煤矿风机隔爆型大功率应急供电系统的研究.pdf

第3 6卷第 1 1期 2 0 1 1年 1 1月 煤 炭 学 报 J O URN AL O F C HI NA C OAL S OC I E T Y V0 1 ． 3 6 N o ． 1 l NO V ． 2 0】1 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 1 1 1 1 9 3 8 0 5 煤矿风机隔爆型大功率应 急供 电系统 的研究 黄 凯 ， 李 志月 0 ， 杨 春稳 1 ．河北工业 大学 电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室 ， 天津3 0 0 1 3 0； 2 ．开滦 集团 有 限责任公司 ， 河北 唐 山0 6 3 0 0 0 摘要 针对煤矿井下苛刻的环境以及保持巷道通风连续性的特殊需求， 从提高风机供电可靠性角 度考虑 ， 开发 了大功率三相应急供 电系统， 当主风机双电源同时出现故障时， 该 系统立即用于备 用 风机供电， 使备用风机继续供风。当主风机供 电电源故障解决后 ， 应急供 电系统通过 自动投切装 置， 使工作面恢复由主风机继续供风 ， 应急供 电系统对蓄电池组进行充电与风机进入后备状态。应 急供 电系统由控 制模块、 蓄 电池 系统模 块、 逆 变模 块、 保 护模 块组成。 系统设计备 用 时间最长 6 0 m i n ， 防止 因停电停风造成的瓦斯积存或爆炸事故 ， 使煤矿 生产 实现本质上的安全。 关键词 煤矿 ； 风机 ； 大功率应急供 电系统 ； 可编程序控制器 中图分类号 T D 6 1 1 文献标志码 A Fl a me p r o o f e me r g e n c y p o we r s u pp l y s y s t e m wi t h hi g h p o we r f o r a ux i l i a r y f a n i n t h e c o a l m i n e HUANG Ka i ． L I Zh i g a n g ， YANG Ch u n we n 1 ． P r o v in c e Mi n i s t r yJ o i n t K e yL a b o r a t o r y o fE l e c t r o r n a g r v e t i c F i e ld a n d E l e c t r i c a l A p p a r a t u s R e l i a b i l i t y ， t t e b e i U n i v e r s i t y Q 厂 T e c h n o l o g y ， T i a n j i 3 0 0 1 3 0， C h i _ l z a； 2 ． K a i l u a n G r o u p C o ． ， L t d ． ， T a n g s h a n 0 6 3 0 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t Ai mi n g a t t h e s p e c i a l r e q u i r e me n t t h a t r e ma i n i n g u n i n t e r r u p t e d v e n t i l a t i o n i n t he wo r ki n g f a c e a n d t h e e x t r e me l y a t r o c i o u s c o n di t i o n i n t h e c o a l mi n e， a t h r e e p h a s e e me r g e n c y p o we r s up p l y s y s t e m wi t h h i g h po we r t o i mp r o v e t h e r e l i a b i l i t y o f p o we r s u p p l y f o r a u x i l i a r y f a n wa s d e v e l o p e d． W h e n t h e d ua l po we r u s e d for t he ma i n fan a r e u na b l e t o f u n c t i o n n o r ma l l y， t h e s y s t e m wi l l s u p p l y p o we r f o r a u x i l i a r y fan t o e ns ur e u n i n t e r r u p t e d v e n t i l a t i o n． Af t e r t h e p o we r for t h e ma i n fan c a n r e s u me n o r ma l p o we r s u p p l y， v i a a u t o ma t i c s w i t c h a p p a r a t u s ， t h e e me r g e n c y p o we r s u p p l y s y s t e m wi l l c a u s e t he ma i n f a n t o r e p l a c e t he a u x i l i a ry f a n t o s u p p l y wi n d， a nd a t t h e s a me t i me t he s y s t e m wi l l b e c ha r g e d w h i l e t h e a u x i l i a r y fan wi l l e n t e r t h e s t a n d b y s t a t e ． T h e e me r g e n c y p o we r s u p p l y s y s t e m i s c o mp r i s e d o f c o n t r o l roo d u l e s ． b a t t e r i e s s y s t e m mo d u l e s 。 i n v e r t e r mo d u l e s a n d p r o t e c t i o n mo d u l e s ． T h e t i me t h a t t h e s y s t e m c a n o f f e r i s l o n g u p t o s i x t y mi n u t e s s uc h t ha t i t c a n pr e v e n t g a s a c c u mu l a t i n g o r e x p l o r i n g e f f e c t i v e l y S O a s t o e n s u r e i nt r i ns i c a l s a f e o f t h e c o a l mi n e． Ke y wo r d s c o a l mi n e ； f a n； e me r g e n c y p o w e r s u p p l y w i t h h i g h p o we r ； P L C 煤矿井下环境恶劣 ， 供电线路和设备易受不利 因 素的影响， 风机、 供电线路等都有可能出现故障， 使煤 矿掘进工作面停电停风现象时有发生， 一旦停电停 风， 工作面就有可能积存瓦斯， 严重时会发生灾难性 的爆炸事故。 。 。 目 前， 为提高煤矿掘进工作面局部通风机供电供 风的可靠性 ， 采取的措施 ， 主要 包括采用装有选择性 漏电保护装置的供电线路供电’ ； 采、 掘工作面分开 供电； 局部通风机采用专用变压器、 开关、 线路的三专 供电方式； 掘进工作面实行双风机双电源供风； 在煤 矿掘进工作面的动力供电系统中还装设有风、 电、 瓦 斯闭锁等。 收稿日 期 2 0 1 l 一 0 2 0 l 责任编辑 许书阁 基金项目 河北省科技支撑计划项 目 基金资助项目 0 9 2 1 5 6 0 4 D 作者简介 黄凯 1 9 8 O 一 ， 男， 河北邯郸人， 讲师。T e l 0 2 2 6 0 2 0 4 4 0 6 ， E - m a i l h u a n g k a i h e b u t ． e d u ． c n 第 1 1 期 黄凯等 煤矿风机隔爆型大功率应急供电系统的研究 组进行充 电， 提高了蓄电池组充 电性能 ， 简化了充 电 电路以及整个应急电源系统硬件组成， 提高了该系统 的可靠性 ， 并且使操作更为简单 ， 便于安装维修。晶 闸管智能模块是由晶闸管组成的三相桥式整流电路 与移相触发电路集成后封装在同一外壳 内组装而成 的， 其内部接线如图4所示。 OUT - ～ I 图4 智能晶闸管控制模块接线 F i g ． 4 I n t e l l i g e n t t h y r i s t o r mo d u l e 该模块采用陶瓷覆铜 D C B 工艺配合可靠的管 芯和导热底板组成 晶闸管整流回路部分 ， 模块 内包含 晶闸管、 调节 电路、 脉 冲移相触 发 电路和控制 电路 。 模块采用0～ 1 O V 或 0 ～1 2 V 直流控制信号， 用于 对蓄电池充电过程的充电电压和电流进行调节， 模块 可手动、 仪表和计算机控制。触发 电路 、 晶闸管和导 热底板相互绝缘隔离， 介电强度大于 2 5 0 0 V 。三相 模块交流输人端无相序限制。模块的主要参数 工作 频率5 0 H z ， 输入线电压电压 3 0～ 7 5 0 V ， 控制信 号 电 压 。 0 ～ 1 0 V， 控 制 信 号 输 入 电 流 ， c 0 N ≤l 0 A， 模块工作电压 1 2 V 。整流模块控制端 电压 。 01 0 V， 相对应于三相桥式整流电路触发 脉冲导通角 O ／ 的度数， 使得整流输出电压随控制端 电压变化而变化。并且模块整体经过线性化处理， 使 得整流输 出电压随控制端电压的变化而线性变化 ， 对 于 P L C闭环控制的设计降低了难度。 西门子公司 s 7 2 0 0系列可编程序控制器 内部 具有 8组 比例积分微分调节器 P I D， 在充电控制回路 采用两个比例积分 P I 调节器 ， 控制整流电路 的输 出电压和电流。其 中一个 比例积分 P I 调节器 作为电流调节器用于控制蓄电池充电电流， 另一个 比 例积分 P I 调节器作为电压调节器用于控制蓄电池 充电电压， 两者的输出信号经过运算、 分析判断， 同时 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晶闸管智能控制模块 的控制信号电压 。 ， 控制整流电路的输出， 组成智 能型蓄电池充电控制电路， 实现初期恒流间歇脉冲充 电、 后期恒压脉冲间歇充电和最终恒压浮充电。在控 制回路中， 设有电流、 电压传感器随时监视蓄电池的 充放电过程参数， 经过分析计算可得到电池的充放电 容量变化情况， 实现电池的智能充电管理。 3 软件设计 s T E P 7 一 Mi c - 0 ／ wI N 3 2编程软件是基 于 Wi n d o w s 的应用软件 ， 由西 门子公司专门为 S I MA T I C S 7 2 0 0 系列 P L C设计开发。该软件功能强大 ， 界面友好 ， 可 利用该软件开发 P L C应用程序， 同时也可实时监控 程序的执行状态 。应急供 电系统控制主程序流程如 图5 所示。P L C按照采样周期采集反馈量， 并进行 P I D控制的计算。对于蓄电池的恒流充电、 恒压充电 闭环控制系统， 用电压、 电流传感器检测并采集主电 路上大的电压 、 电流 ， 并转换为标准量程 的电压、 电流 信号， 然后送给模拟量输入模块， 经 A ／ D转换后得到 与电压、 电流值成比例的数字量， C P U将它与设定值 比较， 并按 P I D控制算法对误差值进行运算， 将运算 结果 数字量 送给模拟量输 出模块 ， 经 D ／ A转换后 变为电压信号， 用来控制相控整流器控制端电压 即 控制晶闸管的导通角 O ／ ， 进而调节整流器 的输出电 压 ， 实现对充电电压 、 电流的闭环控制。 开始 参数设置和初始化 I E P S 茇 巍 塞 卜 蓬 ≤ 图5 主控制程序流程 F i g ． 5 F l o w e h a a o f t h e p r i n c i p l e a p p l i c a t i o n o f t h e s y s t e m 4 结 论 针对 目前市场上的中大功率 U P S ／ E P S的应用领 域都是一般的工业环境， 基本无法满足煤矿井下的恶 劣条件 ， 以及煤矿掘进工作 面通风机应急供 电供风和 煤矿安全作业 日 益增多的需求， 开发出了煤矿风机用 隔爆型 6 6 0 V大功率三相应急供 电电源 ， 基本解决 了 煤矿井下电力故障时造成的停电停风问题， 能够实现 应急供电达到6 0 ra i n ， 为电网维护以及井下人员撤离 赢得时间。系统采用 P L C控制技术， 选用 V R L A蓄 电池组作为电能储备部件， 实现了应急系统全自动化 控制、 无需人员值守、 免维护的功能， 更加适应了井下 恶劣的环境， 同时保证系统的稳定性和可靠性。 NN D D l 9 4 2 煤 炭 学 报 2 0 1 1 年第3 6 卷 参考文献 [ 1 ] 蔡卫． 矿井通风系统安全性评价及其应用[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 9， 2 9 2 1 9 5 1 9 8 ． Ca i W e i ． S a f e t y e v a l u a t i o n a n d i t s a p p l i c a t i o n o n c o a l mi n e v e n t i l a - t i o n s y s t e m[ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 4， 2 9 2 1 9 5 1 9 8． [ 2 ] L i J i n g z h a o ， Z h a n g C h o n g w e i ． S t u d y o n t h e a u t o ma t i c r e g u l a t i o n s y s t e rn o f w i n d r a t e f u z z y c o n t r o l [ J ] ． J o u rnal o f C o a l S c i e n c e＆E n g i n e e ri n g C h i n a ， 2 0 0 0 ， 6 2 6 9 7 4 ． [ 3 ] M i ro n o w i c z W． Ha z a r d mo n i t o ri n g a n d c o n tr o l s y s t e m o f v e n t i l a t i o n i n a h a r d c o al m i n e [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e 1 9 9 8 I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n S af e t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 1 9 9 8 9 4 1 4 8 ． [ 4 ] 何将三， 魏树伟， 廖平， 等． 矿井风机多电机综合保护器的研 究 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 7 ， 3 2 2 2 1 6 2 2 0 ． He J i a ng s a n， We i S h u we i ， Li a o Pi n g， e t a 1 ．S t u d y o n mu l t i - mo t o r s s y n t h e t i c a l p r o t e c t o r o f f a n i n m i n e f J 1 ． J o u r n al o f C h in a C o a l S o c i e ． t y ， 2 0 0 7， 3 2 2 2 1 6 - 2 2 0 ． [ 5 ] 卢其威， 程红， 王聪． 增设局部通风机应急电源的思考及可 行性分析 [ J ] ． 煤炭科学技 术， 2 0 0 8 ， 3 6 3 7 1 7 3 ． L u Q i w e i ， C h ang H ang ， Wa n g C o n g ． C o n s i d e r a t i o n a n d f e a s i b i l i t y a n a l y s i s o n e me r g e n c y p o w e r s u p p l y t o mi n e l o c a l v e n t i l a t o r [ J ] ． C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ， 3 6 3 7 1 7 3 ． [ 6 ] 李建民， 章之燕． 安全高效工作面设备配套与供电方式分析 [ J ] ． 煤矿机电， 2 0 0 8 1 7 - 】 1 ． L i J i a n mi n， Z b a n g Z h i y a n ．An a l y s i s o f e q u i p me n t c o mp l e t i n g a n d p o w e r s u p p l y i n g m o d e i n s afe t y a n d h i g h e ffic i e n t f a c e [ J ] ． C o l l i e r y Me c h a n i c a l ＆E l e c t ri c a l T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 1 7 - 1 1 ． [ 7 ] 张乃国． U P S及 E P S的应用技术与发展趋势 [ J ] ． 电源技术应 用 ， 2 0 0 4 ， 7 1 2 7 5 9 - 7 6 8 ． Z h a n g Na i g u o ．Ap p l i c a t i o n t e c h n i q u e a n d d e v e l o p me n t t e n d e n c y o f U P S＆ E P S[ J ] ．P o w e r S u p p l y T e c h n o l o g i e s and A p p l ic a i t i o n s ， 2 0 0 4， 7 1 2 7 5 9 7 6 8 ． [ 8 ] 王正玮， 赵忠祥， 王德银， 等． s 7 3 0 0 在煤矿主通风机监控系统 中的应用研究 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 9 ， 3 0 6 1 6 8 1 7 0 ． W a n g Z h e n g w e i ， Z h a o Zh o n g x i a n g， W a n g De y i n， e t a 1 ． Ap p l i c a t io n o n mo n i t o r i n g an d c o n t r o l l i n g s y s t e m o f c o l l i e ry p r i ma r y v e n t i l a t o r s wit h s 7 3 0 0 [ J ] ． C o a l Mi n e Ma c h i n e ry， 2 0 0 9， 3 0 6 1 6 8 1 7 0 ． [ 9 ] 潘雷 ， 韩兵． 基于 s 7 2 0 0 C N P L C的 A T S E测控 系统 [ J ] ． 制 造业 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 1 2 6 1 6 2 ． Pa n L e i ． Ha n Bi n g ． Ap p l i c a t i o n o f S 7 2 0 0 P L C i n r e s e a r c h a n d d e - v e l o p me n t o f A T S E[ J ] ． Ma n u f a c t u ri n g A u t o ma t io n ， 2 0 0 9 ， 3 1 2 61 6 2 ． [ 1 O] S i e m e n s s 7 2 0 0 p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r m a n u a l [ Z ] ． [ 1 1 ] 张磊 ， 韩 固勇 ， 魏晓斌 ， 等 ． 铅 酸蓄电池均衡 充电控制策 略研 究 [ J ] ． 电源技术 ， 2 0 0 9， 3 3 1 2 1 1 1 2 1 1 1 3 ． Zh a n g L e i ， Ha n Gu y o n g ， W e i Xi a o b i n， e t a 1 ． Re s e a r c h o n e q u aliz i n g c h a r g e c o n t r o l s t r a t e g y o f l e a d - a c i d b a t t e ry[ J ] ． C h i n e s e J o u rna l o f P o w e r S o u r c e s ， 2 0 0 9 ， 3 3 1 2 l 1 1 2 -1 1 1 3 ． [ 1 2 ] 孙频 东． 串联蓄 电池智能充 电系统 [ J ] ． 农机 化研究 ， 2 0 0 5 3 1 0 6 1 0 8 ． S u n P i n d o n g ．S ma r t c h a r g i n g s y s t e m f o r s e rie s c o n n e c t e d b a t t e rie s [ J ] ． J o u rnal o f A c u l t u r a l Me c h a n i z a t i o n R e s e a r c h ， 2 0 0 5 3 1 0 6 -1 O 8 ． [ 1 3 ] P h il i p T K r e i n ， S c a n We s t ， C o r y P a p e n f u s s ． E q u a l i z a t i o n r e q u i r e me n t s fo r s e ri e s V RL A b a tt e ri e s [ A] ． T h e S i x t e e n t h A n n u a l B a t t e ry C o n f e r e n c e o n A p p l i c a t i o n s a n d A d v a n c e s [ C] ． 2 0 0 1 1 2 5 - 1 3 0 ． [ 1 4 ] 王伟， 张晶涛， 柴天佑． P I D参数先进整定方法综述[ J ] ． 自动 化学报 ， 2 0 0 0 ， 2 6 3 3 4 7 3 5 5 ． Wa n g We i ， Z ha n g J i n g t a o ， Ch a i T i a n y o u． A s u r v e y o f a d v a n c e d p i d p a r a m e t e r t u n i n g m e t h o d s [ J ] ． A c t a A u t o ma t i c a S i n i c a ， 2 0 0 0， 2 6 3 3 4 7 - 3 5 5 ． [ 1 5 ] 霍志红， 张志学， 唐必光． P I D参数的模糊整定[ J j ． 电站系统工 程 ， 2 0 0 2 ， 1 8 2 5 5 5 6 ． Hu o Zh i h o n g ， Z h a n g Zh i x u e， T a n g Bi g u an g ． F u z z y t u n i n g o f p r o p o r - t i o n a l i n t e gr a l d e ri v a t i v e P I D c o n t r o l l e r s [ J ] ． P o w e r S y s t e m E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 2 ， 1 8 2 5 5 - 5 6 ．