无线电能传输技术在煤矿井下照明系统中的应用研究

摘

要：无线电能传输技术由于有效克服了拖线、滑动取电、电池供电等一系列传统供电方法的不足，使得该技术在煤矿下得到广泛应用，能有效减少由于电气接触产生电火花而带来的安全隐患，从而提高矿业生产的安全性。现针对矿井下照明设备采用的有线接触式供电方法存在的不足，提出了一种安全、低成本、高效、高可靠性的无线照明系统，介绍了其设计系统结构和模型，并进行了理论与实验验证，从总体上推进了该技术在煤炭行业的实用化进程。关键词：煤矿；无线电能传输；照明

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引言矿产资源是关乎国计民生的国家战略资源，矿产资源的安全开采是工业发展的根本基础之一。井下照明设备的安全运行起着至关重要的作用，但目前井下照明设备采用的有线接触式供电方法存在接触不良、矿井环境易燃易爆、检修安装麻烦等安全隐患，因此对井下照明设备供电方式的安全改良势在必行。而新型无线电能传输技术的出现为改善方案的实现提供了可能。无线供电（WirelessPowerSupply，WPS）技术通过电磁感应原理实现了电气设备的无线供电，因此，该技术在煤矿井下、水下、无人化工作场所、电动汽车无线充电等领域逐步有着广泛的应用。对于矿井中的易燃易爆环境，德国、英国和澳大利亚等国家先后制定了自己的防爆安全标准，我国也在2010年制定了最新的防爆安全标准，但是将无线电能传输技术和这一标准对接起来的研究还很少。文献针对无线供电系统通过高频强电磁耦合实现电能无线传输工作模式的特殊性，为保证无线供电系统在煤矿井下的安全应用，从无线供电系统磁场辐射能量方面出发，分析无线电能传输系统磁场导致瓦斯爆炸的机理，包括无线供电系统电磁耦合机构磁场能量分析方法，电磁场辐射能量计算方法，并对系统的磁能安全容量限制条件进行分析研究，进而指导系统参数的优化设计，以实现无线电能传输系统在高瓦斯矿井中的安全应用。针对传统的无线供电系统的缺点，在综合考虑瓦斯粉尘对用电安全的影响基础上，提出了一种煤矿井下电气设备无线供电系统，并给出了一种高瓦斯粉尘环境下考虑粉尘导电性的无线电能传输系统全互感模型建模方法，通过与纯互感耦合模型阻抗模型频率特性进行对比分析，得出了全互感模型下系统的阻抗特性与理想的纯互感模型的区别，提高了模型建模的精确性，并得出了系统最优化谐振频率计算方法，最后通过仿真和实验验证了理论分析方法的正确性。提出了一种新型的井下用电设备无线充电系统，介绍了系统的拓扑结构和工作原理，通过系统建模，对系统进行了优化设计。针对煤矿井下绞车供电问题，设计了一种长距离自动巡检绞车无线供电系统，重点介绍了该系统的无线供电模式，并通过理论分析得出系统的输出功率、输出效率随原边线圈内阻的增大而减小，随逆变器开关频率的增大而增加的结论；根据该结论及井下绞车长距离导轨的实际情况，设计了分段供电模式。最后通过仿真与实验验证了该系统的可行性。煤矿井下电气设备工作环境多变，电气设备供电方式多样，本文主要针对井下照明设备接触式供电的不足，研究一种煤矿井下长距离无线照明系统，改善现有有线照明技术的缺陷与不便，以构建安全可靠、高效灵活的井下照明设备无线供电系统。1

煤矿井下无线照明系统工作原理本文提出的煤矿井下无线照明系统，其工作示意图如图1所示。电源转换装置安装在巷道内，其输入端接电网，输出端仅连接线圈回路，线圈导线经过巷道一侧墙壁，再经过巷道顶部到巷道另一侧墙壁，最后经过巷道地面回到电源转换装置，形成闭合回路。照明灯回路安装在上述线圈附近，与线圈没有电气连接，仅仅通过磁场进行能量传递，根据电磁感应原理，照明灯回路中将被激发出高频交流电，整流后作为直流电源供给照明灯，照明灯均匀分布在巷道两侧墙壁上。照明回路和电源线圈电气隔离，安全性更高，而且方便维修。无线照明系统工作原理框图如图2所示。井下无线照明系统的基本原理：通过整流装置将220

V的工频交流电转变为直流电，芯片发出PWM波经驱动电路后控制逆变装置将直流电转化为高频交流电，高频交流电流经原边补偿网络、能量发射线圈时向外界发射电磁能量，在电磁感应原理的作用下，能量接收线圈便产生相应频率的感应电流，经过整流滤波装置将高频交流电整流为直流电，供给照明设备，通过对系统补偿网络的设计可保证输出电压在负载动态变化时恒定不变。2

系统高频逆变电路拓扑设计井下无线照明系统在能量传递的初级，即耦合机构原边需要设置一个逆变器，将输入的工频交流电能变换成可以经耦合机构进行能量传递的高频交流电能。各种能量逆变器的形式按所用开关管的数量可分为单管、双管或多管。使用单管构成的原边逆变器一般用于功率比较小的场合，使用单管的变换器最为经济，但同时功率应用范围一般也只从几十毫瓦达到几十瓦。在一般的中小功率应用中，使用电压型半桥或全桥逆变电路较为常见，半桥逆变电路通常可以做到上百瓦，而全桥逆变电路在各种功率级别均有应用。结合体积和系统实现特性考虑，本文逆变电路选择为单相电压型全桥逆变电路，如图3所示。3

系统补偿网络的设计为保证无线电能传输系统的功率传输能力和效率，减少系统的无功功率容量，需要对原副边线圈的电感进行补偿。根据补偿方式的不同，同时考虑各种补偿结构在负载动态变化下的稳压能力，本文采用LCL/S补偿网络。这种补偿网络在负载动态变化时可实现系统原边线圈电流恒定、负载端稳压输出并保证工作频率稳定。LCL/S谐振补偿拓扑结构如图4所示。其中，uin是等效高频输入电压；L1是发射侧谐振补偿电感的电感值；Lp是发射线圈电感值；Ls是接收线圈电感值；M是发射侧与接收侧线圈的互感值；Cp是发射侧并联谐振补偿电容的电容值；Cs是接收侧串联补偿电容的电容值；Rp是发射线圈的内阻；Rs是接收线圈的内阻；RL是负载电阻值。4

耦合机构设计4.1

磁路耦合机构选型根据井下照明设备无线供电实际应用需求，选择长导轨耦合方式，将原边线圈布置在巷道顶部，经过巷道左右侧形成闭合回路，如图1所示。耦合机构原边是单根直导线，副边是矩形线圈，线圈匝数将根据系统的具体工作性质进行确定，不使用磁芯材料。此种耦合机构传输功率虽不大，但可以满足照明等功率较小负载的供电要求，而且传输距离较近，有一定的抗偏移能力，如图5所示。在对井下照明设备无线供电系统磁路耦合机构进行设计时，要对电感值及互感值尽可能准确地计算，研究影响磁路机构对原边线圈自感Lp、副边线圈自感Ls和互感M等参数的影响机理，通过对磁场回路的形状和几何尺寸、周围介质的磁导率以及导线匝数和电流在导线截面上的分布进行分析，优化磁路耦合机构。4.2

发射及接收线圈绕线材料选择为了保证无线电能传输系统的副边能量拾取结构的灵活移动，电磁机构的原边能量发射部分必须具有较长的线圈绕组，在高频电路中，随着频率的增加，高频电流在线圈中流通产生高频效应，加之有其他寄生电感、电容等的影响，将大大损害电路性能，降低效率。当绕组中通过高频电流时，由于分布电感的作用，产生集肤效应。研究表明，高频电流的集肤效应意味着导线的有效截面积减小，工作频率越高，交变电流的实际电阻也越大，因此，在选择电流密度和导线的直径时，应充分考虑到高频集肤效应引起的铜线实际有效截面积减小量。

(1)式中，是角频率；是铜线的导磁率；是铜线的电导率。在高频状态下，由邻近导体电流产生的涡流可以看作是邻近效应。集肤效应和邻近效应的存在都对无线电能传输系统的整体性能有着不可忽视的影响。因此，采用截面之和等于单导线的多根较细导线绞合可以有效减少集肤效应和邻近效应的影响。5

系统参数设计5.1

LCL电路特性分析LCL电路图如图6所示，uin为输入电压，iin为输入电流，La为补偿电感、L为原边线圈电感，C为谐振电容，R为负载等效到原边的电阻，iL为原边线圈电流。定义下列变量：工作角频率：

(2)固有谐振角频率：

（3）归一化角频率：

(4)两个电感之比：

(5)品质因数：

(6)结合图6，可求得LCL电路的输入阻抗，如式（7）所示：

(7)进而，可求得输入电流，如式（8）所示：

(8)可得电容电压Uc，如式（9）所示：

(9)进而，可得原边线圈电流IL，如式（10）所示：

(10)故电路输出电压U0，如式（11）所示：

(11)由式（4）和式（10）可知，当时，有

(12)

(13)从公式（12）知，电路具有恒流输出特性；从公式（13）可知，LCL的输入阻抗为纯阻性，在负载变化时，可保持谐振状态。如果将LCL作为原边谐振补偿拓扑，可得到电流恒定的电能发射线圈。图7是磁路机构示意图，当互感Ｍ值确定后，可得副边感应电压Us，如公式（14）所示。

(14)由式（14）可知，当互感M、线圈电流Ip恒定时，副边线圈的感应电压为恒定值。5.2

LCL/S谐振补偿电路分析当副边谐振补偿拓扑为串联补偿时，电路图如图8所示。由式（11）和式（14）可得：

(15)由式（15）可看出，当参数确定后，LCL/S具有恒压输出特性，与负载大小无关；且在负载变化时，系统可保持谐振状态。6

仿真与实验根据表1设计参数，搭建仿真电路。图9为逆变器的输出电压电流波形图，可得系统处于谐振状态。

图10为系统电容电压波形，电容两端电压大小合理，验证了参数设计的合理性。图11为系统输出电压电流波形图，从图中可看出电流电压纹波较小。当谐振补偿拓扑为LCL/S时，在0.06

s，0.1

s，0.14

s处切换电阻，阻值依次为100

Ω、50

Ω、33Ω及25

Ω。电压波形如图12所示，电阻切换前后系统输出电压几乎保持不变，在电阻切换时出现电压震荡，电压短时间内稳定在某一固定值，动力电池充电时，可认为其等效内阻是无级平滑变化，所以不会产生图中所示的震荡。图13是实验中逆变器输出电压、电流波形图，当系统谐振补偿拓扑为LCL/S时，系统均处于谐振状态。逆变器输出电流有一定畸变，此现象为L