ＣＰＳ非接觸供電系統在ＡＧＶ物流系統中的應用

　　摘要：CPS非接觸供電系統是現代電力傳輸系統發展的一項重大突破。本文介紹了AGV工作電源的現狀，CPS非接觸供電系統工作原理和優點，對CPS非接觸供電系統在AGV現代物流中的具體應用進行了闡述，并對CPS應用前景提出了預測。
　　關鍵詞：AGV；CPS；物流；應用
　　中圖分類號：F206 文獻標識碼：A
　　
　　一、 AGV工作電源現狀
　　
　　隨著我國物流業的快速發展，大型物流倉儲基地的規模越來越大，其自動化和智能化程度越來越高，采用自動導引小車AGV（Automatic Guided Vehicle）進行物流傳輸已成為當今自動化倉儲系統中物流傳輸的主要方向。自動導引小車AGV早在20世紀50年代就已經開始在工業領域使用，進入90年代，AGV已經實現了高智能化、數字化、網絡化、信息化和柔性化，其實現的主要功能是在計算機和局域網的控制下，經過磁場、激光等導向裝置引導并沿程序設定的路徑進行運輸作業，具有小車編程與停車選擇裝置、安全保護以及各種移載功能。它為現代制造業物流提供了一種高度柔性化和自動化的運輸方式。
　　傳統的AGV是以電池為動力，裝有非接觸導向裝置和獨立尋址系統的無人駕駛自動運輸車。由于采用電池供電，因此，傳統的AGV的功率和行駛距離受到極大的限制，AGV的利用率也不高。為了提高AGV的利用率，就必須對AGV的電池進行經常性的充電。為了保證AGV 在生產線上不用移出生產過程就可以完成充電，必須在安裝整個生產過程系統中，在允許 AGV暫停的地方（比如分段運輸區，轉向區，裝載停止區等）設置并安裝電池充電站，定時定點對AGV進行充電。電池充電站由基板和集電器組成，基板安裝在板上或者用支架側裝在 AGV 運行軌道的旁邊，集電器則安裝在AGV上。充電器給基板提供電流，一旦 AGV 行駛到充電位，車輛上的集電器就與充電基板相接觸，就會對 AGV 進行充電。隨著功能強大的電池的發展，能夠允許電池在幾秒鐘內進行快速充電，這一技術使得 AGV 在生產線上不用移出生產過程就可以完成充電。AGV車動力電源一般配用的是傳統的“高倍率開口鎘鎳電池”，以適應其快速充電和較大電流放電的要求。但受“鎘鎳電池”記憶效應的影響，使用、維護比較麻煩。同時由于“鎘鎳電池”中鎘的污染，不適應環保的要求。此外，充電站數量的增多，也增加了AGV運輸系統的總建設成本。
　　隨著CPS（Contactless Power System）非接觸供電技術的發展，將CPS非接觸供電技術應用于AGV物流運輸系統，將極大改善目前AGV供電系統的缺陷。這種供電系統可以在AGV不帶電池的情況下為小車提供驅動電源和控制電源，也可以在不設充電站的情況下為AGV的電池進行連續或定時充電。
　　
　　二、 CPS非接觸供電系統工作原理
　　
　　1.CPS非接觸供電系統工作原理
　　CPS非接觸供電系統是一種通過非機械接觸的方式進行電力和信號傳輸的技術。其工作原理類似于傳統變壓器電力傳輸原理，也是利用磁場耦合進行電能-磁場能-電能的轉換和電能的傳輸。CPS非接觸供電系統的變壓器結構和組成原理如圖1，與傳統的電力變壓器結構相比，CPS非接觸供電系
　　
　　統的變壓器采用一個開放式的鐵芯，變壓器初級線圈為單圈，并延伸為一個很長的回路，變壓器次級線圈則纏繞在一個開放的磁鐵上，并圍繞著變壓器初級線圈。變壓器初級線圈和次級線圈之間可以相互移動，構成一種開放式電磁耦合系統。變壓器初級線圈為電源輸入端，由電源控制柜提供電能，變壓器次級線圈為電源輸出端，為AGV提供幾百伏的驅動電壓和幾十伏的控制電壓，保證AGV的正常工作。二者流通的都是交流電流。
　　為了保證CPS非接觸供電系統傳輸性能能夠達到最優化，實現低損耗傳輸，為初級線圈提供電能的電控柜將常規的三相、400V、50Hz的交流電轉換成單相高次諧波電流，利用高次諧波電流產生的行波磁場切割次級線圈，在次級線圈感應電動勢而實現電能的傳輸。高次諧波電流的幅值和頻率要根據實際應用對象來合理選擇。
　　
　　2.CPS非接觸供電系統的優點
　　（1） 幾乎100%免維護，無需電池，可以在低成本維護的情況下發揮設備的功能；
　　（2） 適用于復雜的磁軌布局；
　　 （3） 對設備行走速度和加速度沒有限制；
　　（4） 數據通訊系統集成在初級電纜中，無需另外裝設通訊線；
　　（5） 無噪音和粉塵，對環境無污染；
　　（6） 可工作于潮濕、結冰、多塵等惡劣環境。
　　
　　三、 CPS非接觸供電系統在AGV中的應用
　　
　　1.CPS對AGV供電的系統結構
　　CPS非接觸供電系統對AGV供電原理如圖2所示。系統主要包括電源控制柜、CPS的變壓器初級線圈電纜、AGV導軌、AGV小車等環節。將CPS的變壓器初級線圈電纜安裝在AGV預先設計行走線路的導軌里面，并與電源控制柜相連。AGV導軌一般埋在地下或垂直沿墻敷設。電源控制柜由市網三相、400V、50Hz的交流電源提供輸入電壓和電流。CPS非接觸供電系統的變壓器開放式鐵芯一般由AGV地面行走導軌構成或者與次級線圈（集電器）結合在一起安裝在AGV的底部。AGV的電源由次級線圈（集電器）提供。
　　
　　
　　2. CPS對AGV供電的工作原理
　　CPS非接觸供電系統首先是由專門的電控柜為CPS非接觸供電系統的變壓器初級線圈提供單相高次諧波電流，以保證CPS非接觸供電系統電能傳輸性能能夠達到最優化，從而實現低損耗電能傳輸。變壓器初級線圈流過的高次諧波電流將產生的行波磁場，通過磁軌的導磁作用，行波磁場對CPS的變壓器次級線圈進行切割，于是在次級線圈中就感應電動勢（電壓），感應電壓再經過AGV中的整流和調壓電路的整流調壓后，變為直流電源，為AGV提供幾百伏的直流驅動電壓和幾十伏的直流控制電壓，從而有效地保證了AGV正常工作所需的電源。
　　為了給CPS非接觸供電系統的初級線圈電纜提供單相高次諧波電流，電控柜必需對市網三相、400V、50Hz的交流輸入電壓進行過濾、整流、變級、變壓以及開關補償等環節后才能提供。一個電控柜中基本集成了這五個環節的電路。AGV集電器一般采用平板型集電器或緊湊型集電器作為初始電源，經調壓電路調壓后提供幾百伏的直流驅動電壓和幾十伏的直流控制電壓。此外，為了保證AGV行駛的方向性和通訊，在AGV上還必須安裝磁軌導向傳感器和通訊接收器。磁軌導向傳感器用于檢測初級電纜的電磁區域，通訊接收器將通訊指令送給AGV控制系統，保證AGV正常、準確、有序地工作。以德國VAHLE公司生產的AGV為例，CPS非接觸供電系統的變壓器初級線圈電纜中流動的是70A、20KHz的高頻諧波電流，集電器經整流調壓后提供24-48-560V范圍的三種等級輸出電壓。為了保證AGV行駛方向的正確性，在AGV的底部還安裝了一個磁軌導向傳感器，用于檢測初級電纜的電磁區域，在彎道和軌跡轉換處同樣適用，從而對車輛行駛能夠進行有效地控制。
　　
　　四、 結束語
　　
　　CPS非接觸供電系統是現代電力傳輸系統發展的一項重大突破。隨著CPS非接觸供電技術的日益發展和完善，CPS已廣泛應用于AGV、起重機和EMS單軌輸送物流系統中，也可用于空中單軌輸送系統。目前，CPS非接觸供電系統在國外已經得到了實際應用，并取得了較好的效果。隨著我國科學技術的不斷發展和經濟的快速提升，相信在不久的將來，CPS將會在我國自動化各個領域得到廣泛的應用。
　　作者單位：張興旺，南昌工程學院教務處；劉志明，南昌工程學院電氣與電子工程系。
　　
　　參考文獻：
　　[1]王慧，朱力，楊文華.聚焦AGV[J].MM現代制造，2007，1：32-34.
　　[2]法勒移動供電貿易（上海）有限公司.非接觸供電系統在物流系統的應用[J].物流技術與應用.2007，4：100-101.