發布日期：2022-04-20 點擊率：48
引言
礦產資源是關乎國計民生的國家戰略資源,礦產資源的安全開采是工業發展的根本基礎之一。井下照明設備的安全運行起著至關重要的作用,但目前井下照明設備采用的有線接觸式供電方法存在接觸不良、礦井環境易燃易爆、檢修安裝麻煩等安全隱患,因此對井下照明設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的出現為改善方案的實現提供了可能。無線供電)6wieleSSPoweiSupply,6PS）技術通過電磁感應原理實現了電氣設備的無線供電,因此,該技術在煤礦井下、水下、無人化工作場所、電動汽車無線充電等領域逐步有著廣泛的應用。
對于礦井中的易燃易爆環境,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通過高頻強電磁耦合實現電能無線傳輸工作模式的特殊性,為保證無線供電系統在煤礦井下的安全應用,從無線供電系統磁場輻射能量方面出發,分析無線電能傳輸系統磁場導致瓦斯爆炸的機理,包括無線供電系統電磁耦合機構磁場能量分析方法,電磁場輻射能量計算方法,并對系統的磁能安全容量限制條件進行分析研究,進而指導系統參數的優化設計,以實現無線電能傳輸系統在高瓦斯礦井中的安全應用。
文獻針對傳統的無線供電系統的缺點,在綜合考慮瓦斯粉塵對用電安全的影響基礎上,提出了一種煤礦井下電氣設備無線供電系統,并給出了一種高瓦斯粉塵環境下考慮粉塵導電性的無線電能傳輸系統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的阻抗特性與理想的純互感模型的區別,提高了模型建模的精確性,并得出了系統最優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備無線充電系統,介紹了系統的拓撲結構和工作原理,通過系統建模,對系統進行了優化設計。
文獻針對煤礦井下絞車供電問題,設計了一種長距離自動巡檢絞車無線供電系統,重點介紹了該系統的無線供電模式,并通過理論分析得出系統的輸出功率、輸出效率隨原邊線圈內阻的增大而減小,隨逆變器開關頻率的增大而增加的結論:根據該結論及井下絞車長距離導軌的實際情況,設計了分段供電模式。最后通過仿真與實驗驗證了該系統的可行性。
煤礦井下電氣設備工作環境多變,電氣設備供電方式多樣,本文主要針對井下照明設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,改善現有有線照明技術的缺陷與不便,以構建安全可靠、高效靈活的井下照明設備無線供電系統。
1煤礦井下無線照明系統工作原理
本文提出的煤礦井下無線照明系統,其工作示意圖如圖1所示。
圖1井下無線照明系統示意圖
電源轉換裝置安裝在巷道內,其輸入端接電網,輸出端僅連接線圈回路,線圈導線經過巷道一側墻壁,再經過巷道頂部到巷道另一側墻壁,最后經過巷道地面回到電源轉換裝置,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,根據電磁感應原理,照明燈回路中將被激發出高頻交流電,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。
無線照明系統工作原理框圖如圖2所示。
井下無線照明系統的基本原理:通過整流裝置將220V的工頻交流電轉變為直流電,芯片發出PWM波經驅動電路后控制逆變裝置將直流電轉化為高頻交流電,高頻交流電流經原邊補償網絡、能量發射線圈時向外界發射電磁能量,在電磁感應原理的作用下,能量接收線圈便產生相應頻率的感應電流,經過整流濾波裝置將高頻交流電整流為直流電,供給照明設備,通過對系統補償網絡的設計可保證輸出電壓在負載動態變化時恒定不變。
2系統高頻逆變電路拓撲設計
井下無線照明系統在能量傳遞的初級,即耦合機構原邊需要設置一個逆變器,將輸入的工頻交流電能變換成可以經耦合機構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管的數量可分為單管、雙管或多管。
使用單管構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濟,但同時功率應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用。結合體積和系統實現特性考慮,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系統補償網絡的設計
為保證無線電能傳輸系統的功率傳輸能力和效率,減少系統的無功功率容量,需要對原副邊線圈的電感進行補償。根據補償方式的不同,同時考慮各種補償結構在負載動態變化下的穩壓能力,本文采用LCL/S補償網絡。這種補償網絡在負載動態變化時可實現系統原邊線圈電流恒定、負載端穩壓輸出并保證工作頻率穩定。LCL/S諧振補償拓撲結構如圖4所示。
其中,uin是等效高頻輸入電壓:11是發射側諧振補償電感的電感值:Lp是發射線圈電感值:LS是接收線圈電感值:M是發射側與接收側線圈的互感值:Cp是發射側并聯諧振補償電容的電容值:CS是接收側串聯補償電容的電容值:Rp是發射線圈的內阻:RS是接收線圈的內阻:RL是負載電阻值。
4耦合機構設計
4.1磁路耦合機構選型
根據井下照明設備無線供電實際應用需求,選擇長導軌耦合方式,將原邊線圈布置在巷道頂部,經過巷道左右側形成閉合回路,如圖l所示。耦合機構原邊是單根直導線,副邊是矩形線圈,線圈匝數將根據系統的具體工作性質進行確定,不使用磁芯材料。此種耦合機構傳輸功率雖不大,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。
在對井下照明設備無線供電系統磁路耦合機構進行設計時,要對電感值及互感值盡可能準確地計算,研究影響磁路機構對原邊線圈自感Lp、副邊線圈自感LS和互感M等參數的影響機理,通過對磁場回路的形狀和幾何尺寸、周圍介質的磁導率以及導線匝數和電流在導線截面上的分布進行分析,優化磁路耦合機構。
4.2發射及接收線圈繞線材料選擇
為了保證無線電能傳輸系統的副邊能量拾取結構的靈活移動,電磁機構的原邊能量發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生高頻效應,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,產生集膚效應。研究表明,高頻電流的集膚效應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,應充分考慮到高頻集膚效應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。
在高頻狀態下,由鄰近導體電流產生的渦流可以看作是鄰近效應。集膚效應和鄰近效應的存在都對無線電能傳輸系統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和鄰近效應的影響。
5系統參數設計
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:
品質因數:
結合圖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。
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射線圈。圖7是磁路機構示意圖,當互感皿值確定后,可得副邊感應電壓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,當參數確定后,LCL/S具有恒壓輸出特性,與負載大小無關:且在負載變化時,系統可保持諧振狀態。
6仿真與實驗
根據表1設計參數,搭建仿真電路。圖9為逆變器的輸出電壓電流波形圖,可得系統處于諧振狀態。
圖10為系統電容電壓波形,電容兩端電壓大小合理,驗證了參數設計的合理性。
圖11為系統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,電阻切換前后系統輸出電壓幾乎保持不變,在電阻切換時出現電壓震蕩,電壓短時間內穩定在某一固定值,動力電池充電時,可認為其等效內阻是無級平滑變化,所以不會產生圖中所示的震蕩。
圖13是實驗中逆變器輸出電壓、電流波形圖,當系統諧振補償拓撲為LCL/S時,系統均處于諧振狀態。逆變器輸出電流有一定畸變,此現象為LCL電路固有特性,不影響原邊線圈電流質量。此處采集的波形不在額定功率下,僅為驗證系統的諧振狀態。
圖14為原邊線圈電流波形圖,可看出電流畸變率很小,波形質量高。
圖15為系統的輸出電壓、輸出電流波形圖,可看出,輸出電壓電流紋波非常小。
7結語
本文針對礦井下照明設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,介紹了該設計系統的結構和模型,并對其進行了理論與實驗驗證,從總體上推進了該技術在煤炭行業的實用化進程。
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