基于非接触供电技术的矿井照明供电研究.pdf

自动化与仪器仪表 2013年第 期 总第 169期 基 于非接触供 电技 术的矿井照明供 电研究 刘志军 中煤科 工集团重庆研究院 重庆 400000 摘要 非接触电能传输技术是电能传输领域的一个新的研究热点 本文基于非接触供电技术 对矿井照明供电系统 进行研究 对系统采用的拓扑补偿结构以及输出电压稳压控制进行分析与仿真研究 表明该技术可以应用于矿井照明供电 系统 为以后新型矿井照明系统的设计研发奠定基础 关键词 非接触供电矿井照明供电拓扑补偿输出稳压 A b stra c t C on tac tl ess P ow er T ransfer tec hn ol og y i s a new re searc h h otspo t i n the fi e l d of po w er tran sm i ssi o n In th e p aper b ased on th e n on c on tac t p o w er su pp l y tec h no l o gy stu dy th e m i ne l i gh ti n g p o w er su pp l y sy stem an d an al y si s th e top o l o gi c al c om p en sati on stru c tu re an d the vo l tage c on trol for o utp u t vo l tage stab i l i zed o f th e sy stem by si m u l ati on T he resu l ts sh ow s th at th e C o n tac tl ess P ow er T ran sfer tec hnol og y c an be ap p l i e d to m i n e l i g hti n g p ow er sup p l y sy stem and l ay th e foun d ati on fo r the n ew m i ne l i gh ti n g syste m de si g n dev el o pm en t i n fu tu re K ey w ords C ontac tl ess pow er transfer M i ne l i ghti ng pow er suppl y Topol ogi c al c om pensati on struc ture O utp ut vol tage stabi l i zed 中图分类号 T M 45 文献标识码 A 文章编号 100 1 9227 20 13 05 0043 03 0 引 言 现 在 电能领 域采 用 的供 电方 式主要 是用 电设备通 过 电 缆 插头等直接从电源获取电能的供电模式 这样的供电方式 技术上已经非常的成熟 然而在一些特殊场合 这种供电方式 却有着很多的缺陷 煤矿是一个 高危的行业 其作业场所 的特 殊性对矿井下供 电系统的可靠性 安全性 灵活性有着很高的要求 随着煤矿 行业的现代化进程 矿井的机械化和 自动化程度越来越高 使 得矿井下面的供电网络越来越复杂 电缆接头也越来越多 电 缆接头是矿井供电网络的一个薄弱环节 对供 电安全和矿井安 全有着至关重要的作用 电缆接头故障引发的灾难已经给国家 和企业造成了极大的人员和财产损失 传统的矿井下照明供电采用接触式供 电 电缆接触点极 多 由于矿井下渗水 巷道低矮等缺陷 使得照明电路具有一 定的安全隐患 同时 每次维护更换照明灯管都需要对供电网 络 进行断 电 极大 的增加了维护 的成本和 复杂性 本文将一种 新型供 电方式 非接 触供 电方 式应 用到矿 井照 明电路 的设计 中 提出一种新型矿井照明供电系统设计 非接触电能传输系 统中 供电电源和用电设备完全分离 实现了电源和用电设备 之 间完全 的隔离 具有 安全 可靠 灵活 无损耗 无磨损 无火花等优点 较为完美的解决了电缆接头带来的多种隐患 是 一项 值得在煤矿生产行业研究并推广 的新技术 1 非接触供 电原理 非接触供 电技术 C ontac tl ess Pow er Transfer 是一种 新型的电能传输技术 它基于电磁感应原理 综合利用现代电 收稿 日期 201 3 06 1 3 作者简介 刘志军 1 984一 男 硕士 主要研究方向为 电力电子 与智能控 制技 术 力 电 子 变 换 技 术 磁 场 耦 合 技 术 及 商 步 贞变 换 技 术 在 此 基 础 上 借助现代控制方法 实现用 电设 备以非接触的方式从 电网获取 电能 非接触 电能传输系统原理 图如 图 1所 示 j r 一r 一 蓦 蒜 习 装 E 里 0 l嚣 J L 0 n厂 瓣 麓 l lqm 箍 麓 篓 r1 图 1非接触 电 能传输 系统 原理 图 从图 1 可 以看 出 非接 触 电能传输 系统工作原 理为 工频 交流电经过整流滤波后 再通过高频逆变装置逆变成所需高频 交流 高频交流电经能量发射机构向外界发射电磁能量 通过 电磁感应 能量拾取机构 中便产 生相应频 率的感应电流 经过 功率调节装置调节后 向多个 电气设备提供 电能 2 拓扑补偿结构分析 非接触电能传输系统工作频率为高频 其原边 副边绕组 线圈为感性 消耗大量的无功功率 由于互感耦合率很低 因 此 为了提 高系统的能量传输功率和效率 需要 对非接触 电能传 输系统原边和副边的励磁电感进行补偿 现在较为成熟的补偿 结构为静态补偿 静态 补偿是指 系统设计 根据 系统 的负载额定功率 初 次级绕组线圈电感值和系统的工作频率 计算出补偿电容值 这种补偿方式简单易行 系统的控制方法也较容易实现 静 态补偿有 串联 电容补偿 并联 电容补偿两种形式 其结构图如 图2 所示 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 基于非接触供电技术的矿井照明供电研究 刘志军 Ac 十 Ac 二 l R L I a 串 联谐振补偿 b 并联谐振补偿 图2静态补偿拓扑结构 回 路 阻 抗 z 上 一 1 1 固 有谐振频率 2 2 re LL 电路谐振 时 有Zo R 并联 谐振 补偿 补 偿电容中的电流的无功功率与 电感中的 z 皂 3 一 船 l 一 R C 一 R L 4 0 c Jn t z 斋 5 丽 1 J 一 警 6 并联谐振时 的阻抗呈 电阻性 但不是最大值 阻抗最大值 JJ 一 譬 由于 电感线 圈 自身 电阻较小 线 圈内阻对频率 的影 响可 以 忽略不计 此 时谐振频率 fo与 f 相 同 可 以将 6 7 两个 2 rr瓜 8 静态补偿根据接入补偿补偿 电容 的个数分 为单谐振补偿和 多谐振补偿 已有研究资料表明多谐振补偿在非接触供电系统 功率传输和提 高效率方面 比单谐振补偿更具有优势 图 3 是 四种多谐振补偿拓扑结构图 b 初 级串联 PS 次级并联 SP 补偿 I 1 C 初级并联 PP 次级 串联 SS 补偿d 初级并联 PP 次级并联 SP 补偿 图3 多谐振补偿拓扑结构 图 3 输 出稳压 在 电压稳定且符合 电力设备额定要求 的情况下 电力设备 使用 的经济型最好 电力设备有着最佳 的工作状态 矿井下 由 于大型机械采矿设备的使用 会使得井下电压波动较大 对于 非接触供 电系统 原边 电压 的变化也会影 响到副边 的电压稳 定 性 同时 由于副边拾取机构与 原边 能量发射线 圈的相对位 置 的变化 取得 的感应 电能也 处于 随机状态 因此通过感应耦合 得到 的电压不 能用来直接驱动 负载 还需要经过稳压控制 才 能对负载提供稳定 有效的电能 因此 需要对副边输出电压 进行稳压控制 以提 高非接触供 电系统 的工作效率和工 作稳 定 性 本文 采用在副 边电压输 出侧加 入 B oost斩波控 制环节 实现 输出稳压控制 如图 4 和图 5 所示 Ldc 为直流滤波 电感 V D 阻止 电流在开关管 S 导通 时反向流动 稳压原理为 电压检测 电 路对 输出 电压进行采样 采样值与负载上 设计输 出电压 值V ref 相 比较 比较 结果送 PW M 控制器 控制 器根据 比较 结果产牛 相应占空比的PW M 脉冲控制开关管 S 的开通与关断 使负载 上输 出电压稳定在所要求 的电压值 如 图4 所示 一 一 j o I L s c V D l I T f R L l 1j u0c Cs 一 i g CO 一 J r J M EJ ef 图4副边线圈稳压结构图 图5输 出电压与控制波形示意图 输 出电压以平均值 为基准 宽度为 2 A V 的误筹允 许 A V 值可根据 负载 电压具体要求进行 设定 当负载要求 稳 压精度较 高时 可适量减小 A V 值 使输 出 电压浮动较 小 尽 量接 近于设定值 反之 当负载对稳压精度 要求相对较低 时 为减 小控制方面 的复杂性 以及 系统 的成本 可适量增 加 A V 值 在误差允许范 围内达到负载 要求 的稳压效果 如 图5 所示 因此 当副边输 出电压处于稳压 工作状态 时 开关管在断 开和导通之 间切换 以达到稳压 的 目的 4 输 出稳压仿真分析 本文采用 的仿真平 台为M ul ti si m 在 仿真分析 中 补偿 部 分采 用静态 串联 谐振补偿 PW M 控 制器采用 美国德州仪 器公 司 Texas Instrum ents Inc orporated 生产 的 U C 3842PW M 控 制 器 仿 真 电路 图如 图所 示 其 中R 是 仿真 负载 改变 R 的大 小 观察 示波器输 出电压的稳压效果 比较仿真 结果 看出负载 上输 出 电压稳 定在 IOOV 上下 浮动在误差允许范 围以内 达到 了稳压输出 目的 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 自动化与仪器仪表 2o13年第 期 总第 169期 薹 L 鲑 I卜 L j 图6输 出稳 压仿 真电路 仿真 结果如 图 7所 示 嚣 嚣警 嚣 n I毫 蔷 E 囊 I 负 载R 80 撼 嚣 嚣 一 i 破 鬯 鹎 负载 R 300 图 7仿真结果 5 结论 本文在 新型电能传输技术 非接触 电能传输 技术的基础 上提 出一种用 于矿 井照 明的新型供 电系统设计方法 该供 电系 统与传统供电系统相比 具有更高的安全性和可靠性 可以较 大幅度减少矿井照明系统维护工作的困难度 通过初步的仿真 结果证明该技术在矿井下引用的可行性 在后续的研究中会进 一 步研究实现的方法和设计 参考文献 1 钟 炎平 陈耀 军 赖 向东 电力 电子电路设计 M 华 中科技 大学 出版 社 2010 2 周雯琪 马皓 何湘宁 感应耦合电能传输系统不同补偿拓扑的研究 JJ 电工技术学报 2009 24 1 133 139 3 孙 跃 卓 勇 苏玉刚等 E接触电能传输系统拾取机构方向性分析 JJ 重 庆大学 学报 自然科学版 2007 30 04 87 90 4 戴 欣 孙 跃 单轨行车新型供 电方式及相关技术分析 J 重庆大学学 报 2003 26 1 50 53 5 Boys J L H u A P C ovi c G A Cri ti c al Q anal ysi s of a c urrent fed reso nan t c onverter for ICPT appl i c ati ons J El ec troni c s Letters 2000 36 17 1440 1442 6 刘志军 苏玉刚 夏晨 阳 多 负载感应耦 合 电能传输系 统的传输效 率 研究 J 电子技术应用 2011 02 pp64 66 7 赵 彪 冷志伟 吕 良 等 J 型非接触电能传输系统的设计与实现 J l 电力 电子技术 2009 43 1 49 51 上 接 第 42 页 要求 5 结论 1 根据压 降和 流速关系 A P 0 s v 其 中E为流阻系 数 p为介 质密度 V 为介质 流速 可知 通过 降低介质 流速 来控制串联流路承担的高压降 可使总压降均匀分配 而降低 流速 的最 有效办法是增大流道面积 2 迷宫式节流槽截面积较小 若阀门介质中含有杂质 容易导致 节流 槽堵塞 从而降低阀 门流通能力 3 从理论分析可知 迷 宫盘 片上节流槽可 设计 成任意级 数的拐弯 并可按工况需要 将各种不同级数的盘片按一定的 顺序进行钎焊 从而满足各种不同的高压介质工况 4 借用 CF D 流场 模拟 软件 可进 行迷 宫式多 级降压 阀 内部流场 可视化研究 为 阀门流量 系数及特性设计提供 理论数 据 缩短产品研发时间 提高阀门可靠性 参考 文献 1 金多文 迷宫式调节阀及其在 电厂中的应用 J 水利电力机械 200 1 23 1 9 13 2 吴 杰 低噪音迷宫式调节 阀 J 阀门 2000 4 6 8 3 张小兵 K O SO VeC Tor系列流速控制 阀的特点及其应 用 JJ 中国仪 器仪表 2009 9 94