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新型无接触供电系统的研究 设备无接触馈电需求的增长，这种新型的能量传递技术正逐步兴起，并逐渐发 展出分离式、移动式和旋转式三大感应耦合能量传输系统。 1 1 2 国内外研究进展 新型无接触供电系统的研究应用涉及领域广泛，传输功率相差较大，小到 用于生物移植的几十毫瓦、小型设备的几十瓦功率，人到电动汽车或运动机器 人的上千瓦功率以及磁悬浮列车应用的上兆瓦功率。下面，将按照传输功率的 大小对无接触供电系统的应用进行介绍。 1 1 2 1 小功率应用 1 、生物医学上的应用 随着科技的发展和进步，科学家逐渐研制出各种电子设备来弥补人身体的 缺陷，例如：人造器官，肾脏，肝脏，心脏；对下肢麻痹的人进行肌肉刺激， 刺激神经系统柬控制帕金森症，镇痛，人造眼，耳蜗移植，助听器，心脏起搏 器等等。所有这些系统的共同点，就是需要由置于体外的电池组给移植在体内 的设备进行供电。完成这一供电可以有两种方式：穿透皮肤( 导线穿过皮肽连 接电源和负载) 和穿过皮肤( 利用变压器作为无接触功率传输环节，皮肤没有 损伤) 。这种无接触式电能传输大大改善了作移植手术病人的生活质量，因为这 种方式更为舒适，而且没有感染的危险。这些系统通过在病人皮肤下植入电路， 由戴在病人腰间的感应耦合装置透过皮肤向体内进行能量传递，丌辟了新型的 损伤性较小的医疗天地。 国外对该技术的研究较早。最先研究的感应电能传输环节始于2 0 世纪6 0 年代，主要用于听觉修复系统和人工心脏系统的供电。这一环节基本上是围绕 疏松耦合变压器构造的一个直流直流( d c d c ) 变换器。能量通过无接触的变压 器进行传输：次级绕组置于体内，初级绕组置于体外、次级绕组的上方。高频 线圈驱动器给初级线圈注入交流大电流，产生交变磁通。这些磁通部分与次级 线圈相铰链，在次级中感应电流。经过整流后，次级边电压调节器保证在耦台 系数或功耗变化的情况下，输出电压保持恒定。科学家已利用这项技术在动物 体内进行移植实验，安全传输功率达1 5 0 w 3 6 1 。而且，经过长期的观察，变换 器产生的磁场对生物组织没有明显的负面影响。 新型无接触供电系统在生物医学上应用的主要特点有： ( 1 ) 可靠性要求很高。因为半的电源通过外科手术植入人体内，如果出 第一章绪论 现问题，很难改变。另一方面，移植本身必须始终正常工作，当初、次级之间 的耦合发生变化时，变换器必须能提供足够的电压。 ( 2 ) 所用材料与生物体需兼容。人体内不能使用铁或铜，除非它们被封装 在由生物兼容性材料( 陶瓷，钛等) 制作的盒内，从而次级绕组必须采用黄金、 白金或一些合金来制作。这些材料的电阻率通常都比铜高，因此会带来更多的 欧姆损耗。 ( 3 ) 电源功率通常很低，最高4 0 5 0 w ，可以低至5 一1 5 r o w 。 ( 4 ) 初、次级由皮肤和人体组织分隔开，间距取决于人造器官的位置 ( 1 2 0 m m ) 。 ( 5 ) 出于耦合装置的放置以及病人皮肤的厚度不同，系统的电力电子驱动 设备必须能经受耦合参数的变化。 2 、小型电气设备充电器 无接触供电适于一些小电器，例如电动剃须刀、电动牙刷。这些器具经常 会在潮湿的环境下使用，电气连接的存在可能会导致事故。无接触的电能传递 使充电过程中没有裸漏导体，从而将大大提高电器的可靠性和安全性。早在2 0 f c 纪7 0 年代中期就出现了电动牙刷，随后发表了几项有关这类设备的美国专利 【6 ，7 1 。如图1 2 所示，当牙刷不用时，杯型底座通过电磁感应给牙刷中的电池充 电。虽然传递的功率比较低，但感应耦合技术极好地满足了这种应用。近来随 着移动电话的出现，这一技术正被研究用于手机电池的无接触供电。文献 2 8 1 介绍通过将初、次级绕组分别印制在两块印刷电路板上，从而可使手机的厚度、 大小和重量大大减小。 此类设备无接触供电的方案为：初级绕组和高频电源放置在充电器中，充 电器可以与普通的电压线相连，次级绕组与整流器和电池置于设备中，充电器 和电气设备都由塑料盒子封装。当把设备放进充电器时，初、次级绕组相互对 正，充电过程开始。这类无接触供电应用的共同点是：( 1 ) 体积小、重量轻、 可靠性高：( 2 ) 可以控制电池充电，保证充电正常、安全。 新型无接触供电系统的研究 图l 一2 电动牙刷示意图 3 、其它 无接触供电系统由于其供电的灵活性，显示出较强的研究应用的潜能。如 图1 3 所示，文献【1 7 1 提出了“飞机座位上的无接触供电系统”。该系统可用于给 每个座位旁的娱乐设施提供能量，每个单元大约消耗5 0 w 能量。密封的初级供 电线圈嵌入乘客机舱的地板，座位上采用次级感应耦合能量接收线圈。在频率 为2 8 k h z 时通过感应耦合界面进行能量传递，传输效率为5 2 。这种电能传输 装置易拆开，易装上，使座位在飞机内可以灵活的移动，同时提高了系统的安 全性、可靠性和舒适度。 图1 3 采用无接触能量传输方式供电的飞机乘客娱乐系统构造及位置 1 1 0 2 大功率应用 功率开关器件和高性能磁性材料的诞生使得开关速度、大小及功率变换器 的效率得到显著的改进，也使得无接触电能传输的功率远远超过了那些小型的 像电动牙刷充电器类应用所需的传输功率，一些应用研究已在积极进行中。 第一章绪论 1 、交通运输工具 目前，国外有许多科研院所和公司从事此项技术的研究，对该技术进行研 究和产品化的功率级别在几个千瓦到几百个千瓦之间，比较有代表性的是新西 兰奥克兰大学电子与电气工程系功率电子学研究中心，从2 0 世纪9 0 年代初丌 始的研究 5 。经过十多年的努力，该技术在理论和实践上均已获得突破，先后 获有关发明专利1 1 项 l o ，1 1 ，1 2 j 。主要研究集中在给恶劣环境下工作的移动设备 供电如电动汽车、起重机、运货车以及水下、井下设备。目前实用的设备已 达到2 0 0 k w 、数公里的传输距离和8 5 以上的传输效率 5 】。其项目发起和主要 负责人包迩斯教授为此获得皇家学会勋章以表彰他在该领域世界水平的突出贡 献，而且该技术已被成功的推广到r 本、德国、美国【1 5 等地。 已有的典型的商业化产品有： 1 ) 日本大福公司( d a i f u k u ) 的单轨型车和无电瓶自动运货车。这些设 备当前均已成功的用于许多材料运输系统中，特别是在些恶劣的环境下，如 喷漆车间等5 ，7 1 1 。 2 ) 新西兰奥克兰大学所属奇思公司( u n i s e r v i c e s ) 成功的丁! 。发了两项有 关感应电能传输( i p t ) 的实用项目【5 ，7 1 1 ：一是高速公路发光分道猫眼系统，目 前正运行于新西兰惠灵顿大隧道中；另。一个是用于新西兰r o t o r u a 国家地热公园 的4 0 k w 旅客运输车( 图卜4 ) ，现已安全运行约四年。 3 ) 德国瓦姆富尔公司( w a m p f l e r ) 的载人电动列车己试车成功 5 ，7 l ，7 2 ， 如图1 - 5 所示。在瓦姆富尔总部的试验轨道是目前为止建造的最大的感应电能 传输系统，总容量达1 5 0 k w ，轨道长度近4 0 0 m ，气隙为1 2 0 m m 。车上有6 个 次级接收绕组，每个接收绕组输出2 5 k w 。该系统允许接收线圈向各个方向移动 的位鼍公差为5 0 r a m 。该公司还成功的将感应电能传输投术用于电动游船的水下 驱动。目前该公司已有一系列的感应电能传输产品，功率等级有7 5 0 w 、3 k w 、 1 0 k w 、3 0 k w 、7 0 k w 等。图卜6 ( a ) 和( b ) 分别为额定功率为l o k w 的轨道供电 装置和3 k w 的次缴接收绕组。l o k w 轨道供电设备( 1 5 0 0 m m 6 0 0 m m 5 0 0 m m ) ， 重1 5 0 公斤，其电气参数列于表1 1 。当轨道电流为2 0 k h z 。1 2 5 a 时，次级接收 绕组输出电流为5 5 a 高频交流电流，经次级功率调节器，输出直流电压为5 6 0 v 。 3 k w 的次级接收绕组( 2 0 0 m m 1 4 0 m m 6 7 r a m ) ，重4 公斤，水平和垂直允许 公差为6 9 r a m 。 新型无接触供电系统的研究 图1 - 4 旅客电动运输车示意图图1 - 5w a m p f l e r 测试轨 ( a ) 1 0 k w 轨道供电设各 ( b ) 3 k w e 犁接收绕组 图1 - 6 感应供电设备 表1 - 11 0 k w 轨道供电设备运行参数 4 ) 美国通用汽车公司( g m ) 推出的e v l 型电动汽车m a g n e c h a r g e 无接 触感应充电系统【1 3 】。电动汽车的电池充电采用插座连接方法的最大缺点是因带 电导体裸漏，会给用户带来安全隐患，而且重复使用会使导体连接器出现较大 的磨损。通过分离的高频变压器的感应耦合充电技术则克服了这一缺点。通用 汽车公司( g m ) 的一个分公司d e l c oe l e c t r o n i c s 公司研制的m a g n e c h a r g e t m 是 最先商业化的电动车感应耦合充电器之一，现正由d e l c o 生产和出售，专门用于 g m 的e v l 型电动车充电。e v l 型电车的电池组，有2 6 个铅酸电池，可储存约 1 6 k w h 的能量。要进行充电，只需将充电板插入车辆的充电端口即可。感应耦 合进行能量传递的频率可以在8 0 k h z 到3 5 0 k h z 范围内变动，感应耦合的效率达 9 9 5 。充电可以反复进行，过程简单、安全、高效。1 9 9 5 年1 月美国汽车工程 学会( s o c i e t yo f a u t o m o t i v ee n g i n e e r s ) 根据m a g n e c h a r g e 系统的设计发表了在 美国使用感应耦合技术进行电动车充电的建议实施条例( s a ej - j 7 7 3 ) 。该条例建 议采用如表i - 2 所示的三种充电级别。 墨= 兰苎堡 一 表1 - 2s a ej - 1 7 7 3 建议的充电级别 隰 充电功率实用 模式 级剐界面 1 2 0 、，a c 、1 5 a 卜 紧急 l5 k w 1 审 2 3 0 、仉c ，4 0 a ， i ：级额定 6 6 k w l 一声 2 0 8 6 0 0 v a c f ，级充电站2 5 一1 6 0 k w 3 一中 图l - 7 ( a ) 示出了现有m a g n e c h a r g e 系统的照片。图上最小的单兀是个可手 提的1 2 k w 的紧急充电器。这个单元插入一个交流11 0 v 的电源插座上，大约需 要1 5 小时给e v l 的】6 2 k w h 的电池组充满电。另外两个大的单元是置于地上 或墙上的标准6 6 k w 充电器。这些单元需要2 2 0 v 变流单相功率，它们能在大约 3 小时内给e v i 充满电。基于相同的技术的2 5 k w 的商用( 图中没有示出) 充 电器，已研制成功，但目前尚未用于e v i 。图1 - 7 ( b ) 示出充电板和车辆插入v i ， 两者构成丁通用公司充电系统使用的感应耦合器。这个充电板的具体尺寸和环 境设计已经被s a e - j 1 7 7 3 标准所采用。罔i 一8 为利用m a g n e ，c h a r g e 系统为e v l 充电的实物照片。 图1 7 美国g m 公司的m a g n e c h a r g e 系统 图1 - 8 利用m b g n e c h a r g e 感应充电系统为e v i 充电 新型无接触供电系统的研究 5 ) 在采矿工业中，运矿电瓶车上装有大量的电池。这些电池必须在停工时 到另外的充电站进行充电。充电结束后，这些电池还要进行充分的冷却，然后 才能放回车上工作。这样系统的效率低，同时运行成本也高。无接触供电系统 可以在车辆的每个运行周期卸矿的时候进行充电，从而减少车载电池的数量， 降低车身重量，提高生产效率。同时保证安全运行。文献【2 l ，1 中描述了采用同 轴绕组变压器给运动负载进行大功率供电的系统( 图1 9 ) 。多个运动负载可以 通过独立的同轴绕组变压器接收能量，同轴绕组变压器沿着单匝初级导体自由 移动。系统可用于拖车、传送装置以及在地下矿区运行的其他支撑设备。能量 传递是通过一个大型的高频电源供电，工作频率2 k h z 。该系统涉及负载达到1 0 个，每个负载功率为1 0 0 k w ，整个系统功率达1 m w 。 铁芯负载 图1 - 9 用于采矿设备的移动式无接触供电系统 2 、机器人 传统的机器入系统中，大部分传动装置的驱动器都设置在控制柜中或尽可 能靠近控制中心。大量的功率和数据传输线从控制中心引出连到各个传动装置 上。在液压传动装置中，这个问题更为严重，许多钢管从一个大型的电机驱动 泵中伸出通向各个传动装置。为了防止碰断导线，机器人手臂的运动必然受到 限制。而且由于机器人重复运动，电气触点的连接将减小系统的可靠性。无接 触能量传递方式的显著优点是：整个驱动系统包括驱动电机，变换器，电流、 速度和位置控制回路部设置在机器人肢体中。除了电源以外，只需要从外部获 得控制信号，信号可以同样的采用无接触方式传递，从而避免了采用移动电缆 导致机器的运动受限以及由于电缆磨损所带来的操作失误等缺点。旋转式感应 能量传输系统主要用于机器人驱动器的活动部位，实现能量和信号的无接触传 输 1 8 ，4 】。 无接触供电系统的发展依赖于三大技术，即磁耦合技术、高频电源技术及电 力电- t - 技术。这三项技术的发展进步是新型无接触电能传输系统得以发展的根 本保证。要开拓新的应用领域，就需要不断改善初、次级系统的供电性能，及 优化和改进磁耦合结构，提高耦合能力。表1 3 和表l 一4 列出了已有的几个不同 功率和应用系统的性能参数。 表1 3 单开关不同功率和应用的实例 绕组输t l 电路拓扑 变胀器特性祸合系数开关频率效率用途 间距功率 单调卅， 一 外衽：3 0 r a m耳蜗 o l 04 6 7 r o w 5 m d z 3 2 4 2 次级并鞋l - 1 2 r a m 窄芯移植 谐振 2 7 1 单谢特 外衽：2 5 r a m 1 0 1 l5 m h 4 8 f o r1 6 r a mg a p耳蜗 次级串联l - 1 0 m m0 1 041 2 m w 空芯2 5 f o r1 0 m mg a p移植 谐振1 2 9 l 单调谐 外径：3 8 m m 6 82 f o r0 m m g a p r 提 次级并联 0 2 r a m 带铁芯板 07 09 55 0 r o w7 2 k h z 5 0 f o r2 m m g a p 垃番 谐振 3 0 1 绕组 电路拓扑变压器特性 耦合系数输出功牢 开关频带效率 用途 问距 拿桥节 心脏 调谐利08 一1 4 外托：4 0 r a m 0 08 53 4 0 m w2 0 k 1 1 z 6 82 f o r 0 1 1 1 1 ) g a p起搏 缎串联谐 4 m t n非晶铁芯 器 振1 3 1 半桥节 于摊 溯游铅24 m外往：2 5 r a m 4 7 f o r v i n = 2 3 0 v a c 33 w9 3 0 k h z 强信 缎串联惜 m空芯 3 5 f o i n = 3 1 0 v a c i 磊 振 3 2 l 全桥荦 5 0 岛r 谰潸次1 0 - 2 0铁芯 k = 01 p o u t = 1 2 w生物 0 1 0 21 2 - 4 8 w5 3 9 7 k h z 级串联谐 m mp o t 6 6 5 6 6 2 f o r移植 振 3 3 】 k = 03 2 ，p o u t = 1 2 w 令桥交 7 7 f o rk = ol6a n d 错调谐，io - 2 0铁芯 a l jp o u t 人工 0 1 6 03 91 2 - 4 8 w1 0 0 k h z 串联靖振 i l l r ap o t 6 6 5 6 7 2 f o rk = o3 9a n d心脏 l 3 4 l p o u t - - 4 0 w 半桥，初 外径：1 0 0 i t i l t i 0 2 m 电动 级串联谐铁芯p o t 5 k w2 5 k h z 9 3 m 车 振1 2 6 l n 2 2 新型无接触供电系统的研究 我国国内还未见有关这方面的研究和应用报道。 1 2 系统构成及分类 1 2 1 无接触供电系统分类 根据无接触变压器初、次之间所处的相对运动状态，新型无接触电能传输 系统可分为三类：分离式、移动式和旋转式，分别用于给相对于初级绕组保持 静止、移动和旋转运动的电气设备供电。通常分离式和旋转式无接触供电系统 初、次级绕组都比较集中，而移动式无接触供电系统初级绕组需分布式排列。 1 2 2 系统构成及工作原理 图1 1 0 给出了新型无接触供电系统的框图，整个系统包括：初级变换器， 无接触变压器，次级变换器三个部分。与通常的电力传输系统相比，这里增加 了初级变换器和次级变换器。无接触供电系统属于疏松耦合系统，传输性能一 般较差。为了提高系统的传输能力，初级变换器通常采用高频变换器。 系统工作时，在输入端将工频交流电经整流、逆变转换成高频交流电流供 给初级绕组。次级端口输出的电流为高频电流，根据负载用电需要，将高频电 流经过整流、逆变处理为负载供电。对于移动式无接触电能传输系统，进行长 距离供电时通常需要一定的开关控制系统，实现初级绕组的分段式供电，提高 传输效率。 无接触变压器 图1 1 0 新型无接触供电系统框图 这种电能传递方式的优点是：( 1 ) 没有裸漏导体，其能量传递能力不受环 境因素如尘土、污物、水等的影响。比起电气连接来，更为可靠、耐用，不发 生火花，不存在机械磨损和摩擦。( 2 ) 采用多个次级绕组接收能量时可为多个 用电负载供电。( 3 ) 采用高频技术，可大大降低系统的重量和体积，提高了功 率密度和传输效率。( 4 ) 变压器初、次级可以相互分离，处于相对静止或运动 第章绪论 状态。 1 2 2 1 初级变换器 初级端供电质量将直接影响传输性能，它是新型无接触电能传输系统中的 重要构件。提高变换器效率，减小输出谐波分量，实现正弦波电压或电流供电 将是初级变换器的研究和发展的方向。初级变换器一般包括整流电路与高频逆 变电路两部分。为了提高变换效率，常采用谐振技术，利用初级绕组漏电感实 现谐振变换。根据谐振变换电路中开关器件的数目，初级谐振变换器可以分为 单丌关与多开关两类。 ( 1 ) 单开关 大部分的单丌关变换器都是以e 型变换器为基础的【2 9 。图卜1 1 为基本的e 型变换器电路图【7 3 】，i 。为一电流源，电容c 1 与开关相并联实现零电压关断，l 、 c 构成串联谐振环节，v k 为输出端。这类变换器的主要优点是开关损耗小，变 换器效率受耦合系数变化的影响较小，电路处于自激振荡。输出电流近似为正 弦波。输出电压可以通过变换丌关频率来进行控制。但通常这类变换器开关所 承受的反向电压和导通电流较大，特性较差：通态电阻和寄生电容较高。这类 变换器多用于低功率，高频场合( 见表l 一3 ) 。 图1 1 le 型变换器电路拓扑 ( 2 ) 多丌关 大量文献都采用半桥或全桥高频逆变器。图1 1 2 为一半桥式串联谐振变换 器电路 4 5 ，v i 。为直流输入电压，v 。为负载r 的输出电压。电容c 起分压作用， 功率丌关管q 】、q 2 轮流导通，l 与c 。构成串联谐振环节，电流过零时开关管 q l 或q 2 导通或关断。在大功率应用场合，通常都采用此类拓扑。当电源电压和 负载不变时，桥式电路的输出功率是半桥式的4 倍，开关器件承受的反向电压 相同，等于直流电源电压，而桥式电路开关器件的导通电流是半桥式电路的两 倍。在后面的分析中将采用全桥式变换器。 新型无接触供电系统的研究 图1 1 2 半桥式谐振变换器电路 在有的文献 4 1 】中，为了尽量减小谐波和干扰，在无接触供电系统中采用振 荡器与功率放大器来实现高频的正弦交流电压来为初级绕组供电。 i 2 2 2 无接触变压器 比较典型的无接触变压器结构有三种，即同轴绕组，罐状铁芯和扁平绕组。 1 、同轴绕组变压器 图1 1 3 是典型的同轴绕组变压器结构示意图。同轴的外部导体和内部导体 分别作为仞级绕组和次级绕组。如图所示，铁芯结构一般有三种形式：( a ) 铁芯 无气隙结构：( b ) 铁芯磁路上有气隙结构：( c ) 铰链式结构。第一种情况下，铁 芯不容易同内部导体分离；第二神情况下，铁芯可很方便的脱离内部导体；第 二= 种情况采取折衷的办法，通过铰链实现初、次级绕组之l 司的耦合和解耦。当 内部导体相对于外部导体及铁芯处于相对静止和相对移动状态时，这类变压器 就分别用于分离式、移动式无接触电能传输系统。这种无接触变压器结构的优 点是变压器输入特性不受仞、次级绕组之间相对位置以及同轴绕组变压器在传 输线上位置的影响。 第一章绪论 嚎。 l c ( a ) 无气隙铁芯( b ) 有气隙铁芯( c ) 通过台叶链接的铁芯 图1 1 3 圊轴绕组变压器结构 2 、罐状铁芯变压器 图1 1 4 为罐状铁芯变压器结构示意图，初、次级结构相对于气隙对称分布， 可以围绕轴线相对转动。这种变压器耦合及磁屏蔽性能较好，可用于分离式和 旋转式无接触能量传输系统。损耗大、散热能力差是它的主要缺点。 图l - 1 4 罐状铁芯变压器结构图 3 、扇平绕组变压器 图1 - 1 5 示出了扁平绕组结构，初、次级绕组都采用矩形扁平线圈，分别构 成两个大的磁通耦合面。根据初、次级结构中是否放置铁芯，可分为铁芯式变 压器和空芯式变压器。这类变压器结构般用于移动式无接触电能传输系统。 磁路以空气介质为主，磁耦台能力较低。此外，磁通分布可能会引起电磁兼容 性问题，因此需要将变压器放置在特殊的位置或采用磁屏蔽。此类变压器的优 点是：1 ) 初级绕组可以比较长：2 ) 初、次级之间间隙比较大：3 ) 重量小。 新型无接触供电系统的研究 图1 1 s 扁平绕组变压器结构图 1 2 2 3 次级变换器 次级变换器实现将次级端输出电压转化为负载需要的供电电压。当负载为 直流负载如充电电池时，次级变换器就是高频整流滤波器。可以增加升压开关 变换器( b o o s tc o n v e r t e r ) ，通过控制开关导通占空比来控制输出电压或电流的大 小n 当负载为交流负载时，还需要经过逆变，将整流输出电压转变为负载工作 频率下的电压。根据具体的应用需求，次级变换器的具体形式也多样化。 1 3 研究意义及应用前景 新型无接触供电系统采用电磁感应耦合的方式进行电能传输，克服了传统 的导体接触传输方式带来的磨损、电击、火花、噪音等一系列缺点和不足。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 的应用更为广阔，必将打破其在化工、钻井、工矿、水f 探测等特殊行业中的 某些场合下的电工设备馈电的限制，开拓如电动汽车、高速磁浮列车馈邀以及 在生物医学、家用电器等方面的应用，并带动相关技术的发展。因此，该系统 的硬究不仅有重要的科学意义，而且有观确的实用价值和广阔的应嗣前景，可 能带来显著的经济和社会效盏。利用新型无接触电能传输系统通过电磁场进 行能量传输打丌了通向薪型的分离式、移动式和旋转式耦合领域的大门。系统 供电的安全性、可靠性和灵活性决定了它的巨大应用潜力。 1 3 1 交通运输领域 随着人们环境意识的提高和对石油燃料资源耗尽危机的警觉，未来的交通 运输系统将逐渐向着绿色、环保、电气化的方向发展。末来的交通系统供电需 求将为新型无接触电能传输系统提供广阔的市场。 电动车是唯一满足零排放的车辆，它通常需利用蓄电池储能，需要反复进 行电池充电。第一辆电动车是在1 8 3 4 年建造的，到2 0 世纪初，它们是占主导 塑= 兰竺丝 地位的运输技术。但是，当汽车作为主要交通方式盛行后，电动车的繁荣景象 就消失了，只用于少量特殊用途。近年来，环境意识和石油燃料资源耗尽的可 能性使人们又重新重视了电动汽车的研究发展，而电池充电将是未来的电动汽 车面临的一个重要问题。采用耨型无接触能量传输系统为电动车供电，具有一 定优越性。诸如，当采用车载充电器时，传统的充电系统在交流电源段分开， 整个系统几乎都在车上，而无接触电能传输方式实现初、次级绕组之间分离t 从而大部分的设备可以置于车外。据估计，与车载充电器相比，采用这种供电 方式可以减小车载器件的重量达9 0 2 6 】。 未来的高速磁浮列车供电也是可考虑的应用领域。磁浮列车，克服了传统 的轮轨运行方式，实现了时速4 0 0 5 0 0 公里的高速运行，是一种新型的陆上高 速运输工具，代表着2 l 世纪高速交通技术发展的趋势。目前发展成熟的磁悬浮 列车分别是德国的常导电磁式悬浮列车和同本的超导电动式悬浮列车。在列车 时速比较高的时候，都可以实现大功率的无接触能量传输。在低速运行时，仍 然需要其他的辅助设备来供电，这是其发展中的一个缺点。现正处于研究阶段 的瑞士s w i s s m e t m 磁浮系统就在研究采用无接触电能传输技术进行供电 1 9 1 ，从 而实现电能在全速范围内( o - 4 0 0 k m h ) 的传输平均传输功率大约8 0 0 k w 。瑞 上磁悬浮列车系统中提出两种无接触供电方案，一种采用铁芯式变压器结构， 一种采用空芯变压器结构。表1 5 列出了两种方案的一组较典型的结构和参数。 两种方案下初级绕组供电电压为5 0 0 0 v ，次级输出电压为2 5 0 0 v ，耦合效率都可 以达到9 0 。空芯变压器方案较轻，初级绕组长度可以比铁芯式变压器设计得 更长，从而可以减少频率变换器的数目。从表中还可以看出，空芯变压器方案 下车载重量和地面供电段重量都可以大大减小。空芯方案次级重量比铁芯式方 案次缴重量轻3 5 倍，而初级的重量可以减小5 到2 0 倍。考虑到上述因素，瑞 士磁悬浮列车的供电现主要集中在空芯方案的研究。 表1 - 5 瑞士磁悬浮列车无接触供电方案典型的结构和运行参数 e 变压器方案初、次级长度次级重量初级重量运行频率 1 1 = 5 0 m 铁芯变压器 4 0 0 k g 12 5 k g m2 5 0 h z 1 2 = 1 0 m l l = 2 5 0 m i 空芯变压器 9 0 k g o 9 k e j m 2 k h z 1 2 = 2 5 m 今后的有轨电车、地铁都是无接触供电系统的潜在的应用领域。 新型无接触供电系统的研究 1 3 2 生产领域 现在的生产行业正逐步向着机器化、智能化方向发展。采用该系统为机器 人供电可以保证能量和信号的安全、可靠的传输 4 】。目前大量的文献 1 8 ，2 6 ，2 9 诉在研究利用无接触变压器同时进：i t t l 一量和数据的传输，通过信号的双向传输， 实现系统的智能控制。 此外，新型无接触供电系统不受周围环境和天气的影响，采用该系统可以 解决目前在采矿、水下探测等环境较恶劣的行业中存在的电工设备供电问题。 现在许多海底石油、天然气生产设备都采用感应电能传输器进行充电 8 】。我国 的矿藏资源比较丰富，实现安全生产，十分重要。 1 3 3 其它 新型无接触电能传输系统比较灵活和卫生，在其它的领域，例如生物医学， 以及人们的日常生活领域也将有一定的应用。如文献f 3 6 介绍，每年大约有 8 0 0 0 1 5 0 0 0 位一t l , 脏病患者要进行血液循环辅助设备移植。此外，文献1 3 5 提出在 太空飞行器设备上，利用旋转变压器通过旋转界面进行电能传输和数据通汛。 在高速旋转场合，传统的集电环供电方式由于摩擦转矩、电气噪音、高接触电 阻、磨损等，给系统的可靠性和寿命带来一定影响。对旋转变压器无接触供电 技术与微波技术等进行比较的结果表明，旋转变压器方法可以在实用的效率下 运行。 1 4 论文主要工作 1 4 1 论文工作的提出 新型无接触电能传递方法的研究是国内外学术界和工程界开始探索的一个 新领域，集电力电子、高频电源、电磁感应，多学科交叉的应用基础研究与应 用研究，属于世界上电能输送领域的前沿课题。国内尚无研究的报道。 新型无接触电能传输系统发展的主要问题是提高效率和适用性。在小功率 应用场合，如何最大限度的提高传输效率，减小系统体积，提高功率密度是研 究工作的核心。而大功率应用场合提高传输效率，降低供电成本并不断地提高 传输功率则是主要的研究方向。整个系统的效率由以下几部分效率组成，即： ( 1 ) 从工频交流到直流的变换效率 ( 2 ) 从直流到高频交流的逆变效率 第一章绪论 ( 3 ) 从次级输出端到负载端的变换效率 ( 4 ) 感应耦合环节的功率传输效率 第( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 项与通态压降和高频开关损耗有关。采用软开关技术可 以解决这些问题。至于第( 4 ) 项，无接触变压器属于疏松耦合式结构。要增大 感应耦合能力，必须提高系统工作频率，选择合适的电磁结构和参数。但在许 多情况下，电磁结构参数要受到具体应用的限制。在高频下，初级绕组阻抗主 要是感性的，因此要传输一定的有功功率，需要的无功功率通常要比有功功率 大好多倍，系统的功率因数非常低。传输功率越高，整个系统需要的视在功率 也就越高，必然限制了系统的传输能力。需要在逆变器输出端放置电容补偿初 级绕组电感，来改善这种情况。当补偿电容与初级电感达到谐振时，系统需要 的无功功率由电容来提供，高频电源只需要提供系统需要的有功功率。而同时， 系统次级的漏电感也比较大，从而使次级输出电压大大的依赖于负载，限制了 可传输功率，需要采取次级漏感补偿技术来提高传输功率和传输效率。变压嚣 耦台技术和补偿技术是论文研究的重点。 目前，无接触供电系统的研究多比较集中在变换器技术的比较上，提出合 适的变换器结构，为证实可行性建造了模型系统，还缺乏系统的分析感应祸台 传输特性如何随负载、频率而变化，系统运行频率的选择，各种补偿方案下存 在的稳定性等问题的研究。本文在继承前人工作的基础上，分析建立了系统模 型，分析比较了各种电磁结构参数、气隙、工作频率对耦合性能的影响以及 锯、次缀补偿技术，理论和实验相结合研究了新型无接触供电系统的性能，设 计研制了小型示范无接触充电装置，并对大功率磁浮列车无接触供电系统的性 能进行了分析和计算。 本论文研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析和实验研究了多种无接触变压器的电感及祸合随运行频率、几何 尺寸、气隙和水平位移的变化关系； ( 2 ) 建立系统模型，分析和实验研究了无接触变压器的功率传输性能随负 载、运行频率的变化； ( 3 ) 运行频率的选择： ( 4 ) 分析与实验研究了初、次级补偿方案与补偿下的稳定性： ( 5 ) 设计、研制了小型示范无接触充电装置。 17 新型无接触供电系统的研究 ( 6 ) 分析与计算了大功率磁浮列车无接触供电系统的效率。 1 4 2 论文主要创新点 ( 1 ) 研究提出了最小视在功率频率表达式，为系统电磁设计和优化提供了 依据。 ( 2 ) 通过理论分析和实验提出了初、次级串、并联补偿方案，分别实现了 供电视在功率的稳定性和一定范围内负载电阻的输出功率得到显著提高，得出 了不同情况下最为有效的初、次级补偿方法。 ( 3 ) 建立了新型无接触供电系统的数学模型，通过分析和计算给出了变频 控制模式下系统的稳定边界条件，保证变频控制系统可以稳定、可靠地运行。 ( 4 ) 采用有限元分析、积分计算与实验相结合的方法，对多种电磁结构的 耦合能力、稳定性及适用性进行了研究，为系统的优化设计奠定基础。 1 4 3 论文内容安排 本文的具体内容安排如下： 第一章全面介绍了新型无接触电能传输系统的发展、分类、构成、工作原 理及研究现状、目前存在的问题和应用前景，并简述了论文研究内容： 第二章建立系统模型，比较系统、全面地分析运行参数、电磁结构参数、 及负载对传输性能的影响，初、次级补偿技术对系统性能的影响； 第三章分析、计算多种无接触变压器的耦合参数； 第四章实验研究电磁结构参数、气隙、运行频率、补偿技术等对无接触变 压器耦合及功率传输性能的影响： 第五章设计研制小型示范无接触充电装置： 第六章分析计算大功率无接触供电系统性能； 第七章结论。 第二章无接触供电系统性能分析 第二章无接触供电系统性能分析 2 1 系统分析及建模 2 1 1 变换器 前已述及，新型无接触供电系统由三部分组成( 图l 一1 0 ) ，初级变换器，无 接触变压器和次级变换器。来自电网的交流电压经过两级功率变换为初级绕组 供电。第一级变换将工频交流整流为直流，通常为了提高输入端功率因数，还 增加一定的功率因数校正环节。第二级变换将前一级整流输出的直流转变为高 频交流给初级绕组供电。 根据直流侧滤波设备采用电容和电感，逆变电路分别称为电压型逆变电路 和电流型逆变电路。由于电感体积和成本较大，电压型逆变器比较具有优势。 根据采用的逆变技术的不同，逆变器可以有脉宽调制型和谐振变换型等。由于 酱振变换器可以提供较好的正弦波形，谐波分量低，噪音小，同时可实现零电 流或零电压开关，消除了开关损耗，通常无接触供电系统采用谐振变换器为初 级绕组供电。补偿电容同时起到无功补偿和负载换相的作用。 无接触变压器实现电能的无接触传输，它是系统中的核心构件。由于无接 触变压器的漏感较大，大量的分析 2 5 ，3 3 ，3 7 中都利用变压器自身的电感来实现 谐振变换。 次级变换器实现将次级边输出的高频交流电流转变为负载需要的工作电压 成电流。从次级线圈到负载的功率传输可以通过开关模式控制器来控制。在低 频开关情况下开关模式控制器在短路和开路之间切换。在短路情况下，次级 线圈被短路，能量传输就停止，从而实现次级线圈同初级线圈解耦。而在开路 情况下，系统按照正常的方式来运行。根据负载输出电压的大小，可采用一定 的开关控制电路进行调节，控制功率从次级向负载的传输。 对这类变换器可以采用两种方法来进行分析。一种是时域的模态分析法。 这种方法在数学表达上较为复杂，需要对大量方程进行数值求解，不易用来考 察其它谐振变换器。另种方法就是基波模式近似分析法( f u n d a m e n t a lm o d e a p p r o x i m a t i o n ) ，也称作一次谐波方法，提供了对谐振变换器进行分析的个简 便的方法。当谐振回路在自然谐振频率下运行时，谐振环节的电压或电流波形 近似为正弦波。逆变器输出电压的基波成分采用傅立叶级数进行计算。这种方 法通过对谐振电路按照基波模式或电路的一次谐波进行建模，可简单而直接地 新型无接触供电系统的研究 对谐振变换器进行分析 4 7 】。基波模式近似分析法广泛用于分析不同阶数和结构 的谐振电路。实践证明基波模式分析法对于耦合疏松系统的分析比较有效 4 3 】。 图2 l 是典型的电压型谐振变换无接触供电系统。初级部分包括工频整流 及滤波电路，高频全桥串联谐振逆变器。以及初级绕组。吃为工频电压，f 。，为 工频电流。初级整流滤波输出电压为v d 输出电流为i d 。反并联二极管d 1 d 4 实现开关管q - q 4 可靠关断。初级绕组电抗参数k 与串联谐振电容c 。构成谐 振环节。次级部分包括次级绕组，高频整流电路及负载电阻r 。次级绕组电流为 ，次级采用电容c ：输出滤波，输出电压和平均电流分别为v o 和i o 。 l 口c jlj i g ld 鼹 r ；) j lj 圈2 - 1 电压型串联谐振变换无接触供电系统 忽略换相过程，图2 2 绘出了图2 1 中电压型谐振变换器运行时谐振回路电 流i ，、两端电压u 1 以及开关管q ：中电流的波形。补偿电容c ，使电路处于过补 偿状态，u 1 滞后于谐振回路电流i 。电压u l 为矩形波。由于谐振环节在谐振点 对电流的高选择性，设备中的电流实际上是正弦波。 ( a ) 谐振电流波形( b ) 开关管及二极管电流波形( c ) 逆变输出电压波形 图2 - 2 图2 - 1 电压型谐振变换器的波形 利用基波模式近似( f m a ) 方法对图2 一l 中的系统进行分析，只考虑电路 第二章无接触供电系统性能分析 波形的基波成分，可以得到系统模型如图2 0 所示。这个模型包括三个部分。第 一部分是直流模型，代表工频整流器和全桥开关网络的直流特性。初级整流电 路输出电压圪与电源线路中的阻抗，整流器压降及滤波电容c l 的等效阻抗等有 关，通常为( 1 2 1 4 ) k 5 0 。第二部分是交流模型，描述无接触变压器电路 参数的基波分量之间的关系。次级交流等效负载电阻为旯，。谐振回路两端电压 u ，( ，) 为矩形波，展开成傅氏级数得【4 5 】 图2 - 3 电压型无接触供电系统模型 u=!生(sin肼+；sin3“+i17 s i n 5 删十 j) 其基波电压有效值为 ， 2 4 2 v d u i = “ 盯 ( 2 ，1 ) ( 2 2 ) 设中为电流i 。超前于电压u 1 的相角，i d 为流经各桥臂电流的平均值，根据 图2 2 ( b ) 波形可得 值为 去f 皿s i n ( “嘲蛔，：华c o s 妒 亿s ， 次绂整流桥输入端电压为矩形波，幅值等于负载输出电压v o ，其基波有效 。= 半 次级电流，。经过整流后输出电流的平均值等于l o 。 ( 2 4 ) 新型无接触供电系统的研究 f ，2 彘，。 ( 2 5 ) 根据式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可以计算得到交流等效负载电阻 耻等= 袅= 砉r 协。， 逆变电路负载所吸收的有功功率可近似地用基波计算 尸= u 1 ，。c o s = ，d ( 2 7 ) 第三部分是高频整流滤波电路模型。输出电压和电流满足式( 2 4 ) 和( 2 - 5 ) 。 2 1 2 无接触变压器 根据不同的应用场合，无接触变压器的供电可以采用电流源供电和电压源 供电两种方式。本文的研究分析主要以电压源供电为主，但为了研究在电流源 供电场合可能出现的频率控制不稳定现象，也对电流源供电情况进行了分析。 存在着一些分析初、次级绕组之间耦合的建模方法，最常使用的是传统的 变压器模型和互感模型。传统的变压嚣模型使用变压和负载电流的概念来描述 褐合效应。变压和负载电流只是通过变比来定义，在分析中，必须将激磁电感 和漏电感分开来考虑。这种耦合模型比较适合于紧密耦合的变压器系统，其漏 电感通常可以忽略不计。互感模型使用感应电压和反映电压的概念来描述初、 次级系统之问的耦合效应。感应电压和反映电压都通过互感来表达。反映电压 表示次级对于初级绕组的全部影响，不需要将互感与漏电感分开，是这种模型 分析的主要优点。无接触变压器与传统的变压器的本质区别，在于初、次级之 间的耦合性能差异。对于传统的变压器，耦合系数通常在o 9 5 - 0 9 8 之间 3 9 】， 接近于l 。而无接触变压器属于疏松耦合式系统，耦合系数通常在o 8 以下，有 的甚至不到o 1 3 9 】，漏电感较大，铁芯工作在磁化曲线线性段。考虑到采用互 感模型分析的以上优点以及无接触变压器的疏松耦合特性，下面将采用互感模 型来分析无接触变压器中初、次级绕组之间的耦合，如图2 - 4 所示。初级绕组的 参数为r p 和l p ，次级绕组参数为r 。和l 。绕组间的互感为m 。通过空载实验 可以同时测得初、次级绕组的自感和互感。 ，= 去飘 ( 2 8 ) 第二章无接触供电系统性能分析 m = ( c o )( 2 9 ) 其中，。为空载电流，p o 为空载损耗，u ，为初级两端所施加电压，为 次级空载电压。 初、次级绕组之间的耦合系数2 鬲m ( 2 1 。) 三，三， ( a ) 翻 图2 - 4 无接触变压器互感模型 ( b ) 设次级端所接负载为纯阻性负载r l 。初级绕组中的电流为厶，两端电压为 。j o o m ，为初级电流j ，在次级中的感应电压值，一，洲，。为由于次级中的 电流，。而在初级线圈中的感应电压值。在相互感应电压的过程中，实现了能量 传递。根据图中给出的电流的正方向，可得初、次级电路的复数形式的方程为： 对初级电路： ，_ ，越，+ ，尺，一，洲= u ， ( 2 一】1 ) 对次级电路； ，。j c o l ，+ ，。r ，+ ，r l = ，。j c o m 当初级为电压源供电时，可得初级电流i 。和次级电流i 。为 。，u p 矿 r p + j 越p + 一r , + ! r l l + j c o l ， ： j c o m u p zp r 。+ r + j c o l ，+ 0 3 1 2 m2 z 。 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 新型无接触供电系统的研究 根据式( 2 - 1 3 ) 和式( 2 - 1 4 ) 可得初、次级等效电路如图2 5 ( a ) 、( b ) 所 示。( a ) 图为从初级端口看到的等效电路，( b ) 图为从负载端看进去的含源一 端口的等效电路。其中，z ，= r ，十j t o l ，z 。= r ，+ j m l ，。次级系统对初级的 影响通过反映阻抗z r 来体现，即考虑变压器次级电路负载对初级电路电流的影 响，而反映到初级电路中的等效阻抗( 与k 和l ，串联) 。反映阻抗直接反映了 系统的功率传输性能。反映阻抗吸收的复功率就是次级系统吸收的复功率。 ( a ) 初级 f b ) 次级 图2 5 电压源供电的变压器初、次级等效电路 z ，：一半：r ，+ j x ， l p ( 2 1 5 ) 其中，尺，为次级反映电阻，x ，为次级反映电抗。将式( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 代入式( 2 - 1 5 ) 可得： x ，= 一 3 m 2 三 瓦i 痧研。 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 反映电阻的大小赢接