礦井自動化監測監控系統小功率無線充電技術研究

賈林杰

（潞安集團常村煤礦，山西長治 046000）

0 引言

在煤礦井艱苦的工作環境中，為了實現安全、有效、無環境限制等優點，采取了無線電能傳輸技術（Wireless Power Transmis-sion，WPT），它的工作原理是利用磁場耦合從而把電能從電源側向負荷隔空傳輸。煤礦監測監控系統的使用，減少了工人事故的發生，為工人營造了安全有利的環境，同時，對煤礦生產也能隨時監測。為了更好地完善煤礦檢測系統的動態感知與實時監測，安裝了將非電量信號轉換為電量信號的設備，如無線傳感器、無線攝像頭等。但是井下煤礦環境惡劣，易出現難以預料的情況，而無線設備需要蓄電池供電，從而增加了工人維修設備的工作量。將無線充電系統能量端安裝在礦井中傳輸機等設備上，通過它們的運行可以實現無線充電；這種充電方式可以防止在充電時產生電火花，同時實現動態充電[1]。本文根據礦井下不一樣的用電方式，提出了與之相適應的供電系統，不但能夠恒定地輸出電流，而且還能進行一系列的證實。

1 無線電傳輸系統組成部分

如圖1所示，傳輸無線電的重要組成部分有直流電源、高頻逆變器、諧振補償器、原邊線圈、副邊線圈、整流濾波電路以及設備等。它們各司其職，前4個器械主要是原電路的重要組成部分，并且也發射能量；傳輸無線電的另一部分是設備的副邊電路，它是提供能量的主力軍，可以將電能轉換成動能。電能的主要來源方式是直流電源，平常電能可以從蓄電池中直接使用或者從電流電波中經過轉換從而進行使用。而系統的前半部分可以將直流電轉換成交流電，若轉換的頻率越高，線圈附近產生的能量也越大。諧振電路包括有諧振補償電路和原、副邊線圈，可以有效增加電路附近的磁場。兩個線圈可以通過相互感應，從而使其產生的電壓值是一樣的，隨后把電能輸送到副邊[2]。整流波電路在運行過程中可以將感應到的電壓轉為設備運行所需要的電能。

圖1 無線電能傳輸系統組成

2 設備恒壓輸出

諧振補償拓撲主要是依靠基本諧振拓撲和復合補償拓撲來運轉的，因為它們的特性不同，所以系統輸出的電壓也不一樣，在特定情況下，有的復合補償拓撲在特定的環境下能同時達到恒壓輸出和恒流輸出，運行起來十分方便。本文研究的是其中一部分，即LCC-S（諧振補償拓撲），從圖2所示的電路圖可以看出，u1為輸出電壓，L1為在電路中補償的電容認定，i1為電路中的電流，C1為原邊補償電容，C2為電路中的原邊諧振電容，L2為左邊電路中的原邊線圈，i2為原邊線圈產生的電流，M為互感值，L3為右邊電路中的副邊線圈，C3為副邊諧振電容，i3為右邊電路中的電流，R為負載，U2為輸出的電壓[3]。

圖2 LCC-S諧振補償電路

電流i2滿足下式：

式中：ω為系統角頻率。

由此可以得到，原邊線圈電流i2與角頻率ω、輸入電壓U1、補償電容C1呈反比，與其他的則無關系。如果一個系統參數確定以后，這個數就不再變化了，那么LCC-S（諧振補償拓撲）能夠確保原邊線圈磁場的穩定。

右側電路U2滿足下式：

電路中輸出的電壓U2與角頻率ω、互感M、原邊線圈電流呈正比。在確定輸入電壓U2不變時，則能確保輸出電壓穩定不變，與電路中的負載沒有關系，具有普遍適應性，可供礦井中的其他設備提供電能?？墒?，輸出電壓則受互感的影響，在互感穩定的情況下，系統的輸出電壓是恒定不變的。在穩定狀態下充電時，互感也不會發生變化[4]。

系統中電流的關系如下：

輸入電流i1與輸出電流i3成正比關系，得到了與式（2）同樣的結論。

總而言之，LCC-S在互感穩定時，電路中的電壓輸出是恒定的，能夠成為相同的電壓等級，可以為電壓功率不一樣的設備充電，并且在充電的時候不會出現意外情況，如電壓改變或者功率改變[5]。

3 設備驗證

進一步驗證試驗的可行性，選取Matlab的方法進行了實驗[6]，結果如表1所示。

表1 系統參數

可以將電路中連接的設備想象成一個電阻，可以用100Ω和20Ω代表，運行中顯示在0.06～0.08 s時出現了波動[7]，電阻降至20Ω，如圖3所示。從圖可知，當100Ω突然降至20Ω時，設備的電壓發生了短而快的波動，然后在12 V處穩定下來，所以，電阻不管是20Ω還是100Ω，系統都可以達到12 V的恒壓，從以上結果可以發現，諧振補償拓撲在不同的電阻下都可以恒定輸出電壓[8]，對相同電壓的設備都可以充電。

圖3 系統輸出電壓仿真波形

4 結束語

因工作需要，礦井下的煤礦監測系統必須使用攝像頭、無線傳感器等，它們需要在一定的時間更換電池，增加工人的工作量的同時也影響設備的運營。本文為了解決監控系統中無線傳感器、攝像頭等的維護工作，對無線電傳輸技術的問題進行了研究。研究發現，LCC-S（諧振補償拓撲）無線電壓傳輸系統可以在互感穩定不變的情況下實現恒壓輸出，并且不受其他設備的干擾，可以為相同電壓的設備進行充電，上述實驗已經得到了證實。電能的傳送為隔空傳輸，所以將線圈都密封在安全的保護裝備下，不會出現危險。但是本實驗中還有一定的不足之處就是雖然進行了有效的理論分析，但是還需要實踐來進行驗證。