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(huán)境中，為了實現(xiàn)安全、有效、無環(huán)境限制等優(yōu)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(cè)向負荷隔空傳輸。煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的使用，減少了工人事故的發(fā)生，為工人營造了安全有利的環(huán)境，同時，對煤礦生產(chǎn)也能隨時監(jiān)測。為了更好地完善煤礦檢測系統(tǒng)的動態(tài)感知與實時監(jiān)測，安裝了將非電量信號轉(zhuǎn)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(huán)境惡劣，易出現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)無線充電；這種充電方式可以防止在充電時產(chǎn)生電火花，同時實現(xiàn)動態(tài)充電[1]。本文根據(jù)礦井下不一樣的用電方式，提出了與之相適應的供電系統(tǒng)，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(tǒng)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(fā)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(zhuǎn)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(jīng)過轉(zhuǎn)換從而進行使用。而系統(tǒng)的前半部分可以將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，若轉(zhuǎn)換的頻率越高，線圈附近產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)為設備運行所需要的電能。

圖1 無線電能傳輸系統(tǒng)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(zhuǎn)的，因為它們的特性不同，所以系統(tǒng)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(huán)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?shù)碾娙菡J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(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)參數(shù)確定以后，這個數(shù)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(wěn)定。

右側(cè)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(wěn)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(wěn)定的情況下，系統(tǒng)的輸出電壓是恒定不變的。在穩(wěn)定狀態(tài)下充電時，互感也不會發(fā)生變化[4]。

系統(tǒng)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(wěn)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(xiàn)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(tǒng)參數(shù)

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(xiàn)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(fā)生了短而快的波動，然后在12 V處穩(wěn)定下來，所以，電阻不管是20Ω還是100Ω，系統(tǒng)都可以達到12 V的恒壓，從以上結果可以發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)輸出電壓仿真波形

4 結束語

因工作需要，礦井下的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，LCC-S（諧振補償拓撲）無線電壓傳輸系統(tǒng)可以在互感穩(wěn)定不變的情況下實現(xiàn)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(jīng)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(xiàn)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。