煤矿局部通风机应急供电电源系统的研究.pdf

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 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。 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 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） 摘要 基于应急供电电源系统在确保煤矿局部通风机可靠运行方面发挥着重要作用， 分析了应急供电电源 系统的工作流程， 研究了应急供电系统的总体结构， 重点阐述了系统充电备用和应急供电两种工作状态下的 控制策略， 以期对于提升通风机供电系统可靠性、 维系工作面巷道安全提供理论支持。 关键词 煤矿局部通风机应急供电电源设计 中图分类号 TD76文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 07-0254-03 收稿日期 2020-04-16 作者简介 颜明仁 （1992） ， 男， 毕业于大同煤炭职业技术学 院矿井通风与安全专业， 助理工程师， 研究方向为矿井通风与 安全。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.07.109 总第 207 期 2020 年第7 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 207 No.7， 2020 图 1应急供电电源系统工作策略流程图 煤矿配电网 正常运行 专用电源为 主风机供电 应急供电电源 处在备用模式 实时监测电池状态进行必要充电 有无应急供电模式启动信号 专用电源是否异常 应急供电电源进入应急供电状态 闭锁专用总馈电开关断开 实现主风机电源由专用电源 到应急供电电源的无缝切换 N N Y Y 图 2应急供电电源系统的总体结构框图 功率变换系统 PCS 蓄电 池组 双向 DC/DC PWM 变流器 专用总馈 电开关 煤矿配电网 主局部 通风机 能量双 向流动 能量双 向流动 应急供电电源系统 自动化技术与设计 2020 年第 7 期 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 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。 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。 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 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。 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。 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 8090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 图 3应急供电主电路 图 4PWM 整流器控制策略示意图 双级式功率传输系统 PCS 铅炭 电池组 电压型三相 PWM 变流器双向 DC/DC 变换器 直 流 母 线 侧 专用电源 故障 S Lf Cf Zm L1 C1 C Ub Udc Udc iabc iq id SVPWM 兹 兹 PI PIPI 380 V 电 网 Sg 0 iqref idref Udc abc/dq 变换 图 5蓄电池组充电过程的三个阶段 恒流 过程 恒压过程 浮 充 过 程 i t 0.05C 0 颜明仁 煤矿局部通风机应急供电电源系统的研究255 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 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。 参考文献 [1]王建， 吴宪.矿用局部通风机现场风量测试方法研究[J].福建质 量管理， 2019 （19） 268-269. [2]赵常峰.新型变频局部通风机的研制[J].机械管理开发， 2019， 34 （8） 84-85. [3]毛亮.煤矿井下局部通风机监控系统应用研究[J].山东煤炭科 技， 2019 （7） 135-136； 142. [4]闫文慧.局部通风机开关跳闸示警装置的应用[J].能源与节能， 2019 （8） 154-155. [5]宋淼.浅析煤矿掘进工作面局部通风机无人值守系统[J].能源 与节能， 2019 （4） 152-153. [6]崔治国.矿井局部通风机供电系统改进研究[J].机电工程技术， 2019， 48 （9） 252-253； 273.（编辑 贾娟） Design and Research on Emergency Power Supply System of Local Ventilator in Coal Mine Yan Mingren （Huasheng Wanjie Coal Industry Co.,Ltd., Hejin Shanxi 043300） Abstract The emergency power supply system plays an important role in ensuring the reliable operation of coal mine local fans. The working strategy of the system is analyzed in detail, and the overall structure of the emergency power supply system is studied. The system has a total of two working states, namely charging standby state and emergency power supply state. The control strategies under two working states are mainly explained. It provided theorotical support for improving the reliability of the power supply system of the fan and maintaining the safety of the working face. Key words coal mine; local fan; emergency power supply; power supply design Design and Effects on Reinforcement of Roadway Support after Water Inrush in Coal Mine Zhang Jinyu （Nanzhuang Branch of Nanzhuang Coal Group, Yangquan Shanxi 045000） Abstract Aiming at the problem of roadway water inrush in coal mine, based on the overview of coal mine face and original roadway support, the design scheme of roadway support reinforcement after coal mine water inrush is put forward, and the principle of bolt grouting reinforcement and the determination of main technical parameters of bolt grouting reinforcement are analyzed. Practice shows that the reinforcement scheme of roadway support has achieved good application effect in practice, reduces the deation of roadway, and effectively avoids the problem of water inrush in roadway. Key words coal mine water inrush; roadway support; reinforcement; surrounding rock strength 有再出现巷道突水问题。通过对巷道支护方案进行 补强处理， 显著提升了支护效果， 保障了围岩的稳定 性。为采煤工作效率的提升奠定了坚实的基础。 参考文献 [1]赵云佩， 贾靖.淋涌水型煤泥岩顶板巷道破坏机制与控制技术 [J].工矿自动化， 2019， 45 （4） 24-29. [2]高超. 金属矿山巷道突水原因分析及治理 [J]. 建井技术， 2016， 37 （5） 25-28. [3]关崇伟. 燕子山矿石炭系巷道支护优化设计 [J]. 煤， 2020， 29 （1） 55-56. [4]景涛， 李兵.大断面巷道二次联合支护技术研究[J].陕西煤炭， 2020， 39 （1） 46-50. [5]石伟， 张浩春.近距离煤层开采巷道压力集中区补强支护技术 [J].煤炭工程， 2019， 51 （suppl1） 64-67. [6]杨海东， 李纯洁.炭窑峪煤业 22803 动压影响巷道补强支护课 题的研究与探索[J].机械管理开发， 2019， 34 （11） 152-154. （编辑 王慧芳） （上接第 179 页） 256