矿用通风机不间断电源系统的设计研究

曹 龙

（山西潞安集团蒲县黑龙煤业有限公司， 山西 临汾 041204）

引言

煤矿井下作业环境复杂，通风机是保证矿井环境安全的重要机械设备[1]。为尽可能提升其运行可靠性，目前对通风机实行冗余供电[2-3]。所谓冗余供电指的是同时有多套供电线路对通风机进行供电，其中一套为主供电线路，其他供电线路为备用供电线路。通过冗余供电能有效避免由于供电系统突发故障导致的通风机停机问题，从而避免由于通风机停止运行导致的矿井内部空气质量不达标问题[4-5]。基于此，设计一套能够可靠稳定运行的不间断本地备用电源对通风机进行供电显得非常重要。

1 不间断电源系统的总体设计

1.1 系统主要组成

不间断电源系统有很多种形式，每种形式都有其特点和优势。在所有的结构形式中，三相输入单相输出在线式不间断电源（UPS）系统具备良好的优势，比如输入稳定平衡、对整个电网影响相对较小、良好的供电品质等，因此得到了比较广泛的应用。鉴于UPS 系统的优势，本文基于该系统建立矿用通风机的供电系统。UPS 共有五大部分构成，分别为整流器、逆变器、充电器和储能装置，如图1 所示为不间断电源系统的总体结构框图。

整流器的作用是为逆变器提供直流电源，为逆变器的稳定工作提供电力供应。选用的逆变器必须能够对输出的电压和电流值进行精准控制，确保输出的电压和电流值满足实际需要。当前阶段，UPS 系统的整流部分主要有三种结构形式：第一，通过晶闸管相控达到整流的目的；第二，通过二极管布控加上DCDC 电路进行整流，这种形式的基本原理是优化输入功率因数和自流电压；第三，全控开关器件PWM整流器。第一种形式的整流结构具备较好的应用优势，在实践中应用最为广泛，因此本文采用第一种结构形式的整流器。

图1 不间断电源系统总体结构框图

UPS 系统的根本目的在于向外界提供稳定的交流电能，确保机电设备的安全稳定运行。UPS 系统中逆变器是最核心的部分，通过逆变器的应用可以提升系统输出电压的质量，使输出电能的电压值和频率值维持稳定。所以，在设计逆变器电路结构和控制系统时必须将输出电能的电压、频率恒定性作为最核心的目标。

除上述结构外，UPS 系统还包含多个部分，比如充电电路、数据采集、实时监测等。这些同样是系统不可或缺的重要构成部分，任何一个环节出现问题，都会对整个系统的运行稳定性造成不良影响。因此，必须保证所有结构的运行可靠性。

1.2 系统主要功能

本文设计的矿用通风机不间断电源系统具有强大的功能，可以概述为当外部输入电路正常时，外部电能经过整流器和逆变器后直接为煤矿通风机进行供电，实现通风机的正常工作。当外部输入电路出现突发故障，无法提供稳定的电能时，系统可以对电路进行自动切换，由原本的外部交流电能经过整流器后输入给逆变器，转换成为通过蓄电池组将直流电流输入给逆变器，以此保证煤矿通风机的不间断运行。另外，系统还会对蓄电池组进行实时监测，主要监测蓄电池组的储电量以及使用寿命情况。如果系统监测发现蓄电池组电量不足，系统可以自动对蓄电池组进行充电，如果发现蓄电池组的使用寿命存在缺陷，则需要对蓄电池进行及时更换。

2 系统的硬件设计

本文设计的矿用通风机不间断电源系统包含的硬件主要有五大部分，分别为蓄电池组作为储能装置、逆变器、可编程逻辑控制器PLC、经闸管模块整流器、电压和电流传感器。如图2 所示为不间断电源系统的硬件构成结构框图。

图2 不间断电源系统的硬件构成结构框图

以下分别针对5 个硬件部分的主要功能进行简要概述：

1）晶闸管模块。针对外部输入的三相交流电能进行整流处理，一方面要将电能输入给逆变器，另一方面还要将电能输入到蓄电池组中进行充电。本系统中选用MJYS-ZL-55 型号的晶闸管智能模块，可以输出的电流值和电压值分别可以达到55 A 和450 V。

2）电压传感器和电流传感器。本系统中的蓄电池组时刻处于充电状态，传感器的作用是对蓄电池组的充电电流和电压进行实时检测，将检测数据进行转换后输送到PLC 控制器中，由PLC 控制器对数据进行分析和处理。本系统中使用的是CHV-25P/30型号的电压传感器，额定输入电压为30 V，可以对交流电压进行有效检测，输出信号为0～5 V，测量响应时间为30 μs，精度可以达到1%。本系统中采用的电流传感器型号为CHB-25NP/SP7/5V，额定电流为25 A，蓄电池组在充电过程中电流值一般不会超过25 A，所以本电流传感器完全能够满足实际需要。输出的信号范围为0～5 V，测量响应时间为8 μs，测量精度可以达到0.8%。

3）可编程序控制器PLC。PLC 是控制系统的核心，通过PLC 可以对外部输入电路进行检测，判断是否存在故障问题，如果检测发现存在问题那么系统就自动将供电电路切换到蓄电池组中，通过蓄电池组对通风机进行供电，保障通风机的正常工作。另外，通过电流传感器和电压传感器收集得到的数据信息，同样会输入到PLC 中进行分析和处理，以判断充电电压和电流处在何种状态，进而发出对应的控制指令，优化蓄电池组的充电状态。本系统中选用的可编程逻辑控制器PLC 型号为S7-200，由西门子公司生产。

4）逆变器。不管是外部供电电路还是蓄电池组供电电路，都需要将电能输入到逆变器中进行处理。逆变器的输出为交流电，电压值和频率都具有较高的稳定性，通过提升电能的质量和品质为矿用通风机的安全稳定运行奠定坚实的基础。

5）蓄电池组储能装置。在外部电路没有出现故障时，蓄电池组会一直处于充电状态，作为待用电源。一旦外部电路出现故障问题，无法提供稳定电能时，系统就会自动切换到蓄电池组对矿用通风机进行供电，实现通风机的不间断运行。

3 系统的软件设计

通过V4.0 STEP 7 MicroWIN SP4 编程软件对可编程逻辑控制器PLC 进行编程。本系统中设计的软件有主程序以及对应的多个子程序构成。如图3 所示为系统软件的主程序流程图。主程序开始运行后，对初始化子程序进行调用，对软件中各个变量赋予初始值，将计时器进行复位处理。调用数据采集子程序，利用传感器对蓄电池组的充电电压和电流进行采集。对恒流充电子程序进行调用，使系统进入恒流充电阶段。恒流充电子程序开始运行时，系统首先会判定充电电压是否超过了设定的阈值，如果已经超过，则恒流充电过程结束，如果没有超过，则进一步判断充电电流是否超过了设定的最大限度值。如果已经超过了设计的最大限度，那么系统就会对电流进行控制，使其降低，直到恒流充电过程结束。如果系统判定充电电流没有超过系统设定的最大限度值，那么还需要再检测其是否小于最小限度值。如果小于最小限度值，通过系统控制提升充电电流值，使其在合理范围内。结束恒流充电后，再次调用数据采集子程序，对充电电流和充电电压进行检测，如果发现充电电压没有超过设定的阈值，则再次调用恒流充电子程序，进入恒流充电阶段。如果充电电压已经超过了设定的阈值，则系统调用恒压充电子程序，开始进行浮充。在浮充阶段，系统会不断地调用数据采集子程序，对充电电压和电流进行检测，直到充电电流小于设定的最小电流值，整个充电过程结束。

图3 系统软件的主程序流程图

4 结语

矿用通风机是保障矿井安全的重要设备，其能否安全稳定运行对矿井安全有直接影响。供电系统的稳定性是保障通风机可靠运行的基础和前提。本文设计研究的一套矿用通风机不间断电源系统，在正常情况下通过外部交流电路进行供电。如果外部电路出现故障无法正常供电时，系统就会立即切换到蓄电池组进行直流供电。系统能够自动对蓄电池组的充电状态进行检测，确保蓄电池组时刻处于电量饱满的状态，确保供电的可靠性。