磁耦合谐振式矿用防爆电源研究与设计

摘要

煤炭在我国一次能源中占主导地位，煤炭开采过程中会大量应用矿用防爆电源，现阶段矿用防爆电源多为金属导体直接与井下输电线路相连，在接通瞬间容易产生火花放电；电源内部变压器由大电感组成，存在产生弧光放电的可能性；发生故障时，操作不便等。为解决这些问题，本文设计一款采用磁耦合谐振式无线电能传输技术的矿用防爆电源，由于避免金属导体直接接触且设计中省去变压器，可大大降低产生火花与弧光放电的可能性。
　　本文从电、磁场角度分析磁耦合谐振式矿用防爆电源电能传输原理。根据电路互感耦合理论建立了SS型与SP型结构电路模型，推导出传输功率与传输效率的理论表达式，阐述了耦合因数与负载对传输功率与传输效率的影响。应用OrCAD与MATLAB对影响因素进行仿真，理论与仿真得出：负载固定时，存在最佳功率耦合因数，传输效率高；耦合因数确定时，存在传输功率匹配负载与传输效率匹配负载。结合矿用防爆电源应用场景，选择SS型结构电路模型。
　　在磁耦合谐振式矿用防爆电源电能传输整体设计中，根据全桥式逆变电路与功率放大器的特点与应用场景的不同，结合矿用防爆电源谐振频率高且传输功率小的特点，本文高频激励采用功率放大器。优化设计发射端与接收端谐振线圈，最终搭建磁耦合谐振式矿用防爆电源电能传输实验平台。研究传输距离对传输功率与传输效率的影响，确定传输距离为3 mm。研究负载对传输功率与传输效率的影响时，实验发现SS型结构电路模型在负载较小时传输效果不理想。因此本文提出改进SS型结构电路模型，对比分析改进前后负载对传输功率与传输效率的影响，仿真与实验表明，改进SS型结构电路模型传输效果更佳，对负载的适应能力更强。最终将本文设计的磁耦合谐振式矿用防爆电源应用到井下主巷道中，确定谐振频率5 MHz、两谐振线圈传输距离3 mm、负载电阻500Ω时，传输功率为15.42 W，传输效率为84.8%。

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致谢

1 绪论

1.1 矿用防爆电源研究现状与选题意义(Current Status of Mine-used Explosion-proof Power and Significance of Subject)

1.2 煤矿井下电磁波传输环境与磁耦合谐振技术井下应用(Eletromagnetic Transfer Environment in Coal Mine and the mine application of Magnetic coupled Resonance Technology)

1.3 磁耦合谐振式无线电能传输技术研究现状(Magnetic coupled Resonance Wireless Power Transfer Technology Research Status)

1.4 章节安排(Chapters Arrangement)

1.5 研究方法与思路(Research methods and ideas)

2磁耦合谐振式矿用防爆电源电能传输原理与建模

2.1 磁谐振(Magnetic Resonance)

2.2 磁耦合谐振式矿用防爆电源电能传输原理与建模(Magnetic coupled Resonance Mine Explosion-proof Power Electricity Transmission Fundamentals and Modeling)

2.3 SS型结构电路模型和SP型结构电路模型比较与矿用防爆电源的选型(SS Structure Circuit Model and SP Structure Circuit Model and Select the Type to Mine Explosion-proof Power)

2.4 本章小结(Chapter Summary)

3 磁耦合谐振式矿用防爆电源电能传输整体设计

3.1 磁耦合谐振式矿用防爆电源电能传输整体结构(Magnetic Coupled Resonance Mine Explosion-proof Power Electricity Transmfer Entirety Structure)

3.2 高频激励选择与阻抗匹配(The Selection of High-Frequency Excitation and Impedance Matching)

3.3 发射端与接收端谐振线圈设计(Resonance Coils Design of the Transmitter and Receiver)

3.4 本章小结(Chapter Summary)

4磁耦合谐振式矿用防爆电源实验研究

4.1 线圈绕制与参数测量(Coil Winding and Parameter Measurement)

4.2 搭建实验平台与传输特性实验研究(Set up the experimental platform and the Experimental Study of the transmission Characteristics)

4.3 矿用防爆电源试验(Test the Mine Explosion-proof power in Coal Mine Environment)

4.4 本章小结(Chapter Summary)

5 结论与展望

5.1 结论(Conclusions)

5.2 展望(Expectation)

参考文献

作者简历

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