礦用一般型大功率不間斷電源的研制

許光磊

（河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063000）

0 引言

隨著礦井自動化開采水平的逐步提高，自動化控制系統(tǒng)對電源的穩(wěn)定性、可靠性要求越來越高，從而將控制系統(tǒng)的不間斷供電，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)和控制的冗余供電提到了首位。目前井下變電所及供電硐室采用的不間斷電源功率小，供電電源質(zhì)量不高，非標(biāo)準(zhǔn)正弦波供電，且持續(xù)時間短，甚至事故供電狀態(tài)下很難確保給繼電保護(hù)裝置供電，造成控制系統(tǒng)不能可靠地控制設(shè)備存儲、傳輸事故狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)。不能滿足目前井下控制系統(tǒng)安全的需要。備用控制電源作為主配電室控制設(shè)備的重要組成部分，受到煤礦井下環(huán)境潮濕，設(shè)備啟動/停止短時電流大的問題。以前采用的高頻小功率不間斷電源已不適應(yīng)現(xiàn)代煤礦井下配電室的應(yīng)用。采用新方法、新工藝和新設(shè)備的大功率不間斷電源，保障安全供電提高經(jīng)濟(jì)效益是亟待解決的問題。

煤礦井下主配電室要求備用控制電源帶電時間長，主電源故障時能夠為控制電源提供無縫連接。本著上述要求，研發(fā)了礦用一般型大功率不間斷電源，解決了帶電功率小、在控制負(fù)荷大時對控制備用電源沖擊大、電池老化快的難題。

1 設(shè)計方案

本系統(tǒng)采用16節(jié)16-64AH的鋰電電池，電池容量大不易腐蝕，采用數(shù)字化電池巡檢系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測電池的工作狀態(tài)，采用數(shù)字化不間斷電源帶輸出控制變壓器，供控制220V與應(yīng)急照明127V電源。采用觸摸屏，實(shí)時顯示工作狀態(tài)，采用以太網(wǎng)通訊，將參數(shù)可上傳至井上中央控制室，如圖1所示。

圖1 一般型大功率不間斷電源方案圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該礦用一般型大功率不間斷電源結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要結(jié)構(gòu)包括：殼體和電器兩部分。殼體構(gòu)件按照作用分為：封板、儀表門、電池托板、電纜固定組件等；電器包括不間斷電源、觸摸屏、電池、電池巡檢、傳感器、斷路器和指示燈及按鈕等。殼體及儀表面板采用覆鋁鋅板折彎螺栓連接，緊固可靠。采用的電器均符合國家煤礦一般型的器件，防護(hù)等級高，安全可靠。

圖2 礦用一般型大功率不間斷電源結(jié)構(gòu)圖

3 工作流程

礦用大功率不間斷電源的工作流程如圖3所示。

結(jié)合煤礦井下主配電室供電單母線分段兩路高壓進(jìn)線特點(diǎn)，本裝置采用兩路控制電源220V交流電壓供電，經(jīng)雙電源連接不間斷電源濾波裝置。當(dāng)電壓正常220V AC時，直流主回路有直流電壓，供給DC-AC交流逆變器，輸出穩(wěn)定的220V AC交流電壓，同時市電對電流充電。當(dāng)任何時候電源欠壓或突然掉電，則由電池組通過隔離二極管開關(guān)向直流回路饋送電能。從電網(wǎng)供電到電池供電沒有切換時間。當(dāng)電池能量即將耗盡時，不間斷電源發(fā)出聲光報警，并在電池放電下限點(diǎn)停止逆變器工作，長鳴告警。不間斷電源還有過載保護(hù)功能，當(dāng)發(fā)生超載（150%負(fù)載）時，跳到旁路狀態(tài)，并在負(fù)載正常時自動返回。輸出電壓除220V AC給井下控制電源外，還有127V AC輸出，為井下應(yīng)急照明供電。為煤礦地下設(shè)備提供了可靠電源保障。避免了傳統(tǒng)模擬控制所固有的硬件參數(shù)穩(wěn)定漂移等缺陷，保障了不間斷電源的一致性和可靠性，容量從4KVA到20KVA，型號與參數(shù)如表1所示。

4 控制程序及觸摸屏畫面

本裝置觸摸屏通過RS485接口與不間斷電源和電池巡檢系統(tǒng)連接。采用Modubs-RTU協(xié)議采用宏程序采集不間斷電源的電壓數(shù)據(jù)，電流數(shù)據(jù)和工作溫度數(shù)據(jù)。采集電池的電壓數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)及電池的內(nèi)阻數(shù)據(jù)。

4.1 觸摸屏與不間斷電源通訊宏程序

// Read Holding Registers

macro_commandmain()

char command[8], response[48]

char datac[8]

float data[6],V_127

intdatai[10],a[10],i

bool datab[8],return_valueb

short return_value

command[0] = 0x51

command[1] = 0x31

command[2] = 0x0d // 狀態(tài)查詢命令碼

OUTPORT(command[0], "不間斷電源", 3)// send command

INPORT(response[0], "不間斷電源", 47, return_value)// read response

//(MMM.M NNN.N PPP.P QQQ RR.R S.SS TT.T 76543210

//012345678901234567890123456789012345678901 2345

GETBIT(return_value, return_valueb, 0)

if return_valueb then

ASCII2FLOAT(response[1], data[0], 5)

ASCII2FLOAT(response[7], data[1], 5)

ASCII2FLOAT(response[13], data[2], 5)

ASCII2DEC(response[19], datai[0], 3)

ASCII2FLOAT(response[23], data[3], 4)

ASCII2FLOAT(response[28], data[4], 4)

ASCII2FLOAT(response[33], data[5], 4)

ASCII2DEC(response[45], datai[8], 1)//0

SetData(data[0], "HMI", LW, 100, 6)

SetData(datai[0], "HMI", LW, 112, 1)

if datai[8]==1 then

datab[6]=0

end if

if datai[1]==1 then

datab[7]=1

else

datab[7]=0

end if

V_127=data[2]/1.732

//i=i+1

//SetData(i, "HMI", LW, 198, 1)

//SetData(a[0], "HMI", LW, 200, 10)

SetData(return_valueb, "HMI", LB, 108, 1)// return_value == 0 -> error

end macro_command

4.2 觸摸屏與電池巡檢宏程序

macro_commandmain()

char command[10], response[260]

char checksum

float data[16],high_V,low_V,sum_V,ping_V[3]

bool return_valueb,V_b[32]

short return_value,read_data[16],n,n3,n4,a,bbb[16]

GetData(high_V, "HMI", RW, 100, 1)

GetData(low_V, "HMI", RW, 102, 1)

sum_V=0

ping_V[1]=0

ping_V[2]=1000

OUTPORT(command[0], "BATTERY", 9)// send command

INPORT(response[0], "BATTERY", 251, return_value)// read response

response[1]=0xff

GETBIT(return_value, return_valueb, 0)

SetData(response[0], "HMI", LW, 300, 50)

GetData(bbb[0], "HMI", LW, 305, 16)

if return_valueb then

for n=0 to 7

next

ping_V[0]=sum_V/16

SetData(data[0], "HMI", LW, 120, 16)

SetData(sum_V, "HMI", LW, 114, 1)

SetData(ping_V[0], "HMI", LW, 152, 3)

SetData(V_b[0], "HMI", LB, 120, 32)

end if

SetData(return_valueb, "HMI", LB, 109, 1)// return_value == 0 -> error

ASYNC_TRIG_MACRO(3)

end macro_command

4.3 觸摸屏基本畫面

設(shè)備操作簡單，在觸摸屏點(diǎn)擊相應(yīng)的命令即可，觸摸屏的開機(jī)畫面如圖4所示，在此畫面可查看電源的狀態(tài)、電池的狀態(tài)、參數(shù)狀態(tài)和查看報警信息。不間斷電源電壓、溫度畫面如圖5所示，在此畫面可查看不間斷電源的電壓、頻率、設(shè)備溫度、電池總電壓及輸出電壓的數(shù)值。不間斷電源工作狀態(tài)畫面如圖6所示，在此畫面可查看各種狀態(tài)信息。電池數(shù)據(jù)畫面如圖7所示，在該畫面顯示16節(jié)電池電壓及溫度數(shù)值及最高、最低及平均電壓值。參數(shù)設(shè)置畫面如圖8所示，在該畫面可設(shè)置電池、溫度的保護(hù)值等。

圖4 觸摸屏開機(jī)畫面

圖5 不間斷電源電壓、溫度畫面

圖6 不間斷電源工作狀態(tài)畫面

圖7 電池數(shù)據(jù)畫面

圖8 參數(shù)設(shè)置畫面

5 結(jié)語

經(jīng)現(xiàn)場使用跟蹤監(jiān)測，所設(shè)計的礦用一般型大功率不間斷電源裝置具有帶電時間長、電網(wǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)、在井下環(huán)境不易腐蝕、數(shù)據(jù)采集實(shí)時性的功能，實(shí)現(xiàn)了煤礦主配電室備用電源自動化的功能，達(dá)到了煤礦對井下中央配電室備用電源要求，滿足煤礦井下主配電室控制及應(yīng)急照明用電要求。推廣使用后帶來了較高經(jīng)濟(jì)和社會效益。