基于直線感應(yīng)電機(jī)負(fù)載的移動(dòng)式無(wú)接觸供電特性分析

蔡 華 史黎明 張發(fā)聰 姜龍斌 李耀華

基于直線感應(yīng)電機(jī)負(fù)載的移動(dòng)式無(wú)接觸供電特性分析

蔡 華1,2史黎明1張發(fā)聰1,2姜龍斌1,2李耀華1

（1. 中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院電工研究所） 北京 100190 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

采用移動(dòng)式無(wú)接觸方式為感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)類設(shè)備的供電具有靈活、安全、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，文章提出了一種為直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（LIMD）供電的移動(dòng)式感應(yīng)耦合供電（MICPT）系統(tǒng)，研究了LIMD作為MICPT系統(tǒng)負(fù)載的簡(jiǎn)化模型，以及MICPT在原邊繞組恒流控制下不同互感和電機(jī)不同工況下的輸出電壓特性，提出將LIMD等效為一個(gè)可變電阻作為MICPT系統(tǒng)的負(fù)載進(jìn)行供電特性分析的方法?；贛ICPT供電的直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)車輛裝置在移動(dòng)式無(wú)接觸供電下的往復(fù)運(yùn)行控制，分析、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的供電方案及等效模型的正確性。

直線感應(yīng)電機(jī) 恒流控制 諧振頻率 移動(dòng)式無(wú)接觸供電 感應(yīng)耦合

1 引言

近年來(lái)，無(wú)接觸電能傳輸技術(shù)在國(guó)內(nèi)外受到廣泛關(guān)注[1]。移動(dòng)式感應(yīng)耦合電能傳輸（Movable Inductively Coupled Power Transfer, MICPT）系統(tǒng)，基于電磁感應(yīng)原理，可實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備與供電設(shè)備之間在靜止或者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下非物理接觸的電能傳輸，相比傳統(tǒng)的通過(guò)受電弓、第三軌、拖拉電纜等供電方式，具有很高的靈活性和良好的環(huán)境適應(yīng)性，在運(yùn)動(dòng)供電場(chǎng)合具有優(yōu)勢(shì)。

在移動(dòng)式無(wú)接觸供電應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[2]提出了磁懸浮列車的感應(yīng)供電系統(tǒng)，用于磁浮列車在低速和靜止時(shí)的車輛供電。文獻(xiàn)[3]提出了用于輪軌列車的感應(yīng)耦合供電系統(tǒng)，文獻(xiàn)[4]研究了用于電動(dòng)大巴車的無(wú)接觸供電系統(tǒng)。

在無(wú)接觸供電系統(tǒng)的基本模型、傳輸特性及功率控制方面，國(guó)內(nèi)外在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面都開展了研究[5-11]。但是以往模型中負(fù)載一般考慮的多是電阻負(fù)載，針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中更復(fù)雜的模塊如整流橋、電機(jī)類負(fù)載等的研究較少。

本文面向移動(dòng)式供電應(yīng)用，首先提出為直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Linear induction motor drive, LIMD）供電的MICPT系統(tǒng)，然后研究LIMD作為MICPT系統(tǒng)負(fù)載的簡(jiǎn)化模型，以及MICPT在原邊繞組恒流控制下不同互感和電機(jī)不同工況下的輸出電壓特性。最后提出將LIMD等效為一個(gè)可變電阻作為MICPT系統(tǒng)的負(fù)載，進(jìn)行MICPT特性分析。

2 感應(yīng)供電的直線感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)

本文提出采用移動(dòng)式感應(yīng)耦合供電的方式給直線感應(yīng)電機(jī)（Linear Induction Motor, LIM）供電，方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由無(wú)接觸供電原邊側(cè)變流器、副邊側(cè)變流器、移動(dòng)式無(wú)接觸變壓器、牽引逆變器及直線感應(yīng)電機(jī)構(gòu)成。原邊側(cè)變流器將三相交流電變換為單相高頻電流通入無(wú)接觸變壓器的原邊繞組。無(wú)接觸變壓器的副邊感應(yīng)出電壓并通過(guò)副邊變流器整流得到直流電，供給直線感應(yīng)電機(jī)牽引系統(tǒng)。移動(dòng)式無(wú)接觸變壓器的原邊固定在地面上，副邊固定在直線感應(yīng)電機(jī)等運(yùn)動(dòng)負(fù)載上并隨之運(yùn)動(dòng)[12]。

圖1 直線感應(yīng)電機(jī)移動(dòng)式感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)Fig.1 MICPT system for LIM

為了提高無(wú)接觸供電系統(tǒng)的功率傳輸能力以及功率因數(shù)，在變壓器的原邊和副邊設(shè)置電容與變壓器自身電感構(gòu)成諧振回路[6]。由于原邊和副邊均采用串聯(lián)電容補(bǔ)償時(shí)，諧振電容的容值選擇與負(fù)載以及無(wú)接觸變壓器互感值無(wú)關(guān)[6]，考慮到移動(dòng)式無(wú)接觸變壓器運(yùn)動(dòng)中互感以及負(fù)載的變化，本文原邊和副邊均采用串聯(lián)電容補(bǔ)償。

本文提出的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，Udc為三相整流后得到的直流電源，功率器件IGBT P1～P4構(gòu)成全橋逆變器，Lp、Ls為無(wú)接觸變壓器原邊和副邊自感，M為變壓器互感，Cp、Cs分別為原邊和副邊繞組的串聯(lián)補(bǔ)償電容，Rp、Rs代表原邊和副邊繞組線路內(nèi)阻，二極管D1～D4構(gòu)成高頻不控整流橋，經(jīng)過(guò)電容Cdc1、Cdc2濾波后，得到較為穩(wěn)定的直流電源URL，由IGBT T1～T6構(gòu)成的牽引逆變器驅(qū)動(dòng)直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行。

串聯(lián)電容補(bǔ)償下，諧振頻率fr與變壓器電感、諧振電容的關(guān)系如式（1）所示。

本文采用的移動(dòng)式變壓器繞組結(jié)構(gòu)的原邊為特殊設(shè)計(jì)的長(zhǎng)矩形無(wú)磁芯線圈，副邊繞組采用一種特殊夾層磁芯結(jié)構(gòu)的矩形線圈。本文的實(shí)驗(yàn)裝置見圖3，由原邊側(cè)變流器、移動(dòng)式無(wú)接觸變壓器、副邊側(cè)變流器、牽引逆變器、直線感應(yīng)電機(jī)及其他結(jié)構(gòu)件構(gòu)成。原邊繞組長(zhǎng)1600mm、寬100mm，副邊繞組長(zhǎng)560mm、寬100mm，電磁間隙10mm～30mm可調(diào)。

圖3 移動(dòng)式無(wú)接觸供電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Experimental platform of MICPT

3 直線感應(yīng)電機(jī)牽引系統(tǒng)直流側(cè)等效模型

首先研究電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等效模型及其特性。由于直線感應(yīng)電機(jī)等效電感L及時(shí)間常數(shù)L/R很小，這里采用電阻和反電勢(shì)串聯(lián)等效電路RL-eL作為其直流側(cè)負(fù)載模型見圖4[13]。

圖4 直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等效電路模型Fig.4 Equivalent circuit model of LIMD

圖4 中，

式中電阻R的參數(shù)值與三相交流側(cè)中的相同，該近似模型的等效輸入電阻

式中，β=eL/uRL，當(dāng)β＜1時(shí)，直流側(cè)等效負(fù)載表現(xiàn)為電阻；當(dāng)β=1（eL=uRL）時(shí)，iRL=0，相當(dāng)于直流側(cè)等效電阻無(wú)窮大；當(dāng)β＞1時(shí)，直流側(cè)等效負(fù)載表現(xiàn)為負(fù)阻，即電機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)。

另外，從近似等效模型中，得到電動(dòng)勢(shì)eL:

其中，m為逆變器PWM調(diào)制的調(diào)制系數(shù)；ρ為逆變器輸出端電壓與感應(yīng)電機(jī)定子側(cè)等效反電勢(shì)之比，又稱作交流反電勢(shì)幅度因數(shù)，與負(fù)載電流大小有關(guān)，一般小于但接近1[13]。

4 移動(dòng)式無(wú)接觸供電系統(tǒng)特性

4.1MICPT系統(tǒng)等效模型

為了便于分析，采用基波等效模型[14]把圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化等效。原邊側(cè)變流器將直流電源逆變后輸出為方波，可等效為一個(gè)電壓源Up。

其中，a為移相角，a=0～180°。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下可簡(jiǎn)化為電阻RL，其大小與逆變器工作參數(shù)及電機(jī)牽引工況有關(guān)。

對(duì)于不控整流橋，可進(jìn)一步等效為一個(gè)等效電阻Re，在諧振電流接近正弦的情況下，有

根據(jù)上述分析，原邊和副邊均串聯(lián)電容進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)的系統(tǒng)基波等效模型如圖5所示。

圖5 串串電容補(bǔ)償下MICPT等效電路Fig.5 Equivalent circuit of MICPT with serial capacitance on both sides

根據(jù)圖5所示的等效電路可得次級(jí)開路電壓:

其中，ω=2πf，ω為電流角頻率，f為電流頻率。

根據(jù)分壓公式，等效電阻Re上電壓為:

完全諧振時(shí)等效負(fù)載上電壓為:

額定負(fù)載下，一般要設(shè)計(jì)次級(jí)諧振電流接近正弦。負(fù)載電壓為

經(jīng)推導(dǎo)在副邊諧振頻率下，空載電壓與額定電壓之比為:

4.2MICPT系統(tǒng)等效模型

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有停機(jī)、電機(jī)啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)等工況，針對(duì)各工況分析如下:

（1）當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不工作時(shí)，相當(dāng)于負(fù)載電阻趨于無(wú)窮大，MICPT輸出電壓URL為副邊開路輸出電壓的峰值。

（2）當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，隨著負(fù)載的增大，直流側(cè)等效電阻變小，考慮到線路內(nèi)阻影響，輸出電壓會(huì)降低。

（3）在電機(jī)反轉(zhuǎn)或制動(dòng)時(shí)，電機(jī)向逆變器直流母線回饋電能，使母線電壓上升。

（4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)停止工作后，負(fù)載相當(dāng)于無(wú)窮大，輸出電容電壓又會(huì)充電至峰值電壓。

以下對(duì)以LIMD為負(fù)載的MICPT系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。所用的直線感應(yīng)電機(jī)參數(shù)如下:初級(jí)繞組電阻0.82Ω，次級(jí)反應(yīng)板等效電阻3.14Ω，初級(jí)漏感13.45mH，勵(lì)磁電感7.52mH，次級(jí)漏感0.81mH，極距51mm，具體見文獻(xiàn)[15]，MICPT的參數(shù)見表1。無(wú)接觸變壓器原邊繞組電流閉環(huán)控制在平均值20A，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用變壓變頻控制。

表1 計(jì)算和實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Computation and experiment parameters

（a）電機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程

在0～0.1s時(shí)初級(jí)繞組電流平均值從0遞增到20A，在0.5s～1s期間電機(jī)勻速啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)頻率從2Hz遞增到10Hz，1s～1.5s期間電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率穩(wěn)定在10Hz。在1.25s時(shí)給電機(jī)施加反向電壓，在1.5s～2s期間驅(qū)動(dòng)頻率從10Hz遞減到2Hz，在2.05s讓電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)停止工作。仿真波形見圖6，其中（a）為原邊繞組電流平均值；（b）MICPT輸出電壓；（c）電機(jī)三相繞組電流。

圖6 MICPT為L(zhǎng)IMD供電時(shí)的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of MICPT supplying for LIMD

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)未工作前，MICPT空載輸出電壓URL穩(wěn)定后約為173V。在電機(jī)啟動(dòng)后，電壓URL有所下降，在電機(jī)達(dá)到給定頻率時(shí)，電壓為127V，電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，此時(shí)MICPT輸出電壓穩(wěn)定。在突然給電機(jī)施加反向電壓時(shí)，電機(jī)給母線回饋電能，母線電壓上升到140V，隨后又有所下降。隨著電機(jī)減速到停機(jī)，電壓URL逐漸上升到次級(jí)感應(yīng)電壓的峰值?？蛰d電壓與穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電壓之比大約為1.36，和分析的式（10）基本一致。

（b）負(fù)載變化

用一個(gè)可變電阻來(lái)代替電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在同樣MICPT工作條件下，研究輸出電壓的變化情況。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不工作時(shí)，由于有50kΩ的電容放電電阻，所以等效電阻最大為50kΩ。在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，其等效的阻值大約為20Ω，反向運(yùn)行時(shí)，等效負(fù)載設(shè)置為-20Ω。隨著電機(jī)減速，等效電阻逐漸增加到50kΩ。根據(jù)各階段的估算電阻值，仿真負(fù)載電壓波形見圖7。其中（a）為原邊繞組電流平均值，（b）MICPT輸出電壓，（c）可變電阻。

圖7 可變電阻作為MICPT負(fù)載仿真波形Fig.7 Simulation waveform of variable resistance as the load

由圖7可知，隨著電阻的減小，輸出電壓降低；在電阻為負(fù)值時(shí)，輸出電壓會(huì)有一個(gè)上升過(guò)程。隨著電阻的增大，輸出電壓又會(huì)上升到峰值電壓?？勺冸娮枳鳛樨?fù)載時(shí)，輸出電壓URL的變化規(guī)律同MICPT帶電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載時(shí)基本一致，因此電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為MICPT的負(fù)載時(shí)可用一個(gè)可變電阻近似等效來(lái)分析MICPT的系統(tǒng)特性。

5 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置見圖3，原邊側(cè)變流器采用基于諧波的移相全橋控制[10]，采用諧振電流閉環(huán)控制，給定原邊繞組電流平均值20A。與仿真不同的是，直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)副邊繞組運(yùn)動(dòng)，無(wú)接觸變壓器的原邊和副邊發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其互感發(fā)生變化，根據(jù)式（7）～（10）輸出電壓與互感成正比。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率遞增，穩(wěn)定大約4s后，在5.8s時(shí)刻突加反向電壓，穩(wěn)定大約4s后，驅(qū)動(dòng)頻率遞減，在14.3s電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)停止工作。圖8所示為MICPT供電下LIM運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，其中Iu、Iv為電機(jī)繞組兩相電流，URL為MICPT輸出電壓，IRL為MICPT輸出電流，Ip為原邊側(cè)變流器電流。從圖8（a）可知，電壓URL從初始時(shí)的144V，逐漸下降到平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的100V，隨著位置的變化，互感降低，造成輸出電壓進(jìn)一步下降到78V，給電機(jī)反向施壓減速停機(jī)后，電壓URL逐漸上升到電壓125V以上，受電容充電速度影響，電壓上升較慢。圖8（b）為突加反壓時(shí)的放大波形，可以看出此時(shí)輸出電壓有一個(gè)上升過(guò)程，這是因?yàn)殡姍C(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)向直流母線電容回饋了電能。圖8（c）為電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率10Hz穩(wěn)定運(yùn)行電壓URL=78V時(shí)（A點(diǎn)）的放大波形。

圖8 MICPT供電下的LIMD實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of LIMD supplied by MICPT

為了驗(yàn)證電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為MICPT的負(fù)載可用電阻來(lái)等效，用一個(gè)23.3Ω的電阻來(lái)替代電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。推動(dòng)直線感應(yīng)電機(jī)次級(jí)動(dòng)子按照電機(jī)運(yùn)行的速度往返運(yùn)動(dòng)一次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，從圖9（a）可以看出次級(jí)運(yùn)動(dòng)一個(gè)往返，輸出電壓URL的變化范圍為73V～104V，這里由于無(wú)接觸變壓器氣隙不均勻等因素，造成在無(wú)接觸變壓器兩端互感值差距較大。圖9（b）為輸出電壓URL=78V（B點(diǎn)）的放大波形。通過(guò)圖8（c）和圖9（b）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者幾乎一樣，說(shuō)明用電阻來(lái)等效直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于MICPT系統(tǒng)來(lái)說(shuō)與實(shí)際電機(jī)負(fù)載基一致。

圖9 負(fù)載為23.3Ω時(shí)MICPT供電的實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experiment waveform with resistance as the load

通過(guò)圖9可知，由于互感的變化，輸出電壓最高值和最低值差21V。圖8中，抵消互感的變化后，負(fù)載為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，輸出電壓最低時(shí)為(78+21)V=99V，空載時(shí)輸出電壓為144V，空載和額定電壓比為1.45，略大于4/π，這是由于內(nèi)阻因素以及電流頻率和實(shí)際的諧振頻率不完全相等造成的，該現(xiàn)象為實(shí)際控制提供了依據(jù)。

6 結(jié)論

以直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為負(fù)載，建立了移動(dòng)式感應(yīng)電能傳輸供電方案，對(duì)其特性進(jìn)行了深入分析。主要結(jié)論是:（1）將電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等效為一個(gè)可變電阻作為系統(tǒng)負(fù)載，對(duì)MICPT系統(tǒng)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)分析是可行的；（2）考慮電機(jī)系統(tǒng)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)接觸變壓器的互感變化，副邊母線空載電壓與額定負(fù)載電壓比會(huì)超過(guò)4/π，直線感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)直流母線電壓相對(duì)穩(wěn)定。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提方案以及等效方法可行。本文所提方法可為軌道交通車輛的移動(dòng)式無(wú)接觸供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、供電控制提供參考。

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Characteristics Analysis of Movable Inductively Coupled Power Transfer with Linear Induction Motor Drive

Cai Hua1,2Shi Liming1Zhang Facong1,2Jiang Longbin1,2Li Yaohua1
（1. Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive, Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China 2. University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China）

As the power supply of movable load such as linear induction motor (LIM), movable inductively coupled power transfer (MICPT) system is flexible, security, and environment friendly. A power supply scheme with MICPT for linear induction motor drive (LIMD) system is proposed. The equivalent characteristic of LIMD as the load of MICPT is analyzed. The output voltage characteristic of MICPT is studied when the current of the primary winding is kept constant, including the affection of contactless transformer mutual inductance and motor different operation modes. A variable resistance adopted to equivalent circuit of the LIMD as the load of MICPT is proposed. An experiment setup with LIMD system powered by MICPT is built. The LIM can move steadily along the rail with movable contactless power supply. Analyses, simulation and experimental verify the correctness and feasibility of the proposed scheme and equivalent model.

Linear induction motor, constant current control, resonant frequency, movable contactless power transfer, inductive coupled

TM46

蔡 華 男，1987年生，博士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線電能傳輸和電力電子變換技術(shù)。

2014-08-10

史黎明 男，1964年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制、新型軌道交通牽引供電、電能無(wú)線傳輸技術(shù)。