礦井自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)小功率無(wú)線充電技術(shù)研究

賈林杰

（潞安集團(tuán)常村煤礦，山西長(zhǎng)治 046000）

0 引言

在煤礦井艱苦的工作環(huán)境中，為了實(shí)現(xiàn)安全、有效、無(wú)環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)，采取了無(wú)線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transmis-sion，WPT），它的工作原理是利用磁場(chǎng)耦合從而把電能從電源側(cè)向負(fù)荷隔空傳輸。煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的使用，減少了工人事故的發(fā)生，為工人營(yíng)造了安全有利的環(huán)境，同時(shí)，對(duì)煤礦生產(chǎn)也能隨時(shí)監(jiān)測(cè)。為了更好地完善煤礦檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)感知與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，安裝了將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電量信號(hào)的設(shè)備，如無(wú)線傳感器、無(wú)線攝像頭等。但是井下煤礦環(huán)境惡劣，易出現(xiàn)難以預(yù)料的情況，而無(wú)線設(shè)備需要蓄電池供電，從而增加了工人維修設(shè)備的工作量。將無(wú)線充電系統(tǒng)能量端安裝在礦井中傳輸機(jī)等設(shè)備上，通過它們的運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電；這種充電方式可以防止在充電時(shí)產(chǎn)生電火花，同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)充電[1]。本文根據(jù)礦井下不一樣的用電方式，提出了與之相適應(yīng)的供電系統(tǒng)，不但能夠恒定地輸出電流，而且還能進(jìn)行一系列的證實(shí)。

1 無(wú)線電傳輸系統(tǒng)組成部分

如圖1所示，傳輸無(wú)線電的重要組成部分有直流電源、高頻逆變器、諧振補(bǔ)償器、原邊線圈、副邊線圈、整流濾波電路以及設(shè)備等。它們各司其職，前4個(gè)器械主要是原電路的重要組成部分，并且也發(fā)射能量；傳輸無(wú)線電的另一部分是設(shè)備的副邊電路，它是提供能量的主力軍，可以將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。電能的主要來源方式是直流電源，平常電能可以從蓄電池中直接使用或者從電流電波中經(jīng)過轉(zhuǎn)換從而進(jìn)行使用。而系統(tǒng)的前半部分可以將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，若轉(zhuǎn)換的頻率越高，線圈附近產(chǎn)生的能量也越大。諧振電路包括有諧振補(bǔ)償電路和原、副邊線圈，可以有效增加電路附近的磁場(chǎng)。兩個(gè)線圈可以通過相互感應(yīng)，從而使其產(chǎn)生的電壓值是一樣的，隨后把電能輸送到副邊[2]。整流波電路在運(yùn)行過程中可以將感應(yīng)到的電壓轉(zhuǎn)為設(shè)備運(yùn)行所需要的電能。

圖1 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)組成

2 設(shè)備恒壓輸出

諧振補(bǔ)償拓?fù)渲饕且揽炕局C振拓?fù)浜蛷?fù)合補(bǔ)償拓?fù)鋪磉\(yùn)轉(zhuǎn)的，因?yàn)樗鼈兊奶匦圆煌?，所以系統(tǒng)輸出的電壓也不一樣，在特定情況下，有的復(fù)合補(bǔ)償拓?fù)湓谔囟ǖ沫h(huán)境下能同時(shí)達(dá)到恒壓輸出和恒流輸出，運(yùn)行起來十分方便。本文研究的是其中一部分，即LCC-S（諧振補(bǔ)償拓?fù)洌?，從圖2所示的電路圖可以看出，u1為輸出電壓，L1為在電路中補(bǔ)償?shù)碾娙菡J(rèn)定，i1為電路中的電流，C1為原邊補(bǔ)償電容，C2為電路中的原邊諧振電容，L2為左邊電路中的原邊線圈，i2為原邊線圈產(chǎn)生的電流，M為互感值，L3為右邊電路中的副邊線圈，C3為副邊諧振電容，i3為右邊電路中的電流，R為負(fù)載，U2為輸出的電壓[3]。

圖2 LCC-S諧振補(bǔ)償電路

電流i2滿足下式：

式中：ω為系統(tǒng)角頻率。

由此可以得到，原邊線圈電流i2與角頻率ω、輸入電壓U1、補(bǔ)償電容C1呈反比，與其他的則無(wú)關(guān)系。如果一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)確定以后，這個(gè)數(shù)就不再變化了，那么LCC-S（諧振補(bǔ)償拓?fù)洌┠軌虼_保原邊線圈磁場(chǎng)的穩(wěn)定。

右側(cè)電路U2滿足下式：

電路中輸出的電壓U2與角頻率ω、互感M、原邊線圈電流呈正比。在確定輸入電壓U2不變時(shí)，則能確保輸出電壓穩(wěn)定不變，與電路中的負(fù)載沒有關(guān)系，具有普遍適應(yīng)性，可供礦井中的其他設(shè)備提供電能?？墒?，輸出電壓則受互感的影響，在互感穩(wěn)定的情況下，系統(tǒng)的輸出電壓是恒定不變的。在穩(wěn)定狀態(tài)下充電時(shí)，互感也不會(huì)發(fā)生變化[4]。

系統(tǒng)中電流的關(guān)系如下：

輸入電流i1與輸出電流i3成正比關(guān)系，得到了與式（2）同樣的結(jié)論。

總而言之，LCC-S在互感穩(wěn)定時(shí)，電路中的電壓輸出是恒定的，能夠成為相同的電壓等級(jí)，可以為電壓功率不一樣的設(shè)備充電，并且在充電的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)意外情況，如電壓改變或者功率改變[5]。

3 設(shè)備驗(yàn)證

進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)的可行性，選取Matlab的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[6]，結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

可以將電路中連接的設(shè)備想象成一個(gè)電阻，可以用100Ω和20Ω代表，運(yùn)行中顯示在0.06～0.08 s時(shí)出現(xiàn)了波動(dòng)[7]，電阻降至20Ω，如圖3所示。從圖可知，當(dāng)100Ω突然降至20Ω時(shí)，設(shè)備的電壓發(fā)生了短而快的波動(dòng)，然后在12 V處穩(wěn)定下來，所以，電阻不管是20Ω還是100Ω，系統(tǒng)都可以達(dá)到12 V的恒壓，從以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，諧振補(bǔ)償拓?fù)湓诓煌碾娮柘露伎梢院愣ㄝ敵鲭妷篬8]，對(duì)相同電壓的設(shè)備都可以充電。

圖3 系統(tǒng)輸出電壓仿真波形

4 結(jié)束語(yǔ)

因工作需要，礦井下的煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須使用攝像頭、無(wú)線傳感器等，它們需要在一定的時(shí)間更換電池，增加工人的工作量的同時(shí)也影響設(shè)備的運(yùn)營(yíng)。本文為了解決監(jiān)控系統(tǒng)中無(wú)線傳感器、攝像頭等的維護(hù)工作，對(duì)無(wú)線電傳輸技術(shù)的問題進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，LCC-S（諧振補(bǔ)償拓?fù)洌o(wú)線電壓傳輸系統(tǒng)可以在互感穩(wěn)定不變的情況下實(shí)現(xiàn)恒壓輸出，并且不受其他設(shè)備的干擾，可以為相同電壓的設(shè)備進(jìn)行充電，上述實(shí)驗(yàn)已經(jīng)得到了證實(shí)。電能的傳送為隔空傳輸，所以將線圈都密封在安全的保護(hù)裝備下，不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。但是本實(shí)驗(yàn)中還有一定的不足之處就是雖然進(jìn)行了有效的理論分析，但是還需要實(shí)踐來進(jìn)行驗(yàn)證。