新型滑動(dòng)式變壓器結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理分析

萬樹春，謝衛(wèi)，趙偉棟

(1.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201108;2.上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306;3.上海市醫(yī)療器械檢測(cè)所，上海 201318)

0 引言

自從進(jìn)入工業(yè)革命以來，對(duì)電能的需求日益增大，且呈多樣化發(fā)展趨勢(shì)。在傳統(tǒng)的電機(jī)和變壓器誕生一百多年后，出現(xiàn)了許多新興的行業(yè)，諸如城市有軌電車、港航集裝箱供應(yīng)鏈等，他們對(duì)電能的需要具有移動(dòng)變負(fù)載的特征，這就要求傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)能夠隨著負(fù)載的移動(dòng)而移動(dòng)。早先針對(duì)移動(dòng)電能傳輸，提出的移動(dòng)碳刷，滿足了基本需求，但是同時(shí)也不可避免地產(chǎn)生摩擦損耗、運(yùn)行維護(hù)工作繁重等不足。

滑動(dòng)式變壓器正是針對(duì)該應(yīng)用領(lǐng)域而提出的一種新型電能傳輸方式，該技術(shù)不僅解決移動(dòng)負(fù)載連續(xù)供電的基本需求，而且避免滑動(dòng)摩擦、定期檢修維護(hù)，具有簡(jiǎn)化運(yùn)行、安全可靠的優(yōu)勢(shì)。本文將針對(duì)滑動(dòng)式變壓器的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行詳細(xì)地分析。

1 滑動(dòng)式變壓器結(jié)構(gòu)介紹

1.1 滑動(dòng)式變壓器的演變

滑動(dòng)式變壓器，是從傳統(tǒng)的緊耦合變壓器演變而來的，在其基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上首先實(shí)現(xiàn)鐵心分離，如圖1所示，變壓器的交變磁通經(jīng)過一次側(cè)鐵心、氣隙、二次側(cè)鐵心、氣隙，并最終返回到一次側(cè)鐵心中，形成閉合回路，由于氣隙的磁導(dǎo)率明顯小于鐵心的磁導(dǎo)率，因此形成的回路磁通較傳統(tǒng)變壓器要少的多，二次側(cè)繞組感應(yīng)得到的電動(dòng)勢(shì)也要小的多。

圖1 分離式變壓器

在某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如城市有軌電車、自動(dòng)化港口的大型集裝箱起重設(shè)備等，他們?cè)谧鳂I(yè)時(shí)，負(fù)載往往都處于移動(dòng)狀態(tài)，都要求能夠保持連續(xù)的電能供應(yīng)，同時(shí)也希望能盡可能簡(jiǎn)化接線、方便運(yùn)行維護(hù)、避免導(dǎo)線摩擦損耗。

基于上述要求，本文提出了滑動(dòng)式變壓器，根據(jù)變壓器的鐵心結(jié)構(gòu)是否閉合，將滑動(dòng)式變壓器分為兩類，一類是半閉合形式，另一類是全閉合形式，分別如圖2和圖3所示［1-2］。

圖2中的滑動(dòng)式變壓器主要由供給線圈、E形鐵心、拾起線圈組成。其中，拾起線圈纏繞在E形鐵心上，并隨著E形鐵心一起沿著供給線圈的導(dǎo)線路徑滑動(dòng)。圖3中，與圖2所示的變壓器有相似的組成部分。所不同的是，此處的鐵心呈圓柱形結(jié)構(gòu)。比較兩者的不同，會(huì)發(fā)現(xiàn)前者經(jīng)過鐵心的磁通回路由鐵心、氣隙兩部分組成，后者經(jīng)過鐵心的磁通可以在鐵心中形成閉合的回路。

1.2 滑動(dòng)式變壓器分類

針對(duì)上述的半閉合滑動(dòng)式變壓器和全閉合式滑動(dòng)式變壓器，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同和實(shí)際系統(tǒng)對(duì)性能要求的差異，分別提出了多種結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)式變壓器，如圖4和圖5所示。

圖2 半閉合式滑動(dòng)式變壓器

圖3 全閉合式滑動(dòng)式變壓器類型1

圖4 半閉合式滑動(dòng)式變壓器

圖5 全閉合式滑動(dòng)式變壓器類型2

在圖4中所示的半閉合式滑動(dòng)式變壓器包括平面式和U型兩種，這兩種變壓器的磁路都是由鐵心、氣隙兩部分組成。在圖5所示的全封閉式滑動(dòng)式變壓器，其主要由供給線圈、閉合鐵心回路、拾起線圈三部分組成，且保持供給線圈和鐵心靜止，僅僅由拾起線圈沿著閉合鐵心移動(dòng)［3］。

2 滑動(dòng)式變壓器原理分析

在傳統(tǒng)的緊耦合變壓器當(dāng)中，主要是基于電磁感應(yīng)原理，在一次側(cè)繞組中通入交流電，產(chǎn)生交變磁通，該交變磁通沿著鐵心閉合路徑，形成回路，并在二次側(cè)繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，滑動(dòng)式變壓器與傳統(tǒng)的變壓器由工作原理上的相似性。

根據(jù)安培定則，向直導(dǎo)線當(dāng)中通入電流，大拇指沿著電流的流通方向，四指所指方向即為磁感線環(huán)繞的方向。根據(jù)此原理，本文將E形半閉合式滑動(dòng)式變壓器作為主要的研究對(duì)象。向滑動(dòng)式變壓器的輸電回路通入交流電，在電路運(yùn)行的某一時(shí)刻，設(shè)定電流自左側(cè)流進(jìn)，右側(cè)流出，具體的原理圖如圖6所示。從左側(cè)觀察，由于該線路流入電流，根據(jù)安培定則，產(chǎn)生的磁感線出供給線圈的導(dǎo)線，經(jīng)過氣隙、E形鐵心，最終再由氣隙回到左側(cè)導(dǎo)線。右側(cè)的通電導(dǎo)線，具有類似的運(yùn)行情況［4-5］。 在 此 不做贅述。

由該兩根導(dǎo)線產(chǎn)生的磁感線，分別集中經(jīng)過E形鐵心的中間鐵心柱上，該處的磁通也是最大。下節(jié)將根據(jù)上述滑動(dòng)式變壓器的工作原理建立起有限元分析模型。

圖6 滑動(dòng)式變壓器運(yùn)行示意圖

3 基于有限元的滑動(dòng)式變壓器磁場(chǎng)分析

建立滑動(dòng)式變壓器三維瞬態(tài)模型，E形鐵心長(zhǎng)5 cm，供給線圈導(dǎo)軌長(zhǎng)20 cm。系統(tǒng)仿真的參數(shù)如表1所示。仿真結(jié)果如圖7～圖9所示，分別是磁場(chǎng)分布圖、磁通對(duì)比圖和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)圖。

表1 系統(tǒng)仿真設(shè)置

圖7 瞬態(tài)磁場(chǎng)分布圖

圖8 瞬態(tài)磁場(chǎng)磁通對(duì)比圖

由圖7得出滑動(dòng)式變壓器在供給線圈通入交流電以后，兩條導(dǎo)線分別產(chǎn)生兩股磁感線，且分別沿著左右兩個(gè)方向，經(jīng)過E形鐵心中間芯柱相交，最大磁通密度約為2.502e-1T。

圖8為供給線圈和拾起線圈中磁通得對(duì)比關(guān)系曲線，兩者都為正弦波形，Φ1曲線為拾起線圈的磁通曲線，Φ2則為供給線圈的磁通曲線。由于磁通經(jīng)過氣隙，且供給線圈的股數(shù)為4，多于拾起線圈的股數(shù)，根據(jù)式(1)可得，拾給線圈的磁通小于供給線圈的磁通，其中N為線圈匝數(shù)，Φ為單匝線圈磁通，Ψ為多匝線圈磁通。

圖9 拾起線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形圖

由圖9得到纏繞在中間鐵心柱上的繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的波形，根據(jù)式(2)可得，該波形呈正弦波，頻率與系統(tǒng)的供給線圈一致，都為 16 Hz，幅值達(dá)到 2.5 V。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法，搭建滑動(dòng)式變壓器的簡(jiǎn)易模型，具體的模型示意圖如圖10所示。移動(dòng)滑動(dòng)變壓器的E形鐵心，可見感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形保持不變，表明滑動(dòng)式變壓器在整個(gè)供給線圈回路不受其具體位置的影響。

圖10 實(shí)驗(yàn)示意圖

改變滑動(dòng)式變壓器的激勵(lì)頻率，觀察實(shí)驗(yàn)波形可得拾起繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)u12的幅值隨著頻率的升高而升高，具體實(shí)驗(yàn)所得波形如圖11所示，可見拾起線圈感應(yīng)得到的電動(dòng)勢(shì)與頻率成正比。

圖11 拾起線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與激勵(lì)頻率關(guān)系

改變滑動(dòng)式變壓器的供電線圈的電源電壓幅值，觀察實(shí)驗(yàn)波形，得出圖12所示拾起線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)u12與電源電壓幅值的關(guān)系，可見感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與激勵(lì)的幅值也成正比。這與之前的基于有限元分析模型的運(yùn)行特征是一致的。

在此改變拾起線圈繞組的匝數(shù)，當(dāng)匝數(shù)提高，拾起線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)u12的波形幅值也隨之提高。比較圖13和圖 14，在如圖所示的正弦波形當(dāng)中，當(dāng)拾起線圈匝數(shù)為5時(shí)，拾起端感應(yīng)得到的電動(dòng)勢(shì)峰值為0.86 V;保持激勵(lì)幅值和頻率不變，提高拾起線圈的匝數(shù)為12時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值變?yōu)?.38 V，增長(zhǎng)了1/3。

圖12 拾起線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與激勵(lì)頻率關(guān)系

圖13 拾起線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(N2=5)

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)滑動(dòng)式變壓器的結(jié)構(gòu)討論，闡述了基于安培定則的滑動(dòng)式變壓器運(yùn)行原理。針對(duì)E形半閉合式滑動(dòng)式變壓器，通過建立有限元分析的模型，分析在給定的正弦電壓下，磁場(chǎng)的分布情況和拾起線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該理論和方法的正確性。

圖14 拾起線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(N2=12)

［1］謝衛(wèi)，趙冰潔.滑動(dòng)式變壓器在非接觸式電能傳輸系統(tǒng)中的研究［J］.中國航海，2007，73(4):96-99.

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