非接觸電能傳輸系統(tǒng)中松耦合變壓器傳輸特性

鄒敢，李濤,2，王慶平

（1.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650051）

非接觸電能傳輸系統(tǒng)中松耦合變壓器傳輸特性

鄒敢1，李濤1,2，王慶平1

（1.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650051）

非接觸式電能傳輸作為一種新的電能傳輸技術(shù)，具有很好的應(yīng)用前景，介紹了非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的組成和基本原理。松耦合變壓器是非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，建立了松耦合變壓器的模型，分析了線圈電阻、耦合系數(shù)等參數(shù)對(duì)松耦合變壓器傳輸特性的影響。

非接觸電能傳輸；松耦合變壓器；傳輸特性

自從電磁感應(yīng)現(xiàn)象以及導(dǎo)線可以傳輸電能被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)以來(lái)，人類對(duì)電能進(jìn)行了有效的利用。但一直以來(lái)電能的傳輸主要是由導(dǎo)線直接接觸進(jìn)行輸送的，對(duì)一些移動(dòng)電氣設(shè)備供電時(shí)一般采用相對(duì)滑動(dòng)接觸的方式傳遞能量，如電力機(jī)車、城市有軌機(jī)車等移動(dòng)設(shè)備的供電。實(shí)踐表明，這種供電方式存在接觸火花、滑動(dòng)磨損、碳積、不安全裸露導(dǎo)體等問(wèn)題。非接觸電能傳輸，顧名思義，是通過(guò)非接觸的方式實(shí)現(xiàn)電源和用電設(shè)備之間的電能傳輸。它的基本原理是通過(guò)電磁感應(yīng)耦合，在電源與負(fù)載之間有較大氣隙的情況下，實(shí)現(xiàn)電能從電源到負(fù)載的傳輸。非接觸電能傳輸無(wú)需導(dǎo)線，具有安全、可靠、清潔、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

由于非接觸電能傳輸相比傳統(tǒng)供電方式有獨(dú)特的優(yōu)越性，所以很早就引起了研究者的興趣。20世紀(jì)60年代，人們開(kāi)始研究非接觸電能傳輸在內(nèi)植式醫(yī)療電子裝置中的應(yīng)用[1]，隨后研究人員對(duì)非接觸電能傳輸在電動(dòng)車非接觸供電[2]，移動(dòng)電話無(wú)線充電[3-4]，礦山機(jī)械非接觸供電[5]等方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。新西蘭奧克蘭大學(xué)電子與計(jì)算工程系的Boys教授是非接觸電能傳輸領(lǐng)域的著名學(xué)者，以其為首的課題組從20世紀(jì)80年代起就對(duì)無(wú)接觸電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，取得了一系列的研究成果[6-8]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的科研院所如重慶大學(xué)、浙江大學(xué)、中科院電工所等開(kāi)展了相關(guān)的研究工作，在系統(tǒng)穩(wěn)定性、補(bǔ)償方法等方面對(duì)非接觸電能傳輸技術(shù)進(jìn)行了有益的研究與探索[9-11]。本文主要對(duì)作為非接觸電能傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分的松耦合變壓器的傳輸特性進(jìn)行研究和分析。

1 非接觸電能傳輸系統(tǒng)

典型的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的組成如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由電源、一次側(cè)和二次側(cè)整流濾波、一次側(cè)和二次側(cè)諧振補(bǔ)償、一次側(cè)逆變電路、松耦合變壓器和負(fù)載等單元構(gòu)成。系統(tǒng)的基本工作過(guò)程如下：工頻交流電源在經(jīng)過(guò)一次側(cè)的整流濾波和高頻逆變兩次變換以后產(chǎn)生高頻交變電流供給一次線圈，一次線圈產(chǎn)生的交變磁通與二次線圈交鏈，從而在二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，二次側(cè)的電壓在經(jīng)過(guò)整流濾波以后提供給負(fù)載，也可以根據(jù)負(fù)載需要做相應(yīng)的變換。為了提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，一般在兩側(cè)都加入諧振補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

松耦合變壓器實(shí)現(xiàn)電能的非接觸傳輸，它是系統(tǒng)中的核心構(gòu)件。與常規(guī)變壓器不同，松耦合變壓器的一次線圈和二次線圈在物理上是分離的。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，松耦合變壓器可采用空心線圈或是一次側(cè)、二次側(cè)相分離的磁芯。雖然松耦合變壓器與常規(guī)變壓器有很大的不同，但它們都是基于電磁感應(yīng)原理工作的，它們的本質(zhì)區(qū)別在于一次線圈與二次線圈耦合性能的差異。常規(guī)變壓器耦合系數(shù)比較高，其性能接近理想變壓器，所以在對(duì)松耦合變壓器的傳輸特性分析之前，先對(duì)理想變壓器進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

圖1 非接觸電能傳輸系統(tǒng)原理圖

2 理想變壓器模型

變壓器是利用電磁感應(yīng)原理來(lái)改變交流的裝置，主要由一次線圈、二次線圈及鐵芯構(gòu)成。如果變壓器一次線圈和二次線圈完全耦合，鐵芯磁路磁阻及一次線圈和二次線圈的電阻可忽略不記，稱之為理想變壓器。理想電壓器模型及其磁路圖分別如圖2和圖3所示。圖中，1、2表示一次線圈、二次線圈匝數(shù)，1、2表示一次線圈、二次線圈電壓，1、2表示一次線圈、二次線圈電流，φm為一次線圈和二次線圈的磁通量，為磁路的磁阻。根據(jù)電磁感應(yīng)定律有：

由圖2，理想變壓器的磁動(dòng)勢(shì)方程為：

對(duì)于理想變壓器，磁阻為零，故：

式（2）和式（4）即為理想變壓器的模型。

圖3 理想變壓器磁路圖

3 松耦合變壓器模型

目前，松耦合變壓器分析一次、二次線圈之間耦合的建模方法，常用的是傳統(tǒng)的變壓器模型和互感模型。傳統(tǒng)的變壓器模型使用變壓和負(fù)載電流的概念來(lái)描述耦合效應(yīng)，在分析中，需要將勵(lì)磁電感和漏電感分開(kāi)來(lái)考慮。這種模型較適合于緊密耦合的變壓器，其漏感較小，通?？梢院雎圆挥?jì)。互感模型使用感應(yīng)電壓和反映電壓的概念來(lái)描述一次、二次線圈之間的耦合效應(yīng)，感應(yīng)電壓和反映電壓都是通過(guò)互感來(lái)表達(dá)。這種模型的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要將互感與漏電感分開(kāi)。所以本文中采用互感模型來(lái)對(duì)松耦合變壓器的傳輸特性進(jìn)行分析。松耦合變壓器的模型如圖4所示。圖中，一次線圈的電阻為1、電感為1，二次線圈的電阻為2、電感為2，繞組間的互感為。通過(guò)開(kāi)路實(shí)驗(yàn)可以測(cè)得一次線圈、二次線圈的自感和互感，一次繞組、二次線圈之間的耦合系數(shù)為：

圖4 松耦合變壓器的互感模型

由圖4可得松耦合變壓器的方程為：

由以上分析可得到松耦合變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)的等效電路，如圖5所示。

圖5 松耦合變壓器一次側(cè)、二次側(cè)等效電路

4 松耦合變壓器傳輸特性分析

4.1 電壓傳輸特性

由以上建立的松耦合變壓器的等效電路模型，可得：

由式（10）可得其幅頻特性的表達(dá)式為：

為了對(duì)松耦合變壓器的傳輸特性進(jìn)行分析，本文假定一次線圈和二次線圈的匝數(shù)比為1，松耦合變壓器電壓傳輸特性曲線如圖6所示。

圖6 松耦合變壓器電壓傳輸特性曲線

圖6(a)為不同的線圈電阻對(duì)電壓傳輸特性的影響，從圖可看出，當(dāng)=1，=1時(shí)，線圈電阻分別取負(fù)載電阻的1%、5%、10%，即1=2=0.01、0.05、0.10，電壓增益分別下降為不記線圈電阻時(shí)的98%、91%、83%。因此為了使得松耦合變壓器電壓增益不會(huì)有過(guò)大的衰減，應(yīng)該盡量減小線圈電阻。圖6(b)為不同的值對(duì)電壓傳輸特性的影響，由圖可知，值越大，電壓增益隨頻率增加而衰減越快。圖6(c)則說(shuō)明耦合系數(shù)越小，電壓增益越小，而且隨著頻率增加，電壓增益下降更多。

4.2 傳輸效率特性

需要指出的是，這里的效率是指負(fù)載消耗的用功功率與電源提供的有功功率之比，并非與電源的視在功率之比。松耦合變壓器可以采用鐵芯變壓器和空芯變壓器，當(dāng)松耦合變壓器不計(jì)鐵芯損耗或采用空芯變壓器結(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)傳輸效率可表示為：

圖7為松耦合變壓器傳輸效率特性曲線，從圖7(a)可以看出，線圈電阻對(duì)傳輸效率η影響比較大，當(dāng)1=2=0.01、0.05、0.10時(shí)，傳輸效率分別為0.99、0.95、0.91。從圖7(b)和圖7(c)看出，在同樣的線圈電阻情況下，不同和對(duì)傳輸效率的影響很小，曲線也幾乎重合在一起。所以從提高傳輸效率的角度來(lái)看，在設(shè)計(jì)非接觸電能傳輸系統(tǒng)時(shí)，線圈材料的選擇是非常重要的。由于非接觸電能傳輸系統(tǒng)的耦合性較差，同時(shí)系統(tǒng)工作在高頻下，必然使一次、二次回路中滯留大量的無(wú)功功率，導(dǎo)致系統(tǒng)利用率較低。要實(shí)現(xiàn)一定的負(fù)載功率輸出，需要提高供電電壓，這也就大大地降低了電源的利用率。為了改善一次、二次回路的供電性能，需要對(duì)一次、二次回路的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)提高兩個(gè)回路中的功率因數(shù)，從而提高供電質(zhì)量，所以一般在非接觸電能傳輸系統(tǒng)中需要設(shè)計(jì)補(bǔ)償單元。

5 結(jié)束語(yǔ)

非接觸式電能傳輸作為一個(gè)比較新的研究領(lǐng)域，近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注。相比傳統(tǒng)的導(dǎo)線電能傳輸，非接觸式電能傳輸具有安全、可靠、清潔、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于自動(dòng)導(dǎo)引小車、目標(biāo)編碼小車等組成的智能移動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)。松耦合變壓器作為非接觸電能傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，對(duì)其進(jìn)行傳輸特性的研究分析是十分必要的。本文建立了松耦合變壓器模型并就線圈電阻、耦合系數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)對(duì)松耦合變壓器傳輸特性的影響進(jìn)行了分析，這對(duì)于設(shè)計(jì)非接觸電能傳輸系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義。

圖7 松耦合變壓器傳輸效率特性曲線

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Transm ission performance research of loosely coupled transformer in contactlesspower transmission system

ZOU Gan1,LITao1,2,WANG Qing-ping1

As a new kind of power transm ission technology,contactless power transfer(CPT)has a prom ising app lication future.The constitute structure and basic princip le of CPT system were introduced.Loosely coupled transformer is a key part of CPT system.Loosely coupled transformermodelwas built.The influence of system parameters such as the coil resistance and the coupling coefficient on the transm ission performance of loosely coup led transformerwas analyzed.

contactless power transfer;loosely coupled transformer;transm ission performance

TM 41

A

1002-087 X(2014)05-0947-04

2013-10-10

科技部國(guó)際合作項(xiàng)目(2010DFB70700)

鄒敢(1976—)，男，江西省人，博士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。