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

俞霄波 吳國有 左鵬飛 陳巧嬌

浙江國友通訊科技股份有限公司 浙江 杭州 311400

引言

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

1 煤礦井下無線照明系統(tǒng)的應(yīng)用原理

對于井下無線照明系統(tǒng)的應(yīng)用，具體來講，首先在井下巷道進行電源轉(zhuǎn)換裝置安裝，輸入端部分與電網(wǎng)進行連接，輸出端部分只與線圈回路進行連接，線圈導(dǎo)線經(jīng)過巷道的其中一側(cè)墻壁，然后再經(jīng)過其頂部至另外一側(cè)墻壁，最后經(jīng)過巷道的地面，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電氣進行連接，而是通過磁場來傳遞能量，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對照明燈進行電力供應(yīng)，在進行照明燈布置時，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，同時也方便之后的維修工作。

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

2.1 系統(tǒng)高頻逆變電路拓撲設(shè)計

從整體上來看井下無線照明系統(tǒng)，對于能量傳遞初級部分，也就是在耦合機構(gòu)原邊進行逆變器設(shè)置，然后再將輸入工頻交流電能轉(zhuǎn)為能夠經(jīng)過耦合機構(gòu)來傳遞能量的一種高頻交流電能。對于逆變器形式可根據(jù)其使用的開關(guān)管數(shù)量進行分類，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比較小的場合條件下，其應(yīng)用范圍由幾十毫瓦到幾十瓦。對于功率為中小狀態(tài)條件下，當前應(yīng)用常見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到上百瓦，全橋逆變在各種類型的功率級別中都有一定的應(yīng)用。基于體積、系統(tǒng)實現(xiàn)特性進行分析，根據(jù)煤礦井下無線照明系統(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)補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

要想確保無線電能傳輸系統(tǒng)在實際應(yīng)用時的功率傳輸效率以及傳輸性能，同時起到對系統(tǒng)無功功率容量的減少作業(yè)，這就需要通過補償原副邊線圈電感來實現(xiàn)[1]。從補償方式的角度來講，將各種類型的補償結(jié)構(gòu)在負載動態(tài)下的穩(wěn)壓能力考慮其中，結(jié)合煤礦井下作業(yè)可運用LCL/S補償網(wǎng)絡(luò)。對于這種類型的補償網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)在負載動態(tài)條件下實現(xiàn)系統(tǒng)原邊線圈電流恒定，確保負載端能夠穩(wěn)壓輸出，通過以上促使工作頻率保持穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 耦合機構(gòu)設(shè)計

2.3.1 磁路耦合機構(gòu)選型。結(jié)合當前煤礦井下照明設(shè)備對無線供電所提出的使用要求，可通過長導(dǎo)軌耦合形式，簡單來講，就是在巷道頂部進行原邊線圈設(shè)置，然后通過巷道左側(cè)和右側(cè)，以此構(gòu)建成閉合回路狀態(tài)。從整體上來看耦合機構(gòu)，其原邊、副邊分別采用的是單根直導(dǎo)線和矩形線圈，對于線圈匝數(shù)設(shè)定，可結(jié)合當前照明系統(tǒng)運行性質(zhì)來決定，但要注意的是不能使用磁芯材料。上述耦合機構(gòu)在實際應(yīng)用中，雖然傳輸功率相對比較小，但能夠滿足基本的照明供電，同時傳輸距離比較近，具有很好的抗偏移能力[2]。基于以上，在進行煤礦井下照明無線供電系統(tǒng)中的磁路耦合機構(gòu)設(shè)計過程中，還需要計算其中的電感值和互感值，以此來對磁路機構(gòu)對原邊線圈自感、副邊線圈自感、互感等參數(shù)可能產(chǎn)生的影響機理進行分析，同時分析磁場回路形狀、附近戒指磁導(dǎo)率等因素，以此對磁路耦合機構(gòu)進行優(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。要想切實保證無線電能傳輸技術(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，這就需要對電磁機構(gòu)原邊能量發(fā)射處設(shè)置一定長度的線圈繞組。就高頻電路而言，因頻率不斷增長，使得高頻電流在線圈流通過程中產(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，從而影響其運行效率。

為此，如果繞組通過高頻電流情況下，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，使得交變電流實際電阻隨之變大[3]。基于以上，在進行電流密度、導(dǎo)線直徑選擇過程中，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)，都會在一定程度上對無線電能傳輸系統(tǒng)整體性產(chǎn)生相應(yīng)的影響，為此通過促使單導(dǎo)線的多根較細導(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

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