无线电能传输技术在煤矿井下照明系统中的应用分析

俞霄波 吴国有 左鹏飞 陈巧娇

浙江国友通讯科技股份有限公司 浙江 杭州 311400

引言

在我国国民经济发展战略资源中，矿产资源是其中的重要组成部分，要想推动工业经济的健康发展，做好矿产资源安全开采作业就是其中一项根本基础。在进行煤矿井下开采作业中，照明设备的运行安全就起到非常重要的作用，但就当前现有的井下照明设备所使用的接触式供电方法来看，存在一定的接触不良、易发生爆炸事故、维修工作困难等问题，这就需要对照明系统进行必要的改良和优化，因此，本文分析无线电能传输技术在煤矿井下照明系统中的应用，具有一定的现实性研究意义。

1 煤矿井下无线照明系统的应用原理

对于井下无线照明系统的应用，具体来讲，首先在井下巷道进行电源转换装置安装，输入端部分与电网进行连接，输出端部分只与线圈回路进行连接，线圈导线经过巷道的其中一侧墙壁，然后再经过其顶部至另外一侧墙壁，最后经过巷道的地面，最终回到电源转换装置处，整体上呈闭合回路状态，对于照明灯回路的安装位置，主要在线圈周边，但与线圈之间不通过电气进行连接，而是通过磁场来传递能量，也就是基于电磁感应的技术原理，促使照明灯回路激发高频交流电，整流后作为直流电源来对照明灯进行电力供应，在进行照明灯布置时，将其设在巷道两侧墙壁，促使照明回路和电源线圈电气隔离，具有更高的应用安全性，同时也方便之后的维修工作。

2 无线电能传输技术在煤矿井下照明系统中的应用分析

2.1 系统高频逆变电路拓扑设计

从整体上来看井下无线照明系统，对于能量传递初级部分，也就是在耦合机构原边进行逆变器设置，然后再将输入工频交流电能转为能够经过耦合机构来传递能量的一种高频交流电能。对于逆变器形式可根据其使用的开关管数量进行分类，主要有单管、多管以及双管。

如果选用原边逆变器为单管构成，通常情况下用在功率相对比较小的场合条件下，其应用范围由几十毫瓦到几十瓦。对于功率为中小状态条件下，当前应用常见的为电压型半桥或全桥逆变电路，其中半桥逆变电路能够达到上百瓦，全桥逆变在各种类型的功率级别中都有一定的应用。基于体积、系统实现特性进行分析，根据煤矿井下无线照明系统，所使用的逆变电路为单相电压型全桥逆变电路。

2.2 系统补偿网络设计

要想确保无线电能传输系统在实际应用时的功率传输效率以及传输性能，同时起到对系统无功功率容量的减少作业，这就需要通过补偿原副边线圈电感来实现[1]。从补偿方式的角度来讲，将各种类型的补偿结构在负载动态下的稳压能力考虑其中，结合煤矿井下作业可运用LCL/S补偿网络。对于这种类型的补偿网络，能够实现在负载动态条件下实现系统原边线圈电流恒定，确保负载端能够稳压输出，通过以上促使工作频率保持稳定状态。

2.3 耦合机构设计

2.3.1 磁路耦合机构选型。结合当前煤矿井下照明设备对无线供电所提出的使用要求，可通过长导轨耦合形式，简单来讲，就是在巷道顶部进行原边线圈设置，然后通过巷道左侧和右侧，以此构建成闭合回路状态。从整体上来看耦合机构，其原边、副边分别采用的是单根直导线和矩形线圈，对于线圈匝数设定，可结合当前照明系统运行性质来决定，但要注意的是不能使用磁芯材料。上述耦合机构在实际应用中，虽然传输功率相对比较小，但能够满足基本的照明供电，同时传输距离比较近，具有很好的抗偏移能力[2]。基于以上，在进行煤矿井下照明无线供电系统中的磁路耦合机构设计过程中，还需要计算其中的电感值和互感值，以此来对磁路机构对原边线圈自感、副边线圈自感、互感等参数可能产生的影响机理进行分析，同时分析磁场回路形状、附近戒指磁导率等因素，以此对磁路耦合机构进行优化和完善。

2.3.2 发射线圈和接收线圈的绕线材料选择。要想切实保证无线电能传输技术在煤矿井下照明系统中副边能量拾取结构灵活性，这就需要对电磁机构原边能量发射处设置一定长度的线圈绕组。就高频电路而言，因频率不断增长，使得高频电流在线圈流通过程中产生一定的高频效应，另外还有一些其他寄生电容、电感等因素产生影响，使得电路应用性能因此被损害，从而影响其运行效率。

为此，如果绕组通过高频电流情况下，因分布电感在其中的影响，从而出现集肤效应。根据相关科学研究表明，如果高频电流产生集肤效应则表明导线有限截面积因此减小，工作频率越高，使得交变电流实际电阻随之变大[3]。基于以上，在进行电流密度、导线直径选择过程中，还要将高频电流集肤效应造成的铜线有效截面积减小这一因素考虑其中。

处于高频电流情况下，可将邻近导体电流产生的涡流作为临近效应，不论是邻近效应，还是上述集肤效应，都会在一定程度上对无线电能传输系统整体性产生相应的影响，为此通过促使单导线的多根较细导线绞合与截面之和相等的方式，能够起到降低邻近效应和集肤效应产生的影响。

3 结束语

综上所述，本文就当前煤矿井下照明设备所采用的有限接触供电存在的缺陷问题进行分析，以此为基础构建一套具有安全性高、成本支出低、可靠性强的无线照明系统。就此本文基于无线电能传输技术，分析无线照明系统在煤矿井下的应用设计，从理论的角度进行分析，旨在通过以此能够为我国煤矿事业的发展提供有力支持，加快推动无线电能传输技术在煤矿井下中的应用进程。