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无接触供电技术在AGV中的应用
概述
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.引言
        无接触供电技术又称为无接触功率传输技术(Contactless Power Transfer,简称CPT)或感应电能传输技术(Inductive Coupled Power Transfer,简称ICPT),它是利用现代电力电子能量变换技术和磁场耦合技术,并借助于现代控制理论和微电子控制技术,实现能量从静止设备向静止或移动设备传输的一种有效方法。   
        近年来,在欧美一些国家的多个行业中都有无接触供电技术的商业产品问世,其中对移动设备的无接触供电技术研究开发已经比较成熟,在国内比较典型的运用有昆船研究用于机场行李运输的DCV系统、用于北京物资学院和天津SEW的昆船直行穿梭车等项目。但无接触供电技术用于AGV的案例还比较少见,在国内还属于研究阶段。本文将就无接触供电技术应用于AGV领域的一些问题进行探讨。   

2.无接触供电技术原理
        无接触供电,是指输电线路和负载方在没有电气连接和物理接触,甚至他们之间还有相对运动的情况下,实现电能的传输。无接触供电系统的理论依据是电磁感应原理。目前国际上普遍采用的具体解决方案是利用气隙变压器来实现电能的无接触传输。常规变压器的一次、二次线圈绕在共同的闭合铁心上,虽然磁路耦合系数很高,但一次、二次线圈不能相对运动。而无接触供电技术就是将这种变压器模型的一次线圈和二次线圈分开,一次绕组可安装在输电轨道或埋设于地面以下,延伸为很长的环路;二次线圈绕在围着一次绕组可以移动的开口铁心上因磁路经气隙而闭合,故可称之为气隙变压器。其一次侧、二次侧之间通过电磁感应实现电能传输。在外加电压作用下,变压器一次侧的交流电在铁心中产生交流磁通,磁势主要降落在变压器的气隙两端,其磁通密度按下式计算:

根据电磁感应定律,一、二次侧的电势分别为:

        由以上公式可见,与常规变压器不同,无接触供电系统中的变压器由于气隙的存在,其铁心中的磁通密度很小。这样,为了产生足够的电势、增加传输功率以满足负载的需要,目前普遍采用的方法是提高一次侧交流电的频率,以增大变压器铁芯内交变磁场的频率,并对一次线圈和二次线圈的漏感进行补偿,从而得到较大的二次侧感应电势。
        一般的无接触供电系统中除变压器以外,静止和移动部分都有变换器。先将普通50Hz交流电整流成直流,再经DC-AC转变成25kHz高频交流电,作为静止变电部分输入,经磁路耦合,在移动取电部分感应出高频交流电然后根据负载的需要,再将该交流电进行各种处理,也可以有多个电压等级输出.无接触供电技术在AGV中的应用    
        长期以来由于AGV供电技术受制于电池,造成使用寿命短、维护成本高、污染环境、应用领域受限局限性等问题。限制了AGV在一些有很好市场前景的特殊行业的应用。AGV驮着电池运行,不仅增加了AGV的自身重量,也降低了AGV系统的运行效率。   
        当无接触供电技术发展到今天,让AGV甩掉电池这个包袱已经成为一种可能。同时我们还可以利用无接触供电中的供电环路来进行AGV导引和通讯,实现系统资源的综合利用。      

AGV端取电部分有拾取器和变换器,放置于AGV上,随车体移动;静止电路部分则由滤波器、整流器、逆变器、变压器、补偿装置和埋于AGV行使路径地面下的电缆等部分组成。AGV上的能量拾取器始终至于地面电缆的正上方,两者之间留有一定间隙。当静止电路部分输入标准的3相380V交流电时,通过滤波、整流、逆变等一系列过程后,以高频大电流注入输出环路转换为磁场能发射,AGV通过能量拾取器接受磁场能量,并通过逆变等相应的能量调节装置,变换为AGV可以直接使用的动力电源和控制电源,从而实现了AGV的无接触供电。   
        由于进行感应耦合的静止和移动部分之间有很大的漏感存在,耦合系数非常低,要保证有效的功率传输,通常在将高频大电流注入输出环路后,需对电路的漏感进行补偿。   

     ②功率选择与计算      
        在使用无接触供电时,只要有AGV运行的地方,都需要有供电环路的铺设。所以AGV路径的复杂程度也决定着供电环路的复杂程度。          在一个AGV系统中,我们根据实际情况,把路径按取电需要分成多个供电环路,如图4所示。一般在每个环路上可能会有多台AGV在上面取电运行。由于每个供电环路的最大输出功率是有限的,并且功率越大相应的器件成本会越高,所以如何选择供电环路的功率对提高系统的运行效率和节约成本显得尤为重要。   
        同一个AGV系统中,不同供电环路上出现AGV数量的几率是不一样的。我们可以通过模拟仿真,对不同环路出现AGV数量的几率进行统计计算,能够得到每个环路上AGV运行数量的统计值nx,在知道供电系统效率η及每台AGV的额定功率P0后,我们可以估算出每个环路所需的功率Px:     
 

有了各个环路的功率Px,就可选择无接触供电系统的不同功率器件。  
        在功率选择时,通过模拟估算的环路功率Px不是最大值,而是统计平均值,因此在运行中,如果一个环路上的AGV已经达到最大数量nx时,还有AGV要求进入该环路运行,这种情况如何处理呢?AGV上位控制系统(AGVS)知道系统中所有AGV的运行状态:加速前行,匀速前行,减速行驶以及停车,通过了解各环路上AGV的运行状态,就能够计算出各个环路当前的功率消耗。如果功率允许,其他AGV还能驶入,否则,该台AGV只能停在前一环路等待或是选择其他路径运行。   
现有的AGV导引方式有很多种,如电磁导引、激光导引等。其中电磁导引的原理是在AGV行使的路径下面铺设电磁导引线,通过在导引线上加载不同频率的电磁信号来实现AGV的导引。在无接触供电系统中,我们可以利用供电环路替代电磁导引线,在上面加载经过调制的电磁信号,AGV上装备特制的传感器件,这样AGV就可利用无接触供电环路实现导引了。如图5所示。     

   3.2 AGV使用无接触供电技术的优势  
    AGV使用无接触供电与传统供电方式相比有很多优点: 
        ① 排除了因电池问题而造成的环境影响,更环保安全; 
        ② 供电系统与AGV无直接接触,无摩擦,易维护。  
        ③ 减小了AGV的自身重量,使AGV负载能力加强,单位能量的利用率更高。 
        ④ AGV可以不间断工作,提高了AGV系统的整体效率。 
        ⑤ AGV控制系统更简化,不需要对电池能量部分进行检测。 
        ⑥ 一次成本投入,后期免维护。    

  3.3 AGV使用无接触供电的技术难点  
        在同一路径环路上的允许AGV数量nx模拟计算工作复杂;  
        AGV上位控制系统不仅要具备普通AGV系统的交通管理功能,还需增加环路功率计算模块,以确保AGV的稳定高效运行; 
        AGV离开导引路径后无法运行,需提供另外的电源或人工移动。    

4.结束语
     
        无接触供电技术在AGV上的运用,将使AGV更加环保高效。在现在能源紧缺,环境要求越来越高的今天,这项技术的运用必将导致AGV更加受到企业的青睐,应用领域将更加宽广。

 

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