電梯轎廂無接觸式電能傳輸裝置的研制

潘文誠(chéng)，舒元超，阮世平，李曙光，康 敏

（1.浙江科技學(xué)院a.自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院；b.理學(xué)院，杭州310023；2.浙江大學(xué) 工業(yè)控制研究所，杭州310027）

長(zhǎng)期以來，移動(dòng)用電設(shè)備（如礦井采掘與運(yùn)輸設(shè)備、工廠移動(dòng)吊裝設(shè)備、井道升降設(shè)備、電力機(jī)車等）的供電都是采用接觸式直接傳導(dǎo)的電能傳輸方式，這種方式包括滑動(dòng)接觸方式、滾動(dòng)接觸方式及隨行電纜傳輸方式，將電能從供電網(wǎng)絡(luò)傳遞給移動(dòng)的用電設(shè)備［1－2］。接觸式的電能傳輸方式存在著諸如滑動(dòng)磨損、接觸火花、積碳、導(dǎo)體不安全裸漏和隨行電纜疲勞破損等局限。日常生活中常見的升降運(yùn)動(dòng)裝置電梯轎廂，其傳統(tǒng)的電能傳輸方式也是采用懸掛式隨行電纜連接的方式進(jìn)行的。該方式的缺點(diǎn)明顯：隨轎廂運(yùn)動(dòng)的懸掛電纜天長(zhǎng)日久會(huì)老化破損，造成電梯故障，甚至形成事故隱患；如果是景觀電梯，暴露的懸掛電纜在一定程度上也有損美觀。由此，轎廂的電能傳輸改用無接觸方式，通過磁場(chǎng)耦合來實(shí)現(xiàn)，將為實(shí)現(xiàn)干凈、穩(wěn)定、安全的電能傳輸提供一種有效的解決途徑。

針對(duì)國(guó)內(nèi)外提出和已運(yùn)行的導(dǎo)軌式電梯轎廂無接觸式供電方式［3］，筆者研制了一種采用按樓層電站式無接觸供電方式的裝置［4］，在轎廂平層靜止時(shí)裝置的電磁機(jī)構(gòu)耦合饋電，在轎廂升降（電磁耦合機(jī)構(gòu)原副邊分離）時(shí)，裝置的饋電器停止高頻饋電。相比于那種滑動(dòng)導(dǎo)軌式的無接觸式供電方式［5］，該設(shè)計(jì)方案既避免了高頻泄露帶來的電磁污染和火災(zāi)隱患，又能極大地節(jié)約電能。

圖1 電梯轎廂無接觸電能傳輸系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Blocck diagram of contactless electric power transmission system of elevator car

1 整機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1給出了轎廂無接觸電能傳輸系統(tǒng)的功能框圖。固定安裝的饋電部件把工頻電能轉(zhuǎn)換成幾十千赫茲的高頻電能，通過可分離電磁機(jī)構(gòu)耦合給安裝在移動(dòng)轎廂上的受電部件，供轎廂內(nèi)負(fù)載用電和蓄電池儲(chǔ)能?？煞蛛x電磁耦合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和布局是轎廂無接觸供電系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖2是德國(guó)漢諾威2000年世博會(huì)的標(biāo)志性建筑Hermes Tower觀光電梯。它的轎廂采用無接觸式供電，從圖中可清晰地看到電磁機(jī)構(gòu)（滑動(dòng)變壓器）的一次側(cè)導(dǎo)軌和繞有二次繞組的E字形磁芯。Hermes Tower無接觸供電的成功運(yùn)行令人鼓舞，但是必須清楚地看到，一方面，如將其電磁機(jī)構(gòu)的耦合方式照搬到建筑物內(nèi)的升降設(shè)施，由此帶來的對(duì)環(huán)境的電磁污染和周邊設(shè)備的電磁兼容性問題就變得不容忽視；另一方面，如因不慎在磁場(chǎng)裸露的饋電導(dǎo)軌周圍有金屬物（如扳手之類）靠近，由此產(chǎn)生的電渦流將極易引起火災(zāi)。

圖2 漢諾威Hermes Tower觀光電梯Fig.2 Hanoverian Hermes Tower sightseeing elevator

注意到在電梯井道內(nèi)安裝一次導(dǎo)軌用于無接觸供電的缺陷與不足，文獻(xiàn)［4］提出了一種電梯轎廂按樓層電站式無接觸供電的技術(shù)方案，如圖3所示。在電梯轎廂（22）升降所經(jīng)過的每一樓層安裝一個(gè)生成高頻電能的饋電部件（31），在電梯轎廂上安裝一個(gè)與饋電部件相對(duì)應(yīng)的受電部件（33），饋電部件和受電部件在轎廂平層靜止時(shí)通過無接觸的感應(yīng)耦合的可分離電磁機(jī)構(gòu)（32）來傳送電能，受電部件（33）將感應(yīng)耦合得到的電能用于電梯轎廂內(nèi)的負(fù)載（39）的驅(qū)動(dòng)和蓄電池（37）的儲(chǔ)能，蓄電池在電梯轎廂升降（可分離電磁機(jī)構(gòu)分離）時(shí)維持轎廂內(nèi)用電負(fù)載的供電。饋電部件在轎廂移開時(shí)停止饋電，以避免高頻泄露。由于摒棄了懸掛電纜式的電梯轎廂供電方式，可避免電纜的導(dǎo)體折斷絕緣老化的弊病；由于采用的是按樓層電站式無接觸取電，不采用作為一次繞組的滑動(dòng)導(dǎo)軌，可避免裸露高頻導(dǎo)軌磁場(chǎng)所引起的一系列問題。這種結(jié)構(gòu)方案確保了無接觸能源傳輸系統(tǒng)的綠色和環(huán)保。

圖3 轎廂按樓層電站式無接觸供電示意圖Fig.3 Scheme of contactless power transmission of elevator car at power station on each floor

2 可分離電磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

可分離電磁耦合機(jī)構(gòu)（或稱可分離變壓器，無接觸變壓器）作為無接觸電能傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，在無接觸電能傳輸過程中發(fā)揮著重要作用。一般將電磁耦合機(jī)構(gòu)分為靜止式、滑動(dòng)式、旋轉(zhuǎn)式三類［6］，考慮到轎廂按樓層電站式的饋電方式，采用了靜止式盤型可分離電磁耦合機(jī)構(gòu)。該電磁機(jī)構(gòu)原、副邊具有相同的結(jié)構(gòu)，由多股利茲線平面盤繞在星形輻射排列的條形鐵氧體磁芯上形成，如圖4所示。

在無接觸電能傳輸系統(tǒng)中，提高饋電頻率可以提高能量的傳輸功率和效率，然而頻率過高時(shí)電磁耦合機(jī)構(gòu)的漏感會(huì)很大。因此，為了改善無接觸變壓器的傳輸性能，常用的方法是對(duì)原、副邊的漏感進(jìn)行容性補(bǔ)償，在無接觸變壓器的原、副邊線圈串聯(lián)或并聯(lián)諧振電容以消除漏感［7］。原、副邊的補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為串串補(bǔ)償、串并補(bǔ)償、并串補(bǔ)償和并并補(bǔ)償4種。轎廂的無接觸電能傳輸裝置采用了串串補(bǔ)償，這種補(bǔ)償方式可以在相同負(fù)載下，使耦合系數(shù)的變化對(duì)輸出電壓影響較小［8］，使原、副邊諧振頻率始終保持一致，并在諧振頻率點(diǎn)附近保持較高的電壓增益和功率傳輸能力，對(duì)負(fù)載呈現(xiàn)恒壓源的特性。副邊繞組電壓變化范圍小，有利于對(duì)轎廂內(nèi)用電設(shè)備電壓的進(jìn)一步控制和調(diào)節(jié)。

圖4 靜止式盤型可分離電磁耦合機(jī)構(gòu)Fig.4 Static plate－shaped and detachable transfonmer

3 饋電部件設(shè)計(jì)

圖5 饋電部件的原理框圖Fig.5 Block diagram of feeding components

為提高無接觸式電能傳輸系統(tǒng)原邊饋電部件的性能，系統(tǒng)的饋電部件要將電網(wǎng)的工頻電能轉(zhuǎn)變成高頻電能進(jìn)行傳輸。圖5中虛線框內(nèi)是饋電部件，它的輸入是工頻電源，輸出給可分離電磁機(jī)構(gòu)的原邊供電。饋電部件內(nèi)的整流濾波環(huán)節(jié)將輸入的工頻交流電整流成直流電，并將它平滑成質(zhì)量較高的直流電后由高頻逆變環(huán)節(jié)生成10～100kHz的高頻電能［9］。由靜態(tài)高壓電容器構(gòu)成的串聯(lián)補(bǔ)償環(huán)節(jié)與可分離電磁機(jī)構(gòu)的原邊阻抗和副邊的反射阻抗一起形成諧振阻抗，使高頻電能具有最佳傳輸狀態(tài)（輸出諧振）。饋電部件采用兩個(gè)閉環(huán)控制進(jìn)行頻率自動(dòng)跟蹤和輸出功率調(diào)節(jié)：一個(gè)閉環(huán)是相位檢測(cè)環(huán)節(jié)將檢測(cè)到的高頻逆變環(huán)節(jié)輸出的電壓電流的相位差反饋給饋電部件控制器，控制器經(jīng)控制策略運(yùn)算后，調(diào)節(jié)逆變環(huán)節(jié)的輸出頻率以跟蹤諧振頻率（諧振時(shí)電壓電流同相位）；另一個(gè)閉環(huán)是負(fù)載監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)將高頻逆變環(huán)節(jié)的功率（電壓、電流）輸出情況反饋給饋電控制器，控制器經(jīng)運(yùn)算判斷后調(diào)節(jié)高頻逆變器的輸出脈寬，即調(diào)整輸出電壓，使之適應(yīng)負(fù)載的變化。

4 受電部件設(shè)計(jì)

圖6中虛線框內(nèi)是受電部件，它的輸入是可分離電磁機(jī)構(gòu)的副邊。副邊線圈串接高頻高壓電容器，構(gòu)成原邊的反射諧振阻抗。受電部件的整流濾波環(huán)節(jié)將輸入的高頻交流電整流平滑成直流電，該直流電一方面通過工頻逆變環(huán)節(jié)供負(fù)載（轎廂門機(jī)電機(jī)）的驅(qū)動(dòng)用；另一方面通過充電電路給蓄電池充電和給轎廂內(nèi)的另一些負(fù)載（轎廂內(nèi)的照明、風(fēng)扇、樓層指示器）供電。蓄電池在可分離電磁機(jī)構(gòu)分離、受電部件無輸入時(shí)給轎廂內(nèi)的負(fù)載供電。受電部件控制器從電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)得到受電部件輸出端上負(fù)載的供電電壓的大小，通過軟件控制策略運(yùn)算后，調(diào)節(jié)工頻逆變單元的輸出脈寬，將兩路輸出電壓調(diào)整到適合負(fù)載要求的大小。

圖6 受電部件的原理框圖Fig.6 Block diagram of electrical components

5 結(jié) 語(yǔ)

無接觸式電能傳輸方法綜合運(yùn)用了電磁感應(yīng)耦合技術(shù)、高頻變換技術(shù)及閉環(huán)控制技術(shù)，安全、可靠、高效、靈活地實(shí)現(xiàn)了電能的無導(dǎo)線傳輸，克服了傳統(tǒng)的電能傳輸在某種場(chǎng)合中的諸多不足［10］。筆者以電梯轎廂的電能傳輸作為實(shí)體目標(biāo)研制的這種無接觸式供電裝置，使電梯轎廂內(nèi)的用電設(shè)備（內(nèi)外門機(jī)驅(qū)動(dòng)、照明、風(fēng)扇等）的供電實(shí)現(xiàn)了無接觸的感應(yīng)耦合傳輸。經(jīng)測(cè)試，在裝置的傳輸功率超過300W、無接觸傳輸距離10～15mm的情況下，傳輸效率達(dá)到了84%。電梯轎廂按樓層電站式無接觸電能傳輸?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)積累，將會(huì)給其他升降機(jī)械及移動(dòng)用電設(shè)備的無接觸饋電以借鑒。

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