礦用罐籠電氣設備感應無線充電系統研究

謝周武，張玉平，賈仁海，楊 波，夏晨陽，賈毅超

（1.江西銅業集團武山銅礦，江西 瑞昌 332204；2 中國礦業大學電氣與動力工程學院， 江蘇 徐州 221116）

礦井提升機一般用作提升人員、礦石、設備、材料等。罐籠是礦山副井提升機系統的主要組成部分，通過對罐籠狀態的檢測，能真實反映提升機的工作情況，罐籠檢測設備對罐籠的安全運行有著至關重要的作用，但目前罐籠檢測設備采用的電池供電方法存在充電頻繁，費時費力，不夠智能等不足，因此對罐籠檢測設備供電方式的安全改良勢在必行。新型無線電能傳輸(WPT)技術的出現為改善罐籠供電方式提供了新的可能[1,2]。

本系統為解決在罐籠中的卡罐檢測裝置在更換電池時需要停罐，作業困難等問題，使用無線方式來對卡罐檢測裝置進行供電的優點在于：①可以在罐籠提升到井口時對電池進行充電，不用刻意停罐，無需更換電池：②充電可靠性更高，不需要拖出額外的電纜線來給電池充電，降低了風險。

本項目針對罐籠卡罐檢測設備純電池方式供電的不足，提出并研究有效的解決方案，用以構建安全可靠、高效靈活地罐籠通訊設備非接觸式供電系統[3]。

1 罐籠電氣設備電池無線充電原理

本文提出的罐籠電氣設備電池無線充電系統如圖1所示。

其工作方式為：當罐籠運動到井口處，處于停止運動狀態時，無線充電系統開始工作，通過兩線圈之間的高度耦合，實現電池的快速充電并提供電能給電氣設備；當罐籠離開之后，由電池獨自給電氣設備供電，通過優化設計電池容量，充電方式等，保證電池持續有電，實現電池無人化管理充電。

其安裝方式為：高頻逆變器和補償裝置固定安裝在井口處，能量發射線圈安裝在井口的井架上，能量接收線圈安裝在罐籠的外側，補償裝置、充電器、電池及電氣設備安裝在罐籠內部[4]。當罐籠停靠在井口時，要保證能量發射線圈和能量接收線圈處于基本正對位置，從而保證兩線圈之間的高度耦合，能量發射線圈與能量接收線圈電氣隔離，基于電磁場以實現高效無線電能傳輸。

圖1 罐籠電氣設備電池無線充電系統工作示意圖

1.1 系統拓撲結構設計

目前，WPT系統的補償網絡主要包括SS、SP、PS、PP以及LCL型等，LCL-S型WPT系統結構如圖2所示。

由于實際中罐籠無法精準停靠，為實現偏移有效充電，采用DD型磁路耦合結構，如圖3所示。

圖3 磁路耦合機構

在無線供電系統磁路耦合機構設計時，要對電感值及互感值盡可能準確地計算，通過對磁場回路的形狀和幾何尺寸、周圍介質的磁導率以及導線匝數和電流在導線截面上的分布進行分析，優化磁路耦合機構。

1.2 系統參數設計

圖2所示系統的等效電路如圖4所示。其中，uin為輸入電壓，iin為輸入電流，La為補償電感、L為原邊線圈電感，C為諧振電容，R為負載等效到原邊電阻，iL為原邊線圈電流。

圖4 LCL-S電路圖

固有諧振角頻率：

歸一化角頻率：

兩個電感之比：

3.3 保肢失敗的經驗教訓 目前普遍使用的MESS評分系統將評分大于7分作為截肢的指征[6]。戰杰等[7]分析59例(61肢)保肢治療效果后認為，MESS評分7～9分的嚴重創傷肢體也可試行保肢，保肢成功率達68.3%。國外學者認為嚴重肢體損傷選擇保肢還是截肢，不能完全依賴評分系統，應綜合考慮創傷、患者及醫師3個方面因素，避免盲目保肢[8]。

品質因數：

結合圖4，可求得LCL電路的輸入阻抗為

進而，可求得輸入電流為

電容電壓Uc為。

原邊線圈電流Ip為

電路輸出電壓U0為：

當ωn=1，λ=1時，有：

根據互感耦合原理，可求得輸出電壓為：

由式（8）可看出，當參數確定后，LCL-S具有恒壓輸出特性，與負載大小無關；且在負載變化時，系統可保持諧振狀態。

2 仿真與實驗

本無線充電系統設計由于是給罐籠中的卡罐檢測裝置中的鉛酸蓄電池充電，考慮到礦上的實際情況，系統的設計指標為，輸入電壓Edc為48V,輸出電壓Uo為13V,輸出功率Po為26W,原副邊距離D為20(±1)cm，橫向偏移Δd為20cm。

根據系統設計指標，設定系統參數如表1所示。

表1 系統參數

在實驗系統中，電源電路采用全橋式逆變電路，選用ROHM公司的SCT2080KE型號的MOSFET作為功率開關管。

根據理論計算，原副邊線圈均采用了DD型結構，使用2.2mm線徑的利茲線繞制而成，系統磁路結構如圖5所示。

圖5 原副邊線圈

副邊拾取電壓在經過整流濾波后并不能直接給蓄電池充電，還必須通過DC/DC電路穩壓后才能使用，采用buck-boost電路作為穩壓充電電路，其輸入范圍是8-36V，輸出13.8V。

圖6 WPT系統關鍵電壓電流波形

由于實際礦上提供的電源為36V/50Hz，因此需要使用變壓器把36V調整為220V/50Hz，然后220V輸入48V開關電源作為直流輸入電壓，同時輸入驅動板上的220VAC轉15VDC的電源模塊作為開關管驅動電源，系統逆變器的輸出電壓及原邊線圈電流波形和系統的輸出電壓、輸出電流波形如圖6所示。

從圖6中可以看出，逆變器的輸出電流畸變率很小，輸出電壓電流穩定，紋波非常小。

3 結論

本文針對礦井提升機罐籠內卡罐檢測設備現有電池供電存在的不足，提出一種安全、低成本、高效、高可靠性的電氣設備電池無線充電系統，設計系統結構和模型，并進行理論與實驗驗證，取得了較好效果，系統已在江西武山銅礦北副井投入實際應用，運行效果達到了設計要求。