煤礦局部通風機應急供電電源系統的研究

顏明仁

（大同煤礦集團華盛萬杰煤業有限公司， 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路[1]。這種情況下如果只是依靠位于地面的通風機，尚無法滿足實際使用需要。很難有效將礦井內部包含的各種有毒、有害氣體及時排除[2]。為了保證巷道工作面安全，需要專門設置局部通風機。通過局部通風機可以給工作面巷道連續不斷輸入新鮮空氣，使巷道內部的空氣質量滿足相關的規范標準。可以看出，局部通風機系統運行過程中的可靠性和穩定性，對于煤礦工作面巷道安全有著重要作用[3-4]。如果局部通風機由于各方面原因突然停機無法正常運轉，巷道內部的有毒、有害氣體就會對工作人員造成身體上的傷害，嚴重時甚至可能引發瓦斯爆炸等重大安全事故[5]。可見供電系統穩定是確保局部通風機系統穩定運行的關鍵所在[6]。

1 應急供電電源系統工作流程

應急供電電源系統主要是對掘進工作面主局部通風機進行供電。主局部通風機通常會設置專用的供電線路，當通風機正常供電時，應急供電電源系統就會存在充電備用狀態。一旦專用供電線路出現故障問題，就可以將其切換到應急供電系統進行供電，實現通風機系統的不間斷運行，保障井下工作安全。如圖1 所示為應急供電電源系統工作策略流程圖。

2 應急供電電源系統的總體結構

2.1 系統總體結構

圖1 應急供電電源系統工作策略流程圖

圖2 應急供電電源系統的總體結構框圖

應急供電電源系統總共有兩種工作狀態，其一為充電備用狀態，其二為應急供電狀態。如圖2 所示為應急供電電源系統的總體結構框圖。蓄電池組是整個應急供電電源系統的核心，系統選用的蓄電池組能夠持續為主通風機供電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 變流器將直流電轉變成為交流電為電機供電。而在充電備用狀態下，需要通過AC/DC 直流器將交流電轉變成為直流電為蓄電池組充電。本系統中使用PWM變流器實現上述兩個功能。PWM 變流器和雙向DC/DC 共同構成了功率變換系統PCS。

2.2 系統基本工作過程

應急供電電源有直流側和交流側之分，其中直流側與蓄電池組進行連接，而交流側則與外部供電線路進行連接。系統的工作過程可以概述如下：當主供電線路無故障時，外部電網給蓄電池組進行充電，PWM 變流器的作用是確保為蓄電池組充電的直流電壓穩定。當主供電線路出現故障，需要應急供電電源系統為通風機供電時，PWM變流器的作用正好相反，需要確保輸出交流電的穩定性，保證三相交流電能滿足通風機電動機的使用要求。

3 應急供電狀態時的控制策略

3.1 應急供電主電路

在正式啟用應急供電電源系統時，首先需要通過控制器將專用總饋電開關關閉，避免應急供電電源系統向外部供電線路反向送電。如圖3 所示為應急供電主電路。圖中Zm 表示通風機的等效阻感負載。在應急供電狀態下，PWM變流器需要將電池組的直流電轉變成為50 Hz、380 V 的交流電為通風機電機供電。為了確保供電過程的穩定，需要對電池組的放電過程進行控制。

圖3 應急供電主電路

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，輸出電流處于持續增大的趨勢。通風機在啟動瞬間，提供的電流需要達到額定電流的2-3 倍才能夠正常啟動，要求蓄電池組能夠在短時間內輸出很大的電流。當通風機運行正常時，則蓄電池組以恒功率進行供電，輸出功率就是通風機的正常運行功率。在實際中，蓄電池組的恒流供電模式應用最為廣泛，恒流的大小同樣由負載決定。

3.3 雙向DC/DC 變換器控制策略

當蓄電池組以恒壓模式進行供電時，需要根據負載功率調整輸出電流值。為了達到該目的，需要設置電壓互感器對電路中的電壓值進行實時檢測，將檢測得到的電壓值與系統設定的380 V 進行比較分析。如果電路中的電壓值正好為380 V 則不需要對輸出電壓進行調整。當檢測發現電路中的電壓值低于380 V，則雙向DC/DC 變換器根據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，則需要根據實際情況降低輸出電壓。

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

4 充電備用狀態的控制策略

4.1 PWM整流器運行控制

當應急供電電源系統處于充電狀態時，PWM整流器的作用就是將外部電路的交流電轉變成為直流電對蓄電池組進行供電。如圖4 所示為PWM 整流器控制策略示意圖。本系統中通過雙閉環控制方法對PWM整流器進行控制，控制目標是確保從整流器中輸出的直流電壓穩定。將整流器的輸出電壓作為反饋信號，將其與系統設定的值進行對比。如果兩者之間存在差值，控制系統就會作出調整，確保輸出電壓的穩定。

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

本系統對蓄電池組進行充電時通過三段式進行控制，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完成充電過程。當充電過程達到一定程度后，通過恒壓模式對蓄電池組進行充電，在該階段充電電流值會逐漸降低。當蓄電池組充電達到100%后，進入第三階段，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到滿電的狀態。

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行反饋。在對蓄電池組進行恒流充電前，系統需要檢測蓄電池組的電壓大小，當蓄電池組的輸出電壓低于系統設定的閾值295 V 時，則開始恒流充電，以達到快充的目的。在這個階段充電電壓值會不斷增加。當以恒流模式對蓄電池組進行充電，使蓄電池組容量達到80%～90%時，系統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。

5 結論

在高瓦斯礦井中，通風機在維系礦井安全方面的作用是不言而喻的。通風機供電系統的穩定運行是影響通風機系統可靠性的重要因素。礦用通風機應急供電電源系統是對當前階段常用的局部通風機供電系統的有效補充，能在緊急狀態下對通風機進行供電，確保通風系統持續運行，為高瓦斯煤礦的安全保駕護航。