（电力电子与电力传动专业论文）非接触电能传输系统的研究.pdf

广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s f e rt e c h n o l o g yi san e wp o w e rt r a n s f e rt e c h n o l o g y , w h i c h c o m b i n e st h ep o w e re l e c t r o n i ce n e r g yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , m a g n e t i cc o u p l i n g t e c h n o l o g y , m o d e mc o n t r o lt h e o r y t h e r ei sn om e c h a n i c a lc o n t a c t ，a sar e s u l to ft h i s ，i t c a nr e d u c ed a m a g et ot h ee q u i p m e n t w i l ln o tr e s u l ti nt h es p a r k sw h i c he a s yt oi g n i t e o rd e t o n a t eo t h e r s ，e s p e c i a l l yf o r t h ep r o b l e mo fp o w e rs u p p l yf o rm o b i l ed e v i c e sw h i c h w o r ki nt h eh a r s he n v i r o n m e n t t r a n s p o r t a t i o n ，a e r o s p a c e ，r o b o t i c s ，m e d i c a le q u i p m e n t ， l i g h t i n g ，p o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t s ，m i n e sa n du n d e r w a t e ra p p l i c a t i o n sa n ds oo n ， h a v eaw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t i nt h i sp a p e r , ih a v ec a r r yo u tt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hf o rt h e c o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s f e rt e c h n o l o g y ，t h em a i nw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： 1 ，f i r s t l y , t h er e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d sa r ei n t r o d u c e d t h eb a s i cp r i n c i p l e a n dk e yt e c h n o l o g i e sa n a l y z e dl a t e r 2 ，t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fm o d e lo fl e a k a g em a g n e t i cf i e l d ，a n a l y z e da n d r e s e a r c h e dt h ep r i n c i p l eo fc h o i c ec o m p e n s a t i o nc a p a c i t o rf o rt h ev a r i o u sc o m p e n s a t i o n m o d e t h ee f f e c to ft h el o a dt ot h es y s t e mt r a n s f o r m e rt u r n sr a t i ow e r ea n a l y z e dw h e n d i f f e r e n tm e t h o d so fc o m p e n s a t i o nb ei m p l e m e n t e d 3 ，t h eh a r d s w i t c h i n gp w m m o d u l a t i o nt e c h n i q u e sa n ds o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g yh a v e b e e ni n t r o d u c e d a n a l y z e ds e v e r a lm a i ni n v e r t e rc o n v e r t e rt o p o l o g yc o m p a r a t i v ew h i c h a p p l i c a t i o no fc o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s f e rs y s t e m ，a n a l y z e dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f p h a s e - s h i f t e df u l l - b r i d g ec o n v e r t e rd e t a i l e da n di m p r o v e di t ai m p r o v e dr e s o n a n t c o n v e r t e ri sp r o p o s e da n di ti sb a s e do np h a s e - - s h i f t e df u l l - b r i d g ec o n v e r t e r , t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft h ec o n v e r t e ra r ea n a l y z e di nd e t a i l 4 ，a n a l y z e da n dd e s i g n e dt h em a i np a r a m e t e r so ft h em a i nc i r c u i t ，a n a l y z e dh o wt o c h o o s et h es t r u c t u r eo ft h el o o s e l yc o u p l e dt r a n s f o r m e r , d e s i g n e dt h em a i np a r a m e t e r s o ft h el o o s e l yc o u p l e dt r a n s f o r m e r 5 ，t h ec o n t r o lc i r c u i to ft h i ss y s t e mh a sb e e nd e s i g n e dw i t hg e n e r a l p u r p o s ed s pc h i p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2c o n t r o l l e ra n ds p e c i a l p u r p o s ec h i pu c 3 8 7 5r e s p e c t i v e l y 6 ，s t u d i e st h r o u g ht h es y s t e ms i m u l a t i o nf i r s t ，a f t e rt h es u c c e s so ft h es i m u l a t i o n ，m a d e ae x p e r i m e n t a l p r o t o t y p ep r o d u c t i o n w h i c hb a s e do nt h eu c 38 7 5 a n dd o n e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h n a b s t r a c t k e yw o r d s ：c o n t a c t l e s s ，p h a s e - s h i f t e df u l l - b r i d g e ，c o m p e n s a t i o n , t m s 3 2 0 f 2 81 2 ， u c 3 8 7 5 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 p 歹钐穆日 鸯如 a爹， 确居一 字 字 签 签 师 者 教 作 导 文 匕日 仑 指 论 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀下匕 人类对电能的利用已经有几百年的历史，电能的传输一直以金属导线为主， 任何电器都必需有一条电源线。随着社会经济的飞速前进，在社会、企业和家庭 中电气化设备日益增多，成为现代化生产和生活工具的主流。对于一些电气设备， 传统供电方式限制了它们在特殊场合的馈电，同时给安全供电和环境安全问题带 来了很大的影响。随着人们生活以及生产活动范围的扩大，人们迫切需要一种新 型的电能传输技术来满足新型电气设备及各种特殊条件下的供电需求。实现供电 系统和电器设备之间没有导体接触，解放电源线的束缚自然成为电能传输的重要 研究方之一。 电力电子技术是一门综合电力半导体器件、电力变换技术、现代电子技术、 自动控制技术等许多学科的交叉学科，电力电子技术的飞速发展，为电能传输的 研究提供了很好的基础。2 0 世纪9 0 年代，新西兰奥克兰大学的b o y s 教授及他领 导的课题组利用电磁感应原理，结合现代电力电子技术的最新发展成果和现代的 控制方法，提出了感应耦合电能传输( i n d u c t i v ec o u p l e dp o w e rt r a n s f e r ，简称i c p t ) 技术，并在此基础上形成了一种全新的电源供应模式即非接触式电源技术。非接 触电能传输技术打破了在化工、钻井、工矿、水下探测等特殊行业中的某些场合 下的电工设备馈电的限制，开拓了如在电动汽车、高速磁悬浮列车馈电以及在生 物医学、家用电器等方面的应用 1 1 2 1 1 3 。 1 2 国内外研究和应用现状 1 2 1 国外研究和应用现状 国外对无线电能传输技术的研究较早，早在2 0 世纪7 0 年代中期就出现了无 线电动牙刷，随后发布了几项有关这类设备的美国专利。2 0 世纪8 0 年代提出了长 距离感应电能传输的新方法【8 】，2 0 世纪9 0 年代初期，新西兰奥克兰大学电子与电 气工程系功率电子学研究中心自开始对i c p t 技术进行研究，经过十多年的努力， 该技术在理论和实践上已经获得重大突破【一】【5 】【司【7 】。研究主要集中在给移动设备，特 广东工业大学硕士学位论文 别是在恶劣环境下的供电问题，如电动汽车、起重机、手提充电器、电梯、传送 带、运货行车，以及水下、井下设备。其能量等级、距离、效率等指标都在不断 提高，目前实用设备己达2 0 0 k w ，数千米的传输距离和8 5 的以上的传输效率。 1 9 9 5 年1 月，美国汽车工程协会根据m a g n e c h a r g e t m 系统的设计，制订了在美国 使用非接触感应电能传输技术进行电动汽车充电的统一标准s a e j 1 7 7 3 。 现在，日本、新西兰、德国、美国、以色列等很多国家都已经开始对i c p t 技 术进行研究并取得了巨大的成果，改技术已经有了很多的商业化应用： 日本大阪幅库( d a i f u k u ) 公司的单轨型车和无电瓶自动运货车 5 1 1 9 ，2 0 0 3 年在 日本千叶县电子展上a k k 公司现场演示了以非接触方式为干电池型充电电池和手 机充电的情形；新西兰奥克兰大学所属奇思( u n i s e r v i c e s ) 公司成功地开发了两 项i c p t ( 新型感应能量传输技术) 的实用项目：高速公路发光分道猫眼系统和新西 兰r o t o r t m 国家地热公园的3 0 k w 旅客电动运输车；德国奥姆富尔( w a m p e l e r ) 公司的载人电动列车也已试车成功，该公司还成功地将这种新型无接触能量传输 技术用于电动游船的水下驱动；美国通用汽车公司推出的e v l 型电车非接触感应 充电系统也备受世人瞩目；2 0 0 7 年2 月，苹果公司提出了关于非接触式充电器( 面 向该公司的i p o d 及i p h o n e 等) 的专利。从2 0 0 7 年第二季度开始，欧洲市场上开 始推出手机“非接触式充电系统”。这种系统所采用的技术，在充电器与终端之间不 需要通过金属端口连接，并且在几毫米间隔的条件下就可以充电。摩托罗拉公司 目前也正在开发采用这种技术的手机。在2 0 0 7 年全球最大的消费类电子展c e s ( c o n s u m e re l e c t r o n i c ss h o w ) 上，f u l t o ni n n o v a t i o n 公司的e c o u p l e d 技术，它可 以用无线方式传输电能和数据信息。e c o u p l e d 技术可以使电器在没有电线连接的 情况下正常使用或充电。e c o u p l e d 通过供电设备和用电设备之间共享电磁场来传 输电能，与电磁感应式传导系统相比，e c o u p l e d 在空间位置，负载和能量损失方 面都有了非常大的改进。它可以为多个设备充电，同时对设备的摆放位置和姿势 也没有苛刻的要求；电能损失率在2 左右，足可以达到电线传输的要求；以色列 p o w e r m a t 公司日前宣布成功研制出被称为“电源垫”的无线电源，它用电磁波传输 电力，取代电源线和插座。该无线电源的电磁波发射基座仅几毫米厚，可放在桌 上或挂在墙上，附近装有接受器的电器可获得电力。其无线传输功率达10 0 w ，可 同时方便地为小电视、电脑等数个小电器供电。它还能根据电器工作状态自动把 电磁辐射调整到最低【3 9 】。 2 第一章绪论 除了以上叙述的例子外，还有许多文献提到电动汽车的感应充电，以及在生 物医学、工矿钻井、水下作业等领域中的应用。 1 2 2 国内研究和应用现状 i c p t 技术在国内还刚刚起步，西安石油学院的李宏在2 0 0 1 年第2 期的电气 传动上发表了一篇相关的综述性文章。近年中科院院士严陆光和西安交通大学 的王兆安等人也开始对该新型电能接入技术进行了研究，并在国内杂志上发表了 几篇文章。重庆大学自动化学院非接触电能传输技术研发课题组自2 0 0 1 年便开始 了对国内外非接触式电能接入技术相关基础理论与实用技术的密切跟踪和研究， 并与国际上在该领域研发工作处于领先水平的新西兰奥克兰大学波依斯( p r o b o y s ) 教授为首的课题组核心成员p a t r i c ka i g u oh u ( 呼爱国) 博士进行了深层次 的学术交流与科技合作，在理论和技术成果上有了较大的突破。2 0 0 7 年2 月，课 题组攻克了非接触感应供电的关键技术难题，建立了完整的理论体系，并研制出 了非接触电能传输装置，该装置能够实现6 0 0 至1 0 0 0 w 的电能输出，传输效率为 7 0 ，并且能够向多个用电设备同时供电，即使用电设备频繁增减，也不会影响其 供电的稳定性。 目前国内主要的研究方向集中在系统谐振频率及原副边的补偿电路拓扑等方 面，基本上都还处在理论领域进行研究，在应用领域最近两年才有所突破，但都 还停留在实验室阶段。 1 3 非接触电能传输技术的关键技术 1 3 1 非接触电能传输系统的基本原理 非接触电能传输技术作为一种新颖的电源技术，电磁感应原理与变压器理论 为无接触式电源提供了理论依据。非接触电能传输系统基本结构如图1 1 所示，由 独立的初级系统和次级系统两部分组成。初级系统与市电连接，次级系统与负载 相连。初级与次级间通过非接触的松耦合变压器的感应电磁耦合来传递能量。通 常情况下，一个能量发射机构能同时向多个能量接收机构传送电能，从而为多个 负载同时供电。 3 广东t 业大学硕士学位论文 交流输入初级变换 初级补偿 m 次级补偿负载网络 图1 - 1 非接触电能传输系统结构图 f i gl lf u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mf o rc o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s f e rs y s t e m 对于非接触电能传输系统，松耦合变压器的设计要根据具体的用途不同而不 同，能量发射线圈也可采用多匝线圈或单匝线圈( 能量发射导轨) 的形式，在实 践中根据非接触式感应充电或移动电气设备的供电需要而灵活运用。非接触电能 传输技术利用通过空气段磁路的电磁耦合来向负载传送电能，该方法充分用到了 现代电力电子能量变换技术以及现代化的控制手段，如高频谐振逆变技术、软开 关技术、单片微机控制技术等。 1 3 2 功率补偿与变压器设计 非接触电能传输系统中的电磁耦合属于松耦合，松耦合系统与传统的变压器 和感应电机等紧密耦合不同的是，松耦合系统初次级间存在着一个较大的气隙， 漏感较大，系统的传输能力很有限。解决这个问题的有效办法有：提高系统频率， 在初级和次级加入补偿电路，改进变压器结构。 松耦合变压器耦合系数很小，为提高能量的传输效率而提高系统频率，但频 率受到电力电子功率器件及控制技术的限制。近年，随着电力电子技术的飞速发 展，系统频率已经可以达到m 以上级别。由于漏感很大，在高频下，功率因数变 得很低。现有的解决方法一般就是在原副边加补偿电容。有串联补偿，并联补偿 及串并联补偿等。文章的第二章对系统的补偿进行了详细的研究与分析。 改进变压器结构，提高耦合系数，是提高系统传输效率的最好方法，目前已 经有很多文章进行了相关的研究。张峰，王慧贞在非接触感应能量传输系统中 松耦合变压器的研究一文中，对影响系统功率传输能力的耦合系数进行了研究。 并通过a n s y s 仿真软件进行了仿真，选取耦合系数较高绕线方式进行了实验研究 并进行了实验数据测定。韩亚荣等人的非接触式电能传输系统的松耦合变压器 特性分析分析了松耦合变压器的特点，利用有限元模型分析了铁芯材料、线圈 位置、气隙大小对变压器耦合系数的影响 1 0 1 。 4 第一章绪论 1 3 3 谐振逆变技术与软开关技术 如前所述，提高发射线圈中的交变电流频率是提高系统的能量传输效率的有 效途径之一。自从2 0 世纪8 0 年代起，随着大功率电力电子开关器件的发展，采 用大功率半导体的谐振逆变器也逐步得到了应用。由于现代功率半导体器件的开 关过渡时间( 开通瞬间和关断瞬间) 在毫秒到纳秒级，因此变换器电路中的寄生 电感和寄生电容在开关过渡过程中总是要起作用。当变换器开关的过渡过程只受 外部的寄生成分影响时，这种开关被称为硬开关。借助于附加的电感和电容来延 缓开通和关断过程，这就是缓冲电路的作用。在开关过渡过程中，为了减小开关 的应力而使储存的电磁能量增大，从而造成在每一个开关过渡过程中储存的电磁 能量在下一个循环中不能比较经济地消耗掉，这就产生了馈能型缓冲电路技术。 当储存在电磁元件中的能量进一步增加的时候，可以在电路中观察到明显的谐振 现象，这就导致了谐振变换器技术的产生。谐振开关技术为提高半导体器件的开 关频率和降低开关损耗提供了有效的解决途径，从理论上来讲，采用谐振开关技 术将使功率器件的开关损耗降低到零，从而开关频率的选取将不再受到限制。在 目前的实际应用中，2 0 m h z 等级的谐振开关电源技术已经比较成熟，更高频率等 级的谐振开关电源也处于不断的发展之中。逆变器电路型式多种多样，按电路结 构可分为全桥、半桥和非桥式等；按负载特点可分为谐振式和非谐振式。根据非 接触电能传输系统中的特殊负载情况，即较大的线路阻抗将影响逆变器的输出效 率，所以必须在负载中添加电容进行无功补偿，以提高传输效率。虽然半桥逆变 电路使用的器件较少，但其输出幅值仅为u 2 ，将会限制开关器件功率容量的发挥， 而且需要分压电容器，故很少采用。为了提高逆变器的功率密度，增加电磁感应 的耦合系数，提高电流频率是非接触式电能传输系统的必然选择。然而，实践证 明，高频化会产生各种新的问题，如过高的d u d t 、d i d t 将产生严重的电磁干扰 ( e m i ) ，开关损耗随开关频率正比上升，无源器件的损耗增大等。为了既能有效地 抑制电磁干扰、降低开关损耗、提高能量传输效率与能量密度，又能较好地对电 流电压波形进行预测，提高系统的可控性与稳定性，因此，应用于非接触电能传 输系统中的逆变器拓扑结构采用全桥谐振式逆变器结构。 5 广东1 = 业大学硕士学位论文 1 4 研究意义与内容 新型非接触电能传输避免了传统接触式供电的接点随着时间的增长老化而导 致接触不良，由于其没有电气连接，在水中等特殊场合可避免因传统接线式电源 供应导致漏电短路故障，也可避免在加油站或矿厂等特殊场所因传统式接触供电 而引起安全事故。非接触电能传输技术打破了在化工、钻井、工矿、水下探测等 特殊行业中的某些场所下的电工设备馈电的限制，开拓了如在电动汽车、高速磁 悬浮列车馈电以及在生物医学、家用电器等方面的应用。该系统的研究必将导致 大量新的研究领域的出现和产生新的经济增长点，使电能的应用范围更为广阔。 因此，该系统的研究不仅有重要的科学意义，而且有很大的使用价值和广阔的应 用前景，创造巨大的经济和社会效益。 本文在继承前人工作的基础上，对非接触电能传输技术进行了研究，主要研 究内容如下： 1 、介绍了无接触电能传输技术的国内外研究及应用现状，阐述了非接触电能 传输系统的基本原理及关键技术。 2 、通过建立漏感模型，从系统能量传输效率的角度分析了系统补偿网络参数 的选择原则，利用m a t l a b 对各种补偿方式时负载大小对能量传输效率的影 响进行了分析。 3 、对非接触电能传输系统的主变换器进行了详细的分析，提出了一种基于移 相全桥控制的改进型谐振变换器。 4 、对系统主电路的主要参数进行了设计。 5 、利用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 对系统控制电路的软、硬件进行了设计，利 用专用控制芯片u c 3 8 7 5 对系统控制电路进行了设计。 6 、利用s i m u l i n k 建立了系统的仿真模型，对系统进行了仿真研究，最后制作 了实验样机，进行了实验研究。 6 第二章系统的补偿研究 第二章系统的补偿研究 u m 田r 图2 - 1松耦合变压器等效电感电路模型 f i g2 - 1e q u i v m e mi n d u c t a n c ec i r c u i tm o d e lf o rl o o s e l yc o u p l e dt r a n s f o r m e r 当无任何补偿时，松耦合变压器的等效电感电路模型如图2 1 所昶- 】： 图2 - 2 松耦合变压器无补偿漏感模型电路原理图 f i g2 - 2l e a ki n d u c t a n c em o d e lf o rn oc o m p e n s a t i o nl o o s e l yc o u p l e dt r a n s f o r m e r r l ，r 2 分别为初、次级线圈内阻，l l ，l 2 分别为初、次级电感，r 为负载等 效电阻。由于松耦合变压器的初、次级耦合为大间隙耦合，所以漏感特别大，在 实际应用中必须考虑，松耦合变压器漏感模型如图2 2 所示【1 2 】【1 3 】。l l s ，l 2 s 分别为 7 广东工业大学硕士学位论文 初、次级的漏感，l m 为变压器实际励磁电感，定义k 为变压器耦合系数，设变压 器匝数比为n ，则有公式： 厶s = ( 1 一k ) l a( 2 1 ) l 2 s = 1 2 ( 1 一k ) l 2 = 厶s ( 2 2 ) k = 弛 ( 2 3 ) 设无线电能传输系统的系统频率为c o ，线圈内阻r l ，r 2 的值很小，为了便于分析， 忽略电感内阻，则阻抗z l ，z 2 ，z m 可以表示为： z l = j o o l ! s = ( 1 一k ) 厶 ( 2 4 ) z 2 = j c o l 2 s = j c o ( 1 一k ) n 2 l 2 = j 0 9 ( 1 一k ) 厶 ( 2 5 ) z m = j m l 。= j o o r ( 2 6 ) 如图3 - 2 所示，u 为电源电压，v 为输出电压，i p 为输入电流，i 为输出电流，p l 为输入功率，p o 为输出功率。则无线电能传输系统的功率因素允可以表示成f 1 4 】： a = e o = v i u i 了= i ( 糍 尸 i ( z 2 + r 】ij z ，+ z 1 ( 2 7 ) 松耦合变压器由于是间隙耦合，k 值很小，由式( 2 4 ) ，( 2 5 ) ，( 2 6 ) ，( 2 7 ) 显 然可见，由于大漏感l l s ，l 2 s 的存在，使得z l ，z 2 的值很大，从而使系统的功率 因数九很低，即系统能量传输效率很低。为了提高系统的传输效率，在松耦合变压 器的初，次级连接合适的补偿网络，使得系统的传输得以提高。下面将对各种补 偿网络进行分析。 2 1 单边补偿 单边补偿即只在系统的某一端添加补偿网络。单边补偿主要有初级串联补偿 ( p s ) ，初级并联补偿( p p ) ，次级串联补偿( s s ) ，次级并联补偿( s p ) ，各种补偿方 式由于连接方式不同，其元件参数的选择，对系统的影响，带负载能力都有不同， 下面将对各种补偿方式进行对比分析。 8 第二章系统的补偿研究 2 1 1 补偿网络参数的选择 各种补偿网络其实就是在变压器线圈两端连接合适的电容，为便于研究，在 下面的各种补偿拓扑分析中，设定系统工作于频率c o 不变。 初级串联补偿( p s ) 的漏感等效电路模型如图2 3 所示： u f i g2 - 3e q u i v a l e n tl e a ki n d u c t a n c em o d e lf o rp sl o o s e l yc o u p l e d t r a n s f o r m e r c l 为在初级线圈回路上串联的补偿电容，则阻抗z l ，z 2 ，z m 可以表示为： 五= 鸣s + 志= 似帼厶( ，一赤 q 固 z 2 = j c o l 2 s = j r o ( 1 - k ) n 2 l 2 = j o d ( 1 - k ) l a ( 2 9 ) 乙= j r o l , , = j r o k & ( 2 1 0 ) 将式( 3 8 ) ，( 3 9 ) ，( 3 1 0 ) 代入式( 3 7 ) p - j 得： 九钏 1 + ( 1 一划降歹华斟歹华卜州壶一，赤 ) - l i ( 2 1 1 ) 将式( 2 1 ) ，( 2 2 ) 代入式( 2 1 1 ) 可得，当= 击时，| ；l 取得最大值，即系统的能量 、工1 s 。l 传输效率最高。综上可得，初级串联补偿时，要使系统的传输效率最高，补偿电 容c l 的取值应满足c 1 = 。 叫l l o 9 广东工业大学硕上学位论文 l l s1 2 sl 1 s地s晓l 1 s配s rr 图2 4 单边补偿漏感等效电路模型 f i g2 - 4e q u i v a l e n tl e a ki n d u c t a n c ec i r c u i tm o d e lf o rs i n g l ec o m p e n s a t i o n r 初级并联补偿( p p ) ，次级串联补偿( s s ) ，次级并联补偿( s p ) 的漏感等效电路 模型如图2 4 所示，c l 、c 2 分别为初级和次级的补偿电阻，采用与初级串联补偿 相同的分析方法可得三种单边补偿方式的补偿网络参数选择如表2 1 所示。 表2 - 1单边补偿补偿网络参数的选取 t a b l e2 - 1c i r c u i tp a r a m e t e rf o rs i n g l e - c o m p e n s a t i o nt o p o l o g i e s 补偿方式 p ps ss p 电容值 厶o c 2 一l 1 。 g = 忐一l ，o 当补偿网络参数选择为上述值时，采用初级串联补偿( p s ) 模式时，补偿电 容与漏感发生谐振，分析式2 8 可以得出，发生谐振时z l 值为零，消除在阻抗z 1 上消耗的大量无功功率，从而提高了初级系统的功率因数，改善了对输入电源的 视在功率的要求，降低原边开关管的电压应力。同样分析可得，当采用初级并联 补偿( p p ) 模式时，电容电流补偿了原边绕组中的电流，从而降低了开关管以及电源 的电流定额，从而提高了初级系统的功率因数，改善了对输入电源的视在功率的 要求，降低原边开关管的电流应力。 当采用次级串联补偿( s s ) 模式，在选择补偿网络参数如表2 1 所示时，补偿电 容与漏感发生谐振，z 2 的值为零，次级阻抗为纯阻性，这时反映到初级侧的阻抗 也为纯阻性，初级设计时不必考虑次级对初级阻抗相角的影响。初级传输到次级 的功率完全被输出电阻获得，从而大大提高输出了功率。当采用次级并联补偿( s p ) 模式时，次级反映到初级的阻抗不再是纯阻性的，为使得原边阻抗相角为零，在 原边设计时，得考虑次级的反映阻抗的容、感性。 l o 第二章系统的补偿研究 2 1 2 带负载能力分析 当系统工作在谐振状态下时，上面四种补偿方式的系统能量传输功率因素允与 负载r 的关系式分别如表2 2 所示，利用m a t l a b 对四种补偿进行了仿真分析， 分析中，l = 6 ，取k 等于0 5 ，0 8 分别得到曲线图如图2 5 a 和b 所示，从图中可 以看出，当r 很小，即大负载时，各种补偿方式的能量传输效率随着r 的增大而 增大。r 大于5 后，当采用p p 补偿模式时，随着r 的变化，a 变化率最小，其他 三种补偿方式九随着r 的增大而减小。从上面曲线的变化不难看出，当采用初级 表2 - 2 单边补偿等效负载电阻与功率因数关系 t a b l e2 2e f f e c to fr la n dp o w e rf a c t o rf o rs i n g l e c o m p e n s a t i o nt o p o l o g i e s p s a = k 1 + ( 厶r ) 2 0 一k ) 2 1 + ( 叫厶) 2 叫 p p a = k 眦2 + ( 4 r ) 2 ( 1 一k ) 2 ( 1 r 一1 0 2 ( 叫厶) 2 ( 叫( 1 一k ) ) 2 括 ) _ s s a = k 1 k 2 + ( 厶犬) 2 ( 1 一k ) 2 ( 叫厶) 2 埘 ) - s p a = k 牝r ) 2 ( 1 r k ) 2 + 1 1 + ( 叫厶) 2 ( 叫( 1 一k ) ) 2 旷 功 塞 因 数 等效负载电阻 a k - - 0 5 功 室 因 数 等效负载电阻 b k = 0 8 图2 5 等效负载电阻与功率因数关系曲线图 f i g2 - 5c u r v ec h a r to fe f f e c to fr la n dp o w e rf a c t o rf o rs i n g l e - c o m p e n s a t i o n 广东工业大学硕士学位论文 并联补偿时负载对系统传输效率影响最小。其他几种补偿方式在小负载时的传输 效率很低。 2 2 双边补偿 单边补偿只能提高原边或副边的效率，根据单边补偿的原理，对初次极都进 行补偿，可以大大提高系统的传输效率。根据上面单边补偿的分析，在双边补偿 系统中，不同的次极补偿方式将对初级将产生不同的影响，所以在双边补偿系统 中，补偿电容的选择也相应的有所改变。下面用跟单边相同的分析方法，对四种 双边补偿方式进行分析。 2 2 1 补偿网络参数的选择 l l ，l 2 分别为初次极线圈电感，c 1 ，c 2 分别为初次极补偿电容，为便于分析， 设非接触电能传输系统的初次级线圈比为1 ，忽略初次级线圈电阻，根据公式( 2 1 ) ， ( 2 2 ) ，( 2 3 ) 口- i 得出系统的四种补偿漏感模型，如图2 - 6 所示： c ll 1 sl 2 8c 2c 1l 1 sl 2 5 乱p s s s l 1 sl 2 8c 2 c p p s s r r b p s s p l 1 8l 2 8 r 珏卫r d p p s p 图2 - 6 双边补偿漏感等效电路模型 f i g2 - 6e q u i v a l e n tl e a ki n d u c t a n c ec i r c u i tm o d e l sf o rm u l t i - c o m p e n s a t i o n 图2 - 6 中l l s ，l 2 s 分别为初次级漏电感，假定系统依然工作与固定频率不 1 2 第二章系统的补偿研究 偿方式的能量传输效率表达式分别如式( 2 1 2 ) ，( 2 1 3 ) ，( 2 1 4 ) ，( 2 1 5 ) 所示。 a 粥嚣2 鲁= 七2 1 + 兰i 鱼二二鱼羔乌掣 ，。2 。2 ， i o - - c 1 t 。2 l 2 s + 一j 例旷 k 鲁= k 2 c l c 0 2 l 2 s ( 譬学2 + ( c 1 ( - ，0 2 l 2 $ _ 1 户l 3 ， ，+ 锚畿 _ k = 钏击+ ( 掣m 掣) 2 ( c l c 0 2 l 2 s - 1 ) 2 + ( 志) 2 1 和p o = k o _ k ) c = o 。4 t 2 s 2 l ( 华 2 + c 1 0 ) 2 l 2 $ - 1 - k ) c 。2 三：s ( 1 一k ) 2 + ( 丢 2 ( 1 一c 。2 三：s ) 2 ) 1 l 2 s = 1 1 2 ( 1 一k ) l 2 = 三1 s = ( 1 - k ) l l = ( 1 一k ) l 2 ( 2 1 6 ) 广东工业大学硕士学位论文 表2 3 双边补偿补偿网络参数的选取 t a b l e2 3c i r c u i tp a r a m e t e r sf o rm u l t i - c o m p e n s a t i o nt o p o l o g i e s 补偿 p s s sp s s pp p s s p p s p 方式 c l ，1 1 c l - 以sa 髫) ，1 1 g 2 z 厶s a k ：) c r 2 厶s 乙1 _ 2 厶s c 2 q ( _ o l ，o c 2 一厶，oc 2 = 厶c c 2 = 。厶o 2 2 2 带负载能力分析 当系统补偿网络参数选择如表2 3 所示时，各种补偿方式时系统功率因数a 与负载r 的关系式如表2 4 所示，利用m a t l a b 对四种补偿进行仿真分析，取k 等于o 5 ，o 8 分别得到系统功率因数允与负载r 的关系曲线图如图2 7 ，从图2 7 中可以看出，当r 很小时，即大负载时，p s s s ，p p s s 的功率因数a 值较大，随着 r 值增大，p s s s ，p p s s 补偿模式的功率因数值减小，当r 大于5 后，四种补偿方 式的九都呈衰减趋势，并且变化率基本相同。图2 5 和图2 7 对比可以看出，同k 值，同r 值时，对于大负载来说，与单边补偿相比，双边补偿a 更大，即传输效 率要高。 表2 - 4 双边补偿等效负载电阻与功率因数关系 t a b l e2 4e f f e c to fr la n dp o w e rf a c t o rf o rm u l t i - c o m p e n s a t i o nt o p o l o g i e s p s s s 允= k k 2 + ( 刈厶) 2 一v 2 p s s p a = 趸2 ( 1 - k 2 ) 只) 2 ( 叫( ，+ k ) ) 2 + ( x 2 ( ，名) ) 2 ，+ ( 则训叫2 p p s s 旯= x 1 k 2 + ( 厶尺) 2 ( 1 一k ) 2 ( 叫厶) 2 k o 一必) 矿2 a = 衫 ( 1 - k 2 ) ( + k ) ( 厶r ) 2 ( 1 k ) 2 + ( 1 ( k 。) 一( 1 一k ) k ) 2 p p s p ( k 2 一k 3 ) ( + k ) + ( r 三，) 2 ( k 3 ( 一k ) ) 2 ) 叫2 1 4 第二章系统的补偿研究 功 率 冈 数 负载等效电阻 氖k = 0 8 功 率 因 数 负载等效电阻 b k = 0 5 图2 7 双边补偿等效负载电阻与功率因数关系曲线图 f i g2 - 7c u r v ec h a r to fe f f e c to fr la n dp o w e rf a c t o rf o rm u l t i - c o m p e n s a t i o n 2 3 本章小结 变压器的松耦合联结必然带来一系列的不足，添加补偿网络是解决这些问题 的一个有效方法，本文通过建立漏感模型，对各种补偿方式的补偿拓扑行了理论 分析与研究，得出了各种补偿方式时补偿网络参数的选择原则，并用m a t l a b 对系 统补偿网络进行了仿真，对不同补偿方式时负载对系统传输效率的影响进行了仿 真分析。 经过适当的补偿之后，实现了以下几个目标： ( 1 ) 变换器的功率传输能力和系统效率有了较大幅度的提高，损耗有所降低。 ( 2 ) 变换器原边开关管的电压电流应力都有所降低，适当的控制条件下变换器 很容易地实现了软开关，为变换器大功率的实现提供了前提条件。 1 5 广东工业大学硕士学位论文 第三章系统主变换器的分析与设计 3 1 脉宽调制技术 非接触电能传输技术有着很多的优点，但是由于非接触供电系统中原边能量 发射线圈与拾取线圈间是疏松的磁耦合，增加了电路设计的复杂性。因此，设计 时比传统的电源设计面临着更大的困难，对功率开关半导体器件、控制方法及理 论都有着很高的要求。 现在变流技术已经有了巨大的发展，当今基本电路的逆变频率已从早期的几 十赫兹几千赫兹提高到几十千赫兹几百千赫兹，功率开关半导体器件制造技术 也有了很大进步，尤其是高压、大电流、高频三者场控器件的开发成功，为简化 逆变主电路，提高逆变器的性能以及高频脉宽调制( p w m ) 技术的广泛应用奠定了 基础。随着功率开关半导体器件制造技术的进步和变流技术的发展，使得基于电 磁耦合原理实现非接触电能传输成为可能。 3 1 1 脉宽调制硬开关技术 2 0 世纪5 0 年代，脉宽调锋j u ( p w m ) 开关技术开始出现，脉宽调制开关技术的提 出揭开了逆变技术发展的序幕。p w m 开关技术以其电路简单，控制方便而获得广 泛的应用。一般来说，所谓p w m ( p u l s e w i d t h - m o d u l a t i o n ) 技术是指在开关变换过 程中保持开关频率恒定但通过改变开关导通时间的长短( 即脉冲宽度) ，使得当负载 变化时，负载上的电压输出变化不大的方法。脉宽调制技术经过6 0 年代的成长期、 7 0 年代的发展期和8 0 年代的成熟期，目前已经获得了广泛的应用。 脉宽调s u ( p w m ) 技术是以中断功率流通和控制占空比的方法来变换功率的， 而功率开关管的开通或关断常常是在器件上的电压和电流不等于零的状态下强迫 进行的，即我们所说的“硬开关 。由于开关元件的非理想性，其状态变化需要一 个过程，即开关元件上的电压和电流不能突变，因此，电压和电流在变化过程中 产生了交叉重叠，导致了开关元件的开关损耗。功率开关管硬开关开通与关断过 程示意图如图3 1 所示。 1 6 第三章系统主变换器的分析与设计 l “ x ，】 r r 厂、 以 z f 0 p t 0 z八 ： 7 ， 1 别 。 ! 个 f 1 ) 硬开关的开通过程 b ) 硬开关的关断过程 图3 - 1 硬开关的开关过程 f i g3 - 1o n o f fp r o c e s so fh a r ds w i t c h 由图3 1 我们不难看出，在开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行； 关断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的叠加致使器件的开通 损耗和关断损耗随开关频率的提高而增加。电路中难免存在感性元件，如变压器 的漏感、连线电感等寄生电感或实体电感，在高频状态下，开关器件关断，当通 过该感性元件的电流较大时，感应出的高尖峰电压加在开关器件的两端，易造成 电压击穿。当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容中的能量 将全部耗散在该开关器件内，使开关器件过热而损坏。硬开关的这些缺陷，使得 p w m 开