長(zhǎng)距離自動(dòng)巡檢絞車無線供電系統(tǒng)研究

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

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇省煤礦電氣與自動(dòng)化工程實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州　221008；2.徐州凱思特機(jī)電科技有限公司, 江蘇 徐州　221116)

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長(zhǎng)距離自動(dòng)巡檢絞車無線供電系統(tǒng)研究

夏晨陽1，王衛(wèi)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(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇省煤礦電氣與自動(dòng)化工程實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州221008；2.徐州凱思特機(jī)電科技有限公司, 江蘇 徐州221116)

針對(duì)煤礦井下絞車供電問題，設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)距離自動(dòng)巡檢絞車無線供電系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)的無線供電模式，并通過理論分析得出系統(tǒng)的輸出功率、輸出效率隨原邊線圈內(nèi)阻的增大而減小，隨逆變器開關(guān)頻率的增大而增加；根據(jù)該結(jié)論及井下絞車長(zhǎng)距離導(dǎo)軌的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了分段供電模式。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

長(zhǎng)距離絞車； 自動(dòng)巡檢； 無線供電； 分段供電

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0　引言

煤礦的安全開采是煤炭工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。中國(guó)煤炭開采條件復(fù)雜，危險(xiǎn)因素多，井下用電設(shè)備供電安全性一直是困擾煤礦企業(yè)的主要問題之一[1-2]。目前，井下用電設(shè)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(fèi)人力；拖線供電方式存在斷裂、不靈活以及不美觀的缺點(diǎn)；從架空線滑動(dòng)取電容易導(dǎo)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(shù)基于電磁感應(yīng)耦合或電磁耦合諧振原理，實(shí)現(xiàn)電能從電源到用電設(shè)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(shè)備供電方式提供了新的選擇[9-10]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)WPT技術(shù)在煤礦井下應(yīng)用的研究尚處于初級(jí)階段。文獻(xiàn)[11]針對(duì)煤礦井下大量無線傳感器節(jié)點(diǎn)電池更換難、維護(hù)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(xiàn)[12]針對(duì)井下移動(dòng)充電模式平均充電效率不高的問題，對(duì)典型的磁耦合諧振式電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。文獻(xiàn)[13]給出了一種高瓦斯粉塵環(huán)境下考慮粉塵電導(dǎo)性的無線電能傳輸系統(tǒng)全互感模型建模方法，提高了模型建模的精準(zhǔn)性。

本文針對(duì)煤礦井下長(zhǎng)距離自動(dòng)巡檢絞車供電問題，提出一種無線供電系統(tǒng)，重點(diǎn)分析了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及無線供電模式，并通過計(jì)算機(jī)仿真及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的優(yōu)良特性。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)距離自動(dòng)巡檢絞車無線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬煤礦井下巷道，在小車底部設(shè)支撐木板，支撐木板寬度大于小車寬度，支撐木板內(nèi)鋪設(shè)原邊線圈，副邊線圈安裝在小車上。小車載有無線攝像頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車的自動(dòng)化巡檢。系統(tǒng)采用無線供電方式，為小車及攝像頭供電。

圖1　長(zhǎng)距離自動(dòng)巡檢絞車無線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1長(zhǎng)距離無線供電模式

考慮到井下高瓦斯環(huán)境對(duì)用電設(shè)備防爆有嚴(yán)格的要求，現(xiàn)有的無線電能傳輸系統(tǒng)本身電路結(jié)構(gòu)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(bǔ)償裝置、副邊電能變換裝置安裝在小車中。長(zhǎng)距離體現(xiàn)在原邊線圈為一段長(zhǎng)導(dǎo)軌，或稱為單匝線圈。

2.2電能補(bǔ)償裝置

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的電能補(bǔ)償拓?fù)渲饕性叴?lián)副邊串聯(lián)補(bǔ)償(SS)、原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)補(bǔ)償(SP)、原邊并聯(lián)副邊串聯(lián)補(bǔ)償(PS)和原邊并聯(lián)副邊并聯(lián)補(bǔ)償(PP)，如圖3所示。Vp，Ip分別為電壓源、電流源，對(duì)應(yīng)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(bǔ)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(nèi)阻，RL為負(fù)載等效內(nèi)阻。

圖2　系統(tǒng)無線供電模式

(a)SS拓?fù)?b)SP拓?fù)?/p>

(c)PS拓?fù)?d)PP拓?fù)?/p>

圖3無線電能傳輸系統(tǒng)的電能補(bǔ)償拓?fù)?/p>

在煤礦井下，電壓源比電流源更容易獲得，且原邊采取串聯(lián)補(bǔ)償更有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，也更容易控制[14]，因此系統(tǒng)可采用SS，SP拓?fù)洹８边叢扇〈?lián)補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)諧振頻率只與電感和電容有關(guān)，與負(fù)載和原、副邊線圈互感無關(guān)；副邊采取并聯(lián)補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)諧振頻率不僅與電感、電容有關(guān)，而且與負(fù)載和原、副邊線圈互感有關(guān)。在絞車行駛過程中，原、副邊線圈的相對(duì)位置一直變化，互感也會(huì)隨之發(fā)生變化。因此，系統(tǒng)電能補(bǔ)償裝置最終采用SS拓?fù)洹?/p>

2.3磁路機(jī)構(gòu)

磁路機(jī)構(gòu)是原、副邊進(jìn)行電能傳輸?shù)臉蛄海稍⒏边吘€圈構(gòu)成。磁路機(jī)構(gòu)可分成靜止式、滑動(dòng)式和螺旋式3種[15]。其中滑動(dòng)式磁路機(jī)構(gòu)適用于原、副邊線圈具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，可靈活地對(duì)移動(dòng)設(shè)備供電，因此本文選用滑動(dòng)式磁路機(jī)構(gòu)。由于系統(tǒng)的原、副邊耦合系數(shù)低，所以需要使用磁芯。滑動(dòng)式磁路機(jī)構(gòu)中常采用O型、U型、E型、EI型磁芯。為使原邊導(dǎo)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(jī)構(gòu)，如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)磁路機(jī)構(gòu)

3　系統(tǒng)能效分析

系統(tǒng)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(tǒng)的直流電壓輸入，電容C用于維持輸入電壓恒定。系統(tǒng)工作在恒頻模式下，工作角頻率為ω。為實(shí)現(xiàn)功率和效率的最大化傳輸，副邊需處于完全諧振狀態(tài)，副邊補(bǔ)償電容Cs的選取需滿足式(1)。

(1)

圖5　逆變器等效電路

設(shè)逆變器工作在零電流軟開關(guān)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(tài)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?fù)鋾r(shí)，副邊線圈反射到原邊線圈的等效阻抗呈阻性。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)原邊諧振，原邊補(bǔ)償電容應(yīng)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(tǒng)輸出功率為

(6)

系統(tǒng)輸出效率為

(7)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(jì)算得負(fù)載等效內(nèi)阻RL=2.5Ω。系統(tǒng)輸入電壓可取井下36V直流電壓，由式(2)計(jì)算得Vp=32.5V。系統(tǒng)原、副邊耦合系數(shù)低，互感M一般為幾微亨，本文取M=2μH。根據(jù)式(6)、式(7)得出系統(tǒng)輸出功率、輸出效率與原邊線圈內(nèi)阻及逆變器開關(guān)頻率之間的關(guān)系，如圖6所示。可見隨著逆變器開關(guān)頻率增大，系統(tǒng)輸出功率和輸出效率增加；隨著原邊線圈內(nèi)阻增大，系統(tǒng)輸出功率和輸出效率降低。綜合考慮系統(tǒng)輸出功率和效率，可取頻率f=80kHz，內(nèi)阻Rp=1Ω。

(a) 輸出功率與原邊線圈內(nèi)阻及逆變器開關(guān)頻率關(guān)系

(b) 輸出效率與原邊線圈內(nèi)阻及逆變器開關(guān)頻率關(guān)系

4　長(zhǎng)距離導(dǎo)軌分段供電模式

4.1分段供電模式

因逆變器開關(guān)頻率很高，系統(tǒng)中線圈、導(dǎo)軌均采用利茲線。數(shù)千米利茲線內(nèi)阻為數(shù)歐姆到十幾歐姆，若僅采用單個(gè)導(dǎo)軌，無法滿足系統(tǒng)輸出功率和效率要求，因此原邊導(dǎo)軌采用分段供電模式。

長(zhǎng)距離導(dǎo)軌分段供電模式分為36V供電-分級(jí)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌模式、高頻高壓配電-低壓恒流激勵(lì)導(dǎo)軌模式和混合型導(dǎo)軌模式[17]。系統(tǒng)選擇36V供電-分級(jí)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌模式，如圖7所示。電能變換裝置用于產(chǎn)生高頻電流注入到導(dǎo)軌；換流器可根據(jù)當(dāng)前的負(fù)載情況自適應(yīng)切換當(dāng)前的注入狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分級(jí)控制；諧振補(bǔ)償裝置使系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)。

圖7　36 V供電-分級(jí)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌模式

該模式的優(yōu)點(diǎn)：分段供電，電路損耗低；電能變換裝置容量低，對(duì)器件的要求低；各部分彼此獨(dú)立，可靠性高，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。但該模式需使用較多的電能變換裝置。因絞車運(yùn)輸距離僅數(shù)千米，所以本系統(tǒng)中電能變換裝置的實(shí)際用量很少。

4.2小車位置檢測(cè)方法

為了及時(shí)有效地切換原邊導(dǎo)軌，需在相鄰2段導(dǎo)軌之間安裝位置傳感器。記第n段原邊導(dǎo)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(dǎo)軌換流器之間的連接如圖8所示。第n-1段原邊導(dǎo)軌出口處的位置傳感器T(n-1)2及n+1段原邊導(dǎo)軌入口處的位置傳感器T(n+1)1與第n段原邊導(dǎo)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(shè)小車處于第n-1段原邊導(dǎo)軌，當(dāng)其行駛到位置傳感器T(n-1)2處時(shí)，換流器n得到一個(gè)開通信號(hào)，第n段原邊導(dǎo)軌開始工作；當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)到位置傳感器Tn1處時(shí)，第n-1段原邊導(dǎo)軌的換流器得到一個(gè)關(guān)斷信號(hào)，第n-1段原邊導(dǎo)軌停止工作，換流完成。在換流過程中，可能存在磁場(chǎng)強(qiáng)度不夠或2段導(dǎo)軌產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消的情況，因此有必要采用UPS電源，在某段導(dǎo)軌發(fā)生故障時(shí)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖8　小車位置檢測(cè)方法

在第1段原邊導(dǎo)軌的入口處和最后1段原邊導(dǎo)軌的出口處安裝第2種位置傳感器，當(dāng)小車行駛到該處時(shí)發(fā)出信號(hào)，表明小車反向運(yùn)行。

5　系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)

通過Matlab/Simulink仿真軟件和實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)負(fù)載為阻性負(fù)載。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置見表1。

表1　系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

圖9為仿真中逆變器輸出電壓和電流、系統(tǒng)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(dá)到諧振狀態(tài)；系統(tǒng)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(tǒng)輸出電壓

圖10為系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形。可見實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果類似，系統(tǒng)達(dá)到了諧振狀態(tài)，輸出電壓為12V，能夠維持系統(tǒng)正常工作。

(a) 逆變器輸出電壓和電流

(b) 系統(tǒng)輸出電壓

6　結(jié)語

無線供電系統(tǒng)具有靈活、安全、易維護(hù)等特點(diǎn)，特別適合為煤礦井下電氣設(shè)備供電。針對(duì)煤礦井下絞車的供電安全問題，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)距離自動(dòng)巡檢絞車無線供電系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用仿真軟件和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)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(zé)任編輯：李明。

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20120095120022)；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金立項(xiàng)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(201516)。

夏晨陽(1982-)，男，江蘇泰州人，副教授，博士，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸技術(shù)、本質(zhì)安全型開關(guān)電源技術(shù)，E-mail：bluesky198210@163.com。

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A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-04-29 11:32

夏晨陽，王衛(wèi)，任思源，等.長(zhǎng)距離自動(dòng)巡檢絞車無線供電系統(tǒng)研究[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(5)：71-75.