构成。

当变频器上电开始工作时，控制电路（11）发出控制信号，依靠电磁作用使特殊真空接触器（9.1）保持断开状态，进而直流侧正母线、接触器、电阻、直流侧负母线构成的回路断开，停止放电，并将放电电路（9）与整流电路（7）、预充电电路（10）、直流储能电路（8）的信号反馈给控制电路（11），利用软件进行安全互锁，严禁变频器工作时放电电路工作。当变频器停止工作时，依靠机械装置使真空接触器保持导通状态，进而直流侧正母线、特殊真空接触器（9-1）、小功率耐高压电阻（9.2）、直流侧负母线构成通路进行放电。

在图6中，在变频器主回路上电前，通过控制电路（11）发出信号指令，使漏电闭锁检测电路（14）中的高压接触器（14.1）闭合，使漏电闭锁检测装置LB（14.2）工作，对防爆变频器主回路绝缘进行检测，若绝缘无问题，则允许主回路上电，则逆变电路（12）开始工作，使电机（13）驱动负载做功；若有问题，则报故障至控制电路（11），禁止变频器主回路上电；另外，当防爆变频器上电工作时，通过控制电路（11）使高压接触器（14.1）闭合，使漏电闭锁检测电路（14）与变频器主回路断开，在变频器工作期间，通过软件指令严禁高压接触器（14.1）闭合，保证防爆变频器的正常工作运行。

在图7中，控制电路（11）的两路驱动光信号经过光电转换器（15）得到相对应的电模拟信号，之后经过逻辑互锁电路（17）对其进行相应的逻辑处理，得到1路具有死区特性的互补信号，再经过多路并联信号处理接口电路（19）处理，若单相桥臂需要n个单管开关管并联，则将2路具有死区特性的互补信号扩展为n/2路互补信号，最后将多路并联信号处理接口电路（19）得到的n/2路互补驱动信号通过排线传送给全控型开关元器件（20），驱动变频器主电路开关管的导通与关断。另外，全控型开关元器件（20）的驱动板检测到的故障信号通过多路并联信号处理接口电路（19）反馈到指示显示电路（18），同时，由光电转换器（15）得到的驱动信号也传送给指示显示电路（18），如此指示显示电路（18）既可以显示驱动信号是否正常，又可以显示是否有故障出现，最后指示显示电路（18）输出故障信号给光电转换器（16），将电信号转换为光信号反馈给控制电路（11）。

在图8中，光电转换器（15）输出的电信号首先传送给六反相斯密特触发器（21），对其进行取反处理，然后通过电容充放电电路（22）将互补的信号增加死区时间，最后经过四组两输入端与门电路（23）的处理得到所需的具有死区特性的互补的驱动信号。利用硬件电路确保同相上下桥臂的驱动信号是互补的，避免开关管同时导通而导致的短路隐患。

在图9中，分压限流电阻（24）、发光二极管（25）和稳压二极管（26）构成无源交直流带电显示电路。此电路直接连接在主回路进线交流电源R、S、T（660V/1140V AC）侧和直流母线正、负极（1100V/1900V DC），通过n个电阻R串联分压和稳压电路WY稳压，将稳压后的低压电源提供给LED发光管进行交流三相、直流两相分别独立带电显示，此电路可以持续工作，既使断电后也能指示电源电能衰减的过程，最低可显示200V左右的直流电；同时为保证安全，若显示电路故障，将使电阻烧断变成断路，自动与主回路断开，避免故障扩大。

在图10中，由分压限流电阻（24）和发光二极管（25）构成无源交流带电显示电路，当R、S、T三相通电后，通过分压限流电阻（24）分压限流，使发光二极管（25）正常工作，显示变频器输入进线端带电状态。对于不同的电压等级，只要选择适当的分压电阻即可，具有很好的通用性。

在图11中，由分压限流电阻（24）、发光二极管（25）和稳压二极管（26）构成无源直流带电显示电路，在变频器工作过程中，直流储能电路储集电能，将无源直流带电显示电路直接并联与直流侧正、负极，使其承受储能电路电压，根据不同的电压等级选择不同规格的分压限流电阻（24）、稳压二极管（26）即可满足带电显示功能，当变频器正常工作时，正负极承受满载电压，稳压二极管WY0-WY9平均承受满载电压，发光二极管LED4-LED13导通工作,；当直流储能电压降低至1800V，稳压二极管WY9不满足导通条件，则与之对应的发光二极管LED4不能工作，这样从变频器箱面板上可以看到直流电压降低了；当变频器停止工作后，随着放电过程的进行，直流储能电压一直处于降低状态，那么相对应的稳压二极管（26）逐级关断，进而与之对应的发光二极管（25）也停止工作，如此，在变频器箱前面板上即可观测到变频器直流带电状态。另外，该电路还具有很好的通用性和移植性，针对不同的电压等级，选择与之匹配的稳压二极管（26）型号、数目及发光二极管（25）的数目即可实现带电显示功能。

Claims (9)

1.一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统，其特征是：包括：快开门安全闭锁机构、多重化安全连锁保护电路，所述快开门安全闭锁机构通过转换开关与多重化安全连锁保护电路相连，多重化安全连锁保护电路由充放电安全闭锁电路、漏电闭锁检测电路、多路PWM故障闭锁电路和常规的继电器安全保护电路构成；所述快开门安全闭锁机构，包括：连锁机构（1）、转换开关（2）、卡条（3）、隔爆壳体（4）、左右箱门（5）、操作手柄（6），所述隔爆壳体（4）的左右箱门（5）之间设置有连锁机构（1），连锁机构（1）由左箱门挡块（1.1）、右箱门挡块（1.6）、上齿条（1.2）、下齿条（1.5）、转换开关旋钮（1.3）和导向块（1.4）组成，转换开关旋钮（1.3）的转轴通过导向块（1.4）与转换开关（2）连接，转换开关旋钮（1.3）的转轴端的方轴与上齿条（1.2）、下齿条（1.5）啮合连接，连锁伸出或缩进的上齿条（1.2）、下齿条（1.5）另一端分别与左右箱门（5）上分别固定的左箱门挡块（1.1）、右箱门挡块（1.6）配合位接触；所述隔爆壳体（4）的左右箱门（5）上端分别与门轴上的左右操作手柄（6）相连，左右箱门（5）底端边设置有固定在隔爆壳体（4）上的卡条（3）。

2.根据权利要求1所述的一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统，其特征是：所述充放电安全闭锁电路，包括：放电电路（9）、整流电路（7）、预充电电路（10）、直流侧储能电路（8）、控制电路（11），所述直流侧储能电路（8）第一输入端与整流电路（7）相连，第二输入端与预充电电路（10）相连，直流侧储能电路（8）输出端与放电电路（9）相连；所述放电电路（9）由真空接触器KM（9.1）与小功率耐高压电阻R电连接构成，放电电路的两端直接并联在直流侧正、负极两端；

其中，整流电路（7）的信号端与预充电电路（10）的信号端相连；预充电电路（10）、直流侧储能电路（8）、放电电路（9）的信号端与控制电路（11）相连。

3.根据权利要求1所述的一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统，其特征是：所述漏电闭锁检测电路（14）由高压接触器KM与漏电闭锁检测装置LB电连接构成，高压接触器KM一端与防爆变频器输出端点相连，漏电闭锁检测装置LB一端与大地连接；防爆变频器输出端点为逆变电路与电机的连接点；漏电闭锁检测电路的信号端通过信号线与控制电路相连；控制电路另一信号端通过信号线与逆变电路信号端相连。

4.根据权利要求1所述的一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统，其特征是：所述多路PWM故障闭锁电路，包括：第一上下桥臂光电转换器、第二上下桥臂光电转换器、逻辑互锁电路、指示显示电路、多路并联信号处理接口电路，连接控制电路（11）的第一上下桥臂光电转换器通过逻辑互锁电路与多路并联信号处理接口电路相连，多路并联信号处理接口电路的驱动输出端、信号输入端与全控型开关元件相连；多路并联信号处理接口电路的信号输出端通过指示显示电路、第二上下桥臂光电转换器与控制电路（11）相连；其中，第一上下桥臂光电转换器输出端与指示显示电路相连；

所述逻辑互锁电路，包括：非门电路、电容充放电电路、与门电路，所述非门电路通过电容充放电电路与与门电路电连接；所述非门电路为六反相斯密特触发器，所述与门电路为四组两输入端与门电路。

5.根据权利要求4所述的一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统，其特征是：所述指示显示电路为无源交直流带电显示电路，包括：无源交流带电显示电路、无源直流带电显示电路、PCB板，所述PCB板上的无源交流带电显示电路通过A、B、C电极与三相电源相连，所述PCB板上的无源直流带电显示电路通过正、负电极与直流电源相连；所述无源交流带电显示电路由三组发光电路星形连接，每组发光电路由分压限流电阻与发光二极管串联构成；所述无源直流带电显示电路由分压限流电阻、发光二极管和稳压二极管构成，n个分压限流电阻R一端与直流电源正电极相连，n个分压限流电阻R另一端通过发光二极管与稳压二极管的正极相连；其中，第一稳压二极管至第n稳压二极管为串联连接，第n稳压二极管的负极与直流电源负极相连。

6.采用权利要求1所述一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统的防爆方法，其特征是：其具体步骤如下：

1）、对矿井提升机用四象限防爆变频器多重化安全联锁系统初始化；

2）、对快开门安全闭锁机构运行闭锁的判断，当未闭锁是N，进入故障停止运行；

3）、当快开门安全闭锁是Y，进入充放电安全闭锁判断和漏电检测安全闭锁判断，当未闭锁是N，进入故障停止运行；

4）、当充放电安全闭锁和漏电检测安全闭锁均是Y，进入多路PWM故障闭锁判断，当未闭锁是N，进入故障停止运行；

5）、当多路PWM故障闭锁是Y，进入常规安全保护判断，当未保护是N，进入故障停止运行；

6）、当常规安全保护判断全保是正常的情况下Y，四象限防爆变频器多重化安全联锁系统正常运行；才能送电，一旦有异常，直接进入故障状态并闭锁，保证设备安全；

其中，充放电安全闭锁的方法，是当变频器上电开始工作时，控制电路（11）发出控制信号，依靠电磁作用使真空接触器（9.1）保持断开状态，进而直流侧正母线、接触器、电阻、直流侧负母线构成的回路断开，停止放电，并将放电电路（9）与整流电路（7）、预充电电路（10）、直流侧储能电路（8）的信号反馈给控制电路（11），控制电路进行安全互锁，严禁变频器工作时放电电路工作；当变频器停止工作时，依靠机械装置使真空接触器KM保持导通状态，进而直流侧正母线、真空接触器（9.1）、小功率耐高压电阻（9.2）、直流侧负母线构成放电回路，进行放电；

其中，漏电检测安全闭锁的方法，是在变频器主回路上电前，通过控制回路（11）发出信号指令，使漏电闭锁检测电路中的高压接触器KM（14.1）闭合，使漏电闭锁检测装置LB（14.2）工作，对防爆变频器主回路绝缘进行检测，若绝缘无问题，则允许主回路上电，则逆变电路（12）开始工作，使电机（13）驱动负载做功；若有问题，则报故障至控制回路（11），禁止变频器主回路上电；另外，当防爆变频器上电工作时，通过控制电路（11）使高压接触器（14.1）断开，使漏电闭锁检测电路与变频器主回路断开，在变频器工作期间，通过软件指令严禁高压接触器（14.1）闭合，保证防爆变频器的正常工作运行；

按照保护等级分为一、二、三、四级保护，机械安全闭锁保护设置为一级保护；绝缘检测、充放电闭锁保护设置为二级保护；PWM驱动信号及故障闭锁保护设置为三级保护；常规安全保护设置为四级保护；系统一、二、三级保护均是在主回路断电的情况下进行安全闭锁的，只有四级保护是在主回路通电情况下进行安全保护的，所以在主回路送电前，必须要通过一、二、三级保护检测才能送电，一旦有异常，直接进入故障状态并闭锁。

7.根据权利要求6所述的一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统的防爆方法，其特征是：采用的快开门安全闭锁机构、四象限防爆变频器多重化安全联锁系统的方法，即开关门连锁的方法，是防爆变频器正常工作时，转换开关（2）实现主电路的接通，隔爆壳体（4）的左、右箱门（5）锁紧；

当隔爆壳体（4）的左、右箱门（5）需要打开时，首先转动转换开关旋钮（1.3），通过转换开关（2）实现主电路的电源关闭，同时上齿条（1.2）、下齿条（1.5）缩进；搬动带凸轮的左右操作手柄（6），运动使左右箱门（5）向上移动，脱离卡条（3），再向外旋转左右操作手柄（6），左、右箱门（5）打开；

当没有转动转换开关旋钮（1.3）关闭电源，搬动左右操作手柄（6），则上齿条（1.2）、下齿条（1.5）限制左、右箱门（5）上移，左、右箱门（5）无法开启。

8.根据权利要求6所述的一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统的防爆方法，其特征是，多路驱动信号转接方法，是在上下桥臂PWM驱动信号进行过互锁检测的前提条件下，该多路驱动信号转接电路板通过非门、与门集成芯片构建的硬件逻辑互锁电路，及电容充放电的非线性特性来替代死区特性；其步骤如下：

1）、控制电路（11）的两路驱动光信号经过光电转换器（15）得到相对应的电模拟信号；

2）、再经过逻辑互锁电路（17）对其电模拟信号进行相应的逻辑处理，得到一路具有死区特性的互补信号；

3）、再经过多路并联信号处理接口电路（19）处理，若单相桥臂需要n个单管开关管并联，则将2路具有死区特性的互补信号扩展为n/2路互补信号；

4）、最后将多路并联信号处理接口电路（19）得到的n/2路互补驱动信号通过排线传送给全控型开关元器件（20），驱动变频器主电路开关管的导通与关断；

5）、并且全控型开关元器件（20）的驱动板检测到的故障信号通过多路并联信号处理接口电路（19）反馈到指示显示电路（18），同时，由光电转换器（15）得到的驱动信号也传送给指示显示电路（18），如此指示显示电路（18）既能显示驱动信号是否正常，又能显示是否有故障出现；

6）、最后指示显示电路（18）输出故障信号给光电转换器（16），将电信号转换为光信号反馈给控制电路（11）；

所述光电转换器（15）输出的电信号，首先传送给六反相斯密特触发器（21），对其进行取反处理，然后通过电容充放电电路（22）将互补的信号增加死区时间，最后经过四组两输入端与门电路（23）的处理得到所需的具有死区特性的互补的驱动信号。

9.根据权利要求8所述的一种防爆变频器的多重化安全连锁保护系统的防爆方法，其特征是，无源交直流带电显示方法，其步骤如下：

1）将电路直接连接在主回路进线交流电源R、S、T的660V/1140V AC侧和直流母线正、负极的1100V/1900V DC，通过n个电阻R的分压和稳压电路WY的稳压，将低压电源提供给LED发光管进行交流三相、直流两相分别独立的带电显示；

2）在变频器工作过程中，直流储能电路储集电能，将无源直流带电显示电路直接并联与直流侧正、负极，使其承受储能电路电压；

当变频器正常工作时，正负极承受满载电压，稳压二极管WY0-WY9平均承受满载电压，发光二极管LED13-LED4导通工作；

当直流储能电压降低至1800V，稳压二极管WY9不满足导通条件，则与之对应的发光二极管LED4不能工作，从变频器箱面板上能看到直流电压的降低；

当变频器停止工作断电后，随着放电过程的进行，直流储能电压一直处于降低状态，那么相对应的稳压二极管（26）逐级关断，进而与之对应的发光二极管（25）也停止工作，为此，在变频器箱前面板上也能指示电源电能衰减的过程，观测变频器直流带电状态；同时为保证安全，若显示电路故障，将使电阻烧断变成断路，自动与主回路断开，避免故障扩大；

针对不同的电压等级，选择与之匹配的稳压二极管（26）型号、数目及发光二极管（25）的数目及不同规格的分压限流电阻（24）、稳压二极管（26）即能满足带电显示功能。