礦用通風(fēng)機(jī)不間斷電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

曹 龍

（山西潞安集團(tuán)蒲縣黑龍煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041204）

引言

煤礦井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，通風(fēng)機(jī)是保證礦井環(huán)境安全的重要機(jī)械設(shè)備[1]。為盡可能提升其運(yùn)行可靠性，目前對(duì)通風(fēng)機(jī)實(shí)行冗余供電[2-3]。所謂冗余供電指的是同時(shí)有多套供電線路對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行供電，其中一套為主供電線路，其他供電線路為備用供電線路。通過(guò)冗余供電能有效避免由于供電系統(tǒng)突發(fā)故障導(dǎo)致的通風(fēng)機(jī)停機(jī)問(wèn)題，從而避免由于通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行導(dǎo)致的礦井內(nèi)部空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)問(wèn)題[4-5]。基于此，設(shè)計(jì)一套能夠可靠穩(wěn)定運(yùn)行的不間斷本地備用電源對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行供電顯得非常重要。

1 不間斷電源系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)主要組成

不間斷電源系統(tǒng)有很多種形式，每種形式都有其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。在所有的結(jié)構(gòu)形式中，三相輸入單相輸出在線式不間斷電源（UPS）系統(tǒng)具備良好的優(yōu)勢(shì)，比如輸入穩(wěn)定平衡、對(duì)整個(gè)電網(wǎng)影響相對(duì)較小、良好的供電品質(zhì)等，因此得到了比較廣泛的應(yīng)用。鑒于UPS 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，本文基于該系統(tǒng)建立礦用通風(fēng)機(jī)的供電系統(tǒng)。UPS 共有五大部分構(gòu)成，分別為整流器、逆變器、充電器和儲(chǔ)能裝置，如圖1 所示為不間斷電源系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。

整流器的作用是為逆變器提供直流電源，為逆變器的穩(wěn)定工作提供電力供應(yīng)。選用的逆變器必須能夠?qū)敵龅碾妷汉碗娏髦颠M(jìn)行精準(zhǔn)控制，確保輸出的電壓和電流值滿足實(shí)際需要。當(dāng)前階段，UPS 系統(tǒng)的整流部分主要有三種結(jié)構(gòu)形式：第一，通過(guò)晶閘管相控達(dá)到整流的目的；第二，通過(guò)二極管布控加上DCDC 電路進(jìn)行整流，這種形式的基本原理是優(yōu)化輸入功率因數(shù)和自流電壓；第三，全控開關(guān)器件PWM整流器。第一種形式的整流結(jié)構(gòu)具備較好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛，因此本文采用第一種結(jié)構(gòu)形式的整流器。

圖1 不間斷電源系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

UPS 系統(tǒng)的根本目的在于向外界提供穩(wěn)定的交流電能，確保機(jī)電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。UPS 系統(tǒng)中逆變器是最核心的部分，通過(guò)逆變器的應(yīng)用可以提升系統(tǒng)輸出電壓的質(zhì)量，使輸出電能的電壓值和頻率值維持穩(wěn)定。所以，在設(shè)計(jì)逆變器電路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)時(shí)必須將輸出電能的電壓、頻率恒定性作為最核心的目標(biāo)。

除上述結(jié)構(gòu)外，UPS 系統(tǒng)還包含多個(gè)部分，比如充電電路、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。這些同樣是系統(tǒng)不可或缺的重要構(gòu)成部分，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性造成不良影響。因此，必須保證所有結(jié)構(gòu)的運(yùn)行可靠性。

1.2 系統(tǒng)主要功能

本文設(shè)計(jì)的礦用通風(fēng)機(jī)不間斷電源系統(tǒng)具有強(qiáng)大的功能，可以概述為當(dāng)外部輸入電路正常時(shí)，外部電能經(jīng)過(guò)整流器和逆變器后直接為煤礦通風(fēng)機(jī)進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的正常工作。當(dāng)外部輸入電路出現(xiàn)突發(fā)故障，無(wú)法提供穩(wěn)定的電能時(shí)，系統(tǒng)可以對(duì)電路進(jìn)行自動(dòng)切換，由原本的外部交流電能經(jīng)過(guò)整流器后輸入給逆變器，轉(zhuǎn)換成為通過(guò)蓄電池組將直流電流輸入給逆變器，以此保證煤礦通風(fēng)機(jī)的不間斷運(yùn)行。另外，系統(tǒng)還會(huì)對(duì)蓄電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)蓄電池組的儲(chǔ)電量以及使用壽命情況。如果系統(tǒng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)蓄電池組電量不足，系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電，如果發(fā)現(xiàn)蓄電池組的使用壽命存在缺陷，則需要對(duì)蓄電池進(jìn)行及時(shí)更換。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的礦用通風(fēng)機(jī)不間斷電源系統(tǒng)包含的硬件主要有五大部分，分別為蓄電池組作為儲(chǔ)能裝置、逆變器、可編程邏輯控制器PLC、經(jīng)閘管模塊整流器、電壓和電流傳感器。如圖2 所示為不間斷電源系統(tǒng)的硬件構(gòu)成結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 不間斷電源系統(tǒng)的硬件構(gòu)成結(jié)構(gòu)框圖

以下分別針對(duì)5 個(gè)硬件部分的主要功能進(jìn)行簡(jiǎn)要概述：

1）晶閘管模塊。針對(duì)外部輸入的三相交流電能進(jìn)行整流處理，一方面要將電能輸入給逆變器，另一方面還要將電能輸入到蓄電池組中進(jìn)行充電。本系統(tǒng)中選用MJYS-ZL-55 型號(hào)的晶閘管智能模塊，可以輸出的電流值和電壓值分別可以達(dá)到55 A 和450 V。

2）電壓傳感器和電流傳感器。本系統(tǒng)中的蓄電池組時(shí)刻處于充電狀態(tài)，傳感器的作用是對(duì)蓄電池組的充電電流和電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后輸送到PLC 控制器中，由PLC 控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。本系統(tǒng)中使用的是CHV-25P/30型號(hào)的電壓傳感器，額定輸入電壓為30 V，可以對(duì)交流電壓進(jìn)行有效檢測(cè)，輸出信號(hào)為0～5 V，測(cè)量響應(yīng)時(shí)間為30 μs，精度可以達(dá)到1%。本系統(tǒng)中采用的電流傳感器型號(hào)為CHB-25NP/SP7/5V，額定電流為25 A，蓄電池組在充電過(guò)程中電流值一般不會(huì)超過(guò)25 A，所以本電流傳感器完全能夠滿足實(shí)際需要。輸出的信號(hào)范圍為0～5 V，測(cè)量響應(yīng)時(shí)間為8 μs，測(cè)量精度可以達(dá)到0.8%。

3）可編程序控制器PLC。PLC 是控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)PLC 可以對(duì)外部輸入電路進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否存在故障問(wèn)題，如果檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題那么系統(tǒng)就自動(dòng)將供電電路切換到蓄電池組中，通過(guò)蓄電池組對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行供電，保障通風(fēng)機(jī)的正常工作。另外，通過(guò)電流傳感器和電壓傳感器收集得到的數(shù)據(jù)信息，同樣會(huì)輸入到PLC 中進(jìn)行分析和處理，以判斷充電電壓和電流處在何種狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制指令，優(yōu)化蓄電池組的充電狀態(tài)。本系統(tǒng)中選用的可編程邏輯控制器PLC 型號(hào)為S7-200，由西門子公司生產(chǎn)。

4）逆變器。不管是外部供電電路還是蓄電池組供電電路，都需要將電能輸入到逆變器中進(jìn)行處理。逆變器的輸出為交流電，電壓值和頻率都具有較高的穩(wěn)定性，通過(guò)提升電能的質(zhì)量和品質(zhì)為礦用通風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5）蓄電池組儲(chǔ)能裝置。在外部電路沒(méi)有出現(xiàn)故障時(shí)，蓄電池組會(huì)一直處于充電狀態(tài)，作為待用電源。一旦外部電路出現(xiàn)故障問(wèn)題，無(wú)法提供穩(wěn)定電能時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)切換到蓄電池組對(duì)礦用通風(fēng)機(jī)進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的不間斷運(yùn)行。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)V4.0 STEP 7 MicroWIN SP4 編程軟件對(duì)可編程邏輯控制器PLC 進(jìn)行編程。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的軟件有主程序以及對(duì)應(yīng)的多個(gè)子程序構(gòu)成。如圖3 所示為系統(tǒng)軟件的主程序流程圖。主程序開始運(yùn)行后，對(duì)初始化子程序進(jìn)行調(diào)用，對(duì)軟件中各個(gè)變量賦予初始值，將計(jì)時(shí)器進(jìn)行復(fù)位處理。調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序，利用傳感器對(duì)蓄電池組的充電電壓和電流進(jìn)行采集。對(duì)恒流充電子程序進(jìn)行調(diào)用，使系統(tǒng)進(jìn)入恒流充電階段。恒流充電子程序開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)首先會(huì)判定充電電壓是否超過(guò)了設(shè)定的閾值，如果已經(jīng)超過(guò)，則恒流充電過(guò)程結(jié)束，如果沒(méi)有超過(guò)，則進(jìn)一步判斷充電電流是否超過(guò)了設(shè)定的最大限度值。如果已經(jīng)超過(guò)了設(shè)計(jì)的最大限度，那么系統(tǒng)就會(huì)對(duì)電流進(jìn)行控制，使其降低，直到恒流充電過(guò)程結(jié)束。如果系統(tǒng)判定充電電流沒(méi)有超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的最大限度值，那么還需要再檢測(cè)其是否小于最小限度值。如果小于最小限度值，通過(guò)系統(tǒng)控制提升充電電流值，使其在合理范圍內(nèi)。結(jié)束恒流充電后，再次調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序，對(duì)充電電流和充電電壓進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)充電電壓沒(méi)有超過(guò)設(shè)定的閾值，則再次調(diào)用恒流充電子程序，進(jìn)入恒流充電階段。如果充電電壓已經(jīng)超過(guò)了設(shè)定的閾值，則系統(tǒng)調(diào)用恒壓充電子程序，開始進(jìn)行浮充。在浮充階段，系統(tǒng)會(huì)不斷地調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序，對(duì)充電電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)，直到充電電流小于設(shè)定的最小電流值，整個(gè)充電過(guò)程結(jié)束。

圖3 系統(tǒng)軟件的主程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

礦用通風(fēng)機(jī)是保障礦井安全的重要設(shè)備，其能否安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)礦井安全有直接影響。供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性是保障通風(fēng)機(jī)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提。本文設(shè)計(jì)研究的一套礦用通風(fēng)機(jī)不間斷電源系統(tǒng)，在正常情況下通過(guò)外部交流電路進(jìn)行供電。如果外部電路出現(xiàn)故障無(wú)法正常供電時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)立即切換到蓄電池組進(jìn)行直流供電。系統(tǒng)能夠自動(dòng)對(duì)蓄電池組的充電狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，確保蓄電池組時(shí)刻處于電量飽滿的狀態(tài)，確保供電的可靠性。