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      港口RTG 無線供電技術(shù)研究

      2021-10-10 02:02:30武杰文高洪光李雪莉朱宸彥
      電源學報 2021年5期
      關(guān)鍵詞:互感恒壓接收端

      孫 冰,武杰文,高洪光,李雪莉,朱宸彥

      (1.中車大連機車車輛有限公司,大連 116022;2.西南交通大學電氣工程學院,成都 610031)

      輪胎式集裝箱起重機RTG(rubber tyre gantry)是港口集裝箱的重要裝卸設(shè)備。目前RTG 主要采用3 種供電方式:電纜線卷供電方式[1]、低架滑觸線方式和高架滑觸線方式[2]。上述供電方式存在以下共同問題:RTG 在轉(zhuǎn)場作業(yè)時仍然需要利用柴油發(fā)電機,靈活性受到限制;頻繁過街、轉(zhuǎn)場需要人工插拔電源,增加人工成本的同時存在安全隱患,影響作業(yè)效率[3-5]。

      隨著電磁學、電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,無線電能傳輸WPT(wireless power transfer)已成為當下研究熱點[6-8]。WPT 無需導線連接即可將電能從電源側(cè)傳輸至用電設(shè)備側(cè),避免了傳統(tǒng)有線電能傳輸存在的機械磨損、線路老化、金屬裸露及金屬損耗等問題[9-10],在醫(yī)療電子、消費電子和電動汽車充電等領(lǐng)域被廣泛應用。

      利用WPT 技術(shù)方便、快捷、安全的特性,提出采用WPT 技術(shù)為RTG 供電,用WPT 供電取代有線供電解決現(xiàn)有RTG 供電難題[2,5]。根據(jù)RTG 充電機需要電壓源輸入的工作特性,需選取具有恒壓輸出拓撲,如LCL-S、LCC-S[11]、S-LCL[12]等拓撲都具有恒壓輸出特性;針對RTG 存在??坎粶蚀_的問題,通過選取合適的磁耦合機構(gòu)的方式解決,如DD 機構(gòu)、DDQ 機構(gòu)[13]、BP 機構(gòu)[14]等都有較好的抗偏移能力。

      根據(jù)RTG 工作特性進行整體系統(tǒng)設(shè)計,確定拓撲、系統(tǒng)電氣參數(shù)和磁耦合機構(gòu)。通過電路分析理論建立LCC-S&S 拓撲的WPT 系統(tǒng)模型,其恒壓輸出特性適用于對充電機進行大功率充電。根據(jù)LCC-S&S 拓撲,給出系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計過程,并以實測參數(shù)為依據(jù)進行修正。使用DDQ 結(jié)構(gòu)作為耦合機構(gòu)以解決RTG 停靠問題,實現(xiàn)橫向抗偏移恒壓輸出[15-17]。文獻[13-17]可實現(xiàn)一定程度的橫向抗偏移,但在設(shè)計時,未考慮高度變化對橫向抗偏移能力的影響。本文在實現(xiàn)橫向抗偏移的同時,考慮RTG 高度變化對恒壓輸出的影響,通過磁耦合機構(gòu)設(shè)計使輸出電壓始終保持在工作范圍內(nèi)。最后,搭建了基于LCC-S&S 拓撲結(jié)構(gòu)的1 kW 系統(tǒng)樣機,在60 kHz工作頻率下,實現(xiàn)了1 kW 恒壓輸出,且效率高于90%,驗證了方案切實可行。

      1 系統(tǒng)設(shè)計

      RTG 有70%的工作時間處于定點??繝顟B(tài),因此,當充電功率足夠大時,采用定點設(shè)置WPT 裝置為RTG 進行充電,即可保證RTG 正常工作。

      RTG 充電機需要電壓源作為輸入,因此選取恒壓輸出拓撲,LCL-S 和S-LCL 拓撲均可實現(xiàn)恒壓輸出。RTG 在實際工作中存在停靠不準確即接收端丟失的問題,采用S-LCL 拓撲,若接收端發(fā)生偏移甚至丟失,即互感M 趨于0 時,接收端反射到發(fā)射端的反射阻抗極小,幾乎為0,則發(fā)射端S 拓撲短路,發(fā)射端電流無窮大,會導致發(fā)射端設(shè)備燒毀,因此需要額外增加控制保護裝置;而LCL-S 拓撲的接收端偏移甚至丟失,即互感M 趨于0 時,雖然接收端反射到發(fā)射端的反射阻抗極小,但發(fā)射端LCL 拓撲存在并聯(lián)諧振環(huán),本身就是開路情況,因此對系統(tǒng)不會造成損壞,無需額外的控制保護裝置。分析比較后,選擇采用LCL-S 拓撲,但LCL-S 拓撲實現(xiàn)恒壓輸出的前提是發(fā)射端諧振補償電感與發(fā)射端線圈自感相等,實際工作中難以實現(xiàn),因此采用改進型LCL-S 拓撲即LCC-S 拓撲。LCC-S 拓撲增加了串聯(lián)諧振電容,更易配置。

      由于RTG 停靠位置不準確,橫向維度存在一定偏移,發(fā)射端和接收端線圈互感不能保持恒定,因此選取具有一定抗偏移能力的Q-DDQ 結(jié)構(gòu)線圈作為耦合機構(gòu),使線圈間互感在偏移情況下能夠趨于恒定,實現(xiàn)恒壓輸出。采用LCC-S 拓撲并以QDDQ 結(jié)構(gòu)線圈作為耦合機構(gòu)的WPT 系統(tǒng)拓撲,實際是LCC-S&S 拓撲,其等效電路如圖1 所示。

      圖1 樣機系統(tǒng)等效電路Fig.1 Equivalent circuit of prototype system

      圖1 中,Uin為直流電壓源,Cin為電壓源后的穩(wěn)壓電容,MOSFET VT1~VT4組成逆變器,UPT為逆變器輸出交流電壓,IPT為逆變器輸出交流電流,LPT為發(fā)射端諧振補償電感,CPT為發(fā)射端線圈并聯(lián)補償電容,IP為發(fā)射端線圈電流,CP為發(fā)射端線圈串聯(lián)補償電容,LP為發(fā)射端線圈電感,MPS1和MPS2分別為發(fā)射端和接收端線圈間互感,IS1和IS2為接收端線圈電流,LS1和LS2為接收端線圈電感,CS1和CS2為接收端線圈串聯(lián)補償電容,二極管D1~D8組成2 個整流器,C1和C2為整流后的穩(wěn)壓電容,Uout和Iout分別為直流輸出電壓和輸出電流。

      2 LCC-S&S 拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

      LCC-S&S 拓撲等效電路中,接收端感應電壓由同一發(fā)射端線圈提供,圖2 給出了其簡化的系統(tǒng)等效電路。圖中,RL為等效交流負載,IS為流過等效負載的交流電流,US為等效負載兩端的交流電壓。

      圖2 LCC-S&S 拓撲電路Fig.2 Circuit of LCC-S&S topology

      系統(tǒng)中各網(wǎng)孔電路均工作在諧振狀態(tài),則電感和電容取值應滿足

      根據(jù)式(1)可知,發(fā)射端諧振補償電感LPT的取值小于發(fā)射端線圈電感LP的取值,而實際中會使兩者盡可能相近。根據(jù)基爾霍夫定律可得

      將式(1)代入式(2),可得

      則負載端實際輸出電壓US為

      根據(jù)式(4)可知,LCC-S&S 拓撲的輸出是與負載無關(guān)的恒定電壓,若令M=MPS1+MPS2,則其只與電源UPT、發(fā)射端諧振補償電感LPT及發(fā)射端和接收端線圈間互感M 有關(guān)。

      3 系統(tǒng)輸入、輸出參數(shù)設(shè)計

      為驗證方案的可行性,設(shè)計1 kW 的RTG 工作樣機,其磁耦合機構(gòu)需根據(jù)整體系統(tǒng)的輸入、輸出參數(shù)進行設(shè)計。為簡化分析,令M=MPS1+MPS2,LS=LS1+LS2,CS=1/(1/CS1+1/CS2)。

      假設(shè)電路為理想電路,即任何元件都不存在內(nèi)阻。系統(tǒng)額定輸入電壓Uin為直流電壓,經(jīng)市電三相整流升壓后,其幅值范圍為193.41~206.59 V,選取額定輸入電壓為中間值200 V,則交流側(cè)額定輸入交流電壓UPT滿足

      額定輸出電壓Uout為直流電壓,充電機所需工作電壓幅值范圍為94.20~235.48 V,選取中間值164.84 V 作為額定輸出電壓值,則交流側(cè)額定輸出電壓US為

      設(shè)計樣機額定輸出功率Pout=1 kW,根據(jù)電壓、電流和功率的關(guān)系P=UI,可計算出額定輸出電流IS為

      此時系統(tǒng)接入的交流等效負載RL為

      設(shè)系統(tǒng)效率η≥85%,系統(tǒng)額定輸入功率Pin為

      假定系統(tǒng)工作在最低效率即η=85%工況下,系統(tǒng)額定輸入功率Pin設(shè)定為1.175 kW,同理可計算出輸入額定電流IPT為

      目前無線電能傳輸系統(tǒng)工作頻率比較固定,多采用85 kHz,主要與充電標準有關(guān)。但是在大功率系統(tǒng)中,高頻逆變器的實現(xiàn)困難較大,因此將系統(tǒng)頻率f 降低為60 kHz,則系統(tǒng)角頻率ω 為

      根據(jù)電路分析原理可知,接收端感應電壓等于jωMIP,其中系統(tǒng)工作角頻率ω 已確定,還需要確定互感M 及發(fā)射端諧振線圈電流IP。首先計算在額定輸出電壓為最大極限值時的參數(shù),實際工況下,額定輸出電壓幾乎不會處于最大極限值的情況,而在此情況下確定的M 及IP均為極大值。若計算值在允許范圍內(nèi),則IP始終在安全范圍內(nèi),互感M 只需要設(shè)計在范圍內(nèi)即可。假定IP=10 A,將式(11)代入,計算互感最大、最小值Mmax、Mmin及額定工況的互感M,得

      當IP=10 A 時,M 取為22.49~56.24 μH 即可。根據(jù)式(4),代入額定互感M、額定交流輸入電壓UPT和額定交流輸出電壓US,計算發(fā)射端諧振補償電感LPT為

      根據(jù)式(1)可計算出發(fā)射端并聯(lián)補償電容CPT為

      LPT的具體取值需根據(jù)實際搭建磁耦合機構(gòu)的測量參數(shù)確定,而后確定發(fā)射端并聯(lián)補償電容CPT。發(fā)射端諧振線圈電感LP和接收端諧振線圈電感LS同樣需根據(jù)實際磁耦合機構(gòu)參數(shù)確定,并根據(jù)式(1)確定發(fā)射端串聯(lián)補償電容CP與接收端串聯(lián)補償電容CS。具體計算過程將在實際完成磁耦合機構(gòu)搭建并進行檢測后給出。

      4 磁耦合機構(gòu)設(shè)計

      4.1 磁耦合機構(gòu)仿真分析優(yōu)化

      RTG 實際運行工況如圖3 所示。RTG 在實際工況中停靠位置不準確,使接收端線圈存在橫向偏移。因此采用具有一定抗偏移能力的Q-DDQ 線圈結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)發(fā)射端與接收端線圈互感近似保持恒定。Q-DDQ 線圈的發(fā)射端僅由1 個Q 線圈構(gòu)成,而接收端由1 個DD 線圈和1 個Q 線圈組成,且正對緊密貼合,其互感為0 μH。發(fā)射端、接收端線圈互感M=MPS1+MPS2。正對情況下,接收端DD 線圈與發(fā)射端Q 線圈互感MPS1=0 μH,接收端Q 線圈與發(fā)射端Q 線圈互感MPS2取得最大值;當接收端線圈發(fā)生偏移時,MPS1逐漸增加,MPS2下降。因此發(fā)生偏移時,發(fā)射端、接收端線圈間互感M 基本保持恒定。

      圖3 RTG 實際工況Fig.3 Actual working condition of RTG

      磁耦合機構(gòu)的機械參數(shù)根據(jù)港口實際可安裝空間而定。正常情況下,滑觸線與RTG 的間距為1 000 mm,極限情況下偏移距離為200 mm,因此發(fā)射端、接收端線圈寬度選定為500 mm,留有一定裕量。為使線圈匝數(shù)較少,發(fā)射端、接收端線圈長度選定為1 000 mm,并根據(jù)第3 節(jié)計算的電流選取直徑為4.05 mm 的利茲線。

      圖4 為發(fā)射端、接收端線圈正對且間距為100 mm 時的磁耦合機構(gòu)示意。發(fā)射端Q 線圈(上方矩形框)為LP,接收端DD 線圈(下方雙矩形框)為LS1,接收端Q 線圈(下方單矩形框)為LS2,接收端線圈LS1與LS2緊密貼合且相對位置保持固定。條狀磁芯尺寸均為500 mm×25 mm,兩兩之間空隙均為75 mm。

      圖4 磁耦合機構(gòu)Fig.4 Magnetic coupling mechanism

      RTG ??坎粶蚀_造成橫向偏移,偏移量在-200~200 mm 內(nèi)變化,由于線圈結(jié)構(gòu)對稱,故只需仿真0~200 mm 內(nèi)的變化。圖5 為間距為10 cm 時的仿真互感曲線,可以看出發(fā)射端、接收端線圈間互感M 在偏移時基本保持不變。

      圖5 仿真互感Fig.5 Simulated mutual inductance

      RTG 在實際運行過程中存在胎壓變化和負重變化,因此仿真時需要考慮間隙變化的情況。設(shè)定發(fā)射端、接收端線圈間距為H,仿真中變化范圍為8~12 cm。不同高度下偏移時的仿真互感如圖6 所示。

      圖6 不同高度下偏移時的仿真互感Fig.6 Simulated mutual inductance at different heights when misalignment occurs

      根據(jù)圖6 的仿真數(shù)據(jù)可知,在間距為12 cm,偏移量為200 mm 時,發(fā)射端線圈與接收端線圈間互感總和最小,為46.61 μH,大于22.49 μH,滿足系統(tǒng)要求的互感范圍下限值。雖然發(fā)射端線圈與接收端線圈間互感總和最大值為64.96 μH,超過計算的互感范圍上限值56.24 μH,但可以通過降低電流的方式進行調(diào)整。因此選取此參數(shù)作為磁耦合機構(gòu)參數(shù)。

      4.2 磁耦合機構(gòu)實測參數(shù)及電氣參數(shù)計算

      不同高度下偏移時的實測互感如圖7 所示。從圖7 可以看出,實際測量中,在同一高度接收端線圈發(fā)生偏移的情況下,各點互感相差不大,折線近似于一條直線;在同一偏移距離下,各個高度的變化同樣近似于線性。以H=10 cm 且發(fā)射端和接收端的線圈正對情況下的互感M 為基準值,最大互感波動不超過22%,與預期仿真結(jié)果相近。

      圖7 不同高度下偏移時的實測互感Fig.7 Measured mutual inductance at different heights when misalignment occurs

      在發(fā)射端與接收端線圈間距為10 cm,且兩線圈正對的情況下,磁耦合機構(gòu)實際測量參數(shù)見表1。

      表1 磁耦合機構(gòu)參數(shù)測量結(jié)果Tab.1 Parameters measurement results of magnetic coupling mechanism μH

      根據(jù)上述實際測量參數(shù),可計算發(fā)射端諧振補償電感LPT、發(fā)射端并聯(lián)補償電容CPT、發(fā)射端串聯(lián)補償電容CP與接收端串聯(lián)補償電容CS1和CS2。已知發(fā)射端線圈與接收端線圈間互感總和M、交流側(cè)額定輸入電壓UPT和交流側(cè)額定輸出電壓US,則代入式(4)可計算系統(tǒng)發(fā)射端諧振補償電感LPT,即

      根據(jù)式(1)可計算出發(fā)射端并聯(lián)補償電容CPT,即

      將表1 中LP=126.63 μH,LS1=141.80 μH,LS2=163.20 μH 代入式(1),可計算出發(fā)射端串聯(lián)補償電容CP與接收端串聯(lián)補償電容CS1、CS2,即

      在此參數(shù)下,根據(jù)式(2)可計算各網(wǎng)孔電流分別為IPT=5.55 A;IP=7.56 A;IS=6.74 A。

      5 實驗驗證

      為驗證所提方法的可行性和有效性,設(shè)計并搭建了1 套1 kW 原理樣機,如圖8 所示。工程實際中,所設(shè)計WPT 系統(tǒng)需對充電機進行供電,采用電子負載模擬充電機輸入阻抗特性簡化實驗,采用電子負載(電阻負載)模擬電池負載恒壓充電。表2 列出了通過第3、4 節(jié)參數(shù)設(shè)計方法得到的系統(tǒng)參數(shù)。

      圖8 實驗原理樣機Fig.8 Experimental prototype

      表2 感應式無線充電系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parameters of IPT charging system

      圖9 為等效交流負載RL=22 Ω 時,額定工況下的逆變器輸出電壓UPT、逆變器輸出電流IPT、輸出直流電壓Uout和輸出直流電流Iout的波形,可見系統(tǒng)處于諧振狀態(tài),實驗樣機系統(tǒng)配置準確。

      圖9 RL=22 Ω 時逆變器輸出電壓和電流以及RL 兩端電壓和流過RL 電流的波形Fig.9 Experimental waveforms of UPT,IPT,Uout and Iout at RL of 22 Ω

      圖10 為發(fā)射端、接收端線圈不同高度下,在X軸方向發(fā)生偏移時的實驗結(jié)果。US變化范圍為132.40~191.23 V,滿足充電機所需工作電壓要求。在同一高度接收端線圈發(fā)生偏移的情況下,輸出電壓線性度較好;在同一偏移距離下,各個高度的變化同樣近似于線性。以H=10 cm,發(fā)射端、接收端線圈正對情況下的輸出電壓作為基準值,則最大波動不超過20%,基本實現(xiàn)恒壓輸出。

      圖10 系統(tǒng)實測輸出電壓Fig.10 Measured output voltage of system

      圖11 為系統(tǒng)實測效率,系統(tǒng)整體效率都在92.86%以上,平均效率達到了93.73%,屬于較高的水平。以H=10 cm,發(fā)射端和接收端線圈正對情況下的系統(tǒng)效率作為基準值,則最大波動不超過1%。

      圖11 系統(tǒng)實測效率Fig.11 Measured efficiency of system

      6 結(jié)語

      本文提出用WPT 供電系統(tǒng)取代RTG 原有線供電系統(tǒng)。選擇具有恒壓輸出特性且自由度更高的LCC-S 諧振電路作為系統(tǒng)拓撲,以滿足RTG 充電機恒壓輸入的需求;采用具有一定抗偏移能力的DDQ線圈機構(gòu),并在考慮RTG 高度變化的情況下進行參數(shù)設(shè)計,輸出電壓波動在20%以內(nèi),實現(xiàn)系統(tǒng)恒壓輸出。設(shè)計并搭建采用LCC-S&S 諧振拓撲結(jié)構(gòu)的無線電能傳輸系統(tǒng),在系統(tǒng)負載為22 Ω 的情況下,分別進行系統(tǒng)輸出電壓、效率及抗偏移特性的實驗驗證。實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)原理樣機在X 軸方向上具有一定抗偏移恒壓輸出能力,且在高度變化時輸出電壓仍滿足工作要求,設(shè)計方案有效可行。

      本文方案針對特定港口RTG,其參數(shù)設(shè)計具有唯一性。但通過搭建樣機實驗平臺進行實驗驗證,證明該方案有效可行,為后續(xù)實現(xiàn)大功率RTG 的WPT 改造項目提供了一定的參考。

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