無線電能傳輸技術在煤礦井下照明系統(tǒng)中的應用分析

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

在我國國民經濟發(fā)展戰(zhàn)略資源中，礦產資源是其中的重要組成部分，要想推動工業(yè)經濟的健康發(fā)展，做好礦產資源安全開采作業(yè)就是其中一項根本基礎。在進行煤礦井下開采作業(yè)中，照明設備的運行安全就起到非常重要的作用，但就當前現有的井下照明設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在煤礦井下照明系統(tǒng)中的應用，具有一定的現實性研究意義。

1 煤礦井下無線照明系統(tǒng)的應用原理

對于井下無線照明系統(tǒng)的應用，具體來講，首先在井下巷道進行電源轉換裝置安裝，輸入端部分與電網進行連接，輸出端部分只與線圈回路進行連接，線圈導線經過巷道的其中一側墻壁，然后再經過其頂部至另外一側墻壁，最后經過巷道的地面，最終回到電源轉換裝置處，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的技術原理，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，在進行照明燈布置時，將其設在巷道兩側墻壁，促使照明回路和電源線圈電氣隔離，具有更高的應用安全性，同時也方便之后的維修工作。

2 無線電能傳輸技術在煤礦井下照明系統(tǒng)中的應用分析

2.1 系統(tǒng)高頻逆變電路拓撲設計

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，也就是在耦合機構原邊進行逆變器設置，然后再將輸入工頻交流電能轉為能夠經過耦合機構來傳遞能量的一種高頻交流電能。對于逆變器形式可根據其使用的開關管數量進行分類，主要有單管、多管以及雙管。

如果選用原邊逆變器為單管構成，通常情況下用在功率相對比較小的場合條件下，其應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用。基于體積、系統(tǒng)實現特性進行分析，根據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)補償網絡設計

要想確保無線電能傳輸系統(tǒng)在實際應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[1]。從補償方式的角度來講，將各種類型的補償結構在負載動態(tài)下的穩(wěn)壓能力考慮其中，結合煤礦井下作業(yè)可運用LCL/S補償網絡。對于這種類型的補償網絡，能夠實現在負載動態(tài)條件下實現系統(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 耦合機構設計

2.3.1 磁路耦合機構選型。結合當前煤礦井下照明設備對無線供電所提出的使用要求，可通過長導軌耦合形式，簡單來講，就是在巷道頂部進行原邊線圈設置，然后通過巷道左側和右側，以此構建成閉合回路狀態(tài)。從整體上來看耦合機構，其原邊、副邊分別采用的是單根直導線和矩形線圈，對于線圈匝數設定，可結合當前照明系統(tǒng)運行性質來決定，但要注意的是不能使用磁芯材料。上述耦合機構在實際應用中，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)中的磁路耦合機構設計過程中，還需要計算其中的電感值和互感值，以此來對磁路機構對原邊線圈自感、副邊線圈自感、互感等參數可能產生的影響機理進行分析，同時分析磁場回路形狀、附近戒指磁導率等因素，以此對磁路耦合機構進行優(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在煤礦井下照明系統(tǒng)中副邊能量拾取結構靈活性，這就需要對電磁機構原邊能量發(fā)射處設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生一定的高頻效應，另外還有一些其他寄生電容、電感等因素產生影響，使得電路應用性能因此被損害，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，從而出現集膚效應。根據相關科學研究表明，如果高頻電流產生集膚效應則表明導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、導線直徑選擇過程中，還要將高頻電流集膚效應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，可將鄰近導體電流產生的渦流作為臨近效應，不論是鄰近效應，還是上述集膚效應，都會在一定程度上對無線電能傳輸系統(tǒng)整體性產生相應的影響，為此通過促使單導線的多根較細導線絞合與截面之和相等的方式，能夠起到降低鄰近效應和集膚效應產生的影響。

3 結束語

綜上所述，本文就當前煤礦井下照明設備所采用的有限接觸供電存在的缺陷問題進行分析，以此為基礎構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，分析無線照明系統(tǒng)在煤礦井下的應用設計，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在煤礦井下中的應用進程。