沿导轨往返运动设备非接触供电平稳性研究

摘要

传统的沿轨道短程往返运行的小车主要采用电缆供电或者拖链系统供电，但是小车往返运动会产生电缆弯折、拖链系统卡槽等问题。使用磁感应耦合式非接触电能传输技术（Magnetic-inductively Contactless Power Transfer，MCPT）供电可以有效解决上述问题，由于发射侧和接收侧之间没有电气接触，因此可以减少因小车往返运动造成的电缆弯折、磨损等。但是，电动机在起动到稳态运行的过程中，等效阻抗或功率会发生明显变化，对供电的平稳性带来不利影响。 以沿轨道短程往返运动设备非接触供电系统输出电压的平稳性为研究对象，本文阐述了课题的研究背景和国内外发展现状。介绍了为沿轨道短程往返运动设备非接触供电系统的基本结构，分析了造成输出电压不平稳的原因。 研究了高频逆变电路，设计制作了两种不同的高频逆变电路。一种基于UC3875芯片和IR2110芯片，特点是频率可调，但是输出功率不能达到2kW，长时间工作时系统的工作频率会发生漂移。另一种是基于UC3875芯片和HCPL-3120芯片，并采用晶振分频技术保证逆变电路的频率稳定且分档可调，该逆变电路工作时输出电压稳定，功率可达2kW以上。 研究了补偿结构。基于互感原理，通过分析SS、SP、PS、PP四种补偿结构输出电压与接收侧负载的关系，提出了发射侧采用LCL梯形补偿、接收侧采用串联电容补偿（即LCL-C补偿）的补偿方式，进行了详细的理论分析，指出了该补偿方式具有输出电压平稳即输出电压不随接收侧负载的变化而变化的特点。 研究了耦合机构，分析了几种常见的用于MCPT技术的耦合机构，说明了这些耦合机构的特点和不足。设计了一种正对式跑道形耦合机构，以保证互感和耦合系数在接收侧小车沿固定轨道运动的过程中基本不变。 提出了衡量输出电压平稳性的指标——输出电压跌落比，即在输入电压恒定时，系统输出电压因接收侧负载的变化而产生的下降比。采用仿真和实验的方式，以输出电压跌落比为指标验证了所选择补偿结构以及所制作耦合机构的有效性。采用基于节点电压方程的LTSPICE对所选的补偿结构进行了仿真，证明了本文所选的补偿结构具有在接收侧负载剧烈变化时输出电压跌落比小的特点。搭建了实验样机，在耦合线圈发射侧选取了8个位置进行了实验。结果表明：本文设计的沿轨道短程往返运动设备非接触供电系统可以驱动电动机提升重达1吨的物体。此时，系统的输出功率大于2kW，效率大于80%，输出电压跌落比仅为13%。

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