（电工理论与新技术专业论文）并联谐振型非接触通用供电平台设计与实现.pdf

! ! ! ! ! ! ! ! ! 室型些耋耋至茎璧耋垄至三皇! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 皇! ! 詈_! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = = = = a b s t r a c t a s a b r 锄d n e w p o w e r t r a n s f e rs y s t e m ，i c p t ( h 订u c t i v e l yc o u p l e d p o w c r t t 孤s f c r ) p o w e rs u p p l ys y s t e n ls u p p l i e sp o w e r i nc o m a c t l e s s 抽d u c t i v e l yc o u p l e dw a y c o n t a c t l e s sc o m m o np o w e rs u p p l yp l a t f o mi sad e v i c ew h i c hs u p p l yp o w e rf o r e l e c t r i c a la p p l i a l l c e ss u c ha sc o m p u t e r l a m p ，m o b i l ec e l l ，c dp l a y e r m p 3p l a y e r ， e l e c 仃_ 0 n i cd i c d o n a r yb yaf l a ti i lw a yo f p l a c e m e n t t h e r ei sab r i g h ta p p l i a n c ef i l t l l r co f t l l i sd e s i 匦d u et om ec o n t a c t l e s sf b a t u r e 锄dm en e x i b i l i t ；yo fp l a c e m e n tl o a d ，w h i c h a l s od e m a n d sm o r eo f t h ed e s i g no f p o w e rs o u r c e f i 州y ，t h ep r e s e n ta m c l ea n a l y z e st h et ot o p o l o 画c a l 吕协坩m ea n dc 伽叩e n s a t i o n p a t t e r n so fi c p t ，o b j e c t i v e l yr e n e c t st 1 1 en e c e s s i t y o fa d d m ge x 廿ac a p a c i t o ri nm ei c p t t o p o l o g i c a ls t i l r eb yn u m e r i c a lc a l c i l l a t i o n ，c o m e su pw i t haw a yo fs e c o n d a r y c 印i t o rc o m p e n s a t i o na c c o r d i n g t ot l l es y s t e mr e q u i 舢e 1 1 to fm a r x i s m 仃a n s f e ra tm e s a l n et i m e s e c o n d l y o nt h eb a s i so ft 1 1 er e s o n a n c e 丘e q u e n c yw i l lb ea 虢c t e db yt h ee n 廿0 p y o f e l c 玎1 t si nt l l ep o w e rc i r c l l i t ，f l u c t u a t i o no f t e m p e r a m r e ，e s p e c i a l l yt l l ef l u c t u a t i o no f 1 0 a d ，m ef 0 1 dw i l li m p a c ti t sm a 】【mt m s f 醯p o w r e f h r i n gt o c u r r e n t f e e dp a r a l l e l r e s o n a n tc i r c l l ：i t ，u s i n gt h en o n h n e a rv 撕a b l e 血d u c t a 芏1 c ei sc o n n d l l c db y 帆oc i o s e d l o o p sc o n 缸乩b ym i sn e ww a y ；t 王l e 丘e q u e n c yi sc o n 臼m l l e di nm ed c s i 印o fp o w e r c i r c u i t ，趾di ti sa c l l i e v e dt ok e 印t h es t a b i l i t yo ft h er e s o n a n c ef c q u e l l c yo ft h ep o w e r c i r c u i tb yt h es m a nc i r c l l i td e s i 印t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sn e ww a yi st e s t c dm o u 曲 t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n dp s p i c eb e h a i o r a lm o d e ls i m u l a t i o n t 1 1 i r d l y ，aw a yo f r n u l t i l a y e rp l a c e m e n tb a s i n go nc i r c l ec i r c u i t si sp r e s e m e do nt h e b a s i so f c o m p a r i s o na 1 1 da 1 1 a l y s i so f v 撕o u st r a d i t i o n a ld e s i 盟so fg u i d e w a y b yt h i sw a y m ed e s i g nr c q l l i r e m e n t so n l ed i m s i o 璐o fp o w e rp l a t f o mi sm e t ，a tt h es 锄et i m e ， m er e q u i r e i n e n t so nm a g n e t i cf i e l dr e g u l 耐t yi sa l s om e t f o u n h l y t h ep r e s c n td e s i g no fm es e l f - s u s t a i n e dc i r c l l i tr e f b r r i n gt oc u r r e n t - f c e d p a r a l k lr e s o n a n tc i r c u i t ，o v e r c o m e st h el i m i t a t i o no fo v c rk g ho fv 0 1 t a g eb ya d d i n g c u i 谢n l i m i t i n gd e v i c ea n ds l i d i n gd o o rd r i v ec i r c 诎 a tl a s t ，m ef e a s i b i l i 够o f d e s i g no f c o n t a c t l e s sp o w e r s u p p l yt e c h n o l o g yi nt 1 1 e i i ，。，。塞壁塑童塑型鎏塑丝窒塑釜，一 p r a c t i c ei st e s t e db yas u c c e s s f u le x p e r i m e n to fc o n s 饥l c t i n gac o n t a c t l e s sp o w e rs u p p l y p l a t f o m l ，w m c hi sb yt h es i m p l es e l f - s u s t a i n e dc i r c u i tf o r t h ec o r ea n db yt h em o n 0 1 a y e r c i r c u l a rc o i l sf o rt h ep o w e r s u p p l yg u i d e w a y k e yw o r d s i n d u c t i v e l yc o u p l e dp o w e r 订a n s f e r c o n t a c t l e s sv a r i d b l ei n d u c t o r r e s o n a n t 行e q u e i l c yc o n 仃0 1 i i i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿 意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：铭巍 2 0 0 6 年5 月8 日 。篓塑鳖塑墼鍪丝墼垒丝呈鎏。，。，一 1 1 引言 第一章绪论 电力电子技术是使用电力半导体器件及电子技术对电气设备的电功率进行变 换和控制的技术，它以实现“高效率用电和高品质用电”为目标，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。电力电子技术在其近5 0 年来的发展过程中，对电气工程领域及其相关学科 的发展起到了极大的推动作用。目前，它的应用遍及各行各业，从发电、输电到 用电，可以说只要有电能存在的地方，就有电力电子技术的应用。电力电子技术 在为现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电网优化、电力工程、国防工 程等方面提供高质量、高效率、高可靠性的电能方面起着关键的作用。专家学者 认为：电力电子技术的发展是人类社会的第二次电子革命。 电能传输和信号传递是电力电子技术所涉及的两个主要方面，两者往往共存 于同一个电力电子应用系统当中，电能用来给系统运行提供动力或能量，而信号 用来检测系统操作状态或传递控制指令。无信号，系统运行状态将难以知晓或难 以控制；但无电能，系统将完全不能够运行。自然而然，两者的传输方式是电力 电子技术研究中两个相当重要的方面。自从1 8 4 0 年科学家揭示电磁感应现象，一 个多世纪以前就已经采用导线直接接触的方式解决了电能和信号的传输问题。如 今，信号传输以移动手机和无线i n t e r n e t 为例，以空气为媒介已经实现了长距离 的非接触传递，极大地方便人们的生存生活：而电能的传输仍然主要有导线直接 接触进行传输，电工设备的供电通过插头和插座来进行，其发展远远滞后于信号 传输的发展。长期以来，利用磁耦合原理实现电能传输只是在传统变压器和感应 电机当中得到了运用，藉此原理以空气为磁介质实现高等级电能传输往往认为是 不可能的，更不用提通过空气实现远距离的电能传送了。在给移动设备进行供电 时，一般采用滑动接触的方式，而这种方式存在滑动磨损、接触火花、碳积和不 安全裸露导体的局限。它不仅限制了运动速度，而且还由于摩擦作用损伤了设备 影响了使用寿命，甚至有时还需要花费高昂代价通过停工、停运来检修、维护设 备；在化工、采矿等易燃易爆领域，采用滑动摩擦方法极易引燃或引爆火花，引 皇，! 兰詈烹詈詈詈皇墨! ! 皇蔓曼曼蔓垄些彗窒耋三茎茎基垄窒圣曼由皇! ! 邕篁寰曼! ! 苎邕鼍詈詈一 起事故，限制了使用范围。咎其电能传输发展滞后的主要原因是电能传输的实际 限制及设计考虑不同于信号传输 i i ：例如对于无线电信号传输而言，即使功率传输 损失大于1 0 0 d b 的情况下，只要承载的信息能够被接收器所接收，仍然被认为是可 以接受的；但是对于电能传输系统而言，一个3 d b 的损失将导致系统5 0 的功率损 耗，由于太高而无法接受。此外信号传输系统谐振调谐电路的品质因数可以高达 1 0 0 ，但电能传输系统电路的品质因数q 必须被设计的尽可能的小，以减小系统的 尺寸、费用及功率损耗，且太大的q 将使系统电路的调谐变得十分困难以及使系统 对于参数变化过于敏感。通常情况下，电能传输系统的品质因数的设计不大于1 0 l l j 。 基于这些原因使得非接触电能传输系统的设计变得相当困难。 但是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。目前，国外有许多科研院所和公司 从事非接触能量传输系统的研究，其中比较有代表性的研究机构是新西兰奥克兰 大学电子与电气工程系功率电子学研究中心，该中心自从2 0 世纪9 0 年代开始主要 从事此项技术的研究1 2 _ 5 肛”j ，提出了一种以空气为磁介质实现感应耦合电能传输 i c p t ( h l d u c t i v e l yc o u p l c dp o w e rt r a n s f c r ) 或p t ( h 1 血c t i v ep a w e rt r 趾s f 打) 的新 技术。该技术主要利用现代电力电子能量变换技术、磁场耦合技术、借助于现代 控制理论和手段实现能量从静止设备向可移动设备的非接触传递。 1 2i c p t 供电系统简介 i c p t ( h l d u c t i v e l yc o u p l e dp o w e rt r a l l s f e r ) 供电系统作为一种新型的非接触电 能传输系统，介于传统的紧密耦合变压器和信号收发结构之间，把低频系统如直 流或5 0 舷、6 0 舷的主电源变换为1 0 1 0 0 七眈的高频系统，在实际当中以空气为 磁介质实现电能传输。显而易见，如果把变压器的原副边分离成一个疏松磁耦合 的系统( 如图1 1 ) ，在低频5 0 勉、6 0 砘情况下实现功率传输是不可能的；只有在工 作频率达到个非常高的水平时，磁场的快速变化导致原副线圈问的感应效应急 剧增强，才能够使电能通过空气传输。i c p t 供电系统的基本原理等同于早期诸如 变压器，感应电机等用电设备，所不同的是两侧线圈的耦合系数，变压器的为9 5 一9 8 | 4 j ，感应电机约9 2 1 4 j ，属于紧密耦合，而非接触感应电能传输系统的典型 值为1 或更小| 4 j ，属于疏松耦合，改变了传统的通过导线或电缆连接的供电方式， 使电能以非接触的感应耦合方式供给，两者间无物理接触。 ! 。，薹些堡墼丝些坠墼垡鎏墼坠，。，。一 ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! _ ! ! ! ! ! ! _ ! ! ! = = ! = 2 2 = 莲霉 图1 1 疏松磁耦合的变压器示意图 f i 9 1 1t h es c h e m 出cd i a g r a mo f l o o s e l ym a g f l e t i cc o u p h n g 虹锄s f b 衄e r 典型的i c p t 供电系统【5 1 如图1 2 所示，由磁耦会的两个非接触的独立部分组成 固定的导轨，可移动的负载。电能变换可以在原边电感上获得高频的导轨电流； 开关模式变换可以控制副边对用电设备的功率流量；通常情况下，原边补偿为了 降低电源供给的视在功率v a ，副边补偿是为了提高系统的电能传输能力。 三 相 输 入 l 、w i 电能 原边 皇变换补偿 导轨电感l 图1 2 典型的i c p t 系统框图 f 唔1 2 聊i c a lb l o c kd i a g r a mo f t l l ei c p ts y s t e m 这种新型的非接触电能传输方式与传统的电能传输方式相比有许多优点i l j ： 一、供电系统与能量拾取负载可以相互分离，二者可以处于相对静止或者运 动状态；以非直接电气接触的方式给移动负载供电是i c p t 系统与传统供 电系统相区分的最为显著特征之一； 二、由于不存在摩擦和磨损，不受水、油污、灰尘等环境问题的影响以及不 存在化学物品的腐蚀性等问题，使得系统的安全性、可靠性大为提高， 使用寿命更长，尤其在一些易燃、易爆的化工、采矿等行业，避免了诸 如滑动磨损、接触火花、碳积和导体不安全裸露等所带来的安全隐患。 三、采用多个次级绕组接受能量，可以同时为多个用电负载供电。 郑州大学工学硕士论文 总之，这种非接触电能传输方式的优点主要体现在以下四种情况【l 】： 一、给移动负载供电的场合，如移动的机器人，导轨电车等； 二、特殊安全要求的场合，如喷漆车间等； 三、环境条件苛刻的场合，如水下作业等；。 四、要求低维护且可靠性操作高的场合，如在线运行的电车等。 1 3i c p t 技术研究进展及应用前景 国外对非接触电能传输技术的研究较早，早在2 0 世纪7 0 年代中期就出现了电 动牙刷，随后发布了几项有关这类设备的美国专利。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。由于牙刷经常要暴露在水和灰尘当中，非接触的能量传递使 充电过程中没有裸露导体接触，从而大大提高了电动牙刷的可靠性和安全性。7 8 0 年代提出了长距离感应电能传输的新方法【6 j ；直到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开始对i c p t 技术进行研究【l _ 5 】【7 _ 1 ，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。研究主要集中在给移 动设备，特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，目前实用设备已达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 l 。 图1 3 电池充电 f i g 13b a 仕c r yc h a r 百n g 图1 4 手机充电 f i g 1 ，4 m 0 b i i ep h o n ec h a r 百n g 目前该技术已被成功的推广到日本、新西兰、德国、美国等地，其典型的商 业化产品有： ( 1 ) 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”，这 些设备目前已成功地用于许多材料运输系统中，特别是一些恶劣的环境下，如喷 漆车间等；以及2 0 0 3 年在日本千叶县电子展上a k k 公司现场演示的以非接触方式为 干电池型充电电池或手机充电的情形；只需将充电电池放到充电槽里即可充电( 如 图1 3 ) 和只需将其一头连接到手机插座，头放到充电面板上便可以为充电电池 供电( 如图1 4 ) 。 图1 5i c p t 技术在路钉中的应用 f i g 1 5i c p ti nar o a d s t u d ( 2 ) 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有关 i p t ( 新型感应能量传输技术) 的实用项目：一是高速公路发光分道猫眼系统f 8 j ，目前 正运行于新西兰惠灵顿大隧道中，如图1 _ 5 所示；另一个使用于新西兰r o t o r u a 国 家地热公园的3 0 k w 旅客电动运输车【9 j ，现己安全运行约7 年； ( 3 ) 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，在奥 姆富尔总部的测试轨是目前为止建造的最大的i p t 系统，总容量达1 5 0 k w ，轨道长 度近4 0 0 米，气隙为1 2 0 m m 。该系统允许该接收绕组向各个方向移动的位置公差为 5 0 姗。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。 ( 4 ) 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。由美国通用汽车公司的一个分公司d e l c oe 1 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 是最先商业化的电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 型电车的一个电池组，包括2 6 个铅酸电池， 可储存约1 6 七 的能量，这个能量等效于一个高效发电机利用大约l 加仑汽油产 生的电能。要进行充电，只需将充电板插入车辆的充电端口即可，且充电可以反 复进行，过程简单、安全、高效。 除了以上叙述的例子外，还有许多文献提到电车的感应充电i 1 2 _ ”j ，以及在生 物医学【1 6 _ ”】、工矿钻井陋2 、水下作业【2 4 】等领域中的应用。如飞机座位上的无接 触供电系统1 2 5 j ，这个系统用于给每个座位上的娱乐设施提供能量，每个单元大约 消耗5 0 w 能量。密封的功率传输轨道嵌入乘客机舱的地板，座位上采用感应耦合功 率接受绕组，与功率传输轨道相对应，系统采用电流反馈耦合技术。该电能传输 装置易拆开，易装上，使座位在飞机上可以灵活的移动，同时利用感应耦合技术 提高了系统的安全性、可靠性和舒适度。如生物医学领域正利用这一技术进行人 工心脏和恶性肿瘤疗法等研究i ”j 。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，开辟了新型损伤性较小 的医疗天地。 而国内对非接触电能传输技术的研究刚刚起步，只看到中国科学院院士严陆 光等人在该理论领域探讨的文献【2 6 _ 3 6 j ，到目前为止还没有具体实际应用的报道。 1 4 i c p t 技术所面临的挑战 正如其它新技术的发展一样，i c p t 系统的发展也面临着诸多挑战：理论的发展， 技术的进步以及社会和经济的发展影响等。 i c p t 技术主要依靠功率变换和控制技术，它的理论进步与电力电子学的发展紧 密相关，而电力电子学本身也是一门较新的边缘学科，涵盖了电子、控制、通讯 等领域，包含了诸多的理论方面，其中最为主要的是开关模式非线性电路的建模 与分析，因此i c p t 技术的进步与其它的电力电子应用一样，也主要取决于开关模 式非线性电路基本理论的进展。此外，由于i c p t 供电系统中原边导轨与拾取线圈 间是疏松的磁耦合，增加了电路设计的复杂性，因此，设计时比传统的紧密耦合 变压器面临着更大的困难，在i c p t 系统中不得不考虑采用合适的补偿结构和控制 策略【9 j 1 2 3 j ，需要在理论研究上做出更多的探讨。 除了理论方面的发展限制外，在i c p t 系统的设计当中还存在一定的技术限 制。例如，除了无源器件以外，功率半导体器件的最大额定电压、电流以及最大 的开关频率都是系统设计所面临的主要限制。对于i c p t 系统而言，在功率半导体 器件当中，i g b t 由于它的商业化功率水平已高达3 k v 2 k a ，开关频率为8 0 k h z ，已 成为最适合的功率开关器件；而晶闸管虽然额定v a 值更高，但其开关速度太慢； c m o s f e t 开关频率虽也能达到1 m h z ，但其电压等级又太低，不适合在大功率的i c p t 系统中应用。 最后一个方面就是经济发展和社会需求对i c p t 技术发展的影响。元器件少、 运行费用低是系统设计当中理应考虑的主要问题。虽然近2 0 年以来，功率半导体 的价格已有明显的下降，但是i c p t 系统的构造费用仍然远大于传统的供电系统； 且额定负载下，i c p t 系统的最大效率只能达到8 5 叱又远低于典型电力变压器 的9 8 ，不具有竞争力；此外，采用i c p t 技术，虽然系统更加安全可靠且有较强 的环境适应性，但它的电磁干扰( e m i ) 较大，在实际设计当中不得不综合考虑。 以上三个方面与i c p t 系统的设计与实现紧密相关，其中经济发展和社会需求 是工程项目进展的直接驱动力，但是实际的发展水平主要取决于现阶段的技术水 平和理论层次。 对于i c p t 系统概括来说，到目前为止，虽然已经取得了诸多的进展，但是仍 需在以下几个方面取得进步： ( 1 ) 功率等级。目前，i c ”系统传输的最大功率等级为3 0 0 k w ，与通常的供电 系统相比还是相当低的，还不能满足一些诸如公共运输系统等重工业方面 的应用，如货物运输的铁路系统。 ( 2 ) 导轨长度。目前，在i c p t 技术的低功率应用当中，最大的导轨长度已有 几千米的范围；但在2 0 0 k w 的实际应用当中，仅取得4 0 0 m 的导轨长度【1 0 】。 显然，对于长距离的公共运输系统而言是远远不够的。 ( 3 ) 稳定性控制。在实际当中系统的稳定性往往是优先考虑的指标。目前，一 些可变频率控制的i c p t 供电系统若设计不当将很难稳定1 4 2 ”。 ( 4 ) 电磁兼容( e m c ) 。降低传导给主电源的e m i 以及辐射给环境的e m i 是i c p t 所面临的一个艰巨挑战。在i c p t 系统中往往要求取得高质量低谐波失真 的导轨电流，但导轨又往往较大，很难放置在密闭的容器当中。 ( 5 ) 费用、效率以及可靠性。降低费用、增大效率且不降低可靠性是系统设计 追求的主要目标，这也是前面所提到的必须解决的主要问题。 在实际设计当中，系统若要同时满足所有的最佳状况下的要求往往是不可能 的，在一定的特殊条件下，系统的整体设计中往往做出适当的折中和优化。 1 5 论文研究的主要内容 本课题以“非接触通用供电平台”为对象，研究电源电路的设计、频率控制 以及原边线圈导轨的设计问题。 所谓非接触通用供电平台，是指通过一个平板以放置的方式向诸如手提电脑、 台灯、手机、c d 机、m p 3 播放器、电子词典等用电器供电的装置。由于供电的非 接触特性和放置负载的灵活性，有着广阔的应用前景，但也对供电电源的设计提 出了挑战。总体上要求供电电源具有较高的工作频率以增加功率密度、正弦波形 降低电磁干扰、开关器件工作在零电压开关( z v s ) 或零电流开关( z c s ) 降低损 耗与电磁应力、频率不随负载变化保持稳定以获得最大功率传输等特性。在非接 触耦合功率传输系统中广泛使用的电流馈送并联谐振型电源电路，除了电路的工 作频率随负载和电路参数变化这一特征外，基本具备了通用供电平台电源电路所 要求的特性。 本课题中非接触通用供电平台采用自维持的电流馈送并联谐振型电源电路进 行设计。通过在功率开关的控制电路中添加限流单元和推拉门驱动电路，解决该 自维持电源电路不能用在较高电源电压时的不足；采用b u c k 型开关电源电路控 制非线性可变电感控制频率的新颖方法克服器件老化、频率变化和负载变动对谐 振箱工作频率的影响；以及在原边导轨的设计中，采用多层迭放圆形线圈的方法， 达到了供电平台面积适当且磁动势均匀的要求。 1 6 论文的章节安排 本文主要研究非接触通用供电平台的频率控制和设计实现以及供电平台导轨 一。，。型堡型型塑星皇塑塑彗塑警。，。，一 设计等问题，具体的章节安排如下： 第一章：绪论 介绍了电能传输技术的发展需求与滞后原因，以及i c p t 供电系统的基本结构、 基本理论、发展过程和近年来国内外对非接触电能传输的研究成果，最后给出了 该技术所面临的挑战和本文研究重点。 第二章：i c p t 系统的拓扑结构及补偿类型 主要利用m a t l a b 对比分析了i c p t 系统原副边采用电容补偿的必要性和各种 不同补偿类型对系统的影响程度，又探讨了刻意选择副边电容的值，让原边工作 的零相角频率等于或十分接近于副边的谐振频率的方法，来实现系统的最大功率 传输。 第三章：并联谐振型非接触供电平台的频率控制与设计实现 采用并联谐振型电流馈电的电源电路构建了一个非接触通用供电平台。使用 b u c k 型开关电源电路控制非线性可变电感控制频率的方法克服谐振箱上频率受 负载变化、器件老化、温度变化的影响，确保了最大传输功率的实现。最后由理 论推导和p s p i c e 行为模型仿真验证了该方法的可行性。 第四章：非接触供电平台导轨设计概述 在对比分析各种传统的导轨设计方法的基础上，给出一种基于多层放置圆形 线圈的方法，既满足了供电平台面积的设计要求，又满足了该平面上磁场场强均 匀的要求。 第五章：高电压电路设计与实验 通过在功率开关栅极控制回路上添加限流单元与推拉门驱动电路，解决简单 自维持并联谐振型电流馈电不能直接应用在较高电压状况下的不足；在实验中成 功搭建了一个通用的非接触供电平台，验证了非接触电能传输技术理论在实际设 计中的可行性。 第六章：结论与展望 对论文所做的全部工作进行了总结，并给出下一步要研究的方向和目标。 2 1 引言 第二章ic p t 系统的拓扑结构及其补偿类型 新型非接触电能传输系统利用感应耦合技术与电力电子技术相结合，实现电 能的非接触传输，消除了传统电能传输方式带来的电击、短路和发生火花的危险。 本章建立了新型非接触电能传输系统原副边的拓扑结构，给出了互感模型，分析 了原副边拓扑结构中添加补偿电容的必要性。 为了仿真和实际设计方面的考虑，便于该系统的优化设计，着重推导了i c p t 系统设计关系的各个参数的表达式，给出了与耦合系数i ，谐振角频率，以及原、 副边补偿拓扑结构的关系；考虑到在非接触通用供电平台的设计当中，需要不同 的用电器共用一个固定的原边，要使实际操作中不同的办公用电器都能工作在原 边零相角频率等于或十分接近于副边谐振频率的状况下，既系统实现最大功率传 输又避免分岔现象的出现，保证系统的稳定运行，给出了i c p t 供电系统当中通过 合理选择副边电容值的方法来达到上述目的，推导如了不同拓扑结构下副边补偿 电容值的表达式，不仅为合理构建i c p t 系统准确选择拓扑结构和元器件提供了理 论依据，而且很好的解释了负载变化对系统的影响程度。 2 2 i c p t 供电系统的拓扑结构 2 2 1 原边电源供给端的拓扑结构 i c p t 供电系统的电源可以是a c 或者d c ，理论上只要能够在原边导轨上产 生正弦的高频电流，电能变换可以是a c a c 、d c a c 或者是a c - d c - a c 。然而， 由于传统的a c - a c 常常包括相位控制a c 电压调整器，p w m 控制电压斩波器， 循环换流器等，相比较它的输入电源而言不能够产生非常高频的a c 输出，因此并 不适合i c p t 供电系统的应用。到目前为止，最常用的电能转换还是d c a c 。 为了在原边导轨上产生正弦的高频电流，电源供给端主要由一个谐振变换器 和一个输出补偿电路组成。在i c p t 系统当中，从电源流入变换器的既可以是电压 信号也可以是电流信号，因此谐振变换器又可分为电压馈电式谐振变换器和电流 馈电式谐振变换器。 由于原边回路电感参数比较大，系统工作在高频下，必然要消耗大量的无功 功率，从而导致原边系统的功率因数较低。为了改善原边的功率因数，减小对原 边电源的视在功率要求，需要采取原边补偿技术。最基本的原边补偿拓扑有两种： 串联补偿和并联补偿。串联补偿时，串联电容上的电压降与原边端的感抗压降相 抵消，降低了电压的要求；并联补偿时，流过并联电容上的电流补偿了原边绕组 中电流的无功分量，从而降低了对供电系统的电流要求。 图2 1 给出的是电压馈电式谐振变换的两个典型拓扑结构l l j ：两个拓扑结构都 是在串联补偿电路的前面加上一个全桥或半桥的开关网络，所不同的是全桥拓扑 中的两个功率开关在半桥拓扑中由两个相当大的电容来取代。在系统稳定的状态 下，电容两端的电压变化可以忽略不计，电容可以被看作一个电压源，其幅值只 有d c 电源的一半即必k 。因此，半桥馈电式谐振变换的最大输出电压只有全桥的 一半。 ( a ) 全桥 ( b ) 半桥 图2 1 全桥和半桥电压馈电式谐振变换的拓扑结构 f i g 2 - lf u l l 枷d g ea n d h a l 0 嘶d g e v 0 1 t a g e - f e dr e s o n a n t c 蚀v e n e r t o p 0 1 0 蜘 图2 2 给出的是电流馈电式谐振变换的典型拓扑结构1 1 】，分别为全桥式( a ) 和推挽式( b ) ，与电压馈电式的主要区别在于开关网络的前面添加了一个直流电 感以及电路中采用并联补偿方式。由于经济的原因，电流源不可能用超导或者闭 环来实现，通常只能用一个适当大的电感与电压源串联来实现。在系统稳定的高 频状况下，流过大电感的电流接近于常数，使之类似于一个电流源。 图2 2 ( a ) 全桥 图2 2 ( b ) 推挽 图2 2 全桥和推挽电流馈电式谐振变换的拓扑结构 f 培2 2f u l l _ b r i d g ea i l dp u s h 巾u l lc u r r e n t f e dr e s o n a n ic o n v e n e r t o p o l o g i e s 2 2 2 副边负载拾取端的拓扑结构 副边负载的拾取部分主要由拾取侧补偿电路、整流电路以及开关模式的输出 电压调整电路所构成，如图2 3 所示。原副边通过磁耦合，在副边线圈上产生一个 电压源，但由于i c p t 系统属于疏松耦合的特征，感应得到的电压并不适合直接给 负载供电，通常需要加上一个开关模式输出电压调整装置。 ( a ) 串联补偿 。k ( b ) 并联补偿 图2 3 拾取侧串联和并联补偿的拓扑结构 f i g 2 3s e r j e sa n dp a r a i l e lc o r r l p e n s a t e dp i c k u pt o p 0 1 0 9 i e s 同样，由于新型非接触电能传输系统属于疏松耦合式结构，系统的传输能力 较差。同时系统输出电流和电压的大小在很大程度上依赖于负载阻抗的大小，输 出功率受到很大的限制。采用副边补偿技术可以有效改善这种状况。副边补偿有 两种基本拓扑结构：串联补偿结构和并联补偿结构，如图2 3 中( a ) 、( b ) 所示。 在谐振频率下，采用串联补偿时，副边补偿电容压降和副边感抗压降相抵消； 采用并联补偿时，流入副边补偿电容中的电流于副边导纳中电流的无功分量相抵 消。副边电阻值通常很小，当副边电阻忽略不计时，串联补偿的副边绕组端口近 似等效于电压源；而并联补偿的副边绕组端口近似等效于电流源，从而系统的功 率传输能力得到很大的提高。 2 3 系统建模及补偿类型 本章采用互感模型分析新型非接触电能传输系统，利用感应电压描述原副边 绕组之间的耦合效应，感应电压通过互感来表达，同时引入副边反应阻抗来描述 系统功率传输能力。这种模型分析的优点在于：不需要将耦合电感和漏电感分开 来进行电路分析。新型非接触电能传输系统漏电感通常较大，不能忽略不计，采 用这种分析方法较为方便。如图2 4 所示是一个互感的磁耦合模型【”，下标p ，s 分别代表原边、副边，在这儿感应电压和反应电压用互感m ，工作频率以及原 副边绕组上的电流来表示。 + + k 图24 磁耦台结构互感模型 f i g 2 4m u t u a li n d u c t a n c em o d c lo f m g n e t i c a l l yc o u p l e ds 妞l c 嘶 由以上知最基本的补偿方式有串联( s ) 补偿和并联( p ) 补偿，那么原、副 边相结合的补偿拓扑方式则有四种【5 】：串联一串联补偿( s s ) 、串联并联补偿( s p ) 、 并联- 串联补偿( p s ) 、并联- 并联补偿( p p ) ，如图2 5 所示，其中电阻r 表示副边 上的负载。 p s 补偿 r r p p 卒 偿 r r 圈25 原、副边的补偿拓扑 f i g2 ，5b 淞i ct o p 0 】o g i e sf o r p 嗍a r yc o r r i p e n s a t i o n 蛐d 辨c o n d a r yc o r 叩蜘5 a 如n 2 3 1 单个拾取负载 在图2 4 中，原副边间的耦合系数表示为 = = = 一 l ；l p ( 2 1 ) 女表明了原、副边之间的耦合程度，只与电磁结构的构造、几何尺寸和周围介 质的性能有关，而与原、副边匝数无关，通常是根据具体的应用要求所确定。 在系统只有单个拾取负载的情况下，反应阻抗互定义为副边线圈在原边线圈 上的反应电压与原边线圈上电流的比值。z l 为副边阻抗，与副边所选择的补偿拓 扑结构有关。 z - ：型 z - ( 22 ) 反应阻抗直接反映了系统的功率传输性能。反应阻抗吸收的复功率就是副边 系统吸收的复功率；反应电阻的大小直接体现了系统传输有功功率的大小。那么 国尝国珀 从原边到副边的传输功率就可表示为公式( 2 3 ) ，其中r e 表示相关变量的实部。 尸= ( r ez r ) 露 副边绕组上的电流用i s 表示为 t j m lp 如一t 同样，原副边绕组上的电压表示为 y p = j m l p ip j s f s = j m lp j l s is ( 2 | 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 副边对原边系统的影响通过反应阻抗来体现。为了便于下边的比较，首先给 出副边无补偿时，副边对原边的反应阻抗的表达式为： z r i r r + j x r = 警 鼬z ，小器 h z r = 五= 一器 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 当原边采用补偿技术时，根据供电平台设计参数4 0 k h z 为谐振频率，由 m a t l a b ”1 分别给出了当原边无补偿，串联补偿、并联补偿时的视在功率随运行 频率和负载的变化曲线图2 6 、图2 7 、图2 8 。从三副图的比较结果可以看出，在 两种原边的补偿技术都很好的降低了系统对电源端的视在功率的要求，且在谐振 频率下，电源端的视在功率最小，等于系统输入的有功功率的数值。而当运行频 率偏离谐振频率时，电源端的视在功率都急剧上升。 图2 6 原边无补偿时的视在功率随负载和运行频率变化的曲线 f i g 2 6c l u v e so f t l l ev ar a t i l l go f p o w e rs u i ) p l yt o p 0 1 0 9 yo f n oc 伽1 p 跚嘲把dp r i m a r y 州t 1 1r e s p e c tt o l o a d d0 p e 枷o n a l 舶q u e n c y 图27 原边串联补偿的视在功率随负载和运行频率变化的曲线 2 - 7 c u e so f t h e v a r a t i n g o 印o w e rs u p p l y t o p o l o g y o f t l l es e r i e sc o m p e 嗽t e d p r i m a r y w i l h r e s p e c tt ol o a da l l d 叩e r a d o n a l 舶q u e n c y - 1 6 图2 8 原边并联补偿时视在功率随负载和运行频率变化的曲线 f i g 2 8 c u r v e so fn l e v a 掰血go f p o w e rs u p p l y t o p 0 1 0 9 yo f t l l e p a r a l l e lc o n l p 如s a l e d p 曲l a r y 州t h r e s p e c tt o1 0 a d 舭d 叩e r a t i o n a lf b q u e n c y 当副边采用补偿技术时，表2 1 给出了不同补偿拓扑结构下，副边的阻抗以及 副边对原边的反应电阻和反应电抗。 从反应阻抗可以看出副边补偿对原边系统的影响，为了进一步分析副边补偿对 原边系统的影响程度，根据表2 1 ，由供电平台设计参数4 0 k h z 为谐振频率，用 m a t l a b 做出了反应电阻和反应电抗随运行频率和负载电阻变化的关系曲线，如 图2 9 、图2 1 0 、图2 1 1 所示，分别为副边无补偿、串联补偿和并联补偿时的曲线。 从图2 9 中可以看出，副边无补偿时，随着频率的增加，反应电阻呈逐渐增大 的趋势：而当频率恒定时，在特定的负载下，反应电阻达到最大值。反应电抗为 负值。随着负载的增加，反应电阻和反应电抗都趋向于零。 ( a ) 反应电阻( b ) 反应电抗 图2 9 副边无补偿时的反应阻抗 f i g 2 - 9r e n e c t e di n 】p e d a n c e 丽也n os e c o n d a r yc o m p e n s a 蛭o n ( a ) 反应电阻 反应电抗 图2 1 0 串联补偿副边反应阻抗 f i g - 2 1 0r c n e c t e di n l p e d 柚c ew i t l ls 鲥e sc o m p e n s a t e ds e c o n d a r y ( a ) 反应电阻 ( b ) 反应电抗 图2 1 l 并联补偿副边反应阻抗 2 l1r e f i e c t e di m p e d a | l c ew i i hp a r a h e lc o m p e n s a 钯ds e c o n d a r y 表2 】副边不同补偿拓扑下的反应阻抗 1 h b l e ，2 1r e a c c t e dl 。n p e d 锄c eo f d i h 即tc o i 印蚰鼢t e ds e c o n d a r y 叩0 1 0 百e s 副边补 偿类型 串联补偿( s )并联补偿( p ) 副边 础j 矾一，j