大功率煤矿通风机隔爆应急供电电源的研制.pdf

第3 9 卷第5期 2 0 1 1年 5月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Vo 1 ． 39 No ． 5 Ma v 2 01 1 大功 率煤矿通风 机 隔爆应急供 电电源的研 制 杨春稳 ，李凤强 ，黄晓松 ，李志刚 1 ．河北工业大学 电气工 程学院 ，天津3 0 0 1 3 0；2 ．开滦 集团有 限责任公 司 技术 中心 ，河北 唐 山0 6 3 0 1 8 摘 要 为解决煤矿掘进工作面停电停风引起瓦斯事故问题 ，提 出一套新的整体掘进工作面停 电应 急供风系统设计方案 ，并在此基础上研发 了大功率隔爆应急电源。该 电源通过一种无损均衡充电方 法，采用新型矿用短时工作制隔爆型逆变器 ，使充 电后的蓄电池组具有容量大、效率高等优点，可 满足 3 0 k W 通风机正常工作 6 0 mi n以上。该应急电源能适应于我国多数煤矿掘进工作面场合。 关键词 应急电源 ；P L C程序控制；蓄电池充 电；均衡保 护 中图分类号 T D 6 1 2 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 1 0 5 0 0 9 1 0 3 De v e l o p m e n t a n d M a n uf a c t u r i ng o f Hi g h Po we r Fl a me pr o o f Em e r g e nc y Po we r S u pp l y S o ur c e f o r M i n e Ve n t i l a t o r YANG Ch u n we n ’ ，LI Fe ng q i a ng ，HUANG Xi a o s o n g ，LI Z hi g a n g 1 ．S c h o o l o f E l e c t r i c E n g i n e e r i n g ，H e b e i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g ，T i a n fi n 3 0 0 1 3 0， C h i n a ； 2 ． T e c h n o l o g y C e n t e r ， K a i l u a n G r o u p C o r p o r a t i o n L t d ． ，T a n g s h a n 0 6 3 0 1 8 ，C h i n a Abs t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e g a s a c c i d e nt p r o b l e m c a u s e d by t h e e l e c t r i c po we r s h ut o ff a nd t h e v e nt i l a t i o n s t op p e d i n t he mi n e r o a d wa y h e a d i ng f a c e，a c o mp l e t e d n e w d e s i g n pl a n o f t h e e me r g e n c y v e n t i l a t i on s up pl y s ys t e m wa s p r o v i d e d whe n t h e e l e c t r i c p o we r o f t h e mi n e r o a d wa y h e a d i n g f a c e wa s s h ut o f f ．Ba s e d o n t h e c i r c u ms t a nc e s，a h i g h p o we r fla me p r o o f e me r g en c y e l e c t r i c p o we r wa s r e s e a r c h e d a nd d e v e l o pe d．W i t h a no nd e s t r u c t i v e ba l a n c e c h a r g i ng me t ho d o f t he po we r ，a n e w mi ne s h o r t wo r k i ng s y s t e m fla me p r o o f i n v e rte r c o u l d be a p pl i e d t o ma k e t h e b a t t e r y g r o u p ha v e hi g h v o l u me，h i gh e ffic i e nc y a nd o t he r a dv a n t a g e s a f t e r c h a r g e d a nd me e t a no r ma l o p e r a t i o n o v e r 6 0 mi n u t e s f o r 3 0 k W v e n t i l a t o r ．T h e e m e r g e n c y p o w e r c o u l d b e s u i t a b l e f o r t h e m a j o r n l i n e r o a d w a y h e a d i n g f a c e s i n C h i n a ． Ke y wo r dse me r g e n c y po we r；PLC p r o g r a m c o nt r o l ；ba t t e ry c ha r g i n g；b a l a nc e p r o t e c t i o n 1 概 述 我 国煤矿每年都 因瓦斯煤 尘爆炸 、火灾 、透 水 、顶板 冒落 、煤与瓦斯突 出、冲击地 压 、中毒 、 窒息等多种灾害事故 造成 巨大经济损失 。调查 表明其中约 7 0 ％煤矿特别重大事故 是 由瓦斯爆炸 引起 的 ，因此保 持矿 井 通风 对 防止瓦 斯超 限 、 减少瓦斯事故 、改善煤矿生产安全状况具有重要意 义 J 。这就要求供 电系统除 了要 向负载提供 高质 量的电源外 ，还要保 证供 电的连续 性 。为局部 通风机配备应急电源 E P S 可 以防止 因断电造成 停风问题 的发 生，进 而减少 瓦斯爆 炸事故 。传 统的方案通常采用铅酸低压 蓄电池组 的 E P S三相 应急电源 ，而铅酸 蓄电池在 主充 电过程 中会 产 生氢 ，当氢浓度达到 4 ％就 呵能引起爆炸 ，因而大 容量铅酸 蓄电池 难 以做成 隔爆 型 ，不能满 足煤 矿井下供电要求 。因此 ，研究开发大功率磷酸铁锂 高压蓄电池组 ，并对其充电控制方式和充电参数进 行优化和管理 ，保证高压蓄电池组具有 良好的充电 状态尤为重要 。 目前 大多数应 急 电源还不能 实 现超大功率 的供 电要求 。笔者就掘进工作 面局部通 风机停 电时的应急供风系统 ，展开应急电源的研究 工作。主要研究开发矿用隔爆型 6 6 0 V大功率三相 应急电源 E P S ，在煤矿掘进工作面发生停电停风故 障时 ，实现 自动应急供风 ，保障煤矿安全生产 。 2 E P S电源 系统 的组成 与工作原理 此设计将 E P S分为 电网电源输入 、控制电路 、 充电电路 、储能装置和切换开关 6个部分 ，其系统 结构框图如图 1所示。 系 统在 正常 情况 下通 过 电 网电源 和切 换开关 直 接给负载 风 机 提供动力 ，并通过 大功率开关 电源为蓄电池组充电。充 电部分主要 由工频整流电 路 、上电控制电路 、直流变换电路 3部分组成。工 91 2 0 1 1 年第5 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 9 卷 卜匦 匾 图 1 E P S电源 的系统框 图 频整流电路由6个功率二极管组成三相整流桥 ，将 6 6 0 V动力 电源经过整流滤波得到随电网电压波动 的高压直流电；由电子电路 、大功率 电子器件 I G B T管 、功率开关变压器及高频整流电路组成直流 变换电路 ，将高压直流电变换成 为低压直流电输 出 为电池组充电，同时检测输出直流电压，反馈到直 流变换电路的控制端 ，达到控制充电电压或电流的 目的，满足蓄电池组的充电要求 。上电控制 电路主 要限流电阻和电子开关组成 ，目的是防止在上电过 程中产生的冲击 电流。一旦发生 电网突然断电时 ， 由蓄电池组等组成的应急电源为通风机提供动力 。 3 蓄 电池组设计 3 ． 1 E P S电源充电设计要求 笔者设计 的应急供 电系统是矿用 E P S电源， 构成其单体电池的正极材料为磷酸铁锂，磷酸铁锂 电池具有容量高、功率大 、输出电压平稳 、安全性 高 、寿命长、充放电效率高及无污染等优点 ，是 目 前最好 的大 电流输 出动力 电池 。结合矿用充 电环 境 ，此设计要满足在 6 6 0 V的动力系统上取能 ，经 整流后直流电压高达 9 3 0 V，如此高 的充电电压 ， 对电池组的串联式充电将会产生电池充电的均衡性 问题 ，因此采用恒流恒压相结合 的充电模式 ，对蓄 电池组进行分组充电。 3 ． 2无损均衡充电方法 单个蓄电池的电压与容量有限，不能满足大功 率场合 ，因此很多场合下要组成串连蓄电池组来使 用，但蓄电池组中的电池存在均衡性的问题。串联 电池组充电时若 不均衡 ，会 导致 电池循环寿命缩 短 ，均衡充电成为串联电池组充电技术中重要的考 虑 因素。现有的充电方法很难做到兼顾电池容量和 均衡性。鉴于此 ，以 S 一 8 2 6 1芯片为核心 ，设计了 一 种无损均衡充电和电池保护电路 ，该电路保护原 理如图 2所示 。该 电路对蓄电池组 中的每一个单只 电池具有以下保护功能 。 92 L L I “ h l I I l d J 1 电 池 电 压 低 于 2 ． 0 V 时 H电 池 保 护 电 路 输 ⋯停 止放 电 于 3 ． 7 5葛时 广 _1 ⋯ 。 信 号 至 率 控 扳 控扳 输出停 充电f I 放电低至3 ． 5 5 停 1 放电 信号至主控板 l l v时停止放电 主 控 板 丰 控 板 停 止 l I 输出 恢 复 充电 恢 复 充} 充 电 J l 信 号 至主 控 板 图 2 电 池保 护 电路 原 理 1 过充电保护功能。单只磷 酸铁锂电池 的最 高限制电压设置为 3 ． 7 5 V，当充 电电压达到此值 时，电路限制充电，并通过指示灯报警显示单体电 池已经达到限制 电压 。 2 过放电压保护功能。单只电池工作时将存 储的电能以电流形式向外输出电能，在输 出电能的 过程中，电池电压逐渐降低 ，如果电池电压降低到 一 定值时 ，继续放 电将影响电池的寿命 ，严重时可 能造成电池永久的损坏。单只磷酸铁锂电池的欠压 保护值设置为 2 ． 0 V，当电池 电压低于此值时 ，保 护电路发出报警信号 ，使锂电池组立刻停止放电。 3 均衡充 电管理。在充 电过程 中，如果某单 只电池充 电电压达 到最 高限制值时 ，停止 电池充 电，由均衡 电路对该电池放 电，放 电到低于限定值 后 ，再进行充电，如此反复直至全部单只电池都充 电至最高充电限制值后电池组进 入涓流浮充 电状 态，实现电池组内所有单只电池均衡充电的 目的。 在蓄电池组充电过程 中，过充的单只电池通过 放 电电阻会将多余的电量释放 ，实现动态均衡。其 效率高 ，损失少 ，所有 的电池 电压都 由均衡充 电 和电池保护电路全程监控。通过以上对单体电池的 保护 ，防止 了因电力系统异常变化而产生对蓄电池 充电的不 良影响，同时也实现了对蓄电池组的均衡 充电，维护了电池 的使用寿命 ，提高了蓄电池的充 电效率。 3 ． 3充 电控 制 回路设 计及试 验数 据 设计的充电方式控制环节采用 s 7 2 0 0系列可 编程序控制器和外围元件构成充电控制回路，其硬 件结构如图 3所示。 充电过程中根据电池的充电状态增加脉冲开关 信号 ，通过逻辑控制系统输出控制电压信号作为控 制信号电压 ，控制开关 电源的输出，当有的电池单 囟 相 频 路 二 变 回 压 电 组 高 蓄 池 变 频 流 块 逆 高 整 模 国 频 流 电 制 工 整 上 控 圜 哥 杨春稳等大功率煤矿通风机隔爆应急供电电源的研制 2 0 1 1 年第 5期 I 上 电 握 传 感 器 电 池 l ． l 一 l ll I T 开关稳J玉电源 l 传懋 言 士 量 f ； f 2 } 三 j ； f 二 { 矗 f f 羞 } 面 f 星 ／ A 0 W0 A O Wl A I WO A I W1 l ＼ S 7 2 0 0 P L C 6 S E 7 2 3 2 一 O H C 2 2 一 6 S E 7 2 3 1 O H C 2 一 ＼ XOAO OXAO 、 l D C 2l‘ v liA_ 卜卜r ． L ． 占 ． I ． 。 ． I ． l I l 图 3 充 电控制 回路结构 元电压充 电高于平均值时 ，由电池保护 电路进行处 理 ，实现电池组充电均衡。在控制回路中，设有电 流传感器和电压传感器随时监视蓄电池的充放 电过 程参数 ，经过累计充放电电流和时问计算可初步得 到电池 的充放电容量变化情况 ，当电池组放电电压 低于保护值时 ，终止放电逆变回路停机 ，实现电池 的智能充放电管理 。通过上述充电方式 ，由 1 0 0只 磷酸铁锂 电池组成的电池组单元 ，经过 1 1 h充 电 过程后电池达到额定容量。充 电试验数据见表 1 。 表 1 电池组充 电试验数据 结果显示由于均衡充放电方案采用独立模块形 式 ，工作时只需将各个模块与单只电池相对应连接 在电池组里 ，容易实现且方便维护 ，此外 ，在充放 电过程 中其 自动地平衡相邻 电池间的容量差异 ，确 保 电池组中所有 的电池在充放电过程 中都处在 同一 水平 ，从而防止电池 的过充 、过放 ，因而延长 了电 池组的工作寿命 。 4应急供 电电源 的控 制策略 局部通风机应急供电可靠性保障系统的核心在 于常规供电电源发生停电故障时 ，准确无误地启动 应急电源供电，包括对常规供 电系统及应急供电系 统 的协调控制 。P L C控制单元 的主要作用是实现局 部通风机供电可靠性保障系统的所有控制功能。 此设计选 用 的可编程序控 制器是西 门子 S 7 2 0 0 ，其 E P S采用 的是 C P U 2 2 4模块 。该控制器控 制能力较强 、运行速度快 、功能强 ，适用于小型控 制系统 。此设计在常用局部通风机与备用局部通风 机的启动器之间设有 电气监测 和 自动投切装置 ，当 常用局部通风机 因故障 主要故障是停 电停机 时 ，自动切换装置监测到故障，自动启用备用局部 通风机向工作面供风 。同时在备用通风机系统装设 该课题组研制的大功率应急供 电电源装置 ，当矿井 发生电源停电故障时 ，自动启动应急供电系统 向备 用通风机供电，保障工作面正常供风 ，维持工作面 风量要求 ，待电源故障排除恢复供电后 ，再转换由 常用局部通风机供风。 5隔爆外 壳的设计 由于是应用在煤矿采掘工作面的动力设备 ，因 此该应急电源应该是具有安全性和可靠性的隔爆型 应急电源。通过对煤矿瓦斯气体的爆炸特性及井下 电气设备现有 的防爆技术的研究 ，此设计主要采用 间隙隔爆技 术 ，并在控 制 回路 中采用本质安全技 术 。针对蓄电池组和主要电气设备设计了专门的隔 爆外壳。应用 S o l i d w o r k s系统 对 隔爆外 壳进 行设 计 ，首先建立各个零件和部件的三维实体模型 ，再 由实体模型生成工程图。借 助有限元分析 C O S MO - S w o r k s 模块 ，对矩形类隔爆箱体主要部分进行有 限 元分析 ，该分析大幅缩短 了产品设计开发周期 ，提 高 了设计质量 ，通过后期 的样机厂内静压试验证明 分析结果正确。 6 结 论 结合 当前 国内外供电系统应急 电源发展状况 ， 针对 目前煤矿矿井 中普遍存在的瓦斯爆炸安全隐患 问题 ，设计了煤矿井下掘进工作面局部通风机应急 供 电电源 防爆 型大功率 E P S电源。提 出了基 于磷酸铁锂高压动力蓄电池组均衡充电的新思路， 以及设计出矿用三相 6 6 0 V短时工作 制 的逆变装 置 ；开发出的应急 电源和正常供 电电源的自动切换 装置 ，响应快 ，可使切换 时间缩短 到 0 ． 1 0～ 0 ． 2 5 S 。 经 试验表 明 ， 该 系统可 提高蓄 电池组 的充 电效 下转第 9 8页 93 2 0 1 1 年第5 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 9 卷 螺栓还没有松动，即还没有失爆 ，螺栓套离开继电 器 ，常闭接点 闭合 ，触 动继 电器连通声光报警装 置 ，发出声光 报警 信号 ，提示 “ 严 禁带 电作 业 、 停 电、测瓦斯浓度、验电、放电” ，达到超前开盖 报警的目的。 2 超前开盖断电。超前开盖报警 的同时，与 电磁启动器上的开盖传感器连通的矿井监控系统检 测到开盖信号 ，给 自动馈电开关发出断电指令，自 动馈 电开关动作 ，切断电磁启动器电源，实现超前 开盖断电。 3 开盖闭锁。开盖断电后 ，打开 电磁启 动器 盖板作业 ，此时 ，监控系统给 自动馈电开关送出闭 锁信号，使得即使有人误操作自动馈电开关启动按 钮 ， 也送不出电，确保安全作业 ，实现开盖闭锁。 4 防止非专职人员擅 自开盖操作 。非专职人 员由于没有锁钥 ，所 以不能有效操作螺栓转动。 比较用矿用本安型开盖传感器 三开一防传 感器 实现开盖断 电方法 与人为接地实现开盖 断 电方法，不难看出，这 2种方法的优劣 ，用三开一 防传感器实现开盖断电方法不会产生过电压 、过电 流、失爆后再断电问题 ，不仅有三开一防功能及安 全方面的优点 ，还有不需要更换现有 电气设备 ，就 可 以应用在所有具有螺栓紧固盖板的电气设备上的 优点。 6结 语 人为接地实现开盖断电不仅存在重大隐患 ，且 不能使井 下在用 电气设 备 包括 电机、电缆接线 盒、开关 、变压 器等 全部实现开盖 断 电。笔者 认为应大面积推广应用矿用本安型开盖传感器 ，把 矿用本安型开盖传感器接人监控系统、启动控制回 路、短路漏电保护系统等停电控制系统 ，尽快使煤 矿企业井下在用电气设备全部实现开盖断电。 参考文献 机械工程手册委员会 ，电机 工程手册 委员会 ．电机工程 手 册 I[ K] ．2版 ．北京 机械工业出版社 ，1 9 9 7 ． 胡天禄 ．矿井 电网的漏 电保 护 [ M] ．北京 煤炭工业 出版 社 ，1 9 8 7 ． 国家煤矿安全监察局 ．煤矿安全规程 [ M] ．北京 中国法 制出版社 ，2 0 1 0 ． 山西全安新技术开发 有限公 司 ．矿用本安 型开盖传 感器科 技成果鉴定技术 资料[ R] ．太原 山西全安新技术 开发有 限公 司，2 0 0 9 ． 孙 继平 ．矿井安 全监 控系统 [ M] ．北京 煤 炭工 业 出版 社 ．2 0 0 6 ． 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