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                  变电站巡检机器人无线充电系统设计探究

                  时间:2019-03-19 16:46作者:付振勇
                  本文导读:这是一篇关于变电站巡检机器人无线充电系统设计探究的文章,针对目前变电站巡检机器人多采用接触式充电,电池电量耗尽后需返回充电室进行充电,造成巡视工作中断,工作效率低下等问题,为此设计了一套单管逆变感应耦合式无线充电系统,使巡检机器人在巡视过程中的观测点处进行
                    摘要
                    
                    针对目前变电站巡检机器人多采用接触式充电,电池电量耗尽后需返回充电室进行充电,造成巡视工作中断,工作效率低下等问题,为此设计了一套单管逆变感应耦合式无线充电系统,使巡检机器人在巡视过程中的观测点处进行无线充电。论文具体工作如下:
                    
                    首先对变电站巡检机器人无线充电系统主电路进行了设计。分析了感应耦合式、磁耦合谐振式及微波辐射式无线电能传输方式原理以及全桥、半桥、推挽、单管逆变传输电路的优缺点和应用场合。详述了单管逆变感应耦合式无线充电系统的组成及其工作原理,对该无线充电系统进行了建模分析和补偿网络的设计,并在该等效模型下优化设计了系统主电路参数。

                  变电站巡检机器人无线充电系统设计探究
                    
                    其次对变电站巡检机器人无线充电线圈进行了优化设计。分析了无线充电线圈常见的结构和发射、接收线圈偏移错位时对耦合系数的影响。对平面螺旋圆形和方形线圈进行了等效建模,推导出了两单匝线圈间互感的表达式。利用线圈间互感公式进一步得到了耦合系数与半径比、距径比的关系,并根据该关系优化设计了系统发射线圈。
                    
                    最后对变电站巡检机器人无线充电系统主电路进行了仿真与实验。利用 Saber仿真软件对该系统主电路进行了仿真验证。绕制了系统发射、接收线圈并搭建了该无线充电系统主电路的实验平台,进行了实验验证。实验结果表明,输出功率、传输效率均符合设计要求,并且经过优化设计的发射线圈可以减缓线圈偏移错位时耦合系数的下降速度,提高了系统的传输效率,验证了所提设计方法的正确性。
                    
                    关键词:变电站;巡检机器人;无线充电;线圈优化;传输效率。
                    
                    Abstract
                    
                    In view of the problems such as contact charging, battery power exhaustion and low efficiency, a single-tube inverted induction coupling wireless charging system is designed to make the inspection robot charge wireless at the observation points during the inspection process. The specific work of this paper is as follows:
                    
                    Firstly, the main circuit of wireless charging system for substation inspection robot is designed. The principles of inductively coupled, magnetically coupled resonant and microwave radiation radio power transmission modes, the advantages and disadvantages of full bridge, half bridge, push-pull, single transistor inverters and their applications are analyzed. The composition and working principle of the single-transistor induction coupling wireless charging system are described in detail. The wireless charging system is modeled and analyzed, and the compensation network is designed. Under the equivalentmodel, the main circuit parameters of the system are optimized.
                    
                    Secondly, the wireless charging coil of substation inspection robot is optimized. The common structure of the wireless charging coil and the influence of the misalignment of the transmitting and receiving coils on the coupling coefficient are analyzed. The equivalent model of plane helical circular and square coils is established, and the expression of mutual inductance between two single-turn coils is derived. Based on the mutual inductance formula between coils, the relationship between the coupling coefficient and the average radius ratio and the distance radius ratio is further obtained,and the transmitting coil of the system is optimized according to the relationship.
                    
                    Finally, the main circuit of wireless charging system for substation inspection robot is simulated and experimented. Saber simulation software is used to simulate and verify the main circuit of the system. The transmitting and receiving coils of the system are wound and the experimental platform of the main circuit of the wireless charging system is built, which is verified by experiments. The experimental results show that the output power and transmission efficiency meet the design requirements, and the optimized radiation coil can slow down the decline of coupling coefficient when the coil is offset,improve the transmission efficiency of the system, and verify the correctness of the proposed design method.
                    
                    Keywords: Substation; Inspection robot; Wireless charging; Coil optimization;Transmission efficiency。
                    
                    第一章 绪论
                   
                    
                    1.1 选题的背景和意义。

                    
                    目前变电站巡检机器人可以采用接触式充电和非接触式充电两种。接触式充电是通过机器人沿特定轨迹返回充电室[1],将充电插头插入充电插座完成自主充电。
                    
                    这种接触式充电方式需要较高的精确性来完成对接,使设计的复杂性和控制的困难性大大增加,并且频繁的对接、脱离容易造成插头磨损,导致接触不良,特别是在雨天等环境潮湿时,极易引起触电事件的发生,使充电可靠性变差[2]。在电池电量耗尽时,机器人需结束正在进行的工作,沿规定好的的路线返回充电室进行充电,充电结束后,再返回巡检路线继续工作,导致巡视工作中断,造成时间浪费,巡检效率低下。非接触式充电是利用无线电能传输原理对机器人进行充电。在机器人电池电压低于设置电压时发出信号,触发充电系统的语音播报单元,同时发出信号控制机器人自动寻找发射源,当机器人进入发射源的充电范围时,便可自动进行无线充电。与接触式充电相比,非接触式充电不存在频繁对接、脱离问题,对系统定位精确度要求较低,使设计的复杂性和控制的困难性大大降低,增加了充电的可靠性,且机器人无需背负笨重大容量电池组,减小了自身重量,大大提高了设备的便利性和灵活性[3-4]。
                    
                    据国家电网不完全统计,变电站巡检机器人在工作 6 小时后,就需要返回充电室进行充电,而充电的时间长达 8 小时。巡检机器人完成一次巡检任务的时间约为16 小时,在这期间需要对机器人进行 2~3 次充电,充电时间占巡检机器人工作周期的 55%。因此,需要一种边工作边充电的方案,从而减少甚至消除静止充电时间,增加巡检机器人的续航能力。
                    
                    现有的边工作边充电技术主要有三种:光伏充电技术[5]、长导轨式无线充电技术[6]、分段式无线充电技术[7-10。光伏充电技术是将光能转化为电能,实时为巡检机器人充电,具有成本较低、节约传统能源的特点。但这种充电技术需要改造机器人的外壳和内部布线,实施难度较大且夜晚无法进行充电等缺点。长导轨式无线充电技术采用无线发射导轨为巡检机器人进行实时充电,仅需在机器人底盘装设接收线圈,但这种充电技术需要在巡检机器人的全部巡视路径上铺设无线发射导轨,施工较困难,投资较大。分段式无线充电技术采用多个分离发射线圈为巡检机器人进行分段式充电,仅需要在固定地点埋设发射线圈和机器人底盘装设接收线圈。分段导轨式无线充电技术通过合理控制实现不同发射线圈轮流导通,减小发射线圈的内阻损耗以提高系统效率,同时减小长导轨式带来的电磁辐射问题[11]。
                    
                    变电站巡检机器人具有巡视路径相对固定及在巡视点进行红外测温时静止不动的工作特点[12],因此分段式静止无线充电技术更适合对巡检机器人进行无线充电。
                    
                    若要实现变电站巡检机器人不间断工作,需保证在两个巡视点的充电电量大于在该两点之间行驶路程、可见光测试、红外测温以及导航等各项巡检任务所消耗的电量。
                    
                    基于以上分析,利用分段式静止无线充电技术,同时配合小容量动力锂电池,就可以实现巡检机器人不间断工作,从而提升巡检效率。因此,对变电站巡检机器人静止无线充电系统的研究具有重要意义。
                    
                    
                    
                    1.2 课题的研究现状。
                    
                    随着我国智能电网的发展,变电站的规模和巡检区域越来越大,单纯人工巡检方式难以做到全面检测,给电网的稳定运行带来隐患。变电站巡检机器人的投入使用,大大减少了人工强度,提高了电网运行的安全性。巡检机器人能够完成操作难度大、精度要求高等人工难以完成任务,其工作不受天气、环境的干扰,在部分工作中替代人工已成为一种趋势[13-14]。变电站巡检机器人具有可靠的电源系统是其能够高效运行的前提,为了提高巡检机器人的自动化程度,通常给机器人配备自主充电系统,以保证机器人能够可靠地完成各项巡检任务[15]。自主充电技术的研究现已成为决定巡检机器人工作时间的关键因素,如何实现巡检机器人长时间、高效率的供电成为目前亟需解决的问题[16-17]。
                    
                    变电站巡检机器人的供电方式一般可分为两种:一种是利用电线直接给巡检机器人供电。这种供电方式比较简单,无需考虑电量不足及电池维修方面的问题,在吸尘、清扫等一些服务型机器人得到了广泛应用。但这种供电方式受供电区域的影响,活动范围受到限制,不太适合变电站巡检机器人这种需要大范围活动的工作情形。另一种是利用机器人自身携带的电池进行供电[18]。这种供电方式不受供电区域的限制,工作范围得到了扩大,在寻轨机器人[19]、胶囊机器人[20-21、家用机器人[22]、微型机器人[23]
                    
                    以及工业机器人[24]等方面得到了应用。但这种供电方式的供电时间较短,机器人的工作时间受到了限制,机器人背负的电池组增加了自身重量,造成工作功率变大,进一步缩短了机器人的工作时间。如何解决机器人在无人工干预下实现可靠、稳定供电的问题成为了巡检机器人能否长期稳定工作的关键技术[25],国内外研究学者已在这方面作了大量研究。
                    
                    【由于本篇文章为硕士论文,如需全文请点击底部下载全文链接】
                    
                    1.2.1 国外研究现状
                    1.2.2 国内研究现状
                    1.3 本课题的研究内容及创新点
                    1.3.1 本课题的研究内容
                    1.3.2 本课题的主要创新点
                    1.4 本章小结
                    
                    第二章 无线电能传输系统的研究
                    
                    2.1 无线电能传输系统分析
                    2.1.1 感应耦合式
                    2.1.2 磁耦合谐振式
                    2.1.3 微波辐射式
                    2.2 单管逆变 ICPT 系统分析
                    2.2.1 ICPT 系统逆变电路的设计
                    2.2.2 单管逆变 ICPT 系统组成
                    2.2.3 单管逆变 ICPT 系统主电路工作原理
                    2.3 单管逆变 ICPT 系统建模
                    2.3.1 漏感模型
                    2.3.2 互感模型
                    2.4 单管逆变 ICPT 系统无功补偿网络的设计
                    2.5 PS 型单管逆变 ICPT 系统建模及参数设计
                    2.5.1 PS 型单管逆变 ICPT 系统建模分析
                    2.5.2 PS 型单管逆变 ICPT 系统参数设计
                    2.6 本章小结
                    
                    第三章 无线充电系统耦合线圈的优化设计
                    
                    3.1 无线充电线圈常见结构分析
                    3.2 线圈偏移对耦合系数的影响分析
                    3.2.1 线圈间的偏移失调
                    3.2.2 线圈间的偏移时有限元仿真分析
                    3.3 线圈等效建模及互感计算
                    3.3.1 圆形线圈等效建模及互感计算
                    3.3.2 方形线圈等效建模及互感计算
                    3.4 耦合系数与无线充电线圈半径的关系
                    3.5 本章小结
                    
                    第四章 单管逆变 ICPT 系统主电路仿真与实验
                    
                    4.1 单管逆变 ICPT 无线充电系统主电路仿真
                    4.1.1 仿真电路
                    4.1.2 仿真结果
                    4.2 无线充电线圈的绕制及耦合系数的测量
                    4.2.1 利兹线的选型
                    4.2.2 无线充电线圈优化设计
                    4.2.3 线圈间耦合系数的测量分析
                    4.3 实验验证
                    4.3.1 实验平台搭建
                    4.3.2 实验结果
                    4.3.2 优化后发射线圈对传输效率的影响分析
                    4.4 本章小结

                    第五章 结论

                  棋牌大全下载安装   BENWENWEIBIANDIANZHANXUNJIANJIQIRENSHEJILEYITAO PS XINGDANGUANNIBIANGANYINGOUHESHIWUXIANCHONGDIANXITONG,TONGGUOFANGZHENYUSHIYANYANZHENG,ZHUYAODEDAOYIXIAJIELUN:

                  棋牌大全下载安装   (1)LIYONGHUGANMOXINGFADUIBIANDIANZHANXUNJIANJIQIRENWUXIANCHONGDIANXITONGZHUDIANLUJINXINGJIANMO,DEDAOLEXITONGZHUDIANLUDEDENGXIAODIANLU,BINGZAIGAIDENGXIAODIANLUXIATUIDAOCHULEXITONGZENGYI、SHUCHUGONGLV、CHUANSHUXIAOLVDEBIAODASHI。GENJUZUIDAGONGLVCHUANSHUYUANZE,YOUHUASHEJILEGAIWUXIANCHONGDIANXITONGZHUDIANLUCANSHU。

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                    (3)通过仿真与实验验证,系统输出功率和传输效率符合设计要求,并且开关管实现了零电压开通,降低了开关损耗。优化后发射线圈可以减缓耦合系数在线圈偏移错位时的下降速度,提高了系统的传输效率,验证了变电站巡检机器人无线充电系统设计的可行性。

                    参考文献

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