Бесконтактная передача электричества по шинопроводу
Управляемая бесконтактная передача электрической энергии на значительные расстояния давно волнует умы ученых и инженеров.
В настоящее время бесконтактные системы передачи электроэнергии разработаны на основе использования:
- Электромагнитной индукции.
- Ультразвука.
- Электростатической индукции.
- Микроволнового излучения.
- Лазерного излучения.
- Электропроводности земного шара и ионизированных слоёв атмосферы.
Все перечисленные системы передачи были опробованы и реализованы в экспериментальных образцах. У каждой из них имеются существенные ограничения, связанные с физическими процессами, лежащими в основе беспроводной передачи энергии.
Базовыми ограничениями явились:
- Малые расстояния между приёмной и передающей антенной; с увеличением расстояние КПД падает экспоненциально.
- Опасность энергетических лучей для человека, животных, окружающей среды.
- Низкое КПД.
- Необходимость «прямой видимости» между антеннами передатчика и приёмника.
- «Проклятие» антенны большого диаметра.
- Непосильные затраты на сооружение башен для достижения ионизированных слоев атмосферы.
Тем не менее, развитие промышленного производства требовало создание подвижных платформ, подъемников, кранов, робототехнических транспортных систем с электропитанием без проводов.
Троллейные шинопроводы позволили решить многие задачи, но при этом питание осуществлялось по схеме — шинопровод — контактная тележка (токосъёмник) — кабель от контактной тележки до электропотребителя мобильного промышленного устройства.
Троллейные шинопроводы подвержены загрязнениям, трущиеся элементы (щетки тележки и шины, соприкасающиеся с ними), изнашиваются.
Необходимость принятия мер для обеспечения электробезопасности персонала от поражения электрическим током заставляет размещать троллейные шинопроводы на относительно большой высоте или в других недоступных местах. Соответственно, грузы часто приходится также перемещать на высоте. Это создает опасность для персонала получить физические травмы от упавших сверху грузов.
На контактных троллейных шинах сложно создать схему путей с гибкой геометрией, которую можно перестраивать при изменении производственных маршрутов, используемых при изготовлении деталей и узлов, переносе мест их хранения.
Контактные троллейные шины также опасны в атмосферах, содержащих горючие газы и взрывоопасные соединения: трудно полностью исключить образование искр между поверхностью шин и движущимся токосъёмником.
Дополнительной проблемой является скорость движения (и ускорение) токосъемника. При увеличении скорости движения, росте ускорений при разгоне или торможении тележки, требования к механической прочности неподвижных и подвижных элементов троллейного шинопровода (а, значит, и их вес) быстро растут, а время до ремонта (замены) падает.
В ответ на потребности в бесконтактной системе передачи электроэнергии корпорация Vahle GmbH & Co (далее Корпорация) создала линейку продуктов CPS® — Contactless Power Systems, бесконтактная система питания, БСП.
В действительности это не только бесконтактная система передачи электроэнергии, но бесконтактная система передачи данных о координатах, скорости, ускорении, состоянии мобильного устройства. Если её интегрировать с модулями программного обеспечения автоматизации промышленного предприятия, например, MES — системой, и (или) системой управления робототехническими средствами, получится «замкнутое» решение, включённое в среду автоматизации предприятия.
В данной статье мы рассмотрим решения по бесконтактному питанию, и решения по передаче данных в рамках CPS.
БСП не следует путать, например, с линейными двигателями, устанавливаемыми на монорельсовом транспорте. Задача БСП — доставить энергию на «борт» мобильного устройства. Там эта энергия будет использована по желанию разработчиков мобильного устройства — для зарядки аккумуляторов, снабжения энергией микропроцессоров, приведение в движение колес или сервоприводов и т.п.
Для реализации БСП был выбран наиболее изученный и проверенный механизм передачи электроэнергии — электромагнитная индукция.
Для справки: Андре Мари Ампер в 1820 году открыл закон (сейчас он носит его имя), что электрический ток приводит к возникновению электрического поля, в 1831 году Майкл Фарадей сформулировал закон индукции, важнейший закон электромагнетизма.
Электрический трансформатор является самым первым устройством для беспроводной передачи энергии, рисунок 1, А). Первичная и вторичная обмотки трансформатора не связаны напрямую, но для эффективной передачи индуцированного магнитного поля используется замкнутый магнитопровод.
Рисунок 1. Беспроводная передачи электроэнергии в трансформаторах с замкнутым магнитопроводом, А), и незамкнутым магнитопроводом Б), приёмные катушки (секции захвата) Vahle GmbH & Co U — образной формы, В), E — образной формы, Г), плоской формы, Д).
Передача энергии осуществляется посредством процесса, известного как взаимная индукция. Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения.
Но если отказаться от замкнутого магнитопровода, то электродинамическое индукционное взаимодействие двух обмоток сохранится. При этом КПД передачи энергии от первичной обмотки ко вторичной будет ниже.
Тем не менее, бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических зубных щёток, являющиеся примерами использования принципа электродинамической индукции, используются уже несколько десятков лет. Эта техника, в частности, включена в состав стандарта беспроводной зарядки Qi. Корпорация Vahle сумела разработать решения для использования трансформаторов с открытым магнитопроводом для использования бесконтактной передачи данных в промышленных целях.
Основным недостатком метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его действия. Приёмник должен находиться в непосредственной близости к передатчику для того, чтобы эффективно с ним взаимодействовать.
Использование резонансной индукции увеличивает расстояние, на котором два контура — передающий и принимающий, могут взаимодействовать с приемлемой энергетической эффективностью. При резонансной индукции передатчик и приёмник должны быть настроены на одну частоту.
КПД можно поднять за счет изменения формы волны входного переменного тока, т.е. использовать несинусоидальные волны.
Большое значение имеет форма приёмной и передающей катушек.
Корпорация Vahle в качестве передающей катушки использует кабель (шину) с множеством изолированных проводников и приемник (секцию захвата, pick — up) с незамкнутым магнитопроводом, рисунок 1, Б).
Шина укладывается вдоль пути мобильного потребителя энергии.
Приёмные катушки могут иметь U — образную форму, рисунок 1, В), E — образную форму, рисунок 1, Г), плоскую форму, рисунок, 1, Д).
Приёмные катушки в составе захвата устанавливаются на мобильном потребителе.
Основной недостаток бесконтактной передачи электроэнергии за чёт электромагнитной индукции — резкое падение КПД при увеличении воздушного зазора в магнитопроводе, на котором размещены первичная и вторичная обмотки. За счет выравнивания поверхности пола и стен в производственном помещении или поверхности производственного двора можно обеспечить небольшой воздушный зазор.
Корпорация по понятным причинам не раскрывает детального устройство своей системы бесконтактной передачи электроэнергии, но общие принципы её работы понятны из предыдущих описаний. Корпорация утверждает, что КПД её БСП достигает 70%. Ниже мы рассмотрим параметры, характеризующие основные возможности CPS Vahle.
Как работает передача электроэнергии в CPS® — БСП
Основные конструктивные элементы CPS показаны на рисунке 2.
Рисунок 2. CPS® - БСП для бесконтактных подвесных дорог.
Для подвесных бесконтактных подвесных дорог параллельно с несущими рельсами мобильной кабины (платформы) устанавливается изолированная линия (шина) — первичная «растянутая катушка».
На мобильной платформе устанавливается секция захвата U — образной или E — образной формы.
На линию подается переменное напряжение частотой 20 кГц. Это напряжение получается за счёт использования частотного преобразователя, входящего в состав первичного инвертора, на вход которому подается трёхфазное напряжение 400 В частотой 50 Гц, см. рисунок 2.
Фрагмент индуктивной подвесной дороги показан на рисунке 3.
Рисунок 3. Фрагмент бесконтактной (индуктивной подвесной дороги).
Инвертор
Стойка инвертора показана на рисунке 4.
В стойке инвертора устанавливаются:
- Компенсатор. Обеспечивает согласование нагрузки (линейную компенсацию) от мобильных потребителей с мощностью, выдаваемой инвертором.
- Развязывающий трансформатор.
- Инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный с частотой 20 кГц.
- Выпрямитель, преобразующий в постоянный ток трехфазный переменный ток 50 Гц, 500 В.
- Сетевой фильтр, защищающий установленные за ним устройства от бросков напряжения и «вредных» гармоник, которые могут присутствовать во входном питании.
Рисунок 4. Первичный инвертор VAHLE 45 кВА
Существуют два исполнения инверторов:
- CPS-P1 — 10, выходная мощность Pn — 10 кВА.
- CPS-P1 — 45, выходная мощность Pn — 45 кВА.
В стойке в зависимости от потребностей заказчика, устанавливаются все остальные стационарные компоненты, например, сетевой фильтр, трансформатор развязки, компенсационные блоки, а также, если необходимо, устройства отключения и подключения линейных секций первичной линии.
При температуре воздуха окружающей среды до 35 оС стойка с оборудованием, входящим в состав первичного инвертора, охлаждается встроенными вентиляторами. В тяжелых условиях эксплуатации может понадобиться замкнутый бокс — кондиционер, который либо обеспечивает заданные температурные границы, обеспечивающие работу инвертора, или, дополнительно к этому, изолирует оборудование инвертора от вредных химических соединений, присутствующих в окружающей среде.
Выбранные напряжения первичной линии, частота 20 кГц и формы захватов обеспечивают минимизацию потерь электроэнергии при её бесконтактной передаче.
Оборудование имеет все необходимые сертификаты различных электротехнических союзов, подтверждающие её электробезопасность и отсутствие вредного воздействия на человека и окружающую среду.
Применение напольных транспортеров
Если U — образные и E — захваты применяются для бесконтактных подвесных дорог, то для роботизированных тележек — транспортеров, роботизированных транспортных систем (РТС), предпочтительнее использовать плоские захваты.
В этом случае первичная линия CPS размещается ниже поверхности пола и не препятствует перемещению другой техники и персонала. Кроме того, её трудно повредить, она не подвержена износу, вредным воздействиям и пр., что резко повышает срок её службы по сравнению с контактными троллейными шинопроводами.
На рисунке 5 показан плоский захват и сенсор отслеживания маршрута, расположенные под РТС, выполненные на одной установочной панели.
Рисунок 5. Плоский захват и сенсор отслеживания маршрута, расположенные под РТС.
Условия прокладки первичной линии CPS показаны на рисунке 6.
Рисунок 6. Условия прокладки первичной линии CPS под поверхностью пола для РТС с плоским захватом.
CPS Vahle позволяет создать для РТС транспортные магистрали, содержащие стрелки, участки подъёма и спуска, переезды через секторы, температурные компенсационные зазоры в полу и т.п. Отдельные участки пути могут отключаться, например, для проведения технического обслуживания. Пример трассы для роботизированных транспортных средств показан на рисунке 7.
Рисунок 7. Пример трассы для роботизированных транспортных средств.
РТС, оборудованные бесконтактной системой электропитания, используются на сотнях предприятий во всём мире. Первичная линия укладывается по трассе в бетонный пол, так что другие транспортные средства, например, автопогрузчики могут свободно пересекать её. Можно организовать питание стрелок и отключение отдельных участков. Несколько РТС могут передвигаться по одному отрезку, при этом система обеспечит их бесперебойное электропитание необходимой мощности.
Для электропитания двигателей постоянного тока с преобразователем частоты переменный ток, снятый с захвата, преобразуется в постоянный. Также вырабатывается низковольтное постоянное напряжение для питания сенсоров, используемых для управления движением и для блоков передачи и приёма данных, установленных на РТС. Если на РТС установлены аккумуляторные батареи, то они могут подзаряжаться как во время движения, так и на стоянках.
Отсутствие контакта с токопроводом позволяет развивать тележкам скорость до 12 м/сек и не ограничивает их ускорение.
Системы захвата
Секция захвата обеспечивает индуктивный съем напряжения с первичной линии. Полный перечень выпускаемых корпорацией секций захвата можно найти в соответствующих каталогах. Здесь мы приведём описания нескольких характерных моделей.
Плоские захваты для напольных транспортеров
CPS -PS 08
В зависимости от области применения могут быть выбраны соответствующие виды захватов.
На рисунке 8 показан захват CPS -PS 08.
Рисунок 8. Плоский захват CPS -PS 08.
Захват устойчив к коротким замыканиям и перегрузкам.
Размеры — 210×310×98 мм.
Выходная мощность — 500 Вт.
Выходное напряжение — 24 В постоянного тока или 24 — 27 В постоянного тока для заряда аккумуляторной батареи.
CPS -PS 18
На рисунке 9 показан захват CPS -PS 18.
Рисунок 9. Плоский захват CPS -PS 18.
Система захвата плоской конструкции. Электронная аппаратура регулирования встроена. Может использоваться, например, для установки на РТС.
Размеры — 360×757×80 мм.
Выходная мощность 2000 Вт.
Выходное напряжение 560 В постоянного тока + 24 В постоянного тока.
Для обслуживания больших мощностей можно устанавливать на одну тележку до трех таких систем захвата.
CPS -PS 19 kompakt
На рисунке 10 показан захват CPS -PS 19 kompakt.
Рисунок 10. Захват CPS -PS 19 kompakt.
Мощный компактный захват.
Удобен в применении в ограниченном пространстве.
Размеры — 360×455×185 мм.
Выходная мощность — 3000 Вт.
Выходное напряжение — 560 В постоянного тока + 24 В постоянного тока.
Для обслуживания больших мощностей можно устанавливать на одну тележку до трех таких систем захвата.
U-образные системы захвата для подвесных дорог и других специальных применений
Захваты U — образной формы охватывают первичную линию. Это позволяет повысить КПД устройства и снизить мощность электромагнитных помех.
CPS — PU 11
На рисунке 11 показан захват CPS — PU 11.
Рисунок 11. Захват CPS — PU 11.
Захват предназначен для работы с электронной аппаратурой внешних производителей.
Несколько захватов могут быть соединены в группу для получения большей мощности.
Размеры — 96×150×73 мм.
Выходная мощность — 900 Вт.
Выходное напряжение — 80 В переменного тока, не регулируется.
CPS — PU 15
На рисунке 12 показан захват CPS — PU 15.
Захват поставляется со встроенной электронной аппаратурой регулирования.
Рисунок 12. Захват CPS — PU 15.
Несколько захватов могут быть соединены в группу для получения большей мощности.
Размеры — 210×110×13 мм.
Выходная мощность — 900 Вт.
Выходное напряжение — 560 — 680 постоянного тока + 24 В постоянного тока.
E-образные захваты для высоких нагрузок
Е — образные захваты сконструированы для приёма высоких мощностей с напольных первичных линий. Применяются в транспортных системах обслуживания складов и мощных крановых установках.
Захват Pick — Up CPS -PU 22
На рисунке 13 показан захват Pick — Up CPS -PU 22 и электронный блок для управления им.
Рисунок 13. Захват Pick — Up CPS -PU 22 и электронная аппаратура управления захватом.
Захват применяется со специальной электронной аппаратурой регулирования, рисунок 13. Она подает электропитание на мобильные электроприемники, обслуживает вентиляторы, обеспечивает питание низковольтных устройств и сенсоров. К ней можно подключить до двух захватов.
Размеры захвата — 420×250×322 мм.
Выходная мощность 22 — 40 кВт.
Выходное напряжение — 560 — 680 В постоянного тока + 24 В постоянного тока или 288 В постоянного тока + 24 В постоянного тока.
На рисунке 14 показан пример «чистого» помещения с установленным подъёмником, для энергоснабжения которого используется решение корпорации VAHLE.
Рисунок 14. Пример «чистого» помещения с установленным подъёмником, для энергоснабжения которого используется решение корпорации VAHLE.
Полностью со статьёй можно ознакомиться на сайте Shinoprovod.ru