CN107040047A - 一种用于轨道运输生产的非接触供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于轨道运输生产的非接触供电系统，该系统中分档定频发射电源控制电路中的驱动电路与分档定频发射电源主电路中的高频逆变电路连接，高频逆变电路与恒压输出特性补偿电路中的发射端补偿电路连接，发射端补偿电路与非接触电能传输耦合机构中的发射线圈连接，接收线圈与接收端补偿电路连接；接收端补偿电路与接收端高频整流滤波电路连接后，与接收端DC‑DC稳压调节主电路相连，接收端DC‑DC稳压调节电路与变频器连接，变频器与机电负载、遥控系统连接。本发明能够适用于不同频率要求的场合，利于阻抗补偿；同时，具有传输功率大、传输效率高、机电负载在起动过程中输出电压变化小的特点。

Description

一种用于轨道运输生产的非接触供电系统

技术领域

本发明提出一种用于轨道运输生产的非接触供电系统，属于轨道运输生产和非接触电能传输技术领域。

背景技术

在自动化生产线和厂矿等场所，广泛使用轨道运输机电设备将原料从生产线运送到使用地点，加速生产过程，提高生产效率。轨道运输机电设备常用供电方式有以下三种：蓄电池供电、固定接触式供电、滑动接触式供电。蓄电池供电的优点是无电线拖尾，但蓄电池存在体积大、笨重、容量有限、充电时间长、需及时充电和定期更换等缺点。固定接触式供电包括两种方式：挂缆系统和拖链系统。挂缆系统属于被动型，挂缆小车的行走依靠电缆的拖动，电缆存在张力，电缆护套中需要配置抗拉钢丝，电缆始终处于张力或曲绕状态，直接影响电缆使用寿命和供电系统的可靠性。因此，挂缆系统需要定期维护，以避免出现小车卡轨、电缆扭曲或拉断等情况出现。拖链系统对电缆的要求较低，只需具有相当的柔性，同时拖链自身可以对其内部的电缆进行有效保护，因而基本可以做到免维护。拖链系统存在的缺点是过长的行程和直线度不高，会导致拖链出现卡槽，甚至被拉断。挂缆系统和拖链系统共同的缺点是存在电线拖尾，使整个系统更加复杂，系统安全可靠性降低。滑动接触式供电具有几乎不受运动轨迹限制的优势，只需将带电导轨用绝缘包围，留下开口与电刷接触，但由于存在磨损，电刷需经常维护。

非接触电能传输技术利用电磁感应原理进行电能传输，避免电线拖尾的问题，使供电方式更加安全、便捷、灵活。与蓄电池这种无拖尾供电方式相比，采用非接触技术为轨道移动机电设备供电时，只需将接收线圈和接收端电路安装在移动设备上，能有效减少移动机电设备的重量。鉴于非接触供电的优点，轨道运输生产设备宜采用非接触方式供电。因此提出一种用非接触方式直接为沿导轨运动的机电设备供电的系统。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于轨道运输生产的非接触供电系统。

本发明的技术方案为：

一种用于轨道运输生产的非接触供电系统，包括分档定频发射电源主电路、分档定频发射电源控制电路、恒压输出特性补偿电路、非接触电能传输耦合机构、接收端高频整流滤波电路、接收端DC-DC稳压调节电路、变频器、机电负载、遥控系统。

所述的分档定频发射电源主电路包括工频电源、低频整流滤波电路、高频逆变电路。分档定频发射电源主电路中的工频电源与低频整流滤波电路连接，低频整流滤波电路为高频逆变电路提供直流输入电压；高频逆变电路产生高频交流电流，与发射端补偿电路连接。分档定频发射电源能够实现一个电源多个用处，利于阻抗补偿网络的结构，利于设备的充分利用和批量生产。所述的高频逆变电路包括全桥、半桥、推挽式、E类或双E，高频逆变电路功率开关采用软开关。

所述的分档定频发射电源控制电路包括晶振分频同步电路、脉冲发生电路、驱动电路。分档定频发射电源控制电路中可调的晶振分频同步电路用来产生固定频率的同步信号，同步信号与脉冲发生电路芯片的同步引脚连接，保证芯片发生脉冲频率与晶振分频的固定频率一致，达到固定频率的效果，避免芯片因环境温度变化引起频率漂移，减少系统变量，易于进行系统设计；脉冲发生电路与驱动电路连接，驱动电路输出的具有驱动能力的脉冲信号与高频逆变电路中功率开关门级管脚连接，控制功率开关开通和关断。晶振分频电路能够实现一个高频电源对应多个固定输出电源频率的目的，不同频率适用不同的应用场合。

所述的恒压输出特性补偿电路包括发射端补偿电路和接收端补偿电路。发射端补偿电路与发射线圈连接，发射端补偿电路和发射线圈构成的回路可以等效为并联阻抗近似无限大的发射电流源，接收线圈与接收端补偿电路连接，接收端补偿电路和接收线圈构成的回路可以等效为串联阻抗近似为零的电压源。幅值恒定交流电流在发射线圈周围产生幅值恒定的高频交变的磁场，接收线圈在高频交变的磁场中感应出幅值恒定的电动势，经过接收端补偿电路后的输出电压和恒定的感应电动势近似相等。

所述的非接触电能传输耦合机构包括发射线圈和接收线圈。发射线圈和接收线圈都采用对称结构，且接收线圈以发射线圈对称中线为运动轨迹，发射线圈静止。发射线圈和接收线圈的引出接线端都采用双绞的方式与补偿电路连接，用来减少因分布电容或引线所对应面积变化引起的线圈自感变化，导致补偿参数匹配不准确，影响系统稳定运行。发射线圈和接收线圈采用不同的耦合方式实现不同的输出电压，常用的耦合方式有松耦合方式和紧耦合方式，空心的接收线圈是低耦合系数的松耦合方式，带铁氧体材料的接收线圈是较高耦合系数的紧耦合方式。所述的发射线圈和接收线圈的形状为长方形或圆形，材质为李玆线或铜管，李玆线适用于高频情况，铜管适用于低频情况。发射线圈和接收线圈形状和材料多种多样，不同的应用场合适用于不同的形状和材料。

所述的接收端DC-DC稳压调节电路包括接收端DC-DC稳压调节主电路和接收端DC-DC稳压调节控制电路。接收端补偿电路与接收端高频整流滤波电路连接后，与接收端DC-DC稳压调节主电路相连。DC-DC稳压调节主电路为Buck电路或Boost电路；耦合线圈输出电压高时采用Buck降压电路，输出电压低时采用Boost升压电路。DC-DC稳压调节控制电路包括PWM发生电路、反馈调节电路和驱动电路。PWM发生电路与驱动电路连接，驱动电路产生的具有驱动能力的脉冲信号与Buck电路或Boost电路中功率开关的门级连接，控制功率开关开通和关断。反馈调节电路包括采样电路、基准比较电路、光耦隔离电路。采样电路与DC-DC稳压调节主电路输出电压连接，采样输出电压大小。基准比较电路与采样电路连接，将采样电压信号与基准电压进行比较和电平转换。光耦隔离电路与基准比较电路连接，隔离脉冲发生电路和反馈调节电路。脉冲发生电路芯片的反馈引脚与光耦隔离电路的输出信号连接，反馈调节PWM波的占空比。反馈调节电路根据不同的输出电压反馈调节PWM波的占空比，使输出电压稳定在设定值，驱动电路提升PWM波的驱动功率开关管的能力。DC-DC稳压变换电路能够实现输出电压的稳定，利于电动机类机电负载的正常运行。

所述的接收端DC-DC稳压调节电路输出电压端与变频器输入端连接。变频器为电动机类机电负载提供三相低频(工频附近)交流工作电压，无需外加控制电源。变频器可通过控制实现电机负载的软起动、变频调速等要求，实现电动机类机电负载的变速运行。变频器能够为遥控系统的接收电路提供稳定的直流电源，无需外接电源或蓄电池。变频器具有端子控制和面板控制运行模式，可实现远程遥控。从原理上看，系统中可用一台变频器驱动多台电动机，或用多台变频器驱动多台电动机，实现运输机电设备的多维运动。所述DC-DC稳压调节电路可为电动机类机电负载的变频器和遥控器的接收器提供电源。

所述的变频器输出端与机电负载连接。所述的机电负载具有强冲击、功率大范围变化的负载特性。电动机广泛用于轨道运输设备，电动机起动电流远大于正常运行时的电流，起动过程中等效负载阻抗在几十欧姆到数百欧姆之间变化，变化的负载会由于漏阻抗等原因，导致输出电压波动，因此需采用稳压措施。

遥控系统由遥控发射器和遥控接收器组成。遥控接收器与变频器的连接包括两部分，一部分是变频器低压输出端子为遥控器接收端提供电源，另一部分是遥控器控制端子与变频器控制端子连接，控制变频器动作。遥控器发射器发射遥控信号控制遥控器的接收器控制端子动作，达到远程遥控电动机的目的。

本发明的分档定频发射电源具有几个固定频率，且具有频率不随环境温度变化漂移的特性。具体工作原理是，将晶振分频产生的定频信号连接到脉冲发生芯片的同步引脚，使脉冲发生芯片产生的PWM(脉冲宽度调制)波频率和晶振分频的频率一致，因此，脉冲发生芯片产生的PWM波频率不会随环境温度变化。晶振分频电路采用计数器实现分频，利用多路开关实现分频电路不同的频率输出，达到一个发射电源对应多个固定频率的目的；由于机电负载的起动过程中具有冲击性负载的特性，需采用稳压输出的措施为机电负载供电，因此采取两个措施达到输出电压稳定。其一是采用恒压输出的补偿电路，其二是在接收端直流环节采用DC-DC稳压变换技术。恒压输出的补偿电路在一定程度上能达到输出电压随电动机起动变化范围小的目的，缓解DC-DC稳压变换技术因电压变化范围大引起的参数调节困难的弊端。DC-DC稳压变换技术通过闭环调节输出电压，使输出电压稳定在设定值。恒压输出的补偿电路和DC-DC稳压变换技术的配合使用，使得非接触方式直接为机电负载供电成为可能。

本发明的有益效果为：本发明脉冲发生芯片产生的PWM波频率不随环境温度的变化而漂移，并且一个高频电源具有多个固定频率，适用于不同频率要求的场合，利于阻抗补偿。采用恒压输出的补偿方式使电动机在起动过程中流过发射线圈的电流幅值相对稳定、接收端输出交流电压幅值相对稳定。恒压输出的补偿电路在一定程度上能达到输出电压随电动机起动变化小的目的，缓解DC-DC稳压变换技术因电压变化范围大引起的参数调节难的弊端。恒压输出的补偿电路和DC-DC稳压变换技术的配合使用，使得非接触供电系统输出的直流电压相对稳定。用变频器作为低频逆变环节不仅为电动机类机电负载提供交流电源，而且还可以为远程控制遥控系统的接收器提供直流电源，接收端实现无线操作控制的目的。

附图说明

图1是用于轨道运输机生产系统的非接触供电系统原理框图。

图2是接收端DC-DC稳压调节电路原理框图。

图3是遥控器远程控制框图。

具体实施方案

下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案作详细说明。

图1是用于轨道运输生产非接触供电系统原理框图，轨道运输生产非接触供电系统包括工频电源、低频整流滤波、高频逆变电路、晶振分频、脉冲发生电路、驱动电路、发射端补偿电路、发射线圈、接收线圈、接收端补偿电路、高频整流滤波、DC-DC稳压调节电路、变频器、电动机。工频电源为整个系统提供能量输入。低频整流滤波将50Hz的工频电源整流为直流，为高频逆变电路提供直流电压输入。高频逆变电路将直流电转变为交流电。晶振分频电路是为了将产生的固定频率信号，同步到脉冲发生芯片的同步引脚。脉冲发生电路产生的PWM信号，经驱动放大后控制功率开关管的开通和关断。发射端补偿电路和接收端补偿电路是为了实现系统恒压输出特性。DC-DC稳压调节电路用来调节输出电压，使输出电压稳定在设定值。发射线圈和接收线圈为能量耦合机构，通过电磁感应原理实现非接触电能传输。变频器将稳定的直流电压逆变为低频的三相交流电供电动机使用。

图2是接收端DC-DC稳压调节电路原理框图，接收端高频整流滤波后的直流输入电压，经过DC-DC直流变换器调节后，再经过滤波电路输出稳定的直流电压。DC-DC稳压电路的控制电路包括PWM发生电路、驱动电路、反馈调节电路。反馈调节电路包括采样电路、基准比较电路、光耦隔离电路。反馈调节电路根据不同的输出电压反馈调节PWM波的占空比，使输出电压稳定在设定值。

图3是遥控器远程控制框图，遥控器发射出的遥控信号控制遥控器的接收器动作端子，遥控器的接收器动作端子与变频器的控制端子相连接，通过遥控变频器达到远程控制电动机的目的。变频器不仅为电动机类机电负载提供交流电源，而且还为远程控制遥控系统的接收器提供直流电源，彻底达到接收端无线操作控制的目的。

Claims (8)

1.一种用于轨道运输生产的非接触供电系统，其特征在于，所述的非接触供电系统包括分档定频发射电源主电路、分档定频发射电源控制电路、恒压输出特性补偿电路、非接触电能传输耦合机构、接收端高频整流滤波电路、接收端DC-DC稳压调节电路、变频器、机电负载和遥控系统；

所述的分档定频发射电源主电路包括工频电源、低频整流滤波电路、高频逆变电路；工频电源与低频整流滤波电路连接，低频整流滤波电路为高频逆变电路提供直流输入电压；高频逆变电路与发射端补偿电路连接；

所述的分档定频发射电源控制电路包括晶振分频同步电路、脉冲发生电路、驱动电路；可调的晶振分频同步电路用来产生固定频率的同步信号，与脉冲发生电路连接，保证脉冲发生电路发生的脉冲频率与晶振分频的固定频率一致；脉冲发生电路与驱动电路连接，驱动电路与高频逆变电路连接，控制功率开关开通和关断；

所述的恒压输出特性补偿电路包括发射端补偿电路和接收端补偿电路；发射端补偿电路与发射线圈连接构成回路，该回路能够等效为并联阻抗近似无限大的发射电流源；接收端补偿电路与接收线圈连接构成回路，该回路能够等效为串联阻抗近似为零的电压源；幅值恒定交流电流在发射线圈周围产生幅值恒定的高频交变的磁场，接收线圈在高频交变的磁场中感应出幅值恒定的电动势，经过接收端补偿电路后的输出电压和恒定的感应电动势近似相等；

所述的非接触电能传输耦合机构包括发射线圈和接收线圈，发射线圈和接收线圈都采用对称结构，接收线圈以发射线圈对称中线为运动轨迹，发射线圈静止；发射线圈和接收线圈的引出接线端均采用双绞方式与补偿电路连接；

所述的接收端DC-DC稳压调节电路包括接收端DC-DC稳压调节主电路和接收端DC-DC稳压调节控制电路；接收端补偿电路与接收端高频整流滤波电路连接后，与接收端DC-DC稳压调节主电路相连；DC-DC稳压调节控制电路包括PWM发生电路、反馈调节电路和驱动电路；PWM发生电路与驱动电路连接，驱动电路与DC-DC稳压调节主电路连接，控制功率开关开通和关断；反馈调节电路包括采样电路、基准比较电路、光耦隔离电路；采样电路与DC-DC稳压调节主电路输出电压连接，采样输出电压大小；基准比较电路与采样电路连接，将采样电压信号与基准电压进行比较和电平转换；光耦隔离电路与基准比较电路连接，隔离脉冲发生电路和反馈调节电路；脉冲发生电路芯片的反馈引脚与光耦隔离电路的输出信号连接，反馈调节PWM波的占空比；反馈调节电路根据不同的输出电压反馈调节PWM波的占空比，使输出电压稳定在设定值，驱动电路提升PWM波的驱动功率开关管的能力；

所述的变频器输出端与电动机类机电负载连接，为电动机类机电负载提供三相低频交流工作电压；变频器输入端与接收端DC-DC稳压调节电路输出电压端连接；

所述的机电负载用于轨道运输设备；

所述的遥控系统包括遥控发射器和遥控接收器；遥控接收器与变频器低压输出端子连接，为遥控器接收端提供电源；同时，遥控器控制端子与变频器控制端子连接，控制变频器动作；遥控器发射器发射遥控信号控制遥控器的接收器控制端子动作，达到远程遥控的目的。

2.根据权利要求1所述的一种用于轨道运输生产的非接触供电系统，其特征在于，所述的高频逆变电路包括全桥、半桥、推挽式、E类或双E。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于轨道运输生产的非接触供电系统，其特征在于，所述的高频逆变电路功率开关采用软开关。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于轨道运输生产的非接触供电系统，其特征在于，所述的非接触电能传输耦合机构的发射线圈和接收线圈的形状为长方形或圆形，材质为李玆线或铜管，李玆线适用于高频情况，铜管适用于低频情况。

5.根据权利要求3所述的一种用于轨道运输生产的非接触供电系统，其特征在于，所述的非接触电能传输耦合机构的发射线圈和接收线圈的形状为长方形或圆形，材质为李玆线或铜管，李玆线适用于高频情况，铜管适用于低频情况。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种用于轨道运输生产的非接触供电系统，其特征在于，所述的接收端DC-DC稳压调节电路的DC-DC稳压调节主电路为Buck电路或Boost电路；耦合线圈输出电压高时采用Buck降压电路，输出电压低时采用Boost升压电路。

7.根据权利要求3所述的一种用于轨道运输生产的非接触供电系统，其特征在于，所述的接收端DC-DC稳压调节电路的DC-DC稳压调节主电路为Buck电路或Boost电路；耦合线圈输出电压高时采用Buck降压电路，输出电压低时采用Boost升压电路。

8.根据权利要求4所述的一种用于轨道运输生产的非接触供电系统，其特征在于，所述的接收端DC-DC稳压调节电路的DC-DC稳压调节主电路为Buck电路或Boost电路；耦合线圈输出电压高时采用Buck降压电路，输出电压低时采用Boost升压电路。