矿用便携式气体检测仪无线充电装置设计.pdf

第 4 1卷 第 5期 2 0 1 5年 5月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo l _ 4 1 NO ． 5 M a y 2 0 1 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 5 0 1 0 9 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 I x ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 2 7 张新超 ， 吴银成 ， 黄绍锦． 矿用便携式气体检测仪无线充电装置设计E J - 1 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 5 1 0 9 1 1 2 ． 矿用便携式气体检测仪无线充电装置设计 张新超 ， 吴银 成 ， 黄 绍锦 中煤科 工集 团重庆 研究 院有 限公 司 ， 重 庆4 0 0 0 3 9 摘 要 针 对现 有矿 用便 携 式 气体检 测仪 采 用 电池供 电存 在 因 电池容量 有 限 、 触点接 触 不 良而影 响 电池的 充 电效 果等 问题 ， 提 出了一种 基 于无 线 电能传 输技 术 的矿 用便 携 式 气 体检 测仪 无 线充 电装 置设 计 方 案 。无 线 电能发 射 电路 将 直流 电能 转换 为 高频 交流 电磁 波信 号 ， 并通过 线 圈发送 到 空 气 中； 无线 电能接 收 电路 通过 线 圈耦 合 空气 中的 电磁 波信 号 ， 并通 过整 流滤 波将 其 转换 为 直 流信 号 ， 为矿 用便 携 式 气体 检 测 仪提 供 电能 。 测试结果表明， 该装置能够输 出稳定的直流电压， 且传输效率高。 关键 词 煤矿 ； 便 携 式 气体检 测仪 ；无 线 充 电装 置 ； 无 线 电能传 输 中 图分类 号 T D7 7 2 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 0 4 3 0 0 8 5 7 网 络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 4 3 0 ． 0 8 5 7 ． 0 2 7 ． h t ml De s i g n o f wi r e l e s s c h a r gi n g de v i c e f o r mi ne us e d p or t a b l e g a s d e t e c t o r Z HANG Xi n c h a o， WU Yi n c h e n g ， HUANG S h a o j i n CCTEG Ch on gq i ng Re s e a r c h I ns t i t ut e，Ch on gq i n g 40 0 03 9，Ch i na Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o b l e m o f mi n e u s e d p o r t a b l e g a s d e t e c t o r u s i n g b a t t e r y f o r p o we r s u p p l y t h a t b a t t e r y h a s l i mi t e d c a pa c i t y，a nd ba d c on t a c t s c a n a f f e c t ba t t e r y c ha r g i ng e f f e c t s ，d e s i g n s c he m e of wi r e l e s s c ha r gi n g de vi c e f o r mi ne us e d p or t a bl e g a s de t e c t o r b a s e d o n wi r e l e s s p o we r t r a ns mi s s i o n t e c hn o l og y wa s p r o p os e d．W i r e l e s s po we r t r a ns mi s s i on c i r c ui t c on ve r t s DC p o we r t o hi gh f r e q ue nc y AC e l e c t r oma g ne t i c wa v e s i g na l ， a nd t r a ns m i t s i t i nt o t he a i r t hr o ug h c o i l ． W i r e l e s s p o we r r e c e i v i ng c i r c ui t c o up l e s e l e c t r o m a g ne t i c wa v e s i g na l i n t he a i r t hr ou gh c o i l ，a nd c on ve r t s i t t o DC s i g na l by r e c t i f i e r f i l t e r，S O a s t o pr o v i de p owe r t o mi ne us e d p o r t a bl e ga s d e t e c t o r ．The t e s t r e s ul t s s ho w t ha t t he d e v i c e c a n o ut p ut s t a bl e DC v o l t a ge a n d ha s hi gh t r a ns mi s s i o n e f f i c i e nc y． Ke y wo r d s c o a l mi ne；po r t a bl e g a s de t e c t o r；wi r e l e s s c h a r gi n g de vi c e；wi r e l e s s po we r t r a ns m i s s i o n 0 引 言 目前 国 内外 市 场上 现有 的矿用便 携 式气 体检 测 仪 都是 采 用锂 电池 或镍 氢 电池 进行供 电 。该 类 电池 具有 结 构 紧凑 、 工 作 可 靠 等优 点 ， 缺 点 是 容量 有 限 ， 通 常需 要在 井 上进 行 定 期 触 点 接 触 式 充 电 ， 触 点 接 触 不 良会 影响 电池 的充 电效 果 。无线 电能传 输技 术 Wi r e l e s s P o we r Tr a n s mi s s i o n ， WP T 是一 种借助 于 电磁 场 或 电磁波 实现 电能 非 接触传 输 的技术 _ 1 ] 。 该技术可提供一种更灵活 、 更安全可靠 的电能接入 方 式L 3 ] ， 能够 实 现矿 用便 携式 气体 检测 仪 在井 下 高 粉 尘 、 高潮 湿 、 易 燃 易 爆 环 境 的充 电 ， 极 大地 提 高 了 便携式气体检测仪的持久工作能力。本文从矿用便 携 式气 体 检测仪 的实 际应 用 需求 出发 ， 结合 无 线 电 能传输技术的技术特点 ， 设计 了适用于矿用便携式 气 体检 测仪 的无 线 充 电装 置 ， 并 进 行 了相 应 的实 验 验证 。 1 装 置 总体设 计 矿用 便携 式气 体检 测仪 无线 充 电装置 包括 无线 电能发 射模 块 和无 线 电能 接 收模 块 ， 结 构如 图 1 所 示 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 1 7 ； 修回 日期 2 0 1 5 0 3 1 2 ； 责任编辑 胡娴 。 作者简介 张新超 1 9 8 6 一 ， 男 ， 重庆人 ， 助理研究员 ， 硕士 ， 主要研究方 向为煤 矿井下气体检测技术 与控制 系统 ， E ma i l z x c z x c l 2 2 4 1 6 3 ． c o m。 1 1 0 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 ．一 史 焦 一 ， 一 凳史 辞 一 断 图 1 无 线 充 电装 置 结构 无 线 电能发 射 电路 将直 流 电能转换 为 高频交 流 电磁波 信号 ， 并通 过线 圈发送 到空 气 中 ； 无线 电能 接 收 电路 通过 线 圈耦 合 空气 中 的 电磁波 信 号 ， 并 通 过 整流滤波将其转换为直流信号 ， 为矿用便携式气体 检 测仪 提供 电能 ， 从 而 实现 通 过 无 线 电 能发 射 模 块 向矿用 便携 式气 体检测 仪进 行无 线充 电 的 目的 。 2硬 件设计 2 ． 1 谐 振 补 偿 拓 扑 结 构 按 照 电能传 输 原 理 的不 同 ， 无线 电能 传输 分 为 3种 方式 ① 电磁 感 应式 将 电流 通过 线 圈 ， 从 而 产 生 磁场 ， 实 现近 程无线 供 电 ； ② 电磁共 振 式 利用 磁 耦 合共 振效 应 实 现 近 程 无线 供 电 ； ③ 电磁 辐 射 式 将 电力转换成电波 ， 以辐射传输供 电 s - 6 ] 。其 中电磁 感 应式 传输 距 离 最 短 ， 为 厘 米 级 别 ， 但 传 输 效 率 最 高 ， 因此 ， 本 文选 用 电磁 感 应 式 无线 电能 传 输 方式 。 结 合矿 用便 携式 气 体检 测 仪 无 线 充 电特 点 ， 设 无 线 充 电装 置 与 矿 用便 携 式 气 体 检 测 仪 之 间 的距 离 为 5～ 6 m m 。 由于发 射线 圈 和接收 线圈 的磁路 结构 有较 大 的 间隙 ， 2 个 线 圈耦 合 系 数 低 。为 了提 高 电能 传 输 能 力 ， 通 常 需 对 发 射 线 圈 和 接 收 线 圈 进 行 谐 振 补 偿 [ 7 。电磁感 应式 无 线 电 能传 输 通 常 包 括 4种 基 本 的谐振补偿 拓扑结构 P S ， P P ， S S ， S P 其 中， 第 1 个 P表 示 发射 原 边 采用 并 联 谐振 ， 第 1个 S表示 发 射 原 边采 用 串联 谐 振 ； 第 2个 P表示 接 收副 边采 用 并 联 谐振 ， 第 2个 S表示 接 收副边 采用 串联谐 振 。谐 振 补偿 拓扑 结构 如 图 2所示 。其 中 ， I 为发 射原 边 谐 振 电感 ， L 。 为 接收 副 边谐 振 电感 ， C 为 发射 原 边 并 联 电容 ， C 。为接收 副边并 联 电容 。 四 圈四 田 b S P结 构 圈 囵圈 田 c P S结 构 d P P结 构 图 2谐振补偿拓扑结构 在 4种谐 振拓 扑 结 构 中 ， S S， S P结 构 传输 功 率 较 大 1 0 0 0 w ， 但 传输 效率 低 ， 最 大输 出功率 下传 输效 率 约为 5 O ， 且 在 实 现 过 程 中发 热 量 巨大 ， 可 靠性 低 ； P S ， P P结 构传 输 功 率 较 小 1 O w ， 但 传 输 效 率 较 高 ， 最 大 输 出 功 率 下 传 输 效 率 可 以 达 到 9 0 ， 可靠性高。在实 际应用过程 中， P P结构更 易 于 实现最 大输 出功 率 ， 因此 ， 无 线 电能发 射 电路 和接 收 电路选 用 P P拓 扑结 构 。 2 ． 2无线 电能发 射 电路设 计 无 线 电能 发 射 电路 如 图 3所 示 。 限流 电阻 R 用于检测发射 电路整体的工作 电流 ； 限流保护电路 根 据 限流 电阻上 的压 降判 断 电路 是 否 过 流 ， 并 输 出 当前 电流检测 信 号 ， 当过 流时 关 断 高频 振 荡 信 号 发 生 器 当前 周期 ， 停 止无 线 电能 发射 ， 等待 下一个 振 荡 周期 ； 高频振 荡信号 发 生器产 生高频 方波 信号 ， 本 文 选 取 的方波 频率 为 2 5 0 k Hz ； MOS F E T 驱动器 对 方 波信号进行放大并驱动场效应管 T ； 使能发射信号 可以控制发射电路停止发射或使能发射 ； L r与 c r 构成并联谐振发射 电路 。 电 曦 图 3无线 电能发射 电路 2 ． 3无线 电能接 收 电路设 计 无 线 电能接 收 电路 如 图 4所 示 。L 与 C 构 成 并 联谐 振接 收 电路 ， 耦合 接 收发 射模 块 发 射 的 电磁 能 量 ； 整流滤 波 电路对 接收 到的 能量进行 整 流滤波 ， 将 接 收 到 的 交 流 电 压 信 号 转 变 为 直 流 电压 信 号 ； DC ／ D C稳 压 电路针 对 直 流 电压 信 号 进 行 进 一 步 稳 压处理 ， 输出便携式气体 检测仪正常工作所需的低 纹 波直 流 电压 。 出 图 4无 线 电 能 接 收 电路 2 ． 4 L C谐振 参数设 计 无线电能传输 系统工作 于 P P谐振模式下 ， 为 了实 现无 线 电 能 传 输 的 高 效 率 ， 需 要 对 谐 振 参 数 L ， ， L 。 ， c 进行详细设计。 对于 发 射线 圈和 接 收线 圈 ， 本文 采 用 生产 制 作 第 4 l 卷 第 5期 2 0 1 5年 5月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i n e Aut o ma t i on Vo I ． 4 l No ．5 M a y 2 0 1 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 5 0 1 1 2 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 2 8 张家锁 ， 任巍杰． 综放高瓦斯矿井煤层瓦斯涌出量综合预测I- J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 5 1 1 2 1 1 5 ． 综放高瓦斯矿井煤层瓦斯涌出量综合预测 张 家锁 ， 任 巍 杰 。 1 ． 山西 阳城 阳泰集 团 竹林 山煤业 有 限公 司 ，山西 晋 城0 4 8 1 0 0 ； 2 ． 太原 理工 大学 采 煤工 艺研究 所 ，山西 太原 O 3 0 0 2 4 摘 要 为 了成功预 测 竹林 山煤矿 综放 高 瓦斯矿 井 大采 高工作 面煤层 瓦斯 涌 出量 ， 以主采 3号煤 层 为主要 研 究对象， 针对 3号煤层以往开采情况， 通过布设测点测量其煤层 瓦斯含量和 了解相邻矿井瓦斯含量， 采 用 分 源预 测 法 、 回归 法及统 计法 等预 测方 法得 到 了 3号煤 层 瓦斯 含 量的分 布规 律 ， 并绘制 了 3号煤层 的 瓦斯含 量等值 线图。对矿井不同生产时期的瓦斯含量进行预测， 得到 了生产前期、 中期及后期采区的最大绝对 瓦斯 涌 出量和 最 大相 对 瓦斯 涌 出量 ， 说 明 了竹林 山煤矿各 个时期 均属 于 高瓦斯矿 井 。 关键词 高瓦斯矿 井；瓦斯涌出量 ； 分源预测法； 统计法；等值线图 中 图分 类号 T D7 1 2 文献 标志 码 A 网 络 出版 时 间 2 0 1 5 0 4 3 0 O 8 5 7 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www ． 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 O 1 5 0 4 3 0 ． 0 8 5 7 ． 0 2 8 ． h t ml Co mpr e he n s i v e p r e d i c t i o n o f c o a l s e a m g a s e mi s s i o n qu a nt i t y o n f u l l y me c ha n i z e d wo r ki n g f a c e i n h i g h l y g a s s y mi ne ZHANG J i a s u o ， REN W e i j i e ， 。 1 ． Zh u l i n s h a n Co a l Mi n e ，Ya n g t a i Gr o u p Co ． ，Lt d ． ，J i n c h e n g 0 4 8 1 0 0，Ch i n a ；2 ． Re s e a r c h I n s t i t u t e o f C o a l M i n i n g Te c h n o l o g y ，Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s u c c e s s f ul l y p r e d i c t c oa l s e a m g a s e m i s s i on q u a nt i t y o n f u l l y m e c h a ni z e d l a r ge m i ni ng he i g ht wo r k i ng f a c e i n Zhu l i ns ha n hi g hl y ga s s y m i ne， t h e m a i n m i n i ng No ． 3 c oa l s e a m wa s i d e n t i f i e d a s t h e ma i n r e s e a r c h o b j e c t ．I n a l l u s i o n t o t h e mi n i n g s i t u a t i o n o f No ． 3 c o a l s e a m，g a s c o n t e n t o f t h e No ． 3 c o a l s e a m wa s me a s u r e d a n d t h e g a s c o n t e n t i n t h e a d j a c e n t mi n e s wa s u n d e r s t o o d t h r o u g h l a y i n g s o m e me a s ur e m e nt p o i nt s ，t h e d i s t r i bu t i o n r e gu l a r i t i e s of g a s c o nt e nt i n t he No ． 3 c oa l s e a m wa s o bt a i ne d by us e of s e p a r a t e s ou r c e me t h od，t he r e gr e s s i o n m e t ho d a n d t he s t a t i s t i c a l m e t ho d，a nd t he c o nt ou r ma p 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 9 2 4 ； 修 回日期 2 0 1 4 1 2 - 2 6 ； 责任编辑 张强 。 作者简 介 张家锁 1 9 6 9 一 ， 男 ， 山西晋城人， 工程师 ， 现主要从事煤矿安全生产管理 工作 ， E ma i l z j s 4 9 9 2 6 4 2 1 2 6 ． c o m。 [ 2 ] r 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 夏晨 阳． 感应 耦合 电能传输 系统能效 特性 的分析 与优 化研究I- D ] ． 重庆 重庆大学 ， 2 0 1 0 ． H U A P， LI U C。 HA0 L L． A no v e l c o nt a c t l e s s b a t t e r y c h a r g i n g s y s t e m f o r s o c c e r p l a y i n g r o b o t F C ] ／ ／ 1 5 t h I n t e r n a t i 0 n a l Co n f e r e n c e o n M e c h a t r o n i c s a n d M a c hi ne Vi s i o n i n Pr a c t i c e，Auc kl a n d，2 008 64 6 6 50 ． W ANG C S，STI ELAU 0 H ， C0VI C G A． De s i gn c o ns i d e r a t i on s f or a c on t a c t l e s s e l e c t r i c v e hi c l e ba t t e r y c h a r g e r [ J] ． I E E E Tr a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l El e c t r o n i c s ，2 0 0 5，5 2 5 1 3 0 8 1 3 1 4 ． 杨芳勋． 基于 I C P T 的无线 电能传输 网关键 技 术研 究 [ 6 ] [ 7 ] E 8 ] [ D ] ． 重庆 重庆大学 ， 2 0 1 2 ． 杨民生． 非接触 感应耦合 电能传 输与控 制技术及 其应 用研究[ D ] ． 长沙 湖南大学 ， 2 0 1 2 ． W ANG C S，C0VI C G A ， STI ELAU 0 H ． Powe r t r an s f e r c a p a bi l i t y a n d bi f ur c a t i o n phe n ome n a of l o o s e l y c o u p l e d i n d u c t i v e p o w e r t r a n s f e r s y s t e ms I- 1 ] ． I EEE Tr a ns ac t i ons on I nd us t r i a l El e c t r o ni c s， 20 04， 5 1 1 1 4 8 1 5 7 ． B 0YS J T，C OVI C G A， XU Y X． DC a n a l y s i s t e c h n i q u e f o r i n d u c t i v e p o we r t r a n s f e r p i c k u p s [ J ] ． I EEE Po we r El e c t r o ni c s Le t t e r s，2 00 3， l 25 i - 5 3 ．