水下設(shè)備的無線電能傳輸系統(tǒng)補(bǔ)償電路分析

富一博 于沨

（大連測控技術(shù)研究所，大連，116000）

水下設(shè)備的無線電能傳輸系統(tǒng)補(bǔ)償電路分析

富一博 于沨

（大連測控技術(shù)研究所，大連，116000）

感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)初次級結(jié)構(gòu)分離，耦合系數(shù)低，因此需要補(bǔ)償電路對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，盡可能提高系統(tǒng)的能量傳輸效率。以感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)的互感模型為基礎(chǔ)，結(jié)合水下特殊環(huán)境，對水下設(shè)備的無線電能傳輸系統(tǒng)補(bǔ)償電路進(jìn)行分析，研究各種補(bǔ)償電路的特點，提出一種最適合水下設(shè)備的補(bǔ)償電路設(shè)計方案。

無線電能傳輸；耦合系數(shù)；感應(yīng)式；補(bǔ)償電；水下設(shè)備

無線充電技術(shù)是近年來備受國際學(xué)術(shù)界關(guān)注的能量傳輸技術(shù)。由于這項技術(shù)能夠有效地解決有線充電存在的諸多缺點，比如移動充電接口裸露、容易產(chǎn)生接觸火花、靈活性差、外形不美觀等問題，因此無線充電技術(shù)特別適用于工作在特殊環(huán)境的設(shè)備進(jìn)行安全供電，比如易燃易爆環(huán)境或者水下環(huán)境。采用無線充電的方式可以使充電電源和負(fù)載電路完全隔離，兩側(cè)的電路可以進(jìn)行獨立封裝，應(yīng)用在水下設(shè)備時，不僅可以保證水密性，消除摩擦和漏電的危險，還能使設(shè)備的耐壓性能獲得顯著提高。在深海工作條件下，設(shè)備的工作能力也可以得到加強(qiáng)。水下無線充電作為無線電能傳輸技術(shù)的一個重要領(lǐng)域，國內(nèi)對此方面的研究相對較少。目前我國的水下用電系統(tǒng)，包括已經(jīng)研制成功的自制水下機(jī)器人系統(tǒng)，能源動力問題的解決方案研究主要集中在提高電池能量密度上，尚無采用無線供電技術(shù)的案例。無線電能傳輸技術(shù)由于不存在電路間的直接耦合，從而可以從根本上解決目前所擁有的維護(hù)困難、靈活性差、安全性差等突出問題，有望成為促進(jìn)未來海洋工程發(fā)展水平的一項關(guān)鍵技術(shù)。

1 松耦合變壓器模型

無線電能傳輸技術(shù)根據(jù)傳輸原理分類，可分為感應(yīng)式、諧振式和輻射式三種。這三種方式具有各自的特點。其中感應(yīng)式無線電能傳輸（ICPT）由于其具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，靈活性好等優(yōu)勢，特別適合在水下使用。本文選用感應(yīng)式電能傳輸作為水下設(shè)備的主要供能方式，主要針對感應(yīng)式電能傳輸進(jìn)行研究。

感應(yīng)式無線電能傳輸?shù)暮诵慕Y(jié)構(gòu)是松耦合變壓器。它與一般變壓器不同，松耦合變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)在物理結(jié)構(gòu)上相互分離，工作過程中，交變電流通過一次側(cè)繞組產(chǎn)生的磁通并沒有全部通過二次側(cè)繞組，而是有相當(dāng)大一部分作為漏磁通存在，導(dǎo)致系統(tǒng)的耦合系數(shù)較低，工作效率不高。

松耦合變壓器的互感模型如圖1所示。其中，Ip是模型中一次側(cè)繞組中流過的電流，Is是二次側(cè)繞組中流過的電流，互感為M。jωMIp為二次側(cè)線圈中由初級電流Ip感應(yīng)產(chǎn)生的電壓；jωMIs為一次側(cè)線圈中由次級電流Is感生感應(yīng)產(chǎn)生的電壓。Rp和Lp分別為初級繞組的電阻和電感；Rs和Ls分別為次級繞組的電阻和電感；RL為負(fù)載電阻。在對其進(jìn)行分析時，用耦合系數(shù)k來表示耦合器一次側(cè)和二次側(cè)之間互感作用的強(qiáng)弱，反應(yīng)了耦合的程度。

圖1 松耦合變壓器互感模型

在實際工作中，感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)的工作頻率一般在20 kHz以上[1]，因此電路中的線圈的感抗作用非常明顯，系統(tǒng)無功功率增大，極大降低了系統(tǒng)的電能傳輸效率，因此需要在系統(tǒng)的原邊或副邊進(jìn)行電容補(bǔ)償，平衡感抗的作用。

2 補(bǔ)償電路分析

在感應(yīng)式無線供電中，初、次級繞組的耦合程度低、漏感大，限制了系統(tǒng)的功率傳輸性能。為了降低系統(tǒng)無功功率的消耗，平衡電路中感抗的影響，通常對系統(tǒng)的初、次級采用電容補(bǔ)償。通過對補(bǔ)償耦合器的一次側(cè)發(fā)射端，能夠升高功率因數(shù)，提高能量傳輸?shù)馁|(zhì)量；若在次級回路進(jìn)行電容補(bǔ)償，可以有效提高輸出功率，從而達(dá)到提高效率的目的。根據(jù)初、次級回路采用不同的補(bǔ)償方式，共有4種單邊補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、4種雙邊補(bǔ)償結(jié)構(gòu)[2]。分別為：初級并聯(lián)補(bǔ)償PN、初級串聯(lián)補(bǔ)償SN、次級并聯(lián)補(bǔ)償NP、次級串聯(lián)補(bǔ)償NS、初級串聯(lián)-次級并聯(lián)補(bǔ)償SP、初級串聯(lián)-次級串聯(lián)補(bǔ)償SS、初級并聯(lián)-次級并聯(lián)補(bǔ)償PP、初級并聯(lián)-次級串聯(lián)補(bǔ)償。各種補(bǔ)償方式結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 補(bǔ)償形式

2.1 次級補(bǔ)償特性分析

二次側(cè)采用串聯(lián)補(bǔ)償如圖3所示。忽略繞組電阻Rs，二次側(cè)的等效阻抗為：

次級電流：

由式（4）可知，要使負(fù)載上獲得最大功率，次級補(bǔ)償電容Cs需要滿足條件：

此時，次級補(bǔ)償電容：

系統(tǒng)輸出最大功率：

圖3 次級串聯(lián)補(bǔ)償

松耦合變壓器初級電路反映電阻：

將式（9）代入式（8）并忽略繞線電阻，可得次級串聯(lián)補(bǔ)償時的反映阻抗：

將式（6）代入上式，可在次級諧振補(bǔ)償狀態(tài)下，松耦合變壓器的反映電阻和反映電抗：

同理可求得次級并聯(lián)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電容、反映電阻和反映電抗。忽略繞組電阻，松耦合變壓器的二次側(cè)采用串、并聯(lián)補(bǔ)償方式的各項參數(shù)如表1所示。

表1 次級回路的反映電阻、反映電抗

2.2 初級補(bǔ)償特性分析

系統(tǒng)初級采用串聯(lián)和并聯(lián)補(bǔ)償形式，相應(yīng)的補(bǔ)償電路如圖4所示。

圖4 初級電容補(bǔ)償電路

根據(jù)圖4，初級電路采用串聯(lián)補(bǔ)償時的初級等效阻抗：

初級電路采用并聯(lián)補(bǔ)償時的初級等效阻抗：

電路工作在諧振狀態(tài)，初級電路等效電抗為零，忽略繞組電阻，可求得初級補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電容。初級串聯(lián)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電容：

初級并聯(lián)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電容：

由此可見，初級補(bǔ)償電路補(bǔ)償電容的大小與次級電路參數(shù)、運(yùn)行頻率、負(fù)載狀態(tài)有關(guān)，次級電路采用不同結(jié)構(gòu)，其反映到初級電路的反映阻抗不同，初級電路應(yīng)用不同的補(bǔ)償電容進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)表1，可給出初、次級回路采用不同補(bǔ)償方式時使用的補(bǔ)償電容，如表2所示。

表2 初、次級采用不同補(bǔ)償方式時的補(bǔ)償電容

由表2可以看出，SS型和SP型補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中，初級補(bǔ)償電容的選擇與負(fù)載電阻無關(guān)；而在其他的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中，補(bǔ)償電容受負(fù)載電阻影響，當(dāng)松耦合變壓器實際負(fù)載偏離時，系統(tǒng)諧振頻率將發(fā)生變化，使電磁耦合器初級電路參數(shù)不能滿足諧振條件，系統(tǒng)偏離最佳工作點，從而降低了系統(tǒng)傳輸性能。

SS結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償電容與耦合系數(shù)無關(guān)，這意味著當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變，例如水流沖擊時，初級補(bǔ)償電容不需要隨之變化，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高。而其余幾種初級補(bǔ)償方式的補(bǔ)償電容Cp均會受到耦合系數(shù)k的影響。

2.3 初、次級補(bǔ)償技術(shù)的仿真分析

各種補(bǔ)償方式的補(bǔ)償電容隨耦合系數(shù)k的變化曲線如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)耦合系數(shù)小于0.4時，各種形式的初級補(bǔ)償電容隨耦合系數(shù)的變化不是特別明顯，當(dāng)耦合系數(shù)發(fā)生改變時，各種補(bǔ)償形式的系統(tǒng)均較為穩(wěn)定。而當(dāng)耦合系數(shù)大于0.4時，SP的初級補(bǔ)償電容會急劇增大，PP的初級補(bǔ)償電容會逐漸減小。也就是說，耦合系數(shù)大于0.4時，當(dāng)系統(tǒng)受到外界因素影響，導(dǎo)致耦合系數(shù)發(fā)生改變時，由于所需補(bǔ)償電容的大小發(fā)生較大的變化，SP和PP補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)會偏離諧振狀態(tài)，從而喪失最佳補(bǔ)償效果，導(dǎo)致輸出功率發(fā)生較大波動。

圖5 補(bǔ)償電容隨耦合系數(shù)變化曲線

圖6給出了系統(tǒng)采用單邊補(bǔ)償時，耦合系數(shù)隨輸出功率的變化曲線，由圖可以看出，在同樣的條件下，較其他三種補(bǔ)償方式而言，采用SN補(bǔ)償可以獲得較大的輸出功率；但是，SN補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性不高，不利于在水下不穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行電能傳輸；NP補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性相對較好，但是輸出功率不高；PN和NS補(bǔ)償?shù)妮敵龉β什蝗缙渌麅煞N方式。

圖6 單邊補(bǔ)償輸出功率隨耦合系數(shù)變化曲線

圖7給出了在雙邊補(bǔ)償?shù)臈l件下，系統(tǒng)輸出功率和耦合系數(shù)之間的變化曲線。由圖可以看出，在耦合系數(shù)大于0.3的情況下，采用SS補(bǔ)償會獲得較大的輸出功率，但是當(dāng)耦合系數(shù)變化較大時，輸出功率的波動較大，當(dāng)耦合系數(shù)變化至0.5左右時，輸出功率達(dá)到最大。當(dāng)耦合系數(shù)小于0.3時，采用SP補(bǔ)償會獲得較大的輸出功率并且輸出功率較為穩(wěn)定。而PS和PP補(bǔ)償?shù)妮敵龉β瘦^另外兩種方式均不高。

由仿真結(jié)果可以得出：無線電能傳輸系統(tǒng)在水下應(yīng)用時，水流沖擊為影響系統(tǒng)性能的主要因素。在水流沖擊影響下，松耦合變壓器的耦合系數(shù)k發(fā)生變化，采用單側(cè)補(bǔ)償 PN、NS、NP 結(jié)構(gòu)和雙側(cè)補(bǔ)償PS、PP 結(jié)構(gòu)作為補(bǔ)償電路，系統(tǒng)的輸出功率較小，系統(tǒng)充電效率低。采用 SN、SS 結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)獲得較大的輸出功率和較高的功率因數(shù)，但是當(dāng)耦合系數(shù)k變化較大時，其輸出功率波動起伏較大，對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求提高。SP結(jié)構(gòu)在耦合系數(shù)較小的情況下可以擁有較好的穩(wěn)定性和較高的輸出功率，而在耦合系數(shù)較高的情況下則采用SN補(bǔ)償更為合適。一般來講，無線電能傳輸系統(tǒng)的耦合系數(shù)都很低，大約在0.3以下，有些甚至低于0.1，因此水下無線電能傳輸系統(tǒng)采用SP補(bǔ)償結(jié)構(gòu)更為合適。

圖7 雙邊補(bǔ)償輸出功率隨耦合系數(shù)變化曲線

3 結(jié)語

無線電能傳輸技術(shù)可以有效解決現(xiàn)階段水下設(shè)備的能量供給所存在的問題。本文以感應(yīng)式無線供電的互感模型為基礎(chǔ)，對串、并聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)分別進(jìn)行了理論分析和參數(shù)推導(dǎo)。為了降低系統(tǒng)的功率容量的要求，對感應(yīng)式無線供電系統(tǒng)的等效電路和副邊補(bǔ)償電容進(jìn)行了計算。根據(jù)補(bǔ)償電容和電磁耦合器連接形式的不同，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的形式多樣化，通過對各種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的分析可知，SP型補(bǔ)償最適合于水下感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)。

[1]FERNANDEZ C,GARCIA O,PRIETO R,et al.Overview of different alternatives for the contactless transmission of energy[C].IEEE 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society,2002:1318-1323.

[2]武瑛.新型無接觸充電系統(tǒng)的研究[D].北京:中國科學(xué)院研究生院,2004:31-33.