CN104362774B - 一种矿井提升容器用的磁耦合谐振式无线电能传输系统 - Google Patents
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Classifications
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Abstract
本发明提供了一种矿井提升容器用的磁耦合谐振式无线电能传输系统，包括：工业电源、整流滤波电路、高频逆变电路、控制器、初级谐振变换电路、次级谐振变换电路、功率调节器和用电设备；初级谐振变换电路包括原边谐振补偿网络和沿矿井侧壁垂直布置的编码电缆内的李磁线电缆线圈，次级谐振变换电路包括副边谐振补偿网络和与编码电缆相距20cm的天线，天线安装于矿井提升容器外壁上；次级谐振变换电路与初级谐振变换电路固有频率一致，完成电能的无线传输。本发明采用了独特的天线和编码电缆作为能量耦合通道，实现电能从地面通过无线的方式传输到矿井提升容器内部，普遍适用于各种恶劣条件下各种移动设备上的电能无线供给。
Description
技术领域
本发明涉及磁耦合谐振式无线电能传输领域，特别地，涉及一种矿井提升容器用的磁耦合谐振式无线电能传输系统。
背景技术
矿井提升装备是连接地面与地下的“咽喉设备”，担负着提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的任务。随着科学技术进步和矿井生产现代化要求的不断提高，提升装备也逐步引入新技术，特别是有助于提升设备运行安全和提高矿井提升装备信息化水平的技术，逐步得到应用。
接触式电能传输模式是通过导体之间直接相连的形式传送电能，这种传统的电能传输模式在现代社会中随处可见，为整个社会的发展作出了巨大的贡献。但随着社会的不断发展与进步，这种基于传统理论的接触式供电模式带来的弊端越来越明显，如容易产生磨损、插电产生火花、不易维护，在矿井、油田钻采等场合，采用传统的导线直接接触供电容易因接触摩擦而产生微小电火花，进而引起爆炸，造成重大事故。基于此，无线电能传输技术应运而生。无线电能传输技术又称非接触电能传输技术，该技术由于实现了电源与用电设备之间的完全电气隔离，因而具有安全、可靠、灵活等特点。
目前，矿井提升装备中的提升容器内几乎没有安装信息化、智能化的电子设备服务，不能保证矿井提升容器的安全、可靠、稳定、高效地运行。原因是提升容器所处的环境较特殊，矿井深度一般数百米甚至数千米，提升机卷筒通过钢丝绳吊着矿井提升容器上下，如用有线电缆方式向矿井提升容器供电，供电电缆自身重量就会拉断电缆，其次供电电缆不方便收放。并且，矿井提升容器在矿井井筒内上下的运行速度非常快，可达到15米/秒的速度，提升容器内部与外界的联系非常困难，这些联系包括电能、通信等联系。因此，矿山企业用户在提升容器内仅仅安装了蓄电池用于照明用电。那么，如何连续、稳定、可靠、安全地为提升容器内部提供电能是急需解决的技术问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种矿井提升容器用的磁耦合谐振式无线电能传输系统，以解决矿井提升容器无法安全供电的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种矿井提升容器用的磁耦合谐振式无线电能传输系统，包括：
工业电源；
整流滤波电路，对工业电源提供的工频电网进行整流滤波电路降压、整流、滤波，输出直流电；
高频逆变电路，将所述整流滤波电路输出的直流电利用两个开关对交互导通，形成高频交流方波脉冲；
初级谐振变换电路，包括原边谐振补偿网络和编码电缆内的励磁线电缆线圈；初级谐振变换电路以编码电缆内的励磁线电缆线圈为谐振线圈，在励磁线电缆线圈周围产生高频交变功率磁场；
编码电缆，采用聚氨酯橡胶压制而成，沿矿井侧壁竖直布置；
控制器，包括检测电路、CPU和驱动电路，所述检测电路检测编码电缆内励磁线电缆线圈的谐振电流，CPU判断电流的过零点，并根据过零点状态控制驱动电路完成所述高频逆变电路中的两个开关对的交互导通，使其工作频率与初级谐振变换电路的固有频率一致；
次级谐振变换电路，包括天线和副边谐振补偿网络，天线与编码电缆相距10cm～40cm，并安装于矿井提升容器外壁上；
次级谐振变换电路与初级谐振变换电路固有频率一致，完成电能的无线传输。
优选的，次级谐振变换电路感应出的交变电能经过功率调节器，接入用电设备。
优选的，所述编码电缆的横截面为哑铃状，哑铃中心设置有李磁线电缆和耐高温阻燃填充物，哑铃两端设置有用于增强编码电缆抗拉强度的抗拉钢丝绳，周围填充聚氨酯橡胶。
优选的，所述李磁线电缆一端沿着编码电缆中心纵向铺设，另一端在纵向铺设的李磁线两侧来回波动，两侧的波动高度一致。
优选的，所述的天线为磁耦合接收线圈，成“8”字形。
优选的，所述天线与编码电缆相距20cm。
优选的，控制器完成所述高频逆变电路的软开关逆变，实现ZVS控制。
本发明具有以下有益效果：
本发明使用磁耦合谐振技术，采用了独特的天线和编码电缆作为能量耦合通道，实现电能从地面通过无线的方式传输到矿井提升容器内部。首先，采用防水耐高温的编码电缆，向编码电缆内部的编码李磁线电缆通入交变电流，在控制器的调节控制下，交变电流会产生交变磁场，那么就会在编码电缆周围产生交变磁场，然后，矿井提升容器上的防水天线在交变磁场中谐振耦合感应出感应电能，从而把电能传输到提升容器内部，再经功率调节器调节后就可向矿井提升容器内的用电设备提供电能。
具有“8”字形的天线在编码电缆上相对运动时，天线中的感应电势不随位置而变化，增强了电能的稳定性。
矿井提升容器上的天线与布设于井壁上的编码电缆是无接触的，其间距大约10-40cm左右。因此，矿井提升容器在井筒里高速上下运行时，非常方便安全的获得了电能，在传输的过程中不会产生火花。
本发明系统电能供给连续、稳定、可靠、安全，可普遍适用于各种恶劣条件下各种移动设备上的电能无线供给，特别适用于在数百米甚至数千米的深井中对高速运行的提升容器进行供电。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的磁耦合谐振式无线电能传输系统的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的磁耦合谐振式无线电能传输系统的原理图；
图3是本发明优选实施例的整流滤波电路部分电路原理图；
图4是本发明优选实施例的高频逆变电路部分电路原理图；
图5是本发明优选实施例的控制器部分电路方框图；
图6是本发明优选实施例的编码电缆的物理结构剖面图；
图7是本发明优选实施例的编码电缆内的李磁线电缆绕制结构示意图；
图8是本发明优选实施例的天线结构示意图；
图9是本发明优选实施例的功率调节器部分电路原理图；
图10是本发明优选实施例的初级谐振变换电路原理图；
图11是本发明优选实施例的次级谐振变换电路原理图；
图12是SPS拓扑结构图；
其中，1、工业电源，2、整流滤波电路，3、高频逆变电路，4、控制器，5、原边谐振补偿网络，6、编码电缆，7、天线，8、副边谐振补偿网络，9、功率调节器，10、用电设备，11、矿井提升容器，12、井筒，13、检测电路，14、CPU，15、驱动电路，16、李磁线电缆，17、耐高温阻燃填充物，18、抗拉钢丝绳，19、聚氨酯橡胶，20、天线线圈，21、励磁线电缆线圈。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1、图2，本申请提供了一种矿井提升容器用的磁耦合谐振式无线电能传输系统，包括以下组件：
一工业电源1，用于提供交变电流；
一整流滤波电路2，对工业电源提供的工频电网进行整流滤波电路降压、整流、滤波，输出直流电；参见图3，由整流二极管D1、D2、D3、D4组成全桥整流电路进行整流，随后经电容C1进行滤波。
一高频逆变电路3，将所述整流滤波电路输出的直流电利用两个开关对交互导通，形成高频交流方波脉冲；参见图4，高频逆变电路由开关管Q1、Q2、Q3、Q4以及续流二极管D5、D6、D7、D8组成高频能量逆变网络，开关管Q1源极与Q3漏极串联，开关管Q2源极与Q4漏极串联，开关管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极作为高频逆变电路的控制端，二极管D5、D6、D7、D8分别正向连接在开关管Q1、Q2、Q3、Q4的源极和漏极之间，通过Q1、Q4与Q2、Q3这两个开关对交互导通形成高频交流方波脉冲。
一初级谐振变换电路，包括原边谐振补偿网络5和编码电缆6内的励磁线电缆线圈；原边谐振补偿网络5与编码电缆6内的励磁线电缆线圈组成初级谐振变换电路工作时，在励磁线电缆线圈周围产生高频交变功率磁场。参见图10，初级谐振变换电路与高频逆变电路输出端相连。
原边谐振补偿网络包括两部分，一部分是与编码电缆内李磁线电缆绕制成的线圈组成原边谐振电路，即图10中的右边虚线框，包括Rp、Cp、Lp，Lp为李磁线电缆绕制成的线圈；另一部分是匹配电路，也就是图10中的左部虚线框，包括Ln、Cn，用于匹配原边谐振电路的电路参数，实现阻抗匹配和谐振电路中的高次谐波滤波，提高电路的容错能力和运行性能。
编码电缆6采用聚氨酯橡胶压制而成，沿矿井井筒12的侧壁竖直布置。参见图6，编码电缆6的横截面为哑铃状，哑铃中心设置有李磁线电缆16和包裹着李磁线电缆16的耐高温阻燃填充物17，哑铃两端设置有用于增强编码电缆抗拉强度的抗拉钢丝绳18，周围填充聚氨酯橡胶19。编码电缆的长度根据实际需要可按编码规则进行延伸。
参见图7，李磁线电缆16绕制方法如下：一端沿着编码电缆中心纵向铺设，另一端在纵向铺设的李磁线两侧来回波动，两侧的波动高度一致，形成类似“8”字形的结构。
一控制器4，参见图5，包括检测电路13、CPU14和驱动电路15，所述检测电路13检测编码电缆6内励磁线电缆线圈的谐振电流，CPU14判断电流的过零点，并根据过零点状态控制驱动电路15完成所述高频逆变电路3中的两个开关对的交互导通，实现初级谐振变换电路ZCS(zero current switching)软开关工作，减少开关管的能量损耗。
控制器4使高频逆变电路3工作频率与初级谐振变换电路的固有频率一致。初级谐振变换电路工作于固有频率状态下，沿井壁垂直布置的编码电缆内的励磁线电缆线圈就会产生高频交变功率磁场。
一次级谐振变换电路，包括天线7和副边谐振补偿网络8，天线7与编码电缆6相距10cm～40cm，并安装于矿井提升容器11的外壁上；参见图7，所述的天线为磁耦合接收线圈，成“8”字形。参见图11，次级谐振变换电路与功率调节器输入端相连。
副边谐振补偿网络包括两部分，Rs、Cs部分与天线组成副边谐振电路Ls、Rs、Cs，另一部分是匹配副边谐振电路，匹配参数已经计入了Rs和Cs内，可改善副边电能接收网络的运行性能，降低系统对参数变化的敏感性。
参见图12，SPS拓扑结构在基本的PS拓扑结构的基础之上，增加了电感LN和电容CN，用于原边谐振电路的电路参数匹配。
如图10的Cp与Rp、Lp为并联结构，简称P结构，图11的Ls、Rs、Cs为串联结构，简称为S结构，两个结构合起来就是PS结构，然后再增加电感LN和电容CN与图10为串联结构，因此，图10、11就变成了图12的SPS结构。SPS拓扑结构综合了SS和PS两种拓扑结构的优点，使系统具有更好的抗偏移能力，因此比较适合于移动设备的感应供电。
次级谐振变换电路与初级谐振变换电路固有频率一致，完成电能的无线传输。次级谐振变换电路感应出的交变电能经过功率调节器9，接入用电设备10。
参见图9，功率调节器中的整流二极管D9、D10、D11、D12组成全桥整流电路进行整流，再经电阻进行限流，滤波电容C2、C3滤波，U1器件进行稳压，最后就可向用电设备提供电能。
由图1与图2所示，电能的传输方向由井口地面上经磁耦合谐振式变换到达矿井提升容器内，在提升容器的运动过程中完成电能的无线传输。具体过程如下：
首先由地面侧的工业电源提供工频电网电能，经图3电路中的变压器降压送入整流二极管D1、D2、D3、D4组成全桥整流电路进行整流，经滤波电容C1滤波得到直流电。
其次，直流电接入图4所示的高频逆变电路，在图5控制器的作用下，图5所示的驱动电路有规律的控制图4所示的Q1、Q4与Q2、Q3这两个开关对交互导通形成高频交流方波脉冲，逐步调整交互导通频率，使其工作频率与原边谐振补偿网络、编码电缆中的励磁线电缆线圈组成的谐振电路的固有频率一致，随后图5所示的检测电路检测谐振电流，CPU判断电流的过零点并根据过零点状态反馈调节图4所示的高频逆变电路中的开关管Q1、Q4与Q2、Q3开关对交互导通，从而维持电路工作于谐振状态。原边补偿电路包括两部分，一部分是与编码电缆内的励磁线电缆线圈组成原边谐振电路，另一部分是匹配原边谐振电路的电路参数，实现阻抗匹配和谐振电路中的高次谐波滤波，提高电路的容错能力和运行性能。
再次，初级谐振变换电路工作于电路固有频率状态，沿井壁垂直布置的编码电缆内的励磁线电缆线圈就会产生高频交变磁场。如图1所示，与编码电缆相距10cm～40cm并安装于矿井提升容器外壁上的天线就处于这个高频交变磁场中，通过磁场的谐振耦合，图8所示的天线和副边谐振补偿网络组成的次级谐振变换电路，在与初级谐振变换电路固有频率一致的情况下将感应出电能，完成电能的无线传输。
最后，感应出的交变电能接入图9所示的整流二极管D9、D10、D11、D12组成全桥整流电路进行整流，再经电阻进行限流，滤波电容C2、C3滤波，U1器件进行稳压，最后就可向用电设备提供电能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种矿井提升容器用的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，包括：
工业电源；
整流滤波电路，对工业电源提供的工频电网进行整流滤波电路降压、整流、滤波，输出直流电；
高频逆变电路，将所述整流滤波电路输出的直流电利用两个开关对交互导通，形成高频交流方波脉冲；
初级谐振变换电路，包括原边谐振补偿网络和编码电缆内的励磁线电缆线圈；初级谐振变换电路以编码电缆内的励磁线电缆线圈为谐振线圈，在励磁线电缆线圈周围产生高频交变功率磁场；
编码电缆，采用聚氨酯橡胶压制而成，沿矿井侧壁竖直布置；所述编码电缆的横截面为哑铃状，哑铃中心设置有励磁线电缆；所述励磁线电缆一端沿着编码电缆中心纵向铺设，另一端在纵向铺设的励磁线左右两侧来回波动，两侧的波动高度一致；
控制器，包括检测电路、CPU和驱动电路，所述检测电路检测编码电缆内励磁线电缆线圈的谐振电流，CPU判断电流的过零点，并根据过零点状态控制驱动电路完成所述高频逆变电路中的两个开关对的交互导通，使其工作频率与初级谐振变换电路的固有频率一致；
次级谐振变换电路，包括天线和副边谐振补偿网络，天线与编码电缆相距20cm，并安装于矿井提升容器外壁上；所述的天线为磁耦合接收线圈，成“8”字形；
次级谐振变换电路与初级谐振变换电路固有频率一致，完成电能的无线传输。
2.根据权利要求1所述的一种矿井提升容器用的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，次级谐振变换电路感应出的交变电能经过功率调节器，接入用电设备。
3.根据权利要求1所述的一种矿井提升容器用的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述编码电缆的横截面的哑铃中心还设置有耐高温阻燃填充物，哑铃两端设置有用于增强编码电缆抗拉强度的抗拉钢丝绳，周围填充聚氨酯橡胶。
4.根据权利要求1所述的一种矿井提升容器用的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，控制器完成所述高频逆变电路的软开关逆变，实现ZVS控制。
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