變電站巡檢機(jī)器人無線充電研究綜述

秦佳鳴 金繼開

國網(wǎng)上海超高壓公司 上海 200063

引言

變電站是輸電和配電的集結(jié)點(diǎn)，對電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著不可或缺的重要作用。隨著社會用電需求越來越大，變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的壓力也隨之加大。變電設(shè)備故障導(dǎo)致的事故在變電站總事故中占有極大比例。只有及時發(fā)現(xiàn)變電設(shè)備的缺陷并迅速排除相應(yīng)故障才能保證變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，目前，變電站主要由運(yùn)維人員巡檢，為了提高變電站巡檢工作效率，變電站自動巡檢機(jī)器人部分替代人工巡檢已經(jīng)成為一種趨勢。變電站自動巡檢機(jī)器人控制運(yùn)行方式靈活、巡檢信息記錄及時準(zhǔn)確、不受天氣環(huán)境因素影響，無主觀情緒，逐漸被應(yīng)用到變電站對變電設(shè)備進(jìn)行巡檢工作，輔助運(yùn)維人員能及時排除故障，防止事故發(fā)生[1]。

現(xiàn)有的移動機(jī)器人自動充電技術(shù)大多是采用接觸式充電方式，通過調(diào)整機(jī)器人位置或控制充電臂的位置實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的充電插頭與充電座的對接與斷開[2]，保證插座插拔的精準(zhǔn)增加了設(shè)計難度。此外，頻繁插拔也容易對系統(tǒng)的可靠性帶來影響，如引起機(jī)械磨損，導(dǎo)致接觸松動，不能有效傳輸電能;若在潮濕或存在導(dǎo)電介質(zhì)的環(huán)境中，也極容易引起電路短路。可見，要使機(jī)器人同時滿足高導(dǎo)航精度、高速定位、高可靠性對接的充電要求是十分困難的。因此，需要提出一種通過非接觸方式就能夠?qū)σ苿訖C(jī)器人進(jìn)行無線充電的方法[3]。

1 無線充電技術(shù)

1.1 無線充電技術(shù)概述

無線充電技術(shù)主要運(yùn)用感應(yīng)傳輸系統(tǒng)，一種能使電能無接觸傳輸?shù)募夹g(shù)。它的操作原理類似于通過多級互感線圈在發(fā)射線圈和接收線圈內(nèi)傳輸電能的互感器。如圖1所示，高頻電源為發(fā)射線圈供電，創(chuàng)建一個交流電磁場，而安裝在機(jī)器人底部的接收線圈從建立的磁場中獲取能量，并將其轉(zhuǎn)換成電流來給電池充電。

圖1 運(yùn)維巡檢機(jī)器人無線充電示意圖

1.2 巡檢機(jī)器人無線充電的問題

然而，目前巡檢機(jī)器人無線充電的應(yīng)用還有些技術(shù)問題待處理。例如，由于發(fā)射線圈安裝在地面，接收線圈安裝在機(jī)器人底座，兩者之間存在氣隙，因此會損失不少能量，造成傳輸效率低。另一方面，若要進(jìn)一步推進(jìn)無線巡檢機(jī)器人的發(fā)展應(yīng)用，對其充電時電磁安全性研究十分關(guān)鍵。根據(jù)ICNIRP2010，對于3kHz到10MHz的電磁波，在一般公共場所中，其磁場不應(yīng)超過27.3μT，因此，對于無線充電技術(shù)來說，要解決的主要問題是如何在提高傳輸效率的同時，對系統(tǒng)磁場進(jìn)行屏蔽，保證電磁安全。

2 研究模型

本文研究模型將在一次和二次側(cè)各使用一整塊鐵氧體板作為磁芯，其相對磁導(dǎo)率為2000。鐵氧體廣泛用于無線充電設(shè)計中，使整個系統(tǒng)的重量和耦合系數(shù)能到達(dá)一個平衡，同時使得發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場的磁力線主要集中在磁屏蔽的磁路通過，改變了線圈耦合機(jī)構(gòu)間傳能區(qū)內(nèi)的空間磁場分布，使磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，導(dǎo)致傳輸線圈的自感和互感增大，以此提高系統(tǒng)內(nèi)部的傳輸效率。同時，本文無線傳輸系統(tǒng)將采用doubleD模型，即雙線圈進(jìn)行研究，在其他數(shù)據(jù)參數(shù)相同的情況下，doubleD模型比單極線圈模型的傳輸效率高。

2.1 等效電路模型

搭建3.3kW的機(jī)器人無線充電裝置來對傳輸、屏蔽效果進(jìn)行研究。系統(tǒng)根據(jù)美國汽車工程師學(xué)會最新的標(biāo)準(zhǔn)SAE-J2954，系統(tǒng)的工作頻率選為85kHz。為了比較不同屏蔽板參數(shù)的屏蔽效果，這里假設(shè)輸出的電壓和電流是恒定的。

考慮兩個線圈之間的電磁耦合關(guān)系，本文搭建等效模型如圖2所示。其中電源電壓為、電源內(nèi)阻為、發(fā)射端、接收端的諧振電容分別為，發(fā)射線圈的電感量為，電阻為，接收線圈的電感量為，電阻為，負(fù)載阻抗為，兩線圈間互感為。

圖2 等效電路圖

2.2 傳輸效率P與耦合系數(shù)K的關(guān)系論述

3 屏蔽效能分析方法

本文的仿真模型如圖3所示，橘色部分為doubleD型銅制線圈，發(fā)射側(cè)尺寸為300×450×4mm3，接收側(cè)尺寸為200×300×4mm3。藍(lán)色部分為鐵氧體板，一次側(cè)鐵氧體尺寸為640×496×8mm3，二次側(cè)鐵氧體尺寸為480×352×8mm3。

圖3 基于Maxwell仿真模型

在屏蔽板材料的選擇上，為了讓磁通不要在原邊閉合，而經(jīng)過氣隙產(chǎn)生耦合磁通。磁通選擇閉合路徑的原因?yàn)?，從磁阻最低的那條磁路閉合。因此為增大磁路上的磁阻，以減小經(jīng)由原邊磁芯背部直接閉合的磁通，首先要保證原邊不能有高磁導(dǎo)率的介質(zhì)加入導(dǎo)致原邊出現(xiàn)低磁阻磁路，故屏蔽層不能采用鐵磁類屏蔽材料，對此，可以添加磁導(dǎo)率低的材料，進(jìn)行電磁屏蔽[4]。電磁場的屏蔽材料選擇產(chǎn)量較足的鋁金屬，且在眾多常用導(dǎo)電金屬中，鋁的密度為（2.7g·cm-3）最輕，因此本文采用鋁板，加在鐵氧體外。

接下來的實(shí)驗(yàn)方向是研究：①屏蔽氣隙對屏蔽效能的影響。②屏蔽厚度對屏蔽效能的影響。

屏蔽氣隙即鐵氧體與鋁板之間的距離，保持發(fā)射側(cè)和接收側(cè)的線圈及鐵氧體的位置不變，改變鋁板的垂直位置。研究僅初級帶屏蔽氣隙，僅次級帶屏蔽氣隙和兩側(cè)均帶屏蔽氣隙對屏蔽效能的影響。

確認(rèn)好最優(yōu)的屏蔽板安裝方式及間距后，研究鋁板厚度對系統(tǒng)屏蔽效果的影響。維持最優(yōu)氣隙距離，改變鋁板厚度，研究厚度對屏蔽系統(tǒng)的影響。首先看厚度的整體趨勢，觀察厚度變化對系統(tǒng)耦合系數(shù)的影響。

找出最優(yōu)的鋁板氣隙和鋁板厚度有助于降低鋁板損耗，提高系統(tǒng)效率，同時能提高系統(tǒng)的屏蔽效能，提高使用安全。

4 結(jié)束語

本文從結(jié)構(gòu)原理、傳輸結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)建模三個方面，闡述了變電站巡檢機(jī)器人無線充電技術(shù)當(dāng)下成果和未來研究方向。關(guān)于變電站巡檢機(jī)器人無線充電技術(shù)，目前仍有很多關(guān)鍵技術(shù)有待解決，這些問題將成為未來巡檢機(jī)器人無線充電技術(shù)研究的主要熱點(diǎn)。