矿用罐笼电气设备感应无线充电系统研究

谢周武，张玉平，贾仁海，杨 波，夏晨阳，贾毅超

（1.江西铜业集团武山铜矿，江西 瑞昌 332204；2 中国矿业大学电气与动力工程学院， 江苏 徐州 221116）

矿井提升机一般用作提升人员、矿石、设备、材料等。罐笼是矿山副井提升机系统的主要组成部分，通过对罐笼状态的检测，能真实反映提升机的工作情况，罐笼检测设备对罐笼的安全运行有着至关重要的作用，但目前罐笼检测设备采用的电池供电方法存在充电频繁，费时费力，不够智能等不足，因此对罐笼检测设备供电方式的安全改良势在必行。新型无线电能传输(WPT)技术的出现为改善罐笼供电方式提供了新的可能[1,2]。

本系统为解决在罐笼中的卡罐检测装置在更换电池时需要停罐，作业困难等问题，使用无线方式来对卡罐检测装置进行供电的优点在于：①可以在罐笼提升到井口时对电池进行充电，不用刻意停罐，无需更换电池：②充电可靠性更高，不需要拖出额外的电缆线来给电池充电，降低了风险。

本项目针对罐笼卡罐检测设备纯电池方式供电的不足，提出并研究有效的解决方案，用以构建安全可靠、高效灵活地罐笼通讯设备非接触式供电系统[3]。

1 罐笼电气设备电池无线充电原理

本文提出的罐笼电气设备电池无线充电系统如图1所示。

其工作方式为：当罐笼运动到井口处，处于停止运动状态时，无线充电系统开始工作，通过两线圈之间的高度耦合，实现电池的快速充电并提供电能给电气设备；当罐笼离开之后，由电池独自给电气设备供电，通过优化设计电池容量，充电方式等，保证电池持续有电，实现电池无人化管理充电。

其安装方式为：高频逆变器和补偿装置固定安装在井口处，能量发射线圈安装在井口的井架上，能量接收线圈安装在罐笼的外侧，补偿装置、充电器、电池及电气设备安装在罐笼内部[4]。当罐笼停靠在井口时，要保证能量发射线圈和能量接收线圈处于基本正对位置，从而保证两线圈之间的高度耦合，能量发射线圈与能量接收线圈电气隔离，基于电磁场以实现高效无线电能传输。

图1 罐笼电气设备电池无线充电系统工作示意图

1.1 系统拓扑结构设计

目前，WPT系统的补偿网络主要包括SS、SP、PS、PP以及LCL型等，LCL-S型WPT系统结构如图2所示。

由于实际中罐笼无法精准停靠，为实现偏移有效充电，采用DD型磁路耦合结构，如图3所示。

图3 磁路耦合机构

在无线供电系统磁路耦合机构设计时，要对电感值及互感值尽可能准确地计算，通过对磁场回路的形状和几何尺寸、周围介质的磁导率以及导线匝数和电流在导线截面上的分布进行分析，优化磁路耦合机构。

1.2 系统参数设计

图2所示系统的等效电路如图4所示。其中，uin为输入电压，iin为输入电流，La为补偿电感、L为原边线圈电感，C为谐振电容，R为负载等效到原边电阻，iL为原边线圈电流。

图4 LCL-S电路图

固有谐振角频率：

归一化角频率：

两个电感之比：

3.3 保肢失败的经验教训 目前普遍使用的MESS评分系统将评分大于7分作为截肢的指征[6]。战杰等[7]分析59例(61肢)保肢治疗效果后认为，MESS评分7～9分的严重创伤肢体也可试行保肢，保肢成功率达68.3%。国外学者认为严重肢体损伤选择保肢还是截肢，不能完全依赖评分系统，应综合考虑创伤、患者及医师3个方面因素，避免盲目保肢[8]。

品质因数：

结合图4，可求得LCL电路的输入阻抗为

进而，可求得输入电流为

电容电压Uc为。

原边线圈电流Ip为

电路输出电压U0为：

当ωn=1，λ=1时，有：

根据互感耦合原理，可求得输出电压为：

由式（8）可看出，当参数确定后，LCL-S具有恒压输出特性，与负载大小无关；且在负载变化时，系统可保持谐振状态。

2 仿真与实验

本无线充电系统设计由于是给罐笼中的卡罐检测装置中的铅酸蓄电池充电，考虑到矿上的实际情况，系统的设计指标为，输入电压Edc为48V,输出电压Uo为13V,输出功率Po为26W,原副边距离D为20(±1)cm，横向偏移Δd为20cm。

根据系统设计指标，设定系统参数如表1所示。

表1 系统参数

在实验系统中，电源电路采用全桥式逆变电路，选用ROHM公司的SCT2080KE型号的MOSFET作为功率开关管。

根据理论计算，原副边线圈均采用了DD型结构，使用2.2mm线径的利兹线绕制而成，系统磁路结构如图5所示。

图5 原副边线圈

副边拾取电压在经过整流滤波后并不能直接给蓄电池充电，还必须通过DC/DC电路稳压后才能使用，采用buck-boost电路作为稳压充电电路，其输入范围是8-36V，输出13.8V。

图6 WPT系统关键电压电流波形

由于实际矿上提供的电源为36V/50Hz，因此需要使用变压器把36V调整为220V/50Hz，然后220V输入48V开关电源作为直流输入电压，同时输入驱动板上的220VAC转15VDC的电源模块作为开关管驱动电源，系统逆变器的输出电压及原边线圈电流波形和系统的输出电压、输出电流波形如图6所示。

从图6中可以看出，逆变器的输出电流畸变率很小，输出电压电流稳定，纹波非常小。

3 结论

本文针对矿井提升机罐笼内卡罐检测设备现有电池供电存在的不足，提出一种安全、低成本、高效、高可靠性的电气设备电池无线充电系统，设计系统结构和模型，并进行理论与实验验证，取得了较好效果，系统已在江西武山铜矿北副井投入实际应用，运行效果达到了设计要求。