基于无线电力传输的电力拖动系统研究与应用

基于无线电力传输的电力拖动系统研究与应用

1邹迪2李晓磊

1身份证号码：410223199005177132

2身份证号码：411023199110123515

摘要：电驱动系统是以电动机为原动机，驱动机械设备运行并完成生产目标和任务的控制系统。它具有调速机械特性好、调速范围广的显著优势，对我国工业领域的健康稳定发展具有重要意义。同时，随着生产环境的变化和工艺技术的提高，对电力传动系统的控制水平和稳定性提出了更高的要求。如何满足日益提高的系统性能要求是一个亟待解决的重要问题。本文就这一主题进行了研究。

关键词：无线电力传输；电力拖动；系统研究；应用

1无线电力传输

无线电力传输（WPT）是指在不与电线直接接触的情况下传输电力的过程。无线输电技术可以节省有线传输中的电缆成本和电阻损耗，具有供电方式灵活方便、适应性广、安全性高等明显优势，因此，无线输电技术也被选为未来十大最具影响力的新兴技术之一，被著名期刊《技术评论》评选。

目前无线电力传输技术主要有四种传输方式：电磁感应无线电能量传输方式，利用变压器一次和二次耦合原理传输电能；一种利用无线电波接收原理来传输电能的传输方法；采用交流谐振耦合的电能无线传输方法，利用电路中的电感和电容谐振原理传输电能；电场传输技术。本文将第二种无线电能量传输方法用于电力驱动系统。

2基于无线电力传输的电力驱动系统装置

2.1系统结构及电路图

它由两部分组成：谐振耦合发射端和谐振耦合接收端。发送端将交流电流整流为直流电流，然后通过高频逆变电路将其转换为高频交流电。该交流电力被施加到发送线圈，并且线圈中的交流电流产生交流磁场。根据磁耦合原理，该磁场通过空间发射到接收线圈中，并在接收线圈中感应出交变电场。接收端的交流电通过整流滤波电路转换为直流电，为牵引系统供电运行。

将工频交流电整流为直流电，然后通过逆变器将其转换为交流电。线圈将接收到的输出到二极管的交流电整流为直流电。低电平触发继电器用作保护元件，将电压限制在不过高的范围内；三极管电压调节器的存在是为了稳定电压，从而获得更高的电压质量。

2.2基于无线电力传输的电力传动系统传动装置

直流电源通过两个XKT系列芯片转换为交流电，磁耦合到线圈中进行无线电力传输。XKT-412负责系统中无线电能量传输功能的模拟电气处理。采用电磁能量转换原理，与接收部分配合进行能量转换；添加一些电阻器可以提供可靠的无线快速充电器；同时，它还负责智能控制各种电池的快速充电。XKT-335与XKT-412芯片协同工作，可以在更高的频率下工作。当在更高的频率范围内使用时，它可以大大减少发射线圈的体积和尺寸，并提高发射功率。

3电力拖动系统的安全保护策略

3.1 短路保护

短路故障的原因包括线路设备绝缘子由于自身老化和长期高温条件导致的绝缘故障，线路中产生的过大电流和电磁脉冲导致的线路设备损坏，故障设备未能及时更换，线路带电维护和带负荷合闸等不当操作。

针对此类故障问题，可以采用熔断器保护、零序电流保护、相电流保护、智能保护等安全保护策略来处理不同原因的短路故障。具体措施如下：一是熔断器保护。在电驱动系统的结构中，安装了额外的熔断器装置，该熔断器装置具有加热和自熔性功能。当线路电流通过器件时，会出现发热现象。电流值越高，设备温度就越高。当熔断器的工作温度超过一定标准值时，熔断器熔断以切断电流，避免了高温条件下线路设备绝缘失效和加速老化速度。二是，零序电流保护。在线路上设置零序电流互感器。在电力牵引系统运行过程中，该装置负责检测是否形成零序电流，以确定是否存在接地短路故障。在检测到故障问题后，它会自动执行切断电流和发送报警信号等保护动作。三是，相电流保护。在系统中安装电流互感器、主接触器和其他设备。在运行过程中，从电流互感器中汲取的电流流经继电器以汲取，在电路上形成常闭节点。如果电流值出现异常波动或实时电流值超过极限值，常闭节点形成的电磁力会抵消弹簧压力，主接触器被移除以吸入电流，从而提供保护作用。四是，智能防护。在系统中安装PLC可编程逻辑控制器等具有信息采集、智能决策、远程控制等功能的设备。在线路设备上安装多种传感器或探头。感应装置连续采集线路电流、电压等参数的现场监测信号，将信号发送至控制器，将目标值与额定值进行比较，并自动切断电流发送报警信号等保护措施。

3.2过热保护

在电力牵引系统的长期运行过程中，当电能转化为机械能时，会产生一部分损耗，热量不断释放到外界。因此，生产线设备的工作温度升高。随着时间的推移，每台电机都会经历不同程度的过热，这加速了线路设备在高温工作条件下的老化速度。当实际温度高于额定值时，有可能发生火灾事故和设备燃烧问题。为了应对这一问题，早期的电力驱动系统通常采用多个电机交替运行的方法。虽然可以有效控制设备的运行温度，但电机设备的实际运行时间明显缩短，实际利用率较低，系统的初始建设成本和整体使用成本急剧增加。

因此，应通过在电路中设置晶体管作为温度测量装置来采取电路过热保护措施。通常，使用高电平信号作为过热保护输出值，并且晶体管开关保持断开。当电路温度超过最大极限值时，使用低电平信号作为超温保护输出值，并将晶体管开关切换到断开状态，以启动超温保护程序并终止电路操作。电路温度恢复正常后，重新启动电路以恢复电力驱动系统的正常操作。同时，考虑到电路温度的热振荡效应，当温度反复或异常波动时，会导致晶体管开关状态频繁切换，加速电路的老化速度，容易出现其他故障问题。因此，有必要根据系统情况设置电路温度滞后。一般情况下，温度滞后可以设置为15℃。此外，还可以通过在系统中安装时间继电器，预先设置每个电机的连续工作时间来采取时间控制保护措施。电机启动后，时间继电器继续计时，计时结果达到预设值后，可以通过接通或切断电源来调节电机的分合闸状态，以控制电机的工作时间，避免长期运行中的高温问题，并提供保护。

3.3安全链

安全链，也称为电机安全系统，是一种独立于计算机操作系统的软硬件安全保护措施。它串联处理多个可能对电机和电气驱动系统造成严重损坏的故障节点，如欠压、过流保护、轴承温度保护、油压等，并将安全链设置为串联条件，形成串联电路。在电力牵引系统运行过程中，如果任何节点出现故障或发出闭合信号，安全链保护程序将被激活，关闭整个串联电路，并立即停止控制电机和其他设备，以确保电力牵引系统不会因运行故障而受到严重损坏。同时，只有在所有故障节点都得到妥善处理后，才能关闭安全链程序，恢复系统的正常运行状态。

3.4操作联锁和启动联锁保护

首先，操作联锁是使电力驱动系统中的所有或大部分设备同时处于正常运行状态的一种控制模式。当任何设备处于中间状态或因故障问题停机运行时，系统会自动向其他联锁设备发出停机命令。其次，启动联锁保护是指在一段时间内提前启动通用设备的运行，通用设备启动后发出运行信号，作为电机等特定设备的启动条件。

结束语

综上所述，为了充分发挥自动控制技术的优势，有必要加强对自动控制系统的研究，树立正确的设计思想，根据控制使用需求，制定科学合理的电力牵引自动控制系统设计方案。应综合采用短路保护、过热保护、欠压保护等安全保护策略，保持系统组件之间的高效协调与配合，确保企业生产安全。

参考文献

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[2] 电力传输线以及在线监测系统研究[J]. 刘硕.中国新通信,2021(17)

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[4] 1米之内无压力,斯坦福研发高效无线输电新系统[J]. .今日电子,2017(07)