礦用罐籠電氣設(shè)備感應(yīng)無(wú)線充電系統(tǒng)研究

謝周武，張玉平，賈仁海，楊 波，夏晨陽(yáng)，賈毅超

（1.江西銅業(yè)集團(tuán)武山銅礦，江西 瑞昌 332204；2 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116）

礦井提升機(jī)一般用作提升人員、礦石、設(shè)備、材料等。罐籠是礦山副井提升機(jī)系統(tǒng)的主要組成部分，通過(guò)對(duì)罐籠狀態(tài)的檢測(cè)，能真實(shí)反映提升機(jī)的工作情況，罐籠檢測(cè)設(shè)備對(duì)罐籠的安全運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用，但目前罐籠檢測(cè)設(shè)備采用的電池供電方法存在充電頻繁，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不夠智能等不足，因此對(duì)罐籠檢測(cè)設(shè)備供電方式的安全改良勢(shì)在必行。新型無(wú)線電能傳輸(WPT)技術(shù)的出現(xiàn)為改善罐籠供電方式提供了新的可能[1,2]。

本系統(tǒng)為解決在罐籠中的卡罐檢測(cè)裝置在更換電池時(shí)需要停罐，作業(yè)困難等問(wèn)題，使用無(wú)線方式來(lái)對(duì)卡罐檢測(cè)裝置進(jìn)行供電的優(yōu)點(diǎn)在于：①可以在罐籠提升到井口時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電，不用刻意停罐，無(wú)需更換電池：②充電可靠性更高，不需要拖出額外的電纜線來(lái)給電池充電，降低了風(fēng)險(xiǎn)。

本項(xiàng)目針對(duì)罐籠卡罐檢測(cè)設(shè)備純電池方式供電的不足，提出并研究有效的解決方案，用以構(gòu)建安全可靠、高效靈活地罐籠通訊設(shè)備非接觸式供電系統(tǒng)[3]。

1 罐籠電氣設(shè)備電池?zé)o線充電原理

本文提出的罐籠電氣設(shè)備電池?zé)o線充電系統(tǒng)如圖1所示。

其工作方式為：當(dāng)罐籠運(yùn)動(dòng)到井口處，處于停止運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，無(wú)線充電系統(tǒng)開(kāi)始工作，通過(guò)兩線圈之間的高度耦合，實(shí)現(xiàn)電池的快速充電并提供電能給電氣設(shè)備；當(dāng)罐籠離開(kāi)之后，由電池獨(dú)自給電氣設(shè)備供電，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)電池容量，充電方式等，保證電池持續(xù)有電，實(shí)現(xiàn)電池?zé)o人化管理充電。

其安裝方式為：高頻逆變器和補(bǔ)償裝置固定安裝在井口處，能量發(fā)射線圈安裝在井口的井架上，能量接收線圈安裝在罐籠的外側(cè)，補(bǔ)償裝置、充電器、電池及電氣設(shè)備安裝在罐籠內(nèi)部[4]。當(dāng)罐籠停靠在井口時(shí)，要保證能量發(fā)射線圈和能量接收線圈處于基本正對(duì)位置，從而保證兩線圈之間的高度耦合，能量發(fā)射線圈與能量接收線圈電氣隔離，基于電磁場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)高效無(wú)線電能傳輸。

圖1 罐籠電氣設(shè)備電池?zé)o線充電系統(tǒng)工作示意圖

1.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，WPT系統(tǒng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)主要包括SS、SP、PS、PP以及LCL型等，LCL-S型WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于實(shí)際中罐籠無(wú)法精準(zhǔn)?？?，為實(shí)現(xiàn)偏移有效充電，采用DD型磁路耦合結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 磁路耦合機(jī)構(gòu)

在無(wú)線供電系統(tǒng)磁路耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)電感值及互感值盡可能準(zhǔn)確地計(jì)算，通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)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)。

1.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

圖2所示系統(tǒng)的等效電路如圖4所示。其中，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)載等效到原邊電阻，iL為原邊線圈電流。

圖4 LCL-S電路圖

固有諧振角頻率：

歸一化角頻率：

兩個(gè)電感之比：

3.3 保肢失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn) 目前普遍使用的MESS評(píng)分系統(tǒng)將評(píng)分大于7分作為截肢的指征[6]。戰(zhàn)杰等[7]分析59例(61肢)保肢治療效果后認(rèn)為，MESS評(píng)分7～9分的嚴(yán)重創(chuàng)傷肢體也可試行保肢，保肢成功率達(dá)68.3%。國(guó)外學(xué)者認(rèn)為嚴(yán)重肢體損傷選擇保肢還是截肢，不能完全依賴評(píng)分系統(tǒng)，應(yīng)綜合考慮創(chuàng)傷、患者及醫(yī)師3個(gè)方面因素，避免盲目保肢[8]。

品質(zhì)因數(shù)：

結(jié)合圖4，可求得LCL電路的輸入阻抗為

進(jìn)而，可求得輸入電流為

電容電壓Uc為。

原邊線圈電流Ip為

電路輸出電壓U0為：

當(dāng)ωn=1，λ=1時(shí)，有：

根據(jù)互感耦合原理，可求得輸出電壓為：

由式（8）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(wú)關(guān)；且在負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)可保持諧振狀態(tài)。

2 仿真與實(shí)驗(yàn)

本無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于是給罐籠中的卡罐檢測(cè)裝置中的鉛酸蓄電池充電，考慮到礦上的實(shí)際情況，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為，輸入電壓Edc為48V,輸出電壓Uo為13V,輸出功率Po為26W,原副邊距離D為20(±1)cm，橫向偏移Δd為20cm。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，電源電路采用全橋式逆變電路，選用ROHM公司的SCT2080KE型號(hào)的MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)管。

根據(jù)理論計(jì)算，原副邊線圈均采用了DD型結(jié)構(gòu)，使用2.2mm線徑的利茲線繞制而成，系統(tǒng)磁路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 原副邊線圈

副邊拾取電壓在經(jīng)過(guò)整流濾波后并不能直接給蓄電池充電，還必須通過(guò)DC/DC電路穩(wěn)壓后才能使用，采用buck-boost電路作為穩(wěn)壓充電電路，其輸入范圍是8-36V，輸出13.8V。

圖6 WPT系統(tǒng)關(guān)鍵電壓電流波形

由于實(shí)際礦上提供的電源為36V/50Hz，因此需要使用變壓器把36V調(diào)整為220V/50Hz，然后220V輸入48V開(kāi)關(guān)電源作為直流輸入電壓，同時(shí)輸入驅(qū)動(dòng)板上的220VAC轉(zhuǎn)15VDC的電源模塊作為開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電源，系統(tǒng)逆變器的輸出電壓及原邊線圈電流波形和系統(tǒng)的輸出電壓、輸出電流波形如圖6所示。

從圖6中可以看出，逆變器的輸出電流畸變率很小，輸出電壓電流穩(wěn)定，紋波非常小。

3 結(jié)論

本文針對(duì)礦井提升機(jī)罐籠內(nèi)卡罐檢測(cè)設(shè)備現(xiàn)有電池供電存在的不足，提出一種安全、低成本、高效、高可靠性的電氣設(shè)備電池?zé)o線充電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模型，并進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了較好效果，系統(tǒng)已在江西武山銅礦北副井投入實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)行效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。