矿井自动化监测监控系统小功率无线充电技术研究

贾林杰

（潞安集团常村煤矿，山西长治 046000）

0 引言

在煤矿井艰苦的工作环境中，为了实现安全、有效、无环境限制等优点，采取了无线电能传输技术（Wireless Power Transmis-sion，WPT），它的工作原理是利用磁场耦合从而把电能从电源侧向负荷隔空传输。煤矿监测监控系统的使用，减少了工人事故的发生，为工人营造了安全有利的环境，同时，对煤矿生产也能随时监测。为了更好地完善煤矿检测系统的动态感知与实时监测，安装了将非电量信号转换为电量信号的设备，如无线传感器、无线摄像头等。但是井下煤矿环境恶劣，易出现难以预料的情况，而无线设备需要蓄电池供电，从而增加了工人维修设备的工作量。将无线充电系统能量端安装在矿井中传输机等设备上，通过它们的运行可以实现无线充电；这种充电方式可以防止在充电时产生电火花，同时实现动态充电[1]。本文根据矿井下不一样的用电方式，提出了与之相适应的供电系统，不但能够恒定地输出电流，而且还能进行一系列的证实。

1 无线电传输系统组成部分

如图1所示，传输无线电的重要组成部分有直流电源、高频逆变器、谐振补偿器、原边线圈、副边线圈、整流滤波电路以及设备等。它们各司其职，前4个器械主要是原电路的重要组成部分，并且也发射能量；传输无线电的另一部分是设备的副边电路，它是提供能量的主力军，可以将电能转换成动能。电能的主要来源方式是直流电源，平常电能可以从蓄电池中直接使用或者从电流电波中经过转换从而进行使用。而系统的前半部分可以将直流电转换成交流电，若转换的频率越高，线圈附近产生的能量也越大。谐振电路包括有谐振补偿电路和原、副边线圈，可以有效增加电路附近的磁场。两个线圈可以通过相互感应，从而使其产生的电压值是一样的，随后把电能输送到副边[2]。整流波电路在运行过程中可以将感应到的电压转为设备运行所需要的电能。

图1 无线电能传输系统组成

2 设备恒压输出

谐振补偿拓扑主要是依靠基本谐振拓扑和复合补偿拓扑来运转的，因为它们的特性不同，所以系统输出的电压也不一样，在特定情况下，有的复合补偿拓扑在特定的环境下能同时达到恒压输出和恒流输出，运行起来十分方便。本文研究的是其中一部分，即LCC-S（谐振补偿拓扑），从图2所示的电路图可以看出，u1为输出电压，L1为在电路中补偿的电容认定，i1为电路中的电流，C1为原边补偿电容，C2为电路中的原边谐振电容，L2为左边电路中的原边线圈，i2为原边线圈产生的电流，M为互感值，L3为右边电路中的副边线圈，C3为副边谐振电容，i3为右边电路中的电流，R为负载，U2为输出的电压[3]。

图2 LCC-S谐振补偿电路

电流i2满足下式：

式中：ω为系统角频率。

由此可以得到，原边线圈电流i2与角频率ω、输入电压U1、补偿电容C1呈反比，与其他的则无关系。如果一个系统参数确定以后，这个数就不再变化了，那么LCC-S（谐振补偿拓扑）能够确保原边线圈磁场的稳定。

右侧电路U2满足下式：

电路中输出的电压U2与角频率ω、互感M、原边线圈电流呈正比。在确定输入电压U2不变时，则能确保输出电压稳定不变，与电路中的负载没有关系，具有普遍适应性，可供矿井中的其他设备提供电能。可是，输出电压则受互感的影响，在互感稳定的情况下，系统的输出电压是恒定不变的。在稳定状态下充电时，互感也不会发生变化[4]。

系统中电流的关系如下：

输入电流i1与输出电流i3成正比关系，得到了与式（2）同样的结论。

总而言之，LCC-S在互感稳定时，电路中的电压输出是恒定的，能够成为相同的电压等级，可以为电压功率不一样的设备充电，并且在充电的时候不会出现意外情况，如电压改变或者功率改变[5]。

3 设备验证

进一步验证试验的可行性，选取Matlab的方法进行了实验[6]，结果如表1所示。

表1 系统参数

可以将电路中连接的设备想象成一个电阻，可以用100Ω和20Ω代表，运行中显示在0.06～0.08 s时出现了波动[7]，电阻降至20Ω，如图3所示。从图可知，当100Ω突然降至20Ω时，设备的电压发生了短而快的波动，然后在12 V处稳定下来，所以，电阻不管是20Ω还是100Ω，系统都可以达到12 V的恒压，从以上结果可以发现，谐振补偿拓扑在不同的电阻下都可以恒定输出电压[8]，对相同电压的设备都可以充电。

图3 系统输出电压仿真波形

4 结束语

因工作需要，矿井下的煤矿监测系统必须使用摄像头、无线传感器等，它们需要在一定的时间更换电池，增加工人的工作量的同时也影响设备的运营。本文为了解决监控系统中无线传感器、摄像头等的维护工作，对无线电传输技术的问题进行了研究。研究发现，LCC-S（谐振补偿拓扑）无线电压传输系统可以在互感稳定不变的情况下实现恒压输出，并且不受其他设备的干扰，可以为相同电压的设备进行充电，上述实验已经得到了证实。电能的传送为隔空传输，所以将线圈都密封在安全的保护装备下，不会出现危险。但是本实验中还有一定的不足之处就是虽然进行了有效的理论分析，但是还需要实践来进行验证。