長距離自動巡檢絞車無線供電系統研究

夏晨陽，　王衛，　任思源，　張楊，　賴娜，　谷志鵬，　劉海偉，　呂龍彪，　劉鋒

(1.中國礦業大學 江蘇省煤礦電氣與自動化工程實驗室， 江蘇 徐州　221008；2.徐州凱思特機電科技有限公司, 江蘇 徐州　221116)

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長距離自動巡檢絞車無線供電系統研究

夏晨陽1，王衛1，任思源1，張楊1，賴娜1，谷志鵬1，劉海偉1，呂龍彪1，劉鋒2

(1.中國礦業大學 江蘇省煤礦電氣與自動化工程實驗室， 江蘇 徐州221008；2.徐州凱思特機電科技有限公司, 江蘇 徐州221116)

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；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。仿真與實驗結果驗證了該系統的可行性。

長距離絞車； 自動巡檢； 無線供電； 分段供電

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160429.1132.016.html

0　引言

煤礦的安全開采是煤炭工業發展的基礎。中國煤炭開采條件復雜，危險因素多，井下用電設備供電安全性一直是困擾煤礦企業的主要問題之一[1-2]。目前，井下用電設備主要有3種供電方式：蓄電池供電方式需要頻繁更換電池，耗費人力；拖線供電方式存在斷裂、不靈活以及不美觀的缺點；從架空線滑動取電容易導致炭積、接觸不良及接觸火花等問題。

近年來興起的無線電能傳輸(WirelessPowerTransmission,WPT)技術基于電磁感應耦合或電磁耦合諧振原理，實現電能從電源到用電設備的無線傳輸，可避免目前供電方式存在的接觸火花、器件磨損、接觸不良等問題[3-8]，為井下設備供電方式提供了新的選擇[9-10]。目前，國內對WPT技術在煤礦井下應用的研究尚處于初級階段。文獻[11]針對煤礦井下大量無線傳感器節點電池更換難、維護難的問題，提出了一種磁耦合諧振式井下無線充電理論模型。文獻[12]針對井下移動充電模式平均充電效率不高的問題，對典型的磁耦合諧振式電能傳輸系統進行了改進和優化。文獻[13]給出了一種高瓦斯粉塵環境下考慮粉塵電導性的無線電能傳輸系統全互感模型建模方法，提高了模型建模的精準性。

本文針對煤礦井下長距離自動巡檢絞車供電問題，提出一種無線供電系統，重點分析了該系統的結構及無線供電模式，并通過計算機仿真及實驗平臺驗證了該系統的優良特性。

1　系統結構

長距離自動巡檢絞車無線供電系統結構如圖1所示。在實驗室環境下模擬煤礦井下巷道，在小車底部設支撐木板，支撐木板寬度大于小車寬度，支撐木板內鋪設原邊線圈，副邊線圈安裝在小車上。小車載有無線攝像頭，實現對絞車的自動化巡檢。系統采用無線供電方式，為小車及攝像頭供電。

圖1　長距離自動巡檢絞車無線供電系統結構

2　系統設計

2.1長距離無線供電模式

考慮到井下高瓦斯環境對用電設備防爆有嚴格的要求，現有的無線電能傳輸系統本身電路結構并不能滿足井下防爆要求，本文采用如圖2所示的無線供電模式，其中副邊電能補償裝置、副邊電能變換裝置安裝在小車中。長距離體現在原邊線圈為一段長導軌，或稱為單匝線圈。

2.2電能補償裝置

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的電能補償拓撲主要有原邊串聯副邊串聯補償(SS)、原邊串聯副邊并聯補償(SP)、原邊并聯副邊串聯補償(PS)和原邊并聯副邊并聯補償(PP)，如圖3所示。Vp，Ip分別為電壓源、電流源，對應圖2中高頻逆變電路的輸出，M為原、副邊線圈互感，Cp，Cs分別為原、副邊補償電容，Lp，Ls分別為原、副邊線圈自感，Rp，Rs分別為原、副邊線圈等效內阻，RL為負載等效內阻。

圖2　系統無線供電模式

(a)SS拓撲(b)SP拓撲

(c)PS拓撲(d)PP拓撲

圖3無線電能傳輸系統的電能補償拓撲

在煤礦井下，電壓源比電流源更容易獲得，且原邊采取串聯補償更有利于系統穩定，也更容易控制[14]，因此系統可采用SS，SP拓撲。副邊采取串聯補償時，系統諧振頻率只與電感和電容有關，與負載和原、副邊線圈互感無關；副邊采取并聯補償時，系統諧振頻率不僅與電感、電容有關，而且與負載和原、副邊線圈互感有關。在絞車行駛過程中，原、副邊線圈的相對位置一直變化，互感也會隨之發生變化。因此，系統電能補償裝置最終采用SS拓撲。

2.3磁路機構

磁路機構是原、副邊進行電能傳輸的橋梁，由原、副邊線圈構成。磁路機構可分成靜止式、滑動式和螺旋式3種[15]。其中滑動式磁路機構適用于原、副邊線圈具有相對運動的場合，可靈活地對移動設備供電，因此本文選用滑動式磁路機構。由于系統的原、副邊耦合系數低，所以需要使用磁芯。滑動式磁路機構中常采用O型、U型、E型、EI型磁芯。為使原邊導軌方便地安裝在支撐木板中，副邊線圈的磁芯較適宜采用U型或E型。本文選擇E型磁路機構，如圖4所示。

圖4　系統磁路機構

3　系統能效分析

系統高頻逆變電路采用全橋逆變器，其等效電路如圖5所示，其中Vdc為系統的直流電壓輸入，電容C用于維持輸入電壓恒定。系統工作在恒頻模式下，工作角頻率為ω。為實現功率和效率的最大化傳輸，副邊需處于完全諧振狀態，副邊補償電容Cs的選取需滿足式(1)。

(1)

圖5　逆變器等效電路

設逆變器工作在零電流軟開關工作模式下，則逆變器輸出的電壓有效值為[16]

(2)

在副邊諧振狀態下，從副邊線圈到原邊線圈的反射等效阻抗為[16]

(3)

由式(3)可看出，采用SS拓撲時，副邊線圈反射到原邊線圈的等效阻抗呈阻性。為了實現系統原邊諧振，原邊補償電容應滿足Cp=1/(ω2Lp)。原邊電路的等效阻抗為

(4)

原邊電路電流有效值為

(5)

則系統輸出功率為

(6)

系統輸出效率為

(7)

實驗系統中小車功率為40W，無線攝像頭功率為20W，且小車和無線攝像頭的額定電壓均為12V，由此計算得負載等效內阻RL=2.5Ω。系統輸入電壓可取井下36V直流電壓，由式(2)計算得Vp=32.5V。系統原、副邊耦合系數低，互感M一般為幾微亨，本文取M=2μH。根據式(6)、式(7)得出系統輸出功率、輸出效率與原邊線圈內阻及逆變器開關頻率之間的關系，如圖6所示。可見隨著逆變器開關頻率增大，系統輸出功率和輸出效率增加；隨著原邊線圈內阻增大，系統輸出功率和輸出效率降低。綜合考慮系統輸出功率和效率，可取頻率f=80kHz，內阻Rp=1Ω。

(a) 輸出功率與原邊線圈內阻及逆變器開關頻率關系

(b) 輸出效率與原邊線圈內阻及逆變器開關頻率關系

4　長距離導軌分段供電模式

4.1分段供電模式

因逆變器開關頻率很高，系統中線圈、導軌均采用利茲線。數千米利茲線內阻為數歐姆到十幾歐姆，若僅采用單個導軌，無法滿足系統輸出功率和效率要求，因此原邊導軌采用分段供電模式。

長距離導軌分段供電模式分為36V供電-分級驅動導軌模式、高頻高壓配電-低壓恒流激勵導軌模式和混合型導軌模式[17]。系統選擇36V供電-分級驅動導軌模式，如圖7所示。電能變換裝置用于產生高頻電流注入到導軌；換流器可根據當前的負載情況自適應切換當前的注入狀態，從而實現系統的分級控制；諧振補償裝置使系統工作在諧振狀態。

圖7　36 V供電-分級驅動導軌模式

該模式的優點：分段供電，電路損耗低；電能變換裝置容量低，對器件的要求低；各部分彼此獨立，可靠性高，系統更加穩定。但該模式需使用較多的電能變換裝置。因絞車運輸距離僅數千米，所以本系統中電能變換裝置的實際用量很少。

4.2小車位置檢測方法

為了及時有效地切換原邊導軌，需在相鄰2段導軌之間安裝位置傳感器。記第n段原邊導軌入口處和出口處的位置傳感器為Tn1和Tn2，位置傳感器與各段原邊導軌換流器之間的連接如圖8所示。第n-1段原邊導軌出口處的位置傳感器T(n-1)2及n+1段原邊導軌入口處的位置傳感器T(n+1)1與第n段原邊導軌的換流器相連。副邊線圈寬度a與位置傳感器T(n-1)1和Tn1之間的距離b相等。換流過程：假設小車處于第n-1段原邊導軌，當其行駛到位置傳感器T(n-1)2處時，換流器n得到一個開通信號，第n段原邊導軌開始工作；當小車運動到位置傳感器Tn1處時，第n-1段原邊導軌的換流器得到一個關斷信號，第n-1段原邊導軌停止工作，換流完成。在換流過程中，可能存在磁場強度不夠或2段導軌產生的磁場相互抵消的情況，因此有必要采用UPS電源，在某段導軌發生故障時，保證系統正常運行。

圖8　小車位置檢測方法

在第1段原邊導軌的入口處和最后1段原邊導軌的出口處安裝第2種位置傳感器，當小車行駛到該處時發出信號，表明小車反向運行。

5　系統仿真與實驗

通過Matlab/Simulink仿真軟件和實驗對系統性能進行驗證。系統負載為阻性負載。系統參數設置見表1。

表1　系統參數設置

圖9為仿真中逆變器輸出電壓和電流、系統輸出電壓仿真波形。可見逆變器輸出電壓和電流基本同相位，達到諧振狀態；系統輸出電壓為12V，可正常工作。

(a) 逆變器輸出電壓和電流

(b) 系統輸出電壓

圖10為系統實驗波形。可見實驗結果與仿真結果類似，系統達到了諧振狀態，輸出電壓為12V，能夠維持系統正常工作。

(a) 逆變器輸出電壓和電流

(b) 系統輸出電壓

6　結語

無線供電系統具有靈活、安全、易維護等特點，特別適合為煤礦井下電氣設備供電。針對煤礦井下絞車的供電安全問題，設計了長距離自動巡檢絞車無線供電系統，在實驗室條件下，采用仿真軟件和實驗驗證了該系統的可行性。

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Researchofwirelesspowersupplysystemforautomaticlong-distanceinspectionwinch

XIAChenyang1,WANGWei1,RENSiyuan1,ZHANGYang1,LAINa1,GUZhipeng1,LIUHaiwei1,LYULongbiao1,LIUFeng2

(1.JiangsuProvinceLaboratoryofElectricalandAutomationEngineeringforCoalMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China; 2.XuzhouCusterElectricalandMechanicalTechnologyCo.,Ltd.,Xuzhou221116,China)

Forpowersupplyproblemofcoalminewinch,awirelesspowersupplysystemforautomaticlong-distanceinspectionwinchwasdesigned.Thewirelesspowersupplymodeofthesystemwasintroducedindetails.Conclusionsgottenbytheoreticalanalysiswereasfollowing:thesystemoutputpowerandoutputefficiencydeclinewithincreasingofprimarycoilresistanceandincreasewithincreasingofinverterswitchingfrequency.Accordingtotheconclusionsandlong-distanceguideforcoalminewinch,asectionalpowersupplymodewasdesigned.Thesimulationandexperimentresultsverifyfeasibilityofthesystem.

long-distancewinch;automaticinspection;wirelesspowersupply;sectionalpowersupply

1671-251X(2016)05-0071-05DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.05.016

2015-12-30；

2016-03-25；責任編輯：李明。

高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20120095120022)；中國礦業大學大學生創新創業基金立項大學生創新項目(201516)。

夏晨陽(1982-)，男，江蘇泰州人，副教授，博士，研究方向為無線電能傳輸技術、本質安全型開關電源技術，E-mail：bluesky198210@163.com。

TD634

A網絡出版時間：2016-04-29 11:32

夏晨陽，王衛，任思源，等.長距離自動巡檢絞車無線供電系統研究[J].工礦自動化，2016,42(5)：71-75.