长距离自动巡检绞车无线供电系统研究.pdf
第 4 2卷 第 5期 2 0 1 6年 5月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i ne Aut oma t i o n Vo 1 . 4 2 No . 5 M a y 2 0 1 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 5 0 0 7 1 0 5 D OI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 6 . 0 5 . 0 1 6 夏晨阳, 王卫 , 任思源, 等. 长距离 自动巡检绞车无线供 电系统研究[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 6 , 4 2 5 7 1 7 5 . 长距离自动巡检绞车无线供电系统研究 夏晨 阳 , 王卫 , 任思源 , 张杨 , 赖娜 , 谷志鹏 , 刘海伟 , 吕龙彪 , 刘锋。 1 . 中国矿业大学 江苏省煤矿 电气与 自动化工程实验室 , 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ; 2 . 徐州凯思特机电科技有限公司,江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘 要 针 对煤矿 井下绞 车供 电 问题 , 设 计 了一种 长距 离 自动巡 检 绞 车无 线供 电 系统 , 重点 介 绍 了该 系统 的无 线供 电模 式 , 并通过 理 论分析 得 出 系统的 输 出功率 、 输 出效率 随 原边 线 圈 内 阻的增 大而 减 小 , 随逆 变 器 开关频率的增大而增加 ; 根据该结论及 井下绞车长距 离导轨的实际情况, 设计了分段供 电模式。仿真与实验 结果验 证 了该 系统 的 可行性 。 关 键 词 长距 离绞 车 ;自动 巡检 ;无线供 电 ; 分段 供 电 中 图分类号 TD 6 3 4 文献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 6 0 4 2 9 1 1 3 2 网络 出版 地址 h t t p / / ww w. c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . T P . 2 0 1 6 0 4 2 9 . 1 1 3 2 . 0 1 6 . h t m1 Re s e a r c h o f wi r e l e s s po we r s u pp l y s y s t e m f o r a u t o ma t i c l o ng d i s t a nc e i ns p e c t i o n wi n c h XI A Ch e ny a ng , W ANG W e i , REN Si yu a n , ZH ANG Ya ng , LAI Na , GU Z h i p e n g ,LI U Ha i we i , L YU Lo n g b i a o ,LI U Fe n g 1 . J i a n g s u P r o v i n c e La b o r a t o r y o f El e c t r i c a l a n d Au t o ma t i o n En g i n e e r i n g f o r C o a l Mi n i n g, Chi n a Uni v e r s i t y o f M i ni ng a nd Te c h no l o gy,Xu z ho u 22 1 0 08,Chi n a; 2 . Xu z h o u Cu s t e r El e c t r i c a l a n d M e c h a n i c a l Te c h n o l o g y Co . ,L t d. ,Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ,Ch i n a Ab s t r a c t For po we r s up pl y pr o bl e m o f c oa l mi n e wi nc h,a wi r e l e s s po we r s up pl y s y s t e m f o r a ut oma t i c l o ng d i s t a nc e i ns pe c t i on wi n c h wa s d e s i gn e d. The wi r e l e s s p o we r s up pl y mo de o f t he s y s t e m wa s i n t r o d u c e d i n d e t a i l s .Co n c l u s i o n s g o t t e n b y t h e o r e t i c a 1 a n a l y s i s we r e a s f o l l o wi n gt h e s y s t e m o u t p u t p owe r a n d o ut pu t e f f i c i e nc y d e c l i n e wi t h i nc r e a s i ng o f p r i m a r y c o i l r e s i s t a nc e a nd i nc r e a s e wi t h i nc r e a s i n g o f i nv e r t e r s wi t c hi n g f r e qu e nc y.Ac c o r di ng t o t he c on c l us i o ns a nd l o ng - di s t a nc e gu i d e f o r c oa l mi ne wi n c h, a s e c t i o n a l p o we r s u p p l y mo d e wa s d e s i g n e d.Th e s i mu l a t i o n a n d e x p e r i me n t r e s u l t s v e r i f y f e a s i b i l i t y o f t h e s ys t e m . Ke y wo r d s l o n g d i s t a n c e wi n c h;a u t o ma t i c i n s p e c t i o n;wi r e l e s s p o we r s u p p l y ;s e c t i o n a l p o we r s u p p l y 0 引言 煤矿的安全开采是煤炭工业发展 的基础。中国 煤炭开采条件复杂 , 危险因素多 , 井下用电设备供电 安全性 一 直 是 困扰 煤 矿 企 业 的 主要 问 题 之 一[ 1 _ 。 目前 , 井下用电设备主要有 3种供 电方式 蓄电池供 电方式需要频繁更换电池 , 耗费人力 ; 拖线供电方式 存在断裂 、 不灵活以及不美观的缺点; 从架空线滑动 取电容易导致炭积 、 接触不良及接触火花等问题。 近年来兴起 的无线 电能传输 Wi r e l e s s P o we r T r a n s mi s s i o n ,WP T 技术基 于电磁感应耦合或 电 磁耦合谐振原理, 实现电能从电源到用 电设备的无 线传输 , 可避免 目前供电方式存在的接触火花 、 器件 磨损 、 接触不 良等问题[ 3 _ 8 ] , 为井下设备供电方式提 收稿 日期 2 0 1 5 1 2 3 0 ; 修回 日期 2 0 1 6 0 3 2 5 ; 责任编辑 李 明。 基金项 目 高等学校博士学科点专项科研基金资助项 目 2 0 1 2 0 0 9 5 1 2 0 0 2 2 ; 中国矿业 大学大学生创新创业基金立项大学生创新项 目 2 0 1 5 1 6 。 作者简 介 夏晨 阳 1 9 8 2 一 , 男 , 江苏泰州人 , 副教授 , 博士 , 研究 方向为无 线电能传输技术 、 本质安全型开关电源技术 , E - ma i l b l u e s k y 1 9 8 2 1 0 1 6 3 . c o m 。 7 2 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 供 了新的选择[ 9 。 。目前 , 国内对 wP T技术在煤矿 井下应用的研究 尚处于初级阶段。文献[ 1 1 ] 针对煤 矿井下大量无线传感器节点 电池更换难 、 维护难 的 问题 , 提 出 了一 种磁 耦 合 谐 振式 井 下 无 线 充 电 理论 模型 。文献E 1 2 ] 针对井下移动充电模式平均充 电效 率不高的问题 , 对典 型的磁耦合谐振式 电能传输 系 统进行了改进和优化。文献E 1 3 ] 给出了一种高瓦斯 粉尘 环境 下考 虑粉 尘 电导 性 的无线 电能 传输 系统全 互感模型建模方法 , 提高了模型建模 的精准性 。 本文 针对煤 矿 井下 长距离 自动 巡检 绞车供 电问 题 , 提出一种无线供 电系统, 重点分析了该系统的结 构及无线供电模式 , 并通过计算机仿真及实验平台 验证 了该 系统 的优 良特性 。 1系统 结构 长距离 自动巡检绞车无线供 电系统结构如图 1 所示 。在 实验 室环 境 下 模 拟煤 矿 井 下 巷 道 , 在 小 车 底部设支撑木板 , 支撑木板宽度大于小车宽度 , 支撑 木板 内铺设原边线圈, 副边线圈安装在小车上 。小 车载有无线摄像头 , 实现对绞车的 自动化巡检 。系 统采用无线供 电方式 , 为小车及摄像头供电。 原边线圈 支撑木板 图 1 长距离 自动巡检绞车无线供 电系统结构 2 系统 设计 2 . 1 长距 离无 线供 电模 式 考虑到井下高瓦斯环境对用 电设备防爆有严格 的要求 , 现有 的无线 电能传输 系统本身 电路结构并 不能满足井下防爆要求 , 本文采用如图 2所示 的无 线供电模式 , 其中副边 电能补偿装置 、 副边 电能变换 装 置安 装在 小车 中 。长距 离体 现在原 边线 圈 为一段 长导轨 , 或称为单匝线圈。 2 . 2 电 能补偿 装置 磁耦合谐振式无线电能传输系统的电能补偿拓 扑主要有原边串联副边串联补偿 S S 、 原边 串联副 边并联补偿 S P 、 原边并联副边串联补偿 P s 和原 边并联副边并联补偿 P P , 如 图 3所示。V , J 分 别为电压源 、 电流源 , 对应图 2中高频逆变电路的输 AC 原 边 电 能 原边 电 能 副 边 电能副边 电 能 变换装 置 补偿装置 补偿装置变换装置 图 2系统无线供电模式 出 , M 为原 、 副边线 圈互 感 , C 。 , C 分 别为 原 、 副边 补 偿 电容 , L 。 , L 分 别 为 原 、 副 边 线 圈 自感 , R 。 , R 。 分 别为原、 副边线圈等效 内阻, RI . 为负载等效 内阻。 母 M 固 留 拓扑 b S P拓扑 躅 四 田 韧 c P S拓 扑 d P P拓 扑 图 3无线电能传输系统的电能补偿拓扑 在煤 矿井 下 , 电压源 比电流源更 容易 获得 , 且原 边 采取 串联 补 偿 更 有 利 于 系 统 稳 定 , 也 更 容 易 控 制 口 , 因此 系统 可采用 S S , S P拓扑 。副 边采 取 串联 补偿时 , 系统谐振频率只与电感和电容有关 , 与负载 和原 、 副边线 圈互 感 无关 ; 副边 采 取 并 联 补偿 时 , 系 统 谐振频 率 不 仅 与 电感 、 电容 有 关 , 而 且 与 负 载 和 原 、 副边线圈互感有关 。在绞车行驶过程中, 原、 副 边 线 圈的相 对位 置一 直 变 化 , 互 感 也会 随之 发 生 变 化 。因此 , 系统 电能补偿 装 置最终 采用 S S拓扑 。 2 . 3磁 路 机 构 磁路机构是原 、 副边进行 电能传输 的桥梁 , 由 原、 副边线圈构成 。磁路机构可分成静止式 、 滑动式 和螺旋式 3种[ 1 引。其中滑动式磁路机构适用于原、 副边线圈具有相对运动的场合 , 可灵活地对 移动设 备供 电 , 因此本 文选 用 滑动 式 磁 路 机构 。 由于 系统 的原 、 副边耦合系数低, 所以需要使用磁芯。滑动式 磁路 机构 中常采 用 O 型 、 U 型 、 E型 、 E I 型磁 芯 。为 使原边导轨方便地安装在支撑木板 中, 副边线圈的 磁芯较适宜采用 U 型或 E型 。本文选择 E型磁路 机 构 , 如 图 4 所 示 。 一 一 犀 2 0 1 6年第 5期 夏晨 阳等 长距 离自动巡检绞车无线供电系统研究 .7 3 . 副边线圈 Q \ \ 原 边 导 轨 / / . 图 4 系统磁路机构 3系统能 效分 析 系统高频逆变 电路采用全桥逆变器 , 其 等效 电 路如图 5所示 , 其 中 V 为系统 的直流 电压输入 , 电 容 C用于维持输 入电压恒定。系统工作 在恒频模 式下 , 工作角频率为 。为实现功率和效率的最大 化传输 , 副边需处于完全 谐振状态 , 副边补偿 电容 C 。 的选取 需满 足式 1 。 L。 C 一 1 1 S 1 土 。 。 __ C s ] 。 图 5逆 变 器 等 效 电 路 设逆变器工作在零电流软开关工作模式下 , 则 逆 变器 输 出 的电压有 效值 为 [ 1 。 A V 一 d 2 , / 2 丁 c 在副边谐振状态下, 从副边 线圈到原边线圈的 反射等效阻抗为 Z。一 ∞。 c £ J R 风 3 由式 3 司看 出 , 采 用 S S拓 扑 时 , 副边 线 圈 反 射到原边线圈的等效阻抗呈阻性。为了实现系统原 边谐振 , 原边补偿 电容应满足 C 一1 / c c, L 。原边 电路的等效阻抗为 z R 4 原边电路电流有效值为 g p m g p 5 则系统输出功率为 P 一 2黹/W 2 R ㈤ R I RT R 0 一 系统输出效率为 一 Zs 一 十 R p ~ 17 一 一 ■ I ■ 十 K J 实验系统 中小车功率为 4 0 W , 无线摄像头功率 为 2 O w , 且小 车 和无 线 摄 像 头 的额 定 电压 均 为 1 2 V, 由此计算得负载等效 内阻 R 一2 . 5 Q。系统 输入电压可取井下 3 6 V直流电压 , 由式 2 计算得 V 一3 2 . 5 V。系统原、 副边耦合系数低 , 互感 M 一 般为 几 微 亨 , 本 文取 M --2 H。根 据式 6 、 式 7 得出系统输出功率 、 输 出效率与原边线 圈内阻及逆 变器开关频率之 间的关系 , 如图 6所示 。可见随着 逆变器开关频率增大 , 系统输出功率和输出效率增 加; 随着原边线圈内阻增大, 系统输出功率和输 出效 率降低 。综合考虑系统输 出功率和效率, 可取频率 .厂 一8 0 k Hz , 内阻 R 一1 Q。 之 褥 钼 舞 b 输 出效率与原边线圈内阻及逆变器开关频率关 系 图 6 系统仿真结果 4长 距离 导轨 分段供 电模 式 4 . 1分 段 供 电模 式 因逆变器开关频率很高, 系统中线圈、 导轨均采 用利兹线。数千米利兹 线 内阻为数欧姆 到十几欧 姆 , 若仅采用单个导轨 , 无法满足系统输出功率和效 率要求 , 因此原边导轨采用分段供电模式 。 长距离导轨分段供 电模式分为 3 6 V供 电一分 级驱动导轨模式 、 高频 高压配 电一低压恒流激励导 轨模式和混合 型导轨模 式[ 1 。系 统选择 3 6 V供 电一 分级驱动导轨模 式, 如 图 7所示。电能变换装 置用于产生高频电流注入到导轨; 换流器可根据当 前的负载情况 自适应切换 当前的注入状态, 从而实 现系统的分级控制 ; 谐振补偿装置使系统工作在谐 7 4 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 振状 态 。 藿囊 I电能变换装置l l电能变换装置l 匿堕 I谐振补偿装置l I谐振补偿装置I ‘ 一 。一 一 , 一 、 J 、~ 一一一一 一。 、 一一 一一一 一’ 导轨段 1 ⋯ 导轨段 图 7 3 6 V供 电一 分级驱动导轨模式 该模式的优点 分段供电 , 电路损耗低 ; 电能变 换装置容量低 , 对器件 的要求低; 各部分彼此独立 , 可靠性高, 系统更加稳定 。但该模式需使用较 多的 电能变 换装 置 。因 绞 车运 输 距 离 仅数 千米 , 所 以本 系 统 中电能 变换 装置 的实 际用量 很少 。 4 . 2 小车位 置检 测 方法 为了及时有效地切换原边导轨 , 需在相邻 2段 导轨之间安装位置传感器 。记第 段原边导轨人 口 处和出口处的位置传感器为 T 和 , 位置传感器 与各 段 原 边 导 轨 换 流 器 之 间 的 连 接 如 图 8所 示 。 第 一1段原边导轨出 口处 的位置传感器 T 及 4 - 1段原边 导 轨入 口处 的位 置 传感 器 T 十 与 第 段 原边 导轨 的换 流器 相连 。副边线 圈宽 度 a与 位置传感器 T c I ” 和 之 间的距离 b相等 。换流 过程 假设小车处于第 一1段原边导轨, 当其行驶 到位置传感器 Tc I 。 处时, 换流器 得到一个 开通 信 号 , 第 段 原 边导 轨开 始工作 ; 当小车运 动 到位 置 传感器 处时, 第 一1段原边导轨的换流器得 到 一 个关断信号, 第 一1段原边导轨停 止工作 , 换流 完成。在换 流过程 中, 可 能存在 磁场 强度不 够或 2段 导轨 产生 的磁 场 相互 抵 消 的情 况 , 因此 有 必 要 采用 UP S电源, 在某段导轨发生故障时 , 保证 系统 正 常运 行 。 原边线圈 图 8小车位置检测方法 在第 1段原 边导 轨 的入 口处 和最后 1 段 原边 导 轨的出口处安装第 2种位置传感器 , 当小车行驶到 该处时发出信号, 表明小车反向运行 。 5系统仿 真 与实验 通过 Ma t l a b / S i mu l i n k仿真软件和实验对系统 性能进行验证 。系统负载为阻性负载。系统参数设 置见 表 1 。 表 1 系统参数设置 图 9为仿真中逆变器输出电压和 电流、 系统输 出电压仿真波形。可见逆变器输出电压和电流基本 同相 位 , 达 到谐 振状 态 ; 系统输 出 电压 为 1 2 V, 可 正 常工 作 。 a 逆变器输出电压和电流 40 3 0 2 0 1 0 ≤ 0媲 -l O - I - 2 0 - 3 0 4O 0 b 系统输 出电压 图 9 系统仿真波形 图 1 O为 系统 实 验 波 形 。可 见 实验 结 果 与 仿 真 结果类似 , 系统达到了谐振状态, 输出电压为 1 2 V, 能够 维持 系统 正常 工作 。 \ 出廿 2 0 1 6年 第 5 期 夏晨 阳等 长距 离 自动巡检 绞车 无线供 电 系统研 究 7 5 \ 取消 自 动设置 [ 5] [ 6] CHI 5 .0 0V CH2 I . 0 0A M 5 0 .0p s C HI - 厂一1 9 4mV l 2 一S c D 一1 5 0 9 5 1 9 .9 9 9 5 7 k Hz L ,J a 逆变器输出电压和电流 ’ -’ ’ - ● ’ ’ ’ 。 ’ ’ ’ ‘ ‘ ‘ ‘ , u - . . - ⋯ ~ ” ” “ ⋯ ⋯⋯ ⋯⋯⋯ ⋯⋯ ⋯ . . - - - - . i ⋯ ~ ” ‘ 。 一 ‘ 。 ‘ ⋯1 . ⋯‘ ‘ ‘ 。 ‘ ⋯。 ⋯’ ⋯ ● CHl l 0 . 0V 6结 语 AUT OS ET [ 8] 取消 自 动设置 [ 9] M 1 0 .0ms C H1 一 厂 一l 8 . 7mV 1 2 。 S e p。 1 5 1 0 0 3 1 0 Hz [ I o - I b 系统输 出电压 图 1 O系统实验 波形 无线供 电系统具有灵活、 安全 、 易维护等特点 , 特别适合为煤矿井下电气设备供电。针对煤矿井下 绞车的供电安全 问题 , 设计 了长距离 自动巡检绞车 无线供 电系统 , 在实验室条件下 , 采用仿真软件和实 验 验证 了该 系统 的可行性 。 参考文献 [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] 胡祝 龙 , 程 天 华. 煤 矿 数 字 电 网供 电保 护 系 统 研 究 [ J ] . 煤矿安全 , 2 0 1 3 , 4 4 4 1 1 9 1 2 2 . 张玉均 , 卢永 芳 , 王晓卫 . 基 于 D S P的煤矿 电缆故 障 测距系统l- J ] . 煤矿安全 , 2 0 1 4 , 4 5 1 1 1 1 0 1 1 2 . 夏晨 阳 , 张彦 兵 , 伍 小杰 , 等. 基于 阻抗变 换 的稳频 高 效非接触 电 能 传 输 系 统 [ J ] . 西 南 交 通 大 学 学 报 , 2 0 1 2, 4 7 5 8 1 4 - 8 1 9 . 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