煤礦局部通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電電源系統(tǒng)的研究

顏明仁

（大同煤礦集團(tuán)華盛萬杰煤業(yè)有限公司， 山西 河津 043300）

引言

在煤礦開采前期，因為整個巷道還沒有完全打通，無法形成一個完整的風(fēng)路[1]。這種情況下如果只是依靠位于地面的通風(fēng)機(jī)，尚無法滿足實際使用需要。很難有效將礦井內(nèi)部包含的各種有毒、有害氣體及時排除[2]。為了保證巷道工作面安全，需要專門設(shè)置局部通風(fēng)機(jī)。通過局部通風(fēng)機(jī)可以給工作面巷道連續(xù)不斷輸入新鮮空氣，使巷道內(nèi)部的空氣質(zhì)量滿足相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)?？梢钥闯觯植客L(fēng)機(jī)系統(tǒng)運行過程中的可靠性和穩(wěn)定性，對于煤礦工作面巷道安全有著重要作用[3-4]。如果局部通風(fēng)機(jī)由于各方面原因突然停機(jī)無法正常運轉(zhuǎn)，巷道內(nèi)部的有毒、有害氣體就會對工作人員造成身體上的傷害，嚴(yán)重時甚至可能引發(fā)瓦斯爆炸等重大安全事故[5]?？梢姽╇娤到y(tǒng)穩(wěn)定是確保局部通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵所在[6]。

1 應(yīng)急供電電源系統(tǒng)工作流程

應(yīng)急供電電源系統(tǒng)主要是對掘進(jìn)工作面主局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行供電。主局部通風(fēng)機(jī)通常會設(shè)置專用的供電線路，當(dāng)通風(fēng)機(jī)正常供電時，應(yīng)急供電電源系統(tǒng)就會存在充電備用狀態(tài)。一旦專用供電線路出現(xiàn)故障問題，就可以將其切換到應(yīng)急供電系統(tǒng)進(jìn)行供電，實現(xiàn)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的不間斷運行，保障井下工作安全。如圖1 所示為應(yīng)急供電電源系統(tǒng)工作策略流程圖。

2 應(yīng)急供電電源系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1 應(yīng)急供電電源系統(tǒng)工作策略流程圖

圖2 應(yīng)急供電電源系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

應(yīng)急供電電源系統(tǒng)總共有兩種工作狀態(tài)，其一為充電備用狀態(tài)，其二為應(yīng)急供電狀態(tài)。如圖2 所示為應(yīng)急供電電源系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。蓄電池組是整個應(yīng)急供電電源系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)選用的蓄電池組能夠持續(xù)為主通風(fēng)機(jī)供電0.5 h 以上。使用的蓄電池組只能提供直流電流，所以還需要配備DC/AC 變流器將直流電轉(zhuǎn)變成為交流電為電機(jī)供電。而在充電備用狀態(tài)下，需要通過AC/DC 直流器將交流電轉(zhuǎn)變成為直流電為蓄電池組充電。本系統(tǒng)中使用PWM變流器實現(xiàn)上述兩個功能。PWM 變流器和雙向DC/DC 共同構(gòu)成了功率變換系統(tǒng)PCS。

2.2 系統(tǒng)基本工作過程

應(yīng)急供電電源有直流側(cè)和交流側(cè)之分，其中直流側(cè)與蓄電池組進(jìn)行連接，而交流側(cè)則與外部供電線路進(jìn)行連接。系統(tǒng)的工作過程可以概述如下：當(dāng)主供電線路無故障時，外部電網(wǎng)給蓄電池組進(jìn)行充電，PWM 變流器的作用是確保為蓄電池組充電的直流電壓穩(wěn)定。當(dāng)主供電線路出現(xiàn)故障，需要應(yīng)急供電電源系統(tǒng)為通風(fēng)機(jī)供電時，PWM變流器的作用正好相反，需要確保輸出交流電的穩(wěn)定性，保證三相交流電能滿足通風(fēng)機(jī)電動機(jī)的使用要求。

3 應(yīng)急供電狀態(tài)時的控制策略

3.1 應(yīng)急供電主電路

在正式啟用應(yīng)急供電電源系統(tǒng)時，首先需要通過控制器將專用總饋電開關(guān)關(guān)閉，避免應(yīng)急供電電源系統(tǒng)向外部供電線路反向送電。如圖3 所示為應(yīng)急供電主電路。圖中Zm 表示通風(fēng)機(jī)的等效阻感負(fù)載。在應(yīng)急供電狀態(tài)下，PWM變流器需要將電池組的直流電轉(zhuǎn)變成為50 Hz、380 V 的交流電為通風(fēng)機(jī)電機(jī)供電。為了確保供電過程的穩(wěn)定，需要對電池組的放電過程進(jìn)行控制。

圖3 應(yīng)急供電主電路

3.2 電池組的放電過程

恒流供電、恒壓供電和恒功率供電是蓄電池組的三種常用的放電方式。剛開始放電時通常采用的是恒壓供電模式，輸出電流處于持續(xù)增大的趨勢。通風(fēng)機(jī)在啟動瞬間，提供的電流需要達(dá)到額定電流的2-3 倍才能夠正常啟動，要求蓄電池組能夠在短時間內(nèi)輸出很大的電流。當(dāng)通風(fēng)機(jī)運行正常時，則蓄電池組以恒功率進(jìn)行供電，輸出功率就是通風(fēng)機(jī)的正常運行功率。在實際中，蓄電池組的恒流供電模式應(yīng)用最為廣泛，恒流的大小同樣由負(fù)載決定。

3.3 雙向DC/DC 變換器控制策略

當(dāng)蓄電池組以恒壓模式進(jìn)行供電時，需要根據(jù)負(fù)載功率調(diào)整輸出電流值。為了達(dá)到該目的，需要設(shè)置電壓互感器對電路中的電壓值進(jìn)行實時檢測，將檢測得到的電壓值與系統(tǒng)設(shè)定的380 V 進(jìn)行比較分析。如果電路中的電壓值正好為380 V 則不需要對輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)檢測發(fā)現(xiàn)電路中的電壓值低于380 V，則雙向DC/DC 變換器根據(jù)實際值與理想值之間的差值提升輸出電壓，使之逐漸趨近于380 V。相反的，如果實際值超過了理想值，則需要根據(jù)實際情況降低輸出電壓。

當(dāng)蓄電池組以恒流模式進(jìn)行供電時，整個控制策略與恒壓供電模式基本相同，這里不再贅述。

4 充電備用狀態(tài)的控制策略

4.1 PWM整流器運行控制

當(dāng)應(yīng)急供電電源系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時，PWM整流器的作用就是將外部電路的交流電轉(zhuǎn)變成為直流電對蓄電池組進(jìn)行供電。如圖4 所示為PWM 整流器控制策略示意圖。本系統(tǒng)中通過雙閉環(huán)控制方法對PWM整流器進(jìn)行控制，控制目標(biāo)是確保從整流器中輸出的直流電壓穩(wěn)定。將整流器的輸出電壓作為反饋信號，將其與系統(tǒng)設(shè)定的值進(jìn)行對比。如果兩者之間存在差值，控制系統(tǒng)就會作出調(diào)整，確保輸出電壓的穩(wěn)定。

4.2 蓄電池組安全充電控制策略

圖4 PWM 整流器控制策略示意圖

本系統(tǒng)對蓄電池組進(jìn)行充電時通過三段式進(jìn)行控制，即將整個蓄電池組的充電過程劃分成為三個階段（見圖5）。在剛開始充電階段通過恒流模式進(jìn)行充電，此時的充電電流值相對較大，能夠確保蓄電池組在最短的時間內(nèi)完成充電過程。當(dāng)充電過程達(dá)到一定程度后，通過恒壓模式對蓄電池組進(jìn)行充電，在該階段充電電流值會逐漸降低。當(dāng)蓄電池組充電達(dá)到100%后，進(jìn)入第三階段，為浮充階段。此階段的充電電流值非常小，目的在于確保蓄電池組始終達(dá)到滿電的狀態(tài)。

圖5 蓄電池組充電過程的三個階段

不同階段之間的切換控制通過充電過程中的電壓值或電流值進(jìn)行反饋。在對蓄電池組進(jìn)行恒流充電前，系統(tǒng)需要檢測蓄電池組的電壓大小，當(dāng)蓄電池組的輸出電壓低于系統(tǒng)設(shè)定的閾值295 V 時，則開始恒流充電，以達(dá)到快充的目的。在這個階段充電電壓值會不斷增加。當(dāng)以恒流模式對蓄電池組進(jìn)行充電，使蓄電池組容量達(dá)到80%～90%時，系統(tǒng)會將充電過程切換到恒壓模式。在恒壓模式下，充電電壓保持恒定，充電電流值逐漸降低。當(dāng)充電電流值降低到0.05C 時（其中C 表示蓄電池組的額定容量），充電過程切換到浮充模式。在浮充階段，充電電流非常小，但是可以將蓄電池組的容量始終維持在100%狀態(tài)。

5 結(jié)論

在高瓦斯礦井中，通風(fēng)機(jī)在維系礦井安全方面的作用是不言而喻的。通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是影響通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)可靠性的重要因素。礦用通風(fēng)機(jī)應(yīng)急供電電源系統(tǒng)是對當(dāng)前階段常用的局部通風(fēng)機(jī)供電系統(tǒng)的有效補充，能在緊急狀態(tài)下對通風(fēng)機(jī)進(jìn)行供電，確保通風(fēng)系統(tǒng)持續(xù)運行，為高瓦斯煤礦的安全保駕護(hù)航。