煤矿局部通风机应急供电电源系统的研究

颜明仁

（大同煤矿集团华盛万杰煤业有限公司， 山西 河津 043300）

引言

在煤矿开采前期，因为整个巷道还没有完全打通，无法形成一个完整的风路[1]。这种情况下如果只是依靠位于地面的通风机，尚无法满足实际使用需要。很难有效将矿井内部包含的各种有毒、有害气体及时排除[2]。为了保证巷道工作面安全，需要专门设置局部通风机。通过局部通风机可以给工作面巷道连续不断输入新鲜空气，使巷道内部的空气质量满足相关的规范标准。可以看出，局部通风机系统运行过程中的可靠性和稳定性，对于煤矿工作面巷道安全有着重要作用[3-4]。如果局部通风机由于各方面原因突然停机无法正常运转，巷道内部的有毒、有害气体就会对工作人员造成身体上的伤害，严重时甚至可能引发瓦斯爆炸等重大安全事故[5]。可见供电系统稳定是确保局部通风机系统稳定运行的关键所在[6]。

1 应急供电电源系统工作流程

应急供电电源系统主要是对掘进工作面主局部通风机进行供电。主局部通风机通常会设置专用的供电线路，当通风机正常供电时，应急供电电源系统就会存在充电备用状态。一旦专用供电线路出现故障问题，就可以将其切换到应急供电系统进行供电，实现通风机系统的不间断运行，保障井下工作安全。如图1 所示为应急供电电源系统工作策略流程图。

2 应急供电电源系统的总体结构

2.1 系统总体结构

图1 应急供电电源系统工作策略流程图

图2 应急供电电源系统的总体结构框图

应急供电电源系统总共有两种工作状态，其一为充电备用状态，其二为应急供电状态。如图2 所示为应急供电电源系统的总体结构框图。蓄电池组是整个应急供电电源系统的核心，系统选用的蓄电池组能够持续为主通风机供电0.5 h 以上。使用的蓄电池组只能提供直流电流，所以还需要配备DC/AC 变流器将直流电转变成为交流电为电机供电。而在充电备用状态下，需要通过AC/DC 直流器将交流电转变成为直流电为蓄电池组充电。本系统中使用PWM变流器实现上述两个功能。PWM 变流器和双向DC/DC 共同构成了功率变换系统PCS。

2.2 系统基本工作过程

应急供电电源有直流侧和交流侧之分，其中直流侧与蓄电池组进行连接，而交流侧则与外部供电线路进行连接。系统的工作过程可以概述如下：当主供电线路无故障时，外部电网给蓄电池组进行充电，PWM 变流器的作用是确保为蓄电池组充电的直流电压稳定。当主供电线路出现故障，需要应急供电电源系统为通风机供电时，PWM变流器的作用正好相反，需要确保输出交流电的稳定性，保证三相交流电能满足通风机电动机的使用要求。

3 应急供电状态时的控制策略

3.1 应急供电主电路

在正式启用应急供电电源系统时，首先需要通过控制器将专用总馈电开关关闭，避免应急供电电源系统向外部供电线路反向送电。如图3 所示为应急供电主电路。图中Zm 表示通风机的等效阻感负载。在应急供电状态下，PWM变流器需要将电池组的直流电转变成为50 Hz、380 V 的交流电为通风机电机供电。为了确保供电过程的稳定，需要对电池组的放电过程进行控制。

图3 应急供电主电路

3.2 电池组的放电过程

恒流供电、恒压供电和恒功率供电是蓄电池组的三种常用的放电方式。刚开始放电时通常采用的是恒压供电模式，输出电流处于持续增大的趋势。通风机在启动瞬间，提供的电流需要达到额定电流的2-3 倍才能够正常启动，要求蓄电池组能够在短时间内输出很大的电流。当通风机运行正常时，则蓄电池组以恒功率进行供电，输出功率就是通风机的正常运行功率。在实际中，蓄电池组的恒流供电模式应用最为广泛，恒流的大小同样由负载决定。

3.3 双向DC/DC 变换器控制策略

当蓄电池组以恒压模式进行供电时，需要根据负载功率调整输出电流值。为了达到该目的，需要设置电压互感器对电路中的电压值进行实时检测，将检测得到的电压值与系统设定的380 V 进行比较分析。如果电路中的电压值正好为380 V 则不需要对输出电压进行调整。当检测发现电路中的电压值低于380 V，则双向DC/DC 变换器根据实际值与理想值之间的差值提升输出电压，使之逐渐趋近于380 V。相反的，如果实际值超过了理想值，则需要根据实际情况降低输出电压。

当蓄电池组以恒流模式进行供电时，整个控制策略与恒压供电模式基本相同，这里不再赘述。

4 充电备用状态的控制策略

4.1 PWM整流器运行控制

当应急供电电源系统处于充电状态时，PWM整流器的作用就是将外部电路的交流电转变成为直流电对蓄电池组进行供电。如图4 所示为PWM 整流器控制策略示意图。本系统中通过双闭环控制方法对PWM整流器进行控制，控制目标是确保从整流器中输出的直流电压稳定。将整流器的输出电压作为反馈信号，将其与系统设定的值进行对比。如果两者之间存在差值，控制系统就会作出调整，确保输出电压的稳定。

4.2 蓄电池组安全充电控制策略

图4 PWM 整流器控制策略示意图

本系统对蓄电池组进行充电时通过三段式进行控制，即将整个蓄电池组的充电过程划分成为三个阶段（见图5）。在刚开始充电阶段通过恒流模式进行充电，此时的充电电流值相对较大，能够确保蓄电池组在最短的时间内完成充电过程。当充电过程达到一定程度后，通过恒压模式对蓄电池组进行充电，在该阶段充电电流值会逐渐降低。当蓄电池组充电达到100%后，进入第三阶段，为浮充阶段。此阶段的充电电流值非常小，目的在于确保蓄电池组始终达到满电的状态。

图5 蓄电池组充电过程的三个阶段

不同阶段之间的切换控制通过充电过程中的电压值或电流值进行反馈。在对蓄电池组进行恒流充电前，系统需要检测蓄电池组的电压大小，当蓄电池组的输出电压低于系统设定的阈值295 V 时，则开始恒流充电，以达到快充的目的。在这个阶段充电电压值会不断增加。当以恒流模式对蓄电池组进行充电，使蓄电池组容量达到80%～90%时，系统会将充电过程切换到恒压模式。在恒压模式下，充电电压保持恒定，充电电流值逐渐降低。当充电电流值降低到0.05C 时（其中C 表示蓄电池组的额定容量），充电过程切换到浮充模式。在浮充阶段，充电电流非常小，但是可以将蓄电池组的容量始终维持在100%状态。

5 结论

在高瓦斯矿井中，通风机在维系矿井安全方面的作用是不言而喻的。通风机供电系统的稳定运行是影响通风机系统可靠性的重要因素。矿用通风机应急供电电源系统是对当前阶段常用的局部通风机供电系统的有效补充，能在紧急状态下对通风机进行供电，确保通风系统持续运行，为高瓦斯煤矿的安全保驾护航。