無線充電軌道供電式電動汽車模型

李順++王丹+王萬昆

摘 要：新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)耦合技術(shù)與電力電子技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)電能的無接觸傳輸，消除了傳統(tǒng)的電能傳輸方式帶來的電擊、短路和發(fā)生火花的危險。本文初步建立了新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的無線小車模型，并在其基礎(chǔ)上加裝了無線模塊，以達到自動巡視機器人的功能。研究結(jié)果表明初級和次級補償必不可少，可以大大提高系統(tǒng)的功率傳輸能力，而初級補償則顯著減小了對初級供電系統(tǒng)視在功率的要求，降低了系統(tǒng)成本。

關(guān)鍵詞：新型無接觸電能傳輸系統(tǒng) 無線小車模型 初/次級補償 無線模塊

中圖分類號：U469.72 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0065-01

1 新型無接觸傳輸系統(tǒng)理論分析

目前新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)采用電磁感應(yīng)原理，簡單來說就是將變壓器線圈中心的鐵芯截斷。初、次級繞組分別繞在不同的磁性結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)了電源和負載單元之間不需要物理連接就可以進行能量耦合。從而實現(xiàn)了電能的無接觸傳輸。

新型無接觸能量傳遞系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖由初級、次級變換器和無接觸式的變壓器結(jié)構(gòu)組成，初、次級繞組之間不存在物理連接。

無接觸能量傳遞系統(tǒng)包括以下幾部分：

（1）在輸入端將工頻交流電壓經(jīng)過功率放大器轉(zhuǎn)換成高頻交流電壓供給變壓器初級繞組。因為電壓的頻率提高很多，在空間輻射的電磁波波長減少，則系統(tǒng)的感應(yīng)耦合能力就大大增強，因此損失的能量會大大減少。

輸入能量經(jīng)過變壓器感應(yīng)耦合后，次級端口輸出的是高頻電壓，利用功率放大器可以使得傳輸?shù)墓β誓軌蜻_到要求。

（2）對次級線圈進行補償：由于新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)屬于疏松耦合式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的功率傳輸能力較差。同時系統(tǒng)輸出電流和電壓的大小在很大程度上依賴于負載阻抗的大小，輸出功率受到很大限制。采用次級補償技術(shù)可以有效地改善這種情況。次級補償有兩種基本的拓撲結(jié)構(gòu)—串聯(lián)、并聯(lián)補償結(jié)構(gòu)。在諧振頻率下，采用串聯(lián)補償時，次級補償電容壓降和次級感抗壓降相抵消；采用并聯(lián)補償時，流入次級補償電容中的電流與次級導(dǎo)納中電流的無功分量相抵消。在兩種補償拓撲下，反應(yīng)阻抗對于運行頻率和負載變化比較敏感，可能會增加對初級供電系統(tǒng)的視在功率要求，引起電能傳輸問題。

（3）為了改善初級功率因數(shù)，減小對初級電源的視在功率要求，需要采取初級補償技術(shù)。最基本的初級補償拓撲也有兩種——串聯(lián)/并聯(lián)補償。在實際應(yīng)用中，可以使用串、并聯(lián)補償相結(jié)合的方式，通過選擇適當(dāng)?shù)难a償電容來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功率因數(shù)。

（4）在次級端通過整流原件將輸出電流的高頻交流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓，以達到為電動汽車模型馬達供電的目的。

2 模型構(gòu)建

電動汽車模型的設(shè)計有兩種方案。方案一：電動汽車模型的主骨架為鐵磁材料，其上繞有線圈。這樣設(shè)計其既起到了支撐小車，又可以增加初級繞組和次級繞組的耦合程度，減輕了小車的重量。

電動汽車模型的側(cè)面：鐵芯兩端有向地面的突起，這樣設(shè)計的目的是可以增加磁的耦合程度。電動汽車模型行駛的木板內(nèi)部有很多方向與車身平行的原邊線圈，所有的線圈都并聯(lián)在初級變換器的輸出端口上，以在線圈兩端加上高頻電壓。

不同于方案一，方案二的線圈是繞在輪軸上的。

3 模型實驗過程

在實驗過程中，使用指定型號功率放大器。其能夠?qū)⒐ゎl電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電壓，并能夠以一定的功率傳輸出來。但由示波器測得功率放大器所輸出的波形并不是標(biāo)準(zhǔn)的高頻正弦電壓波形，其中含有大量的諧波電壓。為了方便分析，本文認為輸出的為正弦高頻電壓。并在此基礎(chǔ)上，利用Matlab進行仿真，確定了整流橋所并聯(lián)的電容的值的大小。

但是在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)由于電壓的頻率過高，功率會發(fā)生反射現(xiàn)象，不能傳輸給小車供電。因此，需要對初級和次級的電感進行電容補償。補償?shù)木唧w的電路圖如圖1所示。

為使小車能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守變電站中的巡守機器人的作用，小組給小車加裝了一個無線收發(fā)模塊，其構(gòu)成為：無線攝像頭，電腦，軟件，USB接收器，原理是無線攝像頭負責(zé)拍照并且通過內(nèi)部集成發(fā)射模塊經(jīng)2.4G頻率的無線發(fā)送，USB接收器負責(zé)接收信號并且傳輸?shù)诫娔X，而電腦安裝相應(yīng)軟件后采集信號并在可視化窗口上顯示攝像頭所拍攝的照片。經(jīng)測試，該模塊可實現(xiàn)圖片的實時傳輸。

4 結(jié)語

該文初步建立了新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的無線小車模型，并在其基礎(chǔ)上加裝了無線模塊，以達到自動巡視機器人的功能。研究結(jié)果表明初級和次級補償必不可少，可以大大提高系統(tǒng)的功率傳輸能力，而初級補償則顯著減小了對初級供電系統(tǒng)視在功率的要求，降低了系統(tǒng)成本。

參考文獻

[1] 武瑛，嚴(yán)陸光，黃常綱，等.新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的性能分析[J].電工電能新技術(shù)，2003，22（4）：10-13.

[2] Jufer M，Macabrey N，Perrottet M.Modeling and test of contactless inductive energy transmission[J].Mathem.& Comput.in Simul.1998（46）：197-211.

[3] Woo K Ⅱ，Park H S，Cho Y H，et al.Contactless energy Transmission System for Linear servo Motor[J].IEEE Trans.Magn 2005，41（5）：1596-1599.endprint

摘 要：新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)耦合技術(shù)與電力電子技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)電能的無接觸傳輸，消除了傳統(tǒng)的電能傳輸方式帶來的電擊、短路和發(fā)生火花的危險。本文初步建立了新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的無線小車模型，并在其基礎(chǔ)上加裝了無線模塊，以達到自動巡視機器人的功能。研究結(jié)果表明初級和次級補償必不可少，可以大大提高系統(tǒng)的功率傳輸能力，而初級補償則顯著減小了對初級供電系統(tǒng)視在功率的要求，降低了系統(tǒng)成本。

關(guān)鍵詞：新型無接觸電能傳輸系統(tǒng) 無線小車模型 初/次級補償 無線模塊

中圖分類號：U469.72 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0065-01

1 新型無接觸傳輸系統(tǒng)理論分析

目前新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)采用電磁感應(yīng)原理，簡單來說就是將變壓器線圈中心的鐵芯截斷。初、次級繞組分別繞在不同的磁性結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)了電源和負載單元之間不需要物理連接就可以進行能量耦合。從而實現(xiàn)了電能的無接觸傳輸。

新型無接觸能量傳遞系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖由初級、次級變換器和無接觸式的變壓器結(jié)構(gòu)組成，初、次級繞組之間不存在物理連接。

無接觸能量傳遞系統(tǒng)包括以下幾部分：

（1）在輸入端將工頻交流電壓經(jīng)過功率放大器轉(zhuǎn)換成高頻交流電壓供給變壓器初級繞組。因為電壓的頻率提高很多，在空間輻射的電磁波波長減少，則系統(tǒng)的感應(yīng)耦合能力就大大增強，因此損失的能量會大大減少。

輸入能量經(jīng)過變壓器感應(yīng)耦合后，次級端口輸出的是高頻電壓，利用功率放大器可以使得傳輸?shù)墓β誓軌蜻_到要求。

（2）對次級線圈進行補償：由于新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)屬于疏松耦合式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的功率傳輸能力較差。同時系統(tǒng)輸出電流和電壓的大小在很大程度上依賴于負載阻抗的大小，輸出功率受到很大限制。采用次級補償技術(shù)可以有效地改善這種情況。次級補償有兩種基本的拓撲結(jié)構(gòu)—串聯(lián)、并聯(lián)補償結(jié)構(gòu)。在諧振頻率下，采用串聯(lián)補償時，次級補償電容壓降和次級感抗壓降相抵消；采用并聯(lián)補償時，流入次級補償電容中的電流與次級導(dǎo)納中電流的無功分量相抵消。在兩種補償拓撲下，反應(yīng)阻抗對于運行頻率和負載變化比較敏感，可能會增加對初級供電系統(tǒng)的視在功率要求，引起電能傳輸問題。

（3）為了改善初級功率因數(shù)，減小對初級電源的視在功率要求，需要采取初級補償技術(shù)。最基本的初級補償拓撲也有兩種——串聯(lián)/并聯(lián)補償。在實際應(yīng)用中，可以使用串、并聯(lián)補償相結(jié)合的方式，通過選擇適當(dāng)?shù)难a償電容來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功率因數(shù)。

（4）在次級端通過整流原件將輸出電流的高頻交流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓，以達到為電動汽車模型馬達供電的目的。

2 模型構(gòu)建

電動汽車模型的設(shè)計有兩種方案。方案一：電動汽車模型的主骨架為鐵磁材料，其上繞有線圈。這樣設(shè)計其既起到了支撐小車，又可以增加初級繞組和次級繞組的耦合程度，減輕了小車的重量。

電動汽車模型的側(cè)面：鐵芯兩端有向地面的突起，這樣設(shè)計的目的是可以增加磁的耦合程度。電動汽車模型行駛的木板內(nèi)部有很多方向與車身平行的原邊線圈，所有的線圈都并聯(lián)在初級變換器的輸出端口上，以在線圈兩端加上高頻電壓。

不同于方案一，方案二的線圈是繞在輪軸上的。

3 模型實驗過程

在實驗過程中，使用指定型號功率放大器。其能夠?qū)⒐ゎl電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電壓，并能夠以一定的功率傳輸出來。但由示波器測得功率放大器所輸出的波形并不是標(biāo)準(zhǔn)的高頻正弦電壓波形，其中含有大量的諧波電壓。為了方便分析，本文認為輸出的為正弦高頻電壓。并在此基礎(chǔ)上，利用Matlab進行仿真，確定了整流橋所并聯(lián)的電容的值的大小。

但是在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)由于電壓的頻率過高，功率會發(fā)生反射現(xiàn)象，不能傳輸給小車供電。因此，需要對初級和次級的電感進行電容補償。補償?shù)木唧w的電路圖如圖1所示。

為使小車能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守變電站中的巡守機器人的作用，小組給小車加裝了一個無線收發(fā)模塊，其構(gòu)成為：無線攝像頭，電腦，軟件，USB接收器，原理是無線攝像頭負責(zé)拍照并且通過內(nèi)部集成發(fā)射模塊經(jīng)2.4G頻率的無線發(fā)送，USB接收器負責(zé)接收信號并且傳輸?shù)诫娔X，而電腦安裝相應(yīng)軟件后采集信號并在可視化窗口上顯示攝像頭所拍攝的照片。經(jīng)測試，該模塊可實現(xiàn)圖片的實時傳輸。

4 結(jié)語

該文初步建立了新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的無線小車模型，并在其基礎(chǔ)上加裝了無線模塊，以達到自動巡視機器人的功能。研究結(jié)果表明初級和次級補償必不可少，可以大大提高系統(tǒng)的功率傳輸能力，而初級補償則顯著減小了對初級供電系統(tǒng)視在功率的要求，降低了系統(tǒng)成本。

參考文獻

[1] 武瑛，嚴(yán)陸光，黃常綱，等.新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的性能分析[J].電工電能新技術(shù)，2003，22（4）：10-13.

[2] Jufer M，Macabrey N，Perrottet M.Modeling and test of contactless inductive energy transmission[J].Mathem.& Comput.in Simul.1998（46）：197-211.

[3] Woo K Ⅱ，Park H S，Cho Y H，et al.Contactless energy Transmission System for Linear servo Motor[J].IEEE Trans.Magn 2005，41（5）：1596-1599.endprint

摘 要：新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)耦合技術(shù)與電力電子技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)電能的無接觸傳輸，消除了傳統(tǒng)的電能傳輸方式帶來的電擊、短路和發(fā)生火花的危險。本文初步建立了新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的無線小車模型，并在其基礎(chǔ)上加裝了無線模塊，以達到自動巡視機器人的功能。研究結(jié)果表明初級和次級補償必不可少，可以大大提高系統(tǒng)的功率傳輸能力，而初級補償則顯著減小了對初級供電系統(tǒng)視在功率的要求，降低了系統(tǒng)成本。

關(guān)鍵詞：新型無接觸電能傳輸系統(tǒng) 無線小車模型 初/次級補償 無線模塊

中圖分類號：U469.72 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0065-01

1 新型無接觸傳輸系統(tǒng)理論分析

目前新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)采用電磁感應(yīng)原理，簡單來說就是將變壓器線圈中心的鐵芯截斷。初、次級繞組分別繞在不同的磁性結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)了電源和負載單元之間不需要物理連接就可以進行能量耦合。從而實現(xiàn)了電能的無接觸傳輸。

新型無接觸能量傳遞系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖由初級、次級變換器和無接觸式的變壓器結(jié)構(gòu)組成，初、次級繞組之間不存在物理連接。

無接觸能量傳遞系統(tǒng)包括以下幾部分：

（1）在輸入端將工頻交流電壓經(jīng)過功率放大器轉(zhuǎn)換成高頻交流電壓供給變壓器初級繞組。因為電壓的頻率提高很多，在空間輻射的電磁波波長減少，則系統(tǒng)的感應(yīng)耦合能力就大大增強，因此損失的能量會大大減少。

輸入能量經(jīng)過變壓器感應(yīng)耦合后，次級端口輸出的是高頻電壓，利用功率放大器可以使得傳輸?shù)墓β誓軌蜻_到要求。

（2）對次級線圈進行補償：由于新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)屬于疏松耦合式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的功率傳輸能力較差。同時系統(tǒng)輸出電流和電壓的大小在很大程度上依賴于負載阻抗的大小，輸出功率受到很大限制。采用次級補償技術(shù)可以有效地改善這種情況。次級補償有兩種基本的拓撲結(jié)構(gòu)—串聯(lián)、并聯(lián)補償結(jié)構(gòu)。在諧振頻率下，采用串聯(lián)補償時，次級補償電容壓降和次級感抗壓降相抵消；采用并聯(lián)補償時，流入次級補償電容中的電流與次級導(dǎo)納中電流的無功分量相抵消。在兩種補償拓撲下，反應(yīng)阻抗對于運行頻率和負載變化比較敏感，可能會增加對初級供電系統(tǒng)的視在功率要求，引起電能傳輸問題。

（3）為了改善初級功率因數(shù)，減小對初級電源的視在功率要求，需要采取初級補償技術(shù)。最基本的初級補償拓撲也有兩種——串聯(lián)/并聯(lián)補償。在實際應(yīng)用中，可以使用串、并聯(lián)補償相結(jié)合的方式，通過選擇適當(dāng)?shù)难a償電容來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功率因數(shù)。

（4）在次級端通過整流原件將輸出電流的高頻交流電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓，以達到為電動汽車模型馬達供電的目的。

2 模型構(gòu)建

電動汽車模型的設(shè)計有兩種方案。方案一：電動汽車模型的主骨架為鐵磁材料，其上繞有線圈。這樣設(shè)計其既起到了支撐小車，又可以增加初級繞組和次級繞組的耦合程度，減輕了小車的重量。

電動汽車模型的側(cè)面：鐵芯兩端有向地面的突起，這樣設(shè)計的目的是可以增加磁的耦合程度。電動汽車模型行駛的木板內(nèi)部有很多方向與車身平行的原邊線圈，所有的線圈都并聯(lián)在初級變換器的輸出端口上，以在線圈兩端加上高頻電壓。

不同于方案一，方案二的線圈是繞在輪軸上的。

3 模型實驗過程

在實驗過程中，使用指定型號功率放大器。其能夠?qū)⒐ゎl電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電壓，并能夠以一定的功率傳輸出來。但由示波器測得功率放大器所輸出的波形并不是標(biāo)準(zhǔn)的高頻正弦電壓波形，其中含有大量的諧波電壓。為了方便分析，本文認為輸出的為正弦高頻電壓。并在此基礎(chǔ)上，利用Matlab進行仿真，確定了整流橋所并聯(lián)的電容的值的大小。

但是在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)由于電壓的頻率過高，功率會發(fā)生反射現(xiàn)象，不能傳輸給小車供電。因此，需要對初級和次級的電感進行電容補償。補償?shù)木唧w的電路圖如圖1所示。

為使小車能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守變電站中的巡守機器人的作用，小組給小車加裝了一個無線收發(fā)模塊，其構(gòu)成為：無線攝像頭，電腦，軟件，USB接收器，原理是無線攝像頭負責(zé)拍照并且通過內(nèi)部集成發(fā)射模塊經(jīng)2.4G頻率的無線發(fā)送，USB接收器負責(zé)接收信號并且傳輸?shù)诫娔X，而電腦安裝相應(yīng)軟件后采集信號并在可視化窗口上顯示攝像頭所拍攝的照片。經(jīng)測試，該模塊可實現(xiàn)圖片的實時傳輸。

4 結(jié)語

該文初步建立了新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的無線小車模型，并在其基礎(chǔ)上加裝了無線模塊，以達到自動巡視機器人的功能。研究結(jié)果表明初級和次級補償必不可少，可以大大提高系統(tǒng)的功率傳輸能力，而初級補償則顯著減小了對初級供電系統(tǒng)視在功率的要求，降低了系統(tǒng)成本。

參考文獻

[1] 武瑛，嚴(yán)陸光，黃常綱，等.新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的性能分析[J].電工電能新技術(shù)，2003，22（4）：10-13.

[2] Jufer M，Macabrey N，Perrottet M.Modeling and test of contactless inductive energy transmission[J].Mathem.& Comput.in Simul.1998（46）：197-211.

[3] Woo K Ⅱ，Park H S，Cho Y H，et al.Contactless energy Transmission System for Linear servo Motor[J].IEEE Trans.Magn 2005，41（5）：1596-1599.endprint