接触功率传输系统的基本特性研究

无接触功率传输系统的基本特性研究

无接触功率传输系统的基本结构

感应电能传输系统(inductive power transfer system)是根据麦克斯维电磁场原理 ,通过松耦合变压器的初级线圈和次级线圈之间的电磁感应来传递能量的。能量传输框图如图2.1所示，以可分离变压器为分界点，能量传输框图由两大部分组成，变压器原边由交流电网输入，整流滤波成直流电，并经过功率因数校正，通过高频逆变给变压器原边绕组提供高频交流电流。通过原边绕组与副边绕组的感应电磁耦合将电能经过整流滤波和功率调节后提供给用电设备。变压器原、副边采用无线通讯的方式对能量变换进行检测和控制。可分离变压器的原边绕组和副边绕组是可分离的，这和开关电源中的变压器有很大的不同。此外，可分离变压器可以保持相对静止或运动的状态，适用于不同的应用场合。

图2.1 能量传输框图

无接触功率传输系统的设计准则

无接触功率传输系统采用可分离变压器实现能量传输，因此变压器的原边绕组与副边绕组之间有一段较长的空气磁路，漏磁很大，耦合系数较低，限制了能量传输的能力和效率。根据无接触功率传输系统的特性，设计准则[5]主要有：

1）提高可分离变压器的耦合系数。选取合适的变压器铁芯结构和绕组位置，可以提高可分离变压器的耦合系数，提高能量传输的能力。

2）采用谐振变换器作为无接触功率传输系统的功率变换器。为了给变压器原边绕组提供波形质量较好的交流电流，减少电磁干扰和电磁辐射，常采用谐振

变换器给可分离变压器的原边绕组提供正弦电流。

3）实现开关管的软开关。提高变换器的开关频率可以减小无接触功率传输系统的体积和重量，但是随着开关频率的不断提高，采取硬开关方式的功率变换器，其开关损耗将大大增高，影响了系统效率的提高，对电动汽车和磁浮列车等大功率充电场合，提高变换器的效率尤为重要。因此，为了实现高功率密度，高的能量传输效率，必须实现开关管的软开关，减小开关损耗。

4）提高变换器的输入功率因数。无接触功率传输系统要得到广泛的应用，必须实现高的输入功率因数，减小对电网的污染，采用功率因数校正变换器可以有效的减小谐波含量，提高功率因数。 系统的参数设计

在松耦合感应电能传输系统中,原副边电路的工作依赖性很大,原副边的电能传输关系由多个参数决定。并且,这些参数之间都存在着制约关系,电源电路的参数比较难确定。为此,本文对以下几个重要参数提出设计方案[6]。 2.3.1 耦合系数 k

耦合系数 k和2 个铁芯的材料、 相对位置以及气隙大小有关。在结构及其相关参数相同的情况下 ,输出相同的功率 ,耦合系数越高 ,对应的原边电流 Ip 越小,系统的电流应力越小。但是,松耦合变压器的耦合系数非常小,在实际应用中, k值要小于 0.1。然而,铁芯的相对位置和气隙是由应用对象来决定,因此,为了尽量提高耦合系数,在铁芯材料上应选择具有较小铁芯损耗、 较高的电阻率和饱和磁感应强度的高频导磁铁芯,例如超微晶软磁材料、 铁镍钼等。 2.3.2 补偿拓扑

松耦合感应电能传输系统中存在着较大的漏电感,这限制了其传输的有功功率,为了尽量减小系统消耗的无功功率,通常采用补偿容抗来平衡电路中的感抗。原边的补偿电容是为了平衡原边的漏感抗和副边的映射感抗,从而减小感应电源的视在功率,提高感应电源的功率因数。副边的补偿是为了减小副边的无功功率,增大感应电源的输出功率。根据布局的不同,补偿拓扑可分为串联补偿和并联补

偿(见图 2.2) 。

图2.2 原边、 副边的补偿电路

原边和副边采用何种补偿方式(共有 SS、 SP、 PP、 PS 4 种拓扑形式)分别与高频电源特性和应用对象有关。假设系统工作在谐振状态,当线圈电阻忽略不计时,串联补偿的副边输入端口近似等效于电压源,并联补偿的副边输入端口近似等效于电流源。在原边上,串联补偿时,串联电容上的电压降与原边的感抗压降相抵消,降低了高频电源的电压要求;并联补偿时,流过并联电容的电流补偿了原边绕组中电流的无功分量,从而降低了对高频电源的电流要求。 2.3.3 谐振频率

为了提高系统的输出功率和效率,松耦合感应电能系统的工作频率角ω0 应该等于副边的谐振角频率和原边的零相位角频率。当系统工作在谐振状态并且原副边参数不变时,工作频率ω0 越高, Zr 越大,此时,在满足足够的输出功率的情况下,较高的工作频率对应较小的原边电流。原边电流越小,系统的损耗越小,电流应力越小,因此松耦合感应电源适合工作在高频的条件下,根据实验经验,工作频率在10～50 kHz比较合适。图 2.3 为采用恒压源作为高频输入并且忽略线圈内阻的情况下,不同的谐振频率ω0 对 4 种拓扑结构的原边电流和输出功率的影响。

图2.3 谐振频率与输出功率和原边电流的关系

由图 2.3 可以看出,不同的谐振频率对 PS和 SP拓扑的输出功率影响不大 ,而SS和 PP 拓扑的输出功率随着谐振频率的增加而减小。谐振频率对 SP 拓扑的原边电流没有影响 ,但是 ,采用其它 3 个拓扑时 ,原边电流随着谐振频率的增加而减小。并且 ,在谐振频率相同的情况下 ,原边采用串联补偿拓扑结构的输出功率明显大于原边采用并联拓扑结构的输出功率。因此 ,当高频电源为恒压源时 ,原边适合采用串联补偿。 在 4 个补偿拓扑结构中 ,系统工作在不同谐振频率时对系统输出功率的影响有很大的区别。因此 ,应该根据所需要的功率选择合适的补偿拓扑和谐振频率 ,使系统在提供足够的输出功率的情况下 ,尽量减小系统的损耗 ,提高系统效率。

无接触功率传输系统电磁机构特性分析 2.4.1 无接触功率传输系统电磁机构概述

无接触功率传输电磁机构在无接触式功率传输系统中是非常关键的部分，通过它才能实现电能的无接触传输。无接触功率传输系统的电磁机构在原理上与常规变压器有相似之处，都是应用电磁感应原理实现电能从电磁机构的原边到副边的变换。常规变压器的磁路中气隙很小，其磁动势主要分布在铁芯磁路部分，而铁芯所具有的高磁导率决定了常规变压器磁阻较小，需要的励磁电流也较小。但在无接触功率传输系统中的电磁机构原副边是分离的，存在较大的空气介质，原副边处于松耦合状态，磁路中有较大气隙的空气磁路，磁动势中相当一部分消耗在空气磁路部分，使得无接触功率传输系统电磁机构漏磁较大，耦合系数不高。这种结构对无接触功率传输系统的传输效率和传输容量有着较大的影响。因此优化无接触功率传输系统电磁机构成为众多研究人员研究的重点内容。 2.4.2 无接触功率传输系统电磁机构分类及特点

无接触功率传输系统电磁机构作为无接触功率传输系统的关键机构，有多种不同的实现形式，但其共同的特点是原边线圈与副边线圈通过松耦合的形式来传递电磁能量。根据无接触功率传输系统电磁机构原边和副边的运动状态，可以无接触功率传输电磁机构分为三类:(1)静止式原边和副边保持静止；(2)滑动式原边和副边处于相对滑动状态，主要用于有轨电车，磁浮列车等交通运输领域。（3）旋转式利用电磁传输能量不受转速的影响，原边和副边保持旋转状态。

1、静止式无接触功率传输电磁机构

在某些场合，需要采用一种相对静止的无接触式供电方式，如对于人体内植式医疗电子设备，如各种电气设备的电池充电、各种小型家电手机、笔记本、PDA等无接触式供电等。这种电磁结构的共同点是原边、副边没有相对运动的场合。静止式无接触功率传输电磁机构目前常采用两种结构类型，一是用无铁芯的形式，另外一种是采用有铁芯的结构，这种结构通常是利用一个或者两个E型、U型[7]、C型磁芯进行无接触式电能传输。典型的静止式电磁耦合机构如图2.4

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