引言

礦產(chǎn)資源是關(guān)乎國計民生的國家戰(zhàn)略資源,礦產(chǎn)資源的安全開采是工業(yè)發(fā)展的根本基礎(chǔ)之一。井下照明設(shè)備的安全運行起著至關(guān)重要的作用,但目前井下照明設(shè)備采用的有線接觸式供電方法存在接觸不良、礦井環(huán)境易燃易爆、檢修安裝麻煩等安全隱患,因此對井下照明設(shè)備供電方式的安全改良勢在必行。而新型無線電能傳輸技術(shù)的出現(xiàn)為改善方案的實現(xiàn)提供了可能。無線供電)6wieleSSPoweiSupply,6PS）技術(shù)通過電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)了電氣設(shè)備的無線供電,因此,該技術(shù)在煤礦井下、水下、無人化工作場所、電動汽車無線充電等領(lǐng)域逐步有著廣泛的應(yīng)用。

對于礦井中的易燃易爆環(huán)境,德國、英國和澳大利亞等國家先后制定了自己的防爆安全標準,我國也在2.1.年制定了最新的防爆安全標準,但是將無線電能傳輸技術(shù)和這一標準對接起來的研究還很少。文獻針對無線供電系統(tǒng)通過高頻強電磁耦合實現(xiàn)電能無線傳輸工作模式的特殊性,為保證無線供電系統(tǒng)在煤礦井下的安全應(yīng)用,從無線供電系統(tǒng)磁場輻射能量方面出發(fā),分析無線電能傳輸系統(tǒng)磁場導致瓦斯爆炸的機理,包括無線供電系統(tǒng)電磁耦合機構(gòu)磁場能量分析方法,電磁場輻射能量計算方法,并對系統(tǒng)的磁能安全容量限制條件進行分析研究,進而指導系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計,以實現(xiàn)無線電能傳輸系統(tǒng)在高瓦斯礦井中的安全應(yīng)用。

文獻針對傳統(tǒng)的無線供電系統(tǒng)的缺點,在綜合考慮瓦斯粉塵對用電安全的影響基礎(chǔ)上,提出了一種煤礦井下電氣設(shè)備無線供電系統(tǒng),并給出了一種高瓦斯粉塵環(huán)境下考慮粉塵導電性的無線電能傳輸系統(tǒng)全互感模型建模方法,通過與純互感耦合模型阻抗模型頻率特性進行對比分析,得出了全互感模型下系統(tǒng)的阻抗特性與理想的純互感模型的區(qū)別,提高了模型建模的精確性,并得出了系統(tǒng)最優(yōu)化諧振頻率計算方法,最后通過仿真和實驗驗證了理論分析方法的正確性。

文獻提出了一種新型的井下用電設(shè)備無線充電系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理,通過系統(tǒng)建模,對系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。

文獻針對煤礦井下絞車供電問題,設(shè)計了一種長距離自動巡檢絞車無線供電系統(tǒng),重點介紹了該系統(tǒng)的無線供電模式,并通過理論分析得出系統(tǒng)的輸出功率、輸出效率隨原邊線圈內(nèi)阻的增大而減小,隨逆變器開關(guān)頻率的增大而增加的結(jié)論:根據(jù)該結(jié)論及井下絞車長距離導軌的實際情況,設(shè)計了分段供電模式。最后通過仿真與實驗驗證了該系統(tǒng)的可行性。

煤礦井下電氣設(shè)備工作環(huán)境多變,電氣設(shè)備供電方式多樣,本文主要針對井下照明設(shè)備接觸式供電的不足,研究一種煤礦井下長距離無線照明系統(tǒng),改善現(xiàn)有有線照明技術(shù)的缺陷與不便,以構(gòu)建安全可靠、高效靈活的井下照明設(shè)備無線供電系統(tǒng)。

1煤礦井下無線照明系統(tǒng)工作原理

本文提出的煤礦井下無線照明系統(tǒng),其工作示意圖如圖1所示。

圖1井下無線照明系統(tǒng)示意圖

電源轉(zhuǎn)換裝置安裝在巷道內(nèi),其輸入端接電網(wǎng),輸出端僅連接線圈回路,線圈導線經(jīng)過巷道一側(cè)墻壁,再經(jīng)過巷道頂部到巷道另一側(cè)墻壁,最后經(jīng)過巷道地面回到電源轉(zhuǎn)換裝置,形成閉合回路。照明燈回路安裝在上述線圈附近,與線圈沒有電氣連接,僅僅通過磁場進行能量傳遞,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,照明燈回路中將被激發(fā)出高頻交流電,整流后作為直流電源供給照明燈,照明燈均勻分布在巷道兩側(cè)墻壁上。照明回路和電源線圈電氣隔離,安全性更高,而且方便維修。

無線照明系統(tǒng)工作原理框圖如圖2所示。

井下無線照明系統(tǒng)的基本原理:通過整流裝置將220V的工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?芯片發(fā)出PWM波經(jīng)驅(qū)動電路后控制逆變裝置將直流電轉(zhuǎn)化為高頻交流電,高頻交流電流經(jīng)原邊補償網(wǎng)絡(luò)、能量發(fā)射線圈時向外界發(fā)射電磁能量,在電磁感應(yīng)原理的作用下,能量接收線圈便產(chǎn)生相應(yīng)頻率的感應(yīng)電流,經(jīng)過整流濾波裝置將高頻交流電整流為直流電,供給照明設(shè)備,通過對系統(tǒng)補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計可保證輸出電壓在負載動態(tài)變化時恒定不變。

2系統(tǒng)高頻逆變電路拓撲設(shè)計

井下無線照明系統(tǒng)在能量傳遞的初級,即耦合機構(gòu)原邊需要設(shè)置一個逆變器,將輸入的工頻交流電能變換成可以經(jīng)耦合機構(gòu)進行能量傳遞的高頻交流電能。各種能量逆變器的形式按所用開關(guān)管的數(shù)量可分為單管、雙管或多管。

使用單管構(gòu)成的原邊逆變器一般用于功率比較小的場合,使用單管的變換器最為經(jīng)濟,但同時功率應(yīng)用范圍一般也只從幾十毫瓦達到幾十瓦。在一般的中小功率應(yīng)用中,使用電壓型半橋或全橋逆變電路較為常見,半橋逆變電路通常可以做到上百瓦,而全橋逆變電路在各種功率級別均有應(yīng)用。結(jié)合體積和系統(tǒng)實現(xiàn)特性考慮,本文逆變電路選擇為單相電壓型全橋逆變電路,如圖3所示。

3系統(tǒng)補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

為保證無線電能傳輸系統(tǒng)的功率傳輸能力和效率,減少系統(tǒng)的無功功率容量,需要對原副邊線圈的電感進行補償。根據(jù)補償方式的不同,同時考慮各種補償結(jié)構(gòu)在負載動態(tài)變化下的穩(wěn)壓能力,本文采用LCL/S補償網(wǎng)絡(luò)。這種補償網(wǎng)絡(luò)在負載動態(tài)變化時可實現(xiàn)系統(tǒng)原邊線圈電流恒定、負載端穩(wěn)壓輸出并保證工作頻率穩(wěn)定。LCL/S諧振補償拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中,uin是等效高頻輸入電壓:11是發(fā)射側(cè)諧振補償電感的電感值:Lp是發(fā)射線圈電感值:LS是接收線圈電感值:M是發(fā)射側(cè)與接收側(cè)線圈的互感值:Cp是發(fā)射側(cè)并聯(lián)諧振補償電容的電容值:CS是接收側(cè)串聯(lián)補償電容的電容值:Rp是發(fā)射線圈的內(nèi)阻:RS是接收線圈的內(nèi)阻:RL是負載電阻值。

4耦合機構(gòu)設(shè)計

4.1磁路耦合機構(gòu)選型

根據(jù)井下照明設(shè)備無線供電實際應(yīng)用需求,選擇長導軌耦合方式,將原邊線圈布置在巷道頂部,經(jīng)過巷道左右側(cè)形成閉合回路,如圖l所示。耦合機構(gòu)原邊是單根直導線,副邊是矩形線圈,線圈匝數(shù)將根據(jù)系統(tǒng)的具體工作性質(zhì)進行確定,不使用磁芯材料。此種耦合機構(gòu)傳輸功率雖不大,但可以滿足照明等功率較小負載的供電要求,而且傳輸距離較近,有一定的抗偏移能力,如圖5所示。

在對井下照明設(shè)備無線供電系統(tǒng)磁路耦合機構(gòu)進行設(shè)計時,要對電感值及互感值盡可能準確地計算,研究影響磁路機構(gòu)對原邊線圈自感Lp、副邊線圈自感LS和互感M等參數(shù)的影響機理,通過對磁場回路的形狀和幾何尺寸、周圍介質(zhì)的磁導率以及導線匝數(shù)和電流在導線截面上的分布進行分析,優(yōu)化磁路耦合機構(gòu)。

4.2發(fā)射及接收線圈繞線材料選擇

為了保證無線電能傳輸系統(tǒng)的副邊能量拾取結(jié)構(gòu)的靈活移動,電磁機構(gòu)的原邊能量發(fā)射部分必須具有較長的線圈繞組,在高頻電路中,隨著頻率的增加,高頻電流在線圈中流通產(chǎn)生高頻效應(yīng),加之有其他寄生電感、電容等的影響,將大大損害電路性能,降低效率。

當繞組中通過高頻電流時,由于分布電感的作用,產(chǎn)生集膚效應(yīng)。研究表明,高頻電流的集膚效應(yīng)意味著導線的有效截面積減小,工作頻率越高,交變電流的實際電阻也越大,因此,在選擇電流密度和導線的直徑時,應(yīng)充分考慮到高頻集膚效應(yīng)引起的銅線實際有效截面積減小量。

式中,o是角頻率:y是銅線的導磁率:u是銅線的電導率。

在高頻狀態(tài)下,由鄰近導體電流產(chǎn)生的渦流可以看作是鄰近效應(yīng)。集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的存在都對無線電能傳輸系統(tǒng)的整體性能有著不可忽視的影響。因此,采用截面之和等于單導線的多根較細導線絞合可以有效減少集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響。

5系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

5.1LCL電路特性分析

LCL電路圖如圖6所示,uin為輸入電壓,iin為輸入電流,La為補償電感、L為原邊線圈電感,C為諧振電容,R為負載等效到原邊的電阻,iL為原邊線圈電流。

定義下列變量:

工作角頻率:

固有諧振角頻率:

歸一化角頻率:

兩個電感之比:

品質(zhì)因數(shù):

結(jié)合圖6,可求得LCL電路的輸入阻抗,如式(7）所示:

進而,可求得輸入電流,如式(8）所示:

可得電容電壓Uc,如式(9）所示:

進而,可得原邊線圈電流IL,如式(10）所示:

故電路輸出電壓U0,如式(11）所示:

由式(4）和式(10）可知,當Оn=1,A=1時,有:

從公式(12）可知,電路具有恒流輸出特性:從公式(13）可知,LCL的輸入阻抗為純阻性,在負載變化時,可保持諧振狀態(tài)。

如果將LCL作為原邊諧振補償拓撲,可得到電流恒定的電能發(fā)射線圈。圖7是磁路機構(gòu)示意圖,當互感皿值確定后,可得副邊感應(yīng)電壓US,如公式(14）所示。

由式(14）可知,當互感皿、線圈電流Ip恒定時,副邊線圈的感應(yīng)電壓為恒定值。

5.2LCL/S諧振補償電路分

當副邊諧振補償拓撲為串聯(lián)補償時,電路圖如圖8所示。

由式(11）和式(14）可得:

由式(15）可看出,當參數(shù)確定后,LCL/S具有恒壓輸出特性,與負載大小無關(guān):且在負載變化時,系統(tǒng)可保持諧振狀態(tài)。

6仿真與實驗

根據(jù)表1設(shè)計參數(shù),搭建仿真電路。圖9為逆變器的輸出電壓電流波形圖,可得系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)。

圖10為系統(tǒng)電容電壓波形,電容兩端電壓大小合理,驗證了參數(shù)設(shè)計的合理性。

圖11為系統(tǒng)輸出電壓電流波形圖,從圖中可看出電流電壓紋波較小。

當諧振補償拓撲為LCL/S時,在0.06S,0.1S,0.14S處切換電阻,阻值依次為1000、500、330及250。電壓波形如圖12所示,電阻切換前后系統(tǒng)輸出電壓幾乎保持不變,在電阻切換時出現(xiàn)電壓震蕩,電壓短時間內(nèi)穩(wěn)定在某一固定值,動力電池充電時,可認為其等效內(nèi)阻是無級平滑變化,所以不會產(chǎn)生圖中所示的震蕩。

圖13是實驗中逆變器輸出電壓、電流波形圖,當系統(tǒng)諧振補償拓撲為LCL/S時,系統(tǒng)均處于諧振狀態(tài)。逆變器輸出電流有一定畸變,此現(xiàn)象為LCL電路固有特性,不影響原邊線圈電流質(zhì)量。此處采集的波形不在額定功率下,僅為驗證系統(tǒng)的諧振狀態(tài)。

圖14為原邊線圈電流波形圖,可看出電流畸變率很小,波形質(zhì)量高。

圖15為系統(tǒng)的輸出電壓、輸出電流波形圖,可看出,輸出電壓電流紋波非常小。

7結(jié)語

本文針對礦井下照明設(shè)備采用的有線接觸式供電方法存在的不足,提出了一種安全、低成本、高效、高可靠性無線照明系統(tǒng),介紹了該設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和模型,并對其進行了理論與實驗驗證,從總體上推進了該技術(shù)在煤炭行業(yè)的實用化進程。