磁耦合谐振无线电源的应用在轧机扭矩在线遥测系统

文摘

主传动系统的转矩是最重要的一个轧机的力和能量参数,和应变式扭矩在线遥测系统是一个实用的方法测量扭矩参数。转轴上的应变仪与发射机是由高频感应电力系统。他们的安装、调试和维护繁琐,极低的电力传输效率(PTE)在线遥测系统已成为一个具有挑战性的问题。摘要磁耦合谐振无线供电方法是用来取代高频感应电源。通过理论和实验研究,结果表明,磁耦合谐振无线供电方法可以实现远距离供电,克服高频感应供电系统的许多缺点。在实验室里,获得83.7%的最大PTE的传输距离50毫米。环境因素的影响下常见的传动轴的轧机,PTE减少34%,但系统的正常操作可以通过调整补偿电容。该系统提供了一个保证长期稳定电源的测量轴轧机扭矩在线遥测系统。

1。介绍

轧机的主传动转矩是最重要的力量之一,在轧制过程中能量参数。它不仅反映了主传动系统的负载,但也反映出转矩的动态特性。因此,转矩信号的在线实时监测可以帮助优化轧制规程,轧机的效率最大化,准确地确定故障,避免生产事故,使轧机安全、高效、可靠。

目前,国内在线轧机扭矩遥测系统主要依赖从美国进口的。系统由无线传输的扭矩信号和高频感应电源。进口价格高,繁琐的安装和售后服务差产生巨大影响的应用系统。国内无线信号传输技术是成熟的,但高频感应电源技术的现场应用稳定性很差。

经过多年的研究,北京科技大学取得了很大的进步在国内轧机扭矩的在线远程测量系统1]。提出了磁耦合谐振无线供电系统取代了高频感应供电系统(2)(图1)。它不需要严格的调整安装之间的静态电源环和旋转环(一般需要3 - 7毫米),使远程安装错位,缓解拆卸的内圈现场(没有首先拆卸外环),和解决许多问题与现场安装、调试、安装、维护等缺点。

近年来,磁耦合谐振无线电力传输技术已成为一个具有挑战性的全球研究热点。系统设计、拓扑结构、模型建立和仿真的磁耦合谐振无线电力传输(MCRWPT)技术有深入研究,并取得了很大的进步。2007年,美国麻省理工学院研究小组率先提出MCRWPT技术并成功地点燃60 W灯泡PTE 40%在一个2米的距离3]。西雅图2008年,英特尔实验室研究小组达到60 W输电在1 m PTE (70%4]。2009年,日本东京大学建立了功能之间的关系谐振频率和谐振线圈的相对位置,做了一个实验研究5]。2011年,斯坦福大学科研团队在理论上分析了10千瓦电力传输(1.98米以内6]。在2013年,佛罗里达国际大学发现,PTE的磁共振耦合在不同的媒体可以优化(7]。2018年,延世大学提出一个不对称的线圈可以提高效率和自由度的位置。在传输距离的50毫米和300毫米,他们意识到传输效率分别为96%和39%,(8]。韩国先进科学技术研究所设计了一个衣架式铁氧体无线电力传输系统和操作系统在一个实验的传播205 W功率和总效率为71%9]。

感应耦合原理的区别和磁耦合系统研究和分析在华南理工大学,他们的工作为进一步优化提供了理论依据两个系统模型(10]。河北科技大学的研究表明,阻抗匹配PTE和输出功率有很大的影响,他们的工作提出了一个优化方法对PTE和输出功率(11]。通过建立一个衣架式等效电路模型、天津科技大学获得了动态传输系统的传输曲线和约束函数,发现最大化PTE的功能关系12]。从串并联等效电路模型的分析,东南大学认为,输出功率和PTE频率密切相关,和最佳的操作频率是通过仿真和实验分析13]。通过研究双中继无线电力传输系统在东南大学,得出的结论是,输出功率和PTE最高当最优价值存在于接收线圈(14]。通过几个参数电路模型的传输系统,最大负载功率的条件下得到了不同耦合条件下(15]。重庆大学使用等效电路理论模型和分析一个系统,提供了计算方法的最优频率PTE和传动功率的最佳频率,提出最佳的共振频率和效率的同步的概念因素,和获得之间的同步条件PTE和最大功率16]。参数动态调整方法基于混沌优化算法提出了湖南大学改善线圈noncoaxial系统的效率,这对于无线电力传输系统的分析很有意义(17]。河北大学的研究发现,一个共振结构的源线圈可以减少负载电压变化引起的磁场分布利用之间的耦合负载(18]。

MCRWPT技术转移效率和研究研究机构的权力转移理论是充足的。然而,有一个缺乏经验的开发和应用工程实践和设备。在这一领域研究和解决问题是一个挑战。在这里介绍的工作,MCRWPT技术研究了轧机的扭矩遥测系统来评估一个工程应用和获得实践经验。

2。理论研究

2.1。系统组成

MCRWPT技术使用空间电磁场作为媒介,使用两个或两个以上的电磁系统具有相同谐振频率和高质量的因素,并实现通过磁耦合谐振无线电力传输的方法。高频感应电源是基于电磁感应的原理,使用高频电源与空气产生磁场磁介质进行内部和外部回路线圈感应电源。安装内部和外部回路线圈之间的距离必须在几毫米供应正常的感应能力。MCRWPT技术,利用磁耦合共振技术,可以实现高效的电力传输与一个更大的错位的内环和外环的范围,它可以方便的安装轧机扭矩在线遥测系统。

MCRWPT系统由四部分组成:电源模块、电磁传输模块、电磁接收模块,和一个加载模块,如图2。电源模块是由整流器和高频逆变器,它提供了合适的谐振频率电压电磁发射模块的输入。电磁发射模块将高频输入电压转换成高频磁场和强磁耦合发生在空间电磁场和电磁接收模块。电磁接收模块将磁能转换成电能,输出负载通过恒压整流模块。电磁发射和接收模块供电系统的关键部分。发射和接收模块的功能在谐振状态保证了电力传动。因此,发射和接收模块是由高质量的因素谐振线圈具有相同的结构和参数和谐振补偿电容。扭矩遥测系统,传感器和应变计测量轴作为加载模块消耗能量。以确保最佳的系统PTE,负载端阻抗和内部阻力在电源端总是匹配。

圆柱螺旋线圈平面螺旋线圈,如图3,主要是使用[19]。磁场强度的螺旋线圈的边缘大于中心。平面盘线圈的磁感应强度降低从内到外,和磁感应强度在线圈的中心是最大的。两个线圈结构有自己的特点,可以选择根据应用程序需求。

2.2。理论分析

优化电力传输效率,通常需要补偿电容的谐振线圈达到谐振状态。补偿电路分为四种形式:系列(SS)、串并联(SP),并行并行(PP),并串联(PS),如图4。为了实现系统的共振状态,虚部的总电阻电容补偿后的系统是零。补偿电容的SP, PP, PS结构负载电阻有关,只有补偿电容的党卫军的接收和传输终端结构独立于负载。因为在线扭矩遥测系统的负载电阻变化在其操作,选择一个党卫军结构的电容补偿电路。

目前,MCRWPT研究方法主要有两种:耦合模式理论和等效电路理论。每个研究方法都有自己的好处。耦合模式理论是一种数学方法,描述了一个复杂耦合系统作为一个独立的单一系统的能量传输过程从能源的角度来看,简化和明确的分析和计算。等效电路理论建立了等效电路模型基于电路的基本原理和等效计算方法,直观和容易理解。根据特定参数的电路,分析了电路中电压和电流的变化来计算PTE和电力系统的电能。摘要等效电路理论用于研究电力传输的过程。其等效电路模型如图5。

在图5,U_年代代表高频电源激励,R_年代代表了电源的内阻,R₁代表了发射机的等效电阻,C₁代表了发射机的补偿电容,l₁代表了发射线圈,l₂代表接收线圈,R₂代表了接收机的等效电阻,C₂代表了接收机的补偿电容,R_l代表负载电阻,米代表了发射线圈和接收线圈之间的互感,我₁代表洋流的发射机,我₂代表了洋流的接收器。

根据基尔霍夫定律,电路如图的方程5(列出1)和(2):

同时解决方案(1)和(2)给发射和接收线圈的电流,分别为:

当系统处于共振状态,发送和接收线圈的结构和参数是相同的,和传送和接收的阻抗匹配结束。因此,如果C₁=C₂=C,== , ,和R₁+R_年代=R₂+R_l=R系统,系统PTE的最大化。因此,公式(3)和(4)可以简化如下:

由此,可以得出结论,系统的输出和输入功率,分别

从公式(6)和(7),系统PTE的可以计算如下:

从公式可以看出(8)PTE的供电系统与系统的共振频率,互感值米线圈之间,系统的电阻值。的阻力值系统包括发射和接收线圈的等效电阻值,电源的内阻,负载电阻的值。PTE的系统可以通过替换角频率 到公式(8):

从上面的分析,可以看出,改变谐振频率f,互感米和阻力R可以提高系统的供电系统PTE。

系统的等效电阻取决于线圈的品质因数中使用的系统,这被定义为

的公式,是角工作频率,l线圈的电感,R是线圈的总阻力损失。它由直流电阻和高频电阻的介质损耗。系统的共振频率与系统硬件的参数和电源频率。线圈的互感系数取决于材料,半径,结果,两个线圈之间的距离。

线圈互感的计算方法米给出了在20.)和公式(11)。

的公式, 真空磁导率;n₁,n₂和r₁,r₂转和发射线圈和接收线圈的半径分别为;和D是发射线圈和接收线圈之间的距离。当确定测量轴的直径,谐振线圈的半径是固定的,和互感值主要取决于线圈的匝数和线圈之间的距离。参数的测量轴轧机的例子如表所示1。

线圈的固有电阻是21]

的公式,= 5.7107年代·米⁻¹线圈铜线的导电性,l线圈的长度,一个线圈的直径。

原点数据分析软件的评估表明,系统PTE的变化作为系统的共振频率变化从1到10 MHz,线圈间距从50到600毫米不等,线圈直径是设置为200,400,700,900毫米。分析用例图所示6。

图6(一)显示,当线圈直径200毫米,发射和接收线圈之间的距离是100毫米以上,系统PTE的接近于零。当发射和接收线圈之间的距离小于100毫米,系统PTE的显著地变化,与一个较小的线圈之间的距离对应于一个更高的系统PTE。增加系统的共振频率提高PTE,提供显著的好处。图6 (d)显示,当线圈直径900毫米,系统PTE的显著地变化改变谐振频率和线圈间距。当频率增加,线圈间距减少,系统PTE的不断增加,当线圈间距小于200毫米,系统PTE的超过50%。通过比较,可以看出,当线圈直径大,线圈间距的变化对PTE和频率有更大的影响,可以保持和更高PTE。当线圈直径小,整个系统PTE的很低,只有通过减少线圈间距PTE的系统可以显著提高。

理论研究的结果表明,PTE的供电系统随谐振频率、线圈间距,线圈直径。当应用于轧机,取决于轴安装在遥测系统的直径和现场环境,供电系统可以实现更高的PTE通过选择合适的电源频率,匹配电容,线圈间距对于一个给定的线圈直径。

3所示。实验结果和分析

3.1。实验设计与分析

根据理论研究结果,线圈直径700毫米和400毫米的实验研究,如图7。

电源频率是5 MHz,线圈直径是700毫米和400毫米,分别。当线圈直径700毫米,线圈间距是50毫米,初级线圈电源电压的波形和次级线圈感应电压得到如图8。

PTE和线圈间距之间的关系是通过改变线圈间距。PTE的比较系统的实验和理论计算效率图所示9。

从图9可以看出,PTE随线圈间距时,共振频率是固定的。线圈直径400毫米,系统PTE的迅速变化,和一个高效的电力传输时只能维持线圈间距小于100毫米。当线圈直径700毫米,整个系统PTE是大大提高了。系统仍然可以超过50%的PTE线圈间距达250毫米。实验PTE的趋势在很大程度上是与理论研究的结果一致。

发达轧机扭矩遥测系统基于磁耦合谐振无线电源已经安装和应用主驱动电机的输出轴上的几个连续轧钢厂,如图10 ()。原始感应供电模式的限制,传输距离不能超过约7毫米,实现稳定的电力传输。磁耦合的无线供电删除限制和可以稳定在一个大的有效供电距离(通常约200毫米),这显著的降低了系统安装和维护。

在设备的制造和调试过程中,感应线圈中心的主要和次要的遥测系统通过轴,而轧机的驱动轴穿过线圈中心在现场安装。轧机的驱动轴的存在变化的电感线圈和线圈之间的互感,这使得系统无法工作在谐振状态和结果在减少PTE和权力。

400毫米直径的实测结果驱动轴图所示10,400毫米轴的测试数据结果如表所示2。

表2表明,一次侧电感改变率是12.9%,二次侧电感变化率是12.8%,PTE是下降了34%。电感的变化的影响下一个传动轴可以改变系统的谐振状态。通过调整原边电容的谐振电路,系统可以保持高PTE,从而确保遥测设备能够保持正常的工作状态。

系统已经稳定运行一年多来在几个连续轧钢厂如图(11日)。收集到的扭矩信号的实时波形如图11 (b)。

4所示。结论

在这篇文章中,一个旋转环的电源在线扭矩遥测系统进行了研究。发达的磁耦合谐振无线供电系统取代了高频感应电源系统。互感系数之间的关系,线圈间距,PTE是通过数学推导获得的。源数据分析软件被用来模拟系统PTE的变化趋势不同的线圈直径和传输距离。通过设计一个实验平台,测试功率传输效率当线圈直径700毫米和400毫米50 mm球场时,结果表明,仿真结果与实验结果基本上是一致的。在现场应用中,无线电力传输系统PTE的影响降低了34%由于轧机的传动轴。调整的主要补偿电容可以允许系统来满足正常的电力需求,确保正常运行。传动轴的影响在电力传输效率的遥测系统是下一个重要的研究方向。

数据可用性

数据集支持本文的结论包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是财务支持的十二五国家科技支撑计划,精密带钢产品质量优化和关键设备研发(批准号2015 baf30b00),中央大学和基础研究基金(批准号频-在- 19 - 001)。

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