謝周武，張玉平，賈仁海，楊 波，夏晨陽，賈毅超

（1.江西銅業(yè)集團武山銅礦，江西 瑞昌 332204；2 中國礦業(yè)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(shè)備、材料等。罐籠是礦山副井提升機系統(tǒng)的主要組成部分，通過對罐籠狀態(tài)的檢測，能真實反映提升機的工作情況，罐籠檢測設(shè)備對罐籠的安全運行有著至關(guān)重要的作用，但目前罐籠檢測設(shè)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(shè)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(shù)的出現(xiàn)為改善罐籠供電方式提供了新的可能[1,2]。

本系統(tǒng)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(yè)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(yōu)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(shè)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(gòu)建安全可靠、高效靈活地罐籠通訊設(shè)備非接觸式供電系統(tǒng)[3]。

1 罐籠電氣設(shè)備電池無線充電原理

本文提出的罐籠電氣設(shè)備電池無線充電系統(tǒng)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(tài)時，無線充電系統(tǒng)開始工作，通過兩線圈之間的高度耦合，實現(xiàn)電池的快速充電并提供電能給電氣設(shè)備；當罐籠離開之后，由電池獨自給電氣設(shè)備供電，通過優(yōu)化設(shè)計電池容量，充電方式等，保證電池持續(xù)有電，實現(xiàn)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(fā)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(cè)，補償裝置、充電器、電池及電氣設(shè)備安裝在罐籠內(nèi)部[4]。當罐籠停靠在井口時，要保證能量發(fā)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(fā)射線圈與能量接收線圈電氣隔離，基于電磁場以實現(xiàn)高效無線電能傳輸。

圖1 罐籠電氣設(shè)備電池無線充電系統(tǒng)工作示意圖

1.1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，WPT系統(tǒng)的補償網(wǎng)絡(luò)主要包括SS、SP、PS、PP以及LCL型等，LCL-S型WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于實際中罐籠無法精準?？?，為實現(xiàn)偏移有效充電，采用DD型磁路耦合結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 磁路耦合機構(gòu)

在無線供電系統(tǒng)磁路耦合機構(gòu)設(shè)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(zhì)的磁導率以及導線匝數(shù)和電流在導線截面上的分布進行分析，優(yōu)化磁路耦合機構(gòu)。

1.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

圖2所示系統(tǒng)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(jīng)驗教訓 目前普遍使用的MESS評分系統(tǒng)將評分大于7分作為截肢的指征[6]。戰(zhàn)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(chuàng)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(tǒng)，應(yīng)綜合考慮創(chuàng)傷、患者及醫(yī)師3個方面因素，避免盲目保肢[8]。

品質(zhì)因數(shù)：

結(jié)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(jù)互感耦合原理，可求得輸出電壓為：

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

2 仿真與實驗

本無線充電系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的設(shè)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(jù)系統(tǒng)設(shè)計指標，設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

在實驗系統(tǒng)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(guān)管。

根據(jù)理論計算，原副邊線圈均采用了DD型結(jié)構(gòu)，使用2.2mm線徑的利茲線繞制而成，系統(tǒng)磁路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 原副邊線圈

副邊拾取電壓在經(jīng)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(wěn)壓后才能使用，采用buck-boost電路作為穩(wěn)壓充電電路，其輸入范圍是8-36V，輸出13.8V。

圖6 WPT系統(tǒng)關(guān)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(diào)整為220V/50Hz，然后220V輸入48V開關(guān)電源作為直流輸入電壓，同時輸入驅(qū)動板上的220VAC轉(zhuǎn)15VDC的電源模塊作為開關(guān)管驅(qū)動電源，系統(tǒng)逆變器的輸出電壓及原邊線圈電流波形和系統(tǒng)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(wěn)定，紋波非常小。

3 結(jié)論

本文針對礦井提升機罐籠內(nèi)卡罐檢測設(shè)備現(xiàn)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(shè)備電池無線充電系統(tǒng)，設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模型，并進行理論與實驗驗證，取得了較好效果，系統(tǒng)已在江西武山銅礦北副井投入實際應(yīng)用，運行效果達到了設(shè)計要求。