無(wú)線電能傳輸技術(shù)在煤礦井下照明系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

俞霄波 吳國(guó)有 左鵬飛 陳巧嬌

浙江國(guó)友通訊科技股份有限公司 浙江 杭州 311400

引言

在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略資源中，礦產(chǎn)資源是其中的重要組成部分，要想推動(dòng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展，做好礦產(chǎn)資源安全開(kāi)采作業(yè)就是其中一項(xiàng)根本基礎(chǔ)。在進(jìn)行煤礦井下開(kāi)采作業(yè)中，照明設(shè)備的運(yùn)行安全就起到非常重要的作用，但就當(dāng)前現(xiàn)有的井下照明設(shè)備所使用的接觸式供電方法來(lái)看，存在一定的接觸不良、易發(fā)生爆炸事故、維修工作困難等問(wèn)題，這就需要對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行必要的改良和優(yōu)化，因此，本文分析無(wú)線電能傳輸技術(shù)在煤礦井下照明系統(tǒng)中的應(yīng)用，具有一定的現(xiàn)實(shí)性研究意義。

1 煤礦井下無(wú)線照明系統(tǒng)的應(yīng)用原理

對(duì)于井下無(wú)線照明系統(tǒng)的應(yīng)用，具體來(lái)講，首先在井下巷道進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換裝置安裝，輸入端部分與電網(wǎng)進(jìn)行連接，輸出端部分只與線圈回路進(jìn)行連接，線圈導(dǎo)線經(jīng)過(guò)巷道的其中一側(cè)墻壁，然后再經(jīng)過(guò)其頂部至另外一側(cè)墻壁，最后經(jīng)過(guò)巷道的地面，最終回到電源轉(zhuǎn)換裝置處，整體上呈閉合回路狀態(tài)，對(duì)于照明燈回路的安裝位置，主要在線圈周邊，但與線圈之間不通過(guò)電氣進(jìn)行連接，而是通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)傳遞能量，也就是基于電磁感應(yīng)的技術(shù)原理，促使照明燈回路激發(fā)高頻交流電，整流后作為直流電源來(lái)對(duì)照明燈進(jìn)行電力供應(yīng)，在進(jìn)行照明燈布置時(shí)，將其設(shè)在巷道兩側(cè)墻壁，促使照明回路和電源線圈電氣隔離，具有更高的應(yīng)用安全性，同時(shí)也方便之后的維修工作。

2 無(wú)線電能傳輸技術(shù)在煤礦井下照明系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

2.1 系統(tǒng)高頻逆變電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)

從整體上來(lái)看井下無(wú)線照明系統(tǒng)，對(duì)于能量傳遞初級(jí)部分，也就是在耦合機(jī)構(gòu)原邊進(jìn)行逆變器設(shè)置，然后再將輸入工頻交流電能轉(zhuǎn)為能夠經(jīng)過(guò)耦合機(jī)構(gòu)來(lái)傳遞能量的一種高頻交流電能。對(duì)于逆變器形式可根據(jù)其使用的開(kāi)關(guān)管數(shù)量進(jìn)行分類(lèi)，主要有單管、多管以及雙管。

如果選用原邊逆變器為單管構(gòu)成，通常情況下用在功率相對(duì)比較小的場(chǎng)合條件下，其應(yīng)用范圍由幾十毫瓦到幾十瓦。對(duì)于功率為中小狀態(tài)條件下，當(dāng)前應(yīng)用常見(jiàn)的為電壓型半橋或全橋逆變電路，其中半橋逆變電路能夠達(dá)到上百瓦，全橋逆變?cè)诟鞣N類(lèi)型的功率級(jí)別中都有一定的應(yīng)用?；隗w積、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特性進(jìn)行分析，根據(jù)煤礦井下無(wú)線照明系統(tǒng)，所使用的逆變電路為單相電壓型全橋逆變電路。

2.2 系統(tǒng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

要想確保無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的功率傳輸效率以及傳輸性能，同時(shí)起到對(duì)系統(tǒng)無(wú)功功率容量的減少作業(yè)，這就需要通過(guò)補(bǔ)償原副邊線圈電感來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。從補(bǔ)償方式的角度來(lái)講，將各種類(lèi)型的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)在負(fù)載動(dòng)態(tài)下的穩(wěn)壓能力考慮其中，結(jié)合煤礦井下作業(yè)可運(yùn)用LCL/S補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于這種類(lèi)型的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)在負(fù)載動(dòng)態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原邊線圈電流恒定，確保負(fù)載端能夠穩(wěn)壓輸出，通過(guò)以上促使工作頻率保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 磁路耦合機(jī)構(gòu)選型。結(jié)合當(dāng)前煤礦井下照明設(shè)備對(duì)無(wú)線供電所提出的使用要求，可通過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)軌耦合形式，簡(jiǎn)單來(lái)講，就是在巷道頂部進(jìn)行原邊線圈設(shè)置，然后通過(guò)巷道左側(cè)和右側(cè)，以此構(gòu)建成閉合回路狀態(tài)。從整體上來(lái)看耦合機(jī)構(gòu)，其原邊、副邊分別采用的是單根直導(dǎo)線和矩形線圈，對(duì)于線圈匝數(shù)設(shè)定，可結(jié)合當(dāng)前照明系統(tǒng)運(yùn)行性質(zhì)來(lái)決定，但要注意的是不能使用磁芯材料。上述耦合機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中，雖然傳輸功率相對(duì)比較小，但能夠滿(mǎn)足基本的照明供電，同時(shí)傳輸距離比較近，具有很好的抗偏移能力[2]。基于以上，在進(jìn)行煤礦井下照明無(wú)線供電系統(tǒng)中的磁路耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要計(jì)算其中的電感值和互感值，以此來(lái)對(duì)磁路機(jī)構(gòu)對(duì)原邊線圈自感、副邊線圈自感、互感等參數(shù)可能產(chǎn)生的影響機(jī)理進(jìn)行分析，同時(shí)分析磁場(chǎng)回路形狀、附近戒指磁導(dǎo)率等因素，以此對(duì)磁路耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和完善。

2.3.2 發(fā)射線圈和接收線圈的繞線材料選擇。要想切實(shí)保證無(wú)線電能傳輸技術(shù)在煤礦井下照明系統(tǒng)中副邊能量拾取結(jié)構(gòu)靈活性，這就需要對(duì)電磁機(jī)構(gòu)原邊能量發(fā)射處設(shè)置一定長(zhǎng)度的線圈繞組。就高頻電路而言，因頻率不斷增長(zhǎng)，使得高頻電流在線圈流通過(guò)程中產(chǎn)生一定的高頻效應(yīng)，另外還有一些其他寄生電容、電感等因素產(chǎn)生影響，使得電路應(yīng)用性能因此被損害，從而影響其運(yùn)行效率。

為此，如果繞組通過(guò)高頻電流情況下，因分布電感在其中的影響，從而出現(xiàn)集膚效應(yīng)。根據(jù)相關(guān)科學(xué)研究表明，如果高頻電流產(chǎn)生集膚效應(yīng)則表明導(dǎo)線有限截面積因此減小，工作頻率越高，使得交變電流實(shí)際電阻隨之變大[3]?；谝陨?，在進(jìn)行電流密度、導(dǎo)線直徑選擇過(guò)程中，還要將高頻電流集膚效應(yīng)造成的銅線有效截面積減小這一因素考慮其中。

處于高頻電流情況下，可將鄰近導(dǎo)體電流產(chǎn)生的渦流作為臨近效應(yīng)，不論是鄰近效應(yīng)，還是上述集膚效應(yīng)，都會(huì)在一定程度上對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)整體性產(chǎn)生相應(yīng)的影響，為此通過(guò)促使單導(dǎo)線的多根較細(xì)導(dǎo)線絞合與截面之和相等的方式，能夠起到降低鄰近效應(yīng)和集膚效應(yīng)產(chǎn)生的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文就當(dāng)前煤礦井下照明設(shè)備所采用的有限接觸供電存在的缺陷問(wèn)題進(jìn)行分析，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建一套具有安全性高、成本支出低、可靠性強(qiáng)的無(wú)線照明系統(tǒng)。就此本文基于無(wú)線電能傳輸技術(shù)，分析無(wú)線照明系統(tǒng)在煤礦井下的應(yīng)用設(shè)計(jì)，從理論的角度進(jìn)行分析，旨在通過(guò)以此能夠?yàn)槲覈?guó)煤礦事業(yè)的發(fā)展提供有力支持，加快推動(dòng)無(wú)線電能傳輸技術(shù)在煤礦井下中的應(yīng)用進(jìn)程。