無線電能傳輸技術(shù)在煤礦井下照明系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

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(yùn)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(shí)現(xiàn)提供了可能。無線供電(wirelessPowersupply,wPs)技術(shù)通過電磁感應(yīng)原理實(shí)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(biāo)準(zhǔn),我國也在2010年制定了最新的防爆安全標(biāo)準(zhǔn),但是將無線電能傳輸技術(shù)和這一標(biāo)準(zhǔn)對接起來的研究還很少。文獻(xiàn)針對無線供電系統(tǒng)通過高頻強(qiáng)電磁耦合實(shí)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(dǎo)致瓦斯爆炸的機(jī)理,包括無線供電系統(tǒng)電磁耦合機(jī)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(jìn)行分析研究,進(jìn)而指導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計,以實(shí)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(xiàn)針對傳統(tǒng)的無線供電系統(tǒng)的缺點(diǎn),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(dǎo)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(jìn)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(shí)驗驗證了理論分析方法的正確性。

文獻(xiàn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理,通過系統(tǒng)建模,對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

文獻(xiàn)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(diǎn)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(dǎo)軌的實(shí)際情況,設(shè)計了分段供電模式。最后通過仿真與實(shí)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(dǎo)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(jìn)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(bǔ)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計可保證輸出電壓在負(fù)載動態(tài)變化時恒定不變。

2系統(tǒng)高頻逆變電路拓?fù)湓O(shè)計

井下無線照明系統(tǒng)在能量傳遞的初級,即耦合機(jī)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(jī)構(gòu)進(jìn)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(jì),但同時功率應(yīng)用范圍一般也只從幾十毫瓦達(dá)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(shí)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(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)補(bǔ)償方式的不同,同時考慮各種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)在負(fù)載動態(tài)變化下的穩(wěn)壓能力,本文采用LCL/s補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。這種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在負(fù)載動態(tài)變化時可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原邊線圈電流恒定、負(fù)載端穩(wěn)壓輸出并保證工作頻率穩(wěn)定。LCL/s諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中,uin是等效高頻輸入電壓:L1是發(fā)射側(cè)諧振補(bǔ)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(bǔ)償電容的電容值:Cs是接收側(cè)串聯(lián)補(bǔ)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(fù)載電阻值。

4耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計

4.1磁路耦合機(jī)構(gòu)選型

根據(jù)井下照明設(shè)備無線供電實(shí)際應(yīng)用需求,選擇長導(dǎo)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1所示。耦合機(jī)構(gòu)原邊是單根直導(dǎo)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(jìn)行確定,不使用磁芯材料。此種耦合機(jī)構(gòu)傳輸功率雖不大,但可以滿足照明等功率較小負(fù)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(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時,要對電感值及互感值盡可能準(zhǔn)確地計算,研究影響磁路機(jī)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(jī)理,通過對磁場回路的形狀和幾何尺寸、周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率以及導(dǎo)線匝數(shù)和電流在導(dǎo)線截面上的分布進(jìn)行分析,優(yōu)化磁路耦合機(jī)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(jī)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(dāng)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(dǎo)線的有效截面積減小,工作頻率越高,交變電流的實(shí)際電阻也越大,因此,在選擇電流密度和導(dǎo)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(shí)際有效截面積減小量。

式中,o是角頻率:y是銅線的導(dǎo)磁率:μ是銅線的電導(dǎo)率。

在高頻狀態(tài)下,由鄰近導(dǎo)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(dǎo)線的多根較細(xì)導(dǎo)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(bǔ)償電感、L為原邊線圈電感,C為諧振電容,R為負(fù)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(jìn)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(jìn)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(dāng)wn=1,入=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(fù)載變化時,可保持諧振狀態(tài)。

如果將LCL作為原邊諧振補(bǔ)償拓?fù)?可得到電流恒定的電能發(fā)射線圈。圖7是磁路機(jī)構(gòu)示意圖,當(dāng)互感M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(dāng)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(bǔ)償電路分析

當(dāng)副邊諧振補(bǔ)償拓?fù)錇榇?lián)補(bǔ)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(dāng)參數(shù)確定后,LCL/s具有恒壓輸出特性,與負(fù)載大小無關(guān):且在負(fù)載變化時,系統(tǒng)可保持諧振狀態(tài)。

6仿真與實(shí)驗

根據(jù)表l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(dāng)諧振補(bǔ)償拓?fù)錇長CL/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(rèn)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(shí)驗中逆變器輸出電壓、電流波形圖,當(dāng)系統(tǒng)諧振補(bǔ)償拓?fù)錇長CL/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(jìn)行了理論與實(shí)驗驗證,從總體上推進(jìn)了該技術(shù)在煤炭行業(yè)的實(shí)用化進(jìn)程。