（控制理论与控制工程专业论文）非接触式电能接入技术及装置.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着工业生产与科学技术( 尤其是电力电子技术) 的发展，电气设备日益普 及。纵观各种电气设备的能量获取手段，不难看出，传统的供电方式基本上都是 采用接触式电能直接传导的传输方式。这种传统的方式存在着移动灵活性差、不 安全、特别不适合恶劣环境( 水下、潮湿等) 等问题，显然已经不能适应社会发 展的需求。 如何解决电气设备的安全、灵活供电问题，尤其是针对移动设备的安全、灵 活供电问题，是电气工程和自动化领域的一个主要研究方向。基于电磁感应耦合 原理的非接触式电能接入技术，综合利用了现代电力电子能量变换技术、磁场耦 合技术和现代控制理论，实现了电能从静止电网向移动设备的非接触传输，是一 种新型的能量接入模式，适用于移动电设备的过程供电以及生物体内植电装置的 供电，特别是特殊环境下移动电设备的充供电。 ， 论文介绍了基于电磁感应耦合原理的非接触式电能接入技术及装置的工作原 理，并对导轨电源电路的高频电能变换器部分、电磁机构、功率补偿、系统稳定 性和拾取线圈建模等关键技术进行了分析。为验证理论分析和计算的正确性，建 立了系统模型，用m a t l a b 和p s p i c 2 进行系统仿真分析，通过多次综合比较，得出 了系统设计方案。 通过对原理框架结构分析、系统设计、样机制作和调试，并对装置的应用效 果进行了比较，寻求最佳的电路结构和参数设置。该装置实现了非接触地、短距 离传输电能( l o o w ) ，比较灵活安全，具有较高的传输效率和可靠性，可实现多 个电设备同时供电。 关键词：电能传输，非接触式供电，移动供电，无线供电，感应耦合 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n ds c i e n c e , e s p e c i a l l yp o w e re l e c t r o n i c s ，e l e e t r i e d e v i c e sa l ec o m m o ng r a d u a l l y f r o mt h em e t h o d so fa c q u i r i n ge n e r g yo fe l e c t r i c a l d e v i c e s ，i ti se a s yt os e e , c o n v e n t i o n a l m e t h o d so fp o w e rs u p p l yi sa l m o s tt h e c o n n e c t i n gm o d e t h e s em e t h o d sa l ep o o rm o b i l ef l e x i b l e ，u n s a f e ，i ne s p e c i a l ，n o ts u i t f o rb a d l ye n v i r o n m e n t s ( u n d e r w a t e r , w e t ) ，e t e i ti so b v i o u s l yt h a tt h e s em e t h o d sa r en o t f i tf o rt h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y h o wt os o l v et h ee l e c t r i c a ld e v i c e s s a f ea n df l e x i b l ep o w e rs u p p l y , e s p e c i a l l yt h e m o b i l ed e v i c e s ，i ti sam a j o rr e s e a r c ho fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n t h e c o n t a c t l e s sp o w e rc o n n e c t i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi sb a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i v et h e o r y , u t i l i z i n gt h em o d e r ne l e c t r i c a la n de l e c t r o n i cc o n v e r tt e c h n i q u e ， m a g n e t i cf i e l dc o u p l e dt e c h n i q u ea n dm o d e mc o n t r o lt h e o r y , t r a n s f e r sp o w e rf r o m s t a t i o n a r yp o w e rs o u r c et om o b i l ed e v i c e s i ti san e we n e r g yc o n n e c t i n gm o d e , f i t t i n g f o rt h ep r o c e s s i n gp o w e rs u p p l yo fm o b i l ed e v i c e sa n do r g a n i s mi m p l a n t a b l ee l e c t r i c a l d e v i c e s ，e s p e e i a l l yf o rp o w e rs u p p l yo fm o b i l ed e v i c e s a n dc h a r g e ri n s p e c i a l e n v i r o n m e n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ec o n t a c t l e s sp o w e rc o n n e c t i n g t e c h n o l o g ya n dd e v i c eb a s e d 0 1 1e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i v ec o u p l e dt h e o r y , a n da n a l y s e s t h eh i g hf r e q u e n c yc o n v e r t e r , e l e c t r o m a g n e t i cp a r t , p o w e rc o m p e n s a t i o n , s y s t e m s t a b i l i z a t i o na n dp i c k u pm o d e l i n go ft r a c kp o w e rc i r c u i t f o rv a l i d a t i n gt h et h e o r y a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n , w eb u i l dt h es y s t e mm o d e la n d m a k ee m u l a t i o na n a l y s i su s i n g m a t l a ba n dp s p i c e b yc o m p a r i s o n , w ea c q u i r et h es y s t e ms o l u t i o n f r o mt h es t r u c t u r ea n a l y s i s ，s y s t e md e s i g n , p r o t o t y p eb u i l da n dd e b u g g i n g ，a n dc o m p a r i n gi t s u t i l i t i e s ，w ef i n dt h eo p t i m u mc i r c u i ts t r u c t u r ea n dp a r a m e t e rv a l u e s t h i sd e v i c ec a nt r a n s f e rp o w e r ( 1 0 0 w ) c o n t a c t l e s s l ya c r o s sas h o r td i s t a n c e i ti sf l e x i b l e ，s a f e t y , h i 曲e f f i c i e n c yo ft r a n s f e ra n d r e l i a b i l i t y i tc a l lp o w e rs u p p l y t om a n ye l e c t r i cd e v i c e sa to n et i m e k e y w o r d s ：p o w e rt r a n s f e r , c o n t a c t l e s sp o w e rs u p p l y , m o b i l ep o w e rs u p p l y , w i r e l e s sp o w e rs u p p l y , i n d u c t i v ec o u p l e d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重庆太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名： 分争侈 签字日期：御年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重迭太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( v ) ，在l 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 哥砷拦 导师签名： 签字日期：即年彩月日签字日期：力卯晖么月fe l 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1绪论 1 1 引言 随着科学技术和社会经济的不断进步与发展，电气化生产、电气化社会以及 电气化家庭日益成为现代生产技术与装备以及生活工具的主流。电气化设备日益 普及社会的各个角落。一般电气设备的电力能量基本上都是来自于固定电力电源 系统。电气设备获取电力能量的手段，主要是通过有线电接触取电形式，即能量 直接传导模式，通常采用“导线+ 接线器”方式，将电能从供电网络传递给移动设 备。这种接触式电能直接传导的传输方式( 包括直接导线传输方式、滑动接触方 式和滚动接触方式) ，存在许多问题：设备移动灵活性差，环境不美观：滚动和滑 动接触方式会带来大气高频电磁污染( 接触火花等) 、机构磨损、噪音和大电流载 体不安全裸露等问题；特别对于水下、潮湿和含有易燃易爆气体等恶劣环境，接 触式直接取电显然是不可取的。如何解决大容量移动设备( 指电动汽车、行车等) 供电和特殊环境中的供电问题，实现电气设备的灵活、安全供电一直是科技界和 社会广泛关注的问题。 针对从固定电力系统向移动用电设备的供电问题，新西兰奥克兰大学b o y s 教 授为首的课题组率先研究并实现了基于电磁耦合原理实现电力能量传导的技术， 便产生了感应耦合电能传输技术( i n d u c t i v ec o u p l e dp o w e r t r a n s f e r ) ，简称为i c p t 技术。这是一种基于电磁耦合与感应原理，综合利用现代电力电子能量变换技术、 磁场耦合技术、大功率高频变换技术( 包括谐振变换技术和电磁兼容设计技术等) ， 借助现代控制理论和方法，实现了电能从静止电网向移动设备的非接触传输技术， 由此诞生了一种非接触式电能接入模式。基于i c p t 原理的非接触式电能接入技 术是用电设备向固定电网系统获取电能的一种全新模式。它的出现彻底改变了几 百年来人们仅仅依赖于电流载体直接送电或采用接触式电能传导方式的用电设备 取电模式，实现了非接触式供电。此外，这种供电方式的另一个重要意义便是对 其环境的亲和性：一方面，它可以在非常恶劣的环境下运行，不受环境尘埃、潮 湿及化学腐蚀物的影响；另一方面，它本身不对环境形成危害、或释放有害污染， 如碳积，废气等。专家认为，非接触式电能接入技术必将成为现代工业自动化领 域的最新的具有重大意义的研究方向。 关于非接触能量( 或电能) 传输，有许多不同的名称：非接触电能传输技术 ( c o n t a c t - l e s se l e c t r i c a le n e r g yt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e ，c e e t ) 【1 1 ；非接触能量传 输系统( c o n t a c t - l e s se n e r g yt r a n s f e rs y s t e m ，c e t s ) 闭；非接触供电( c o n t a c t l e s s p o w e rs u p p l y ，c p s ) ；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 ，i c p t ) 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 3 ，以前称为感应电能传输( i n d u c t i o np o w e rt r a n s f e r ，i p t ) 川；无线传输电能和 信息( w t r e - l e s st r a n s m i s s i o no fp o w e ra n di n f o r m a t i o n ，w t p i ) i s ，这个名称有一 个附加的含义：非接触地同时传输电能和信息。其实，这些称呼只是文字上的不 同，其本质都是基于电磁感应耦合原理来实现电能的非接触传递。 非接触式电能接入技术的应用十分广泛，例如：k w 级的大型应用( 电动汽车、 行车和移动机器人等) 的电能供应，非接触式电能接入技术完全满足电气设备的 “大容量 和“灵活性 供电要求，没有传统供电方式所存在的机械磨损、不雅 观、不安全、不灵活以及维护困难等问题；w 级的小型应用( 电动剃须刀、无线 鼠标等) 的电能供应，非接触式电能接入技术( 可称之为“p o w e r e dt o o t h ”) 能在 一定程度上去掉电气设备的电源线，实现能量灵活接入，大大简化了硬件连接， 特别适合电气设备在潮湿的环境中使用；m w 级的人体内植装置( 人造心脏、神 经刺激器、体内检测仪器等) 的电能供应，可以免除采用蓄电池或用导管( 线) 穿越皮肤供电给患者带来的痛苦和不便，实现体外间接充供电，不用开刀，并且 不会对人体带来危害。可以预计，由于非接触式电能接入技术的独有特性，该技 术及其装置将会在电气设备的电能供应中广泛使用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 早在2 0 世纪8 0 年代，e a b e l 和s m t h i r d 就提出了非接触式功率传输【6 】， 以替代利用炭刷或拖线获取电能的方式。进入9 0 年代，该问题引起学术界和工业 界的极大关注。日本、德国和新西兰等国家相继投入了一定的技术力量和经费从 事该技术及系统的研究和实用化产品开发，已获得一定的技术突破和有限范围应 用的实用产品。下面详细介绍该技术在国外的研究状况和产品开发情况。 新西兰奥克兰大学b o y s 教授为首的课题组在九十年代初就开始研究非接触式 电能接入技术，发表了多篇高水平论文，制作出了多个试验装置，并与多家公司 合作开发出相应的产品。早在九十年代前期，课题组就与日本大阪富库公司合作 开发出单轨行车“r a m r u n 系列，已成功应用于许多材料运输系统中。该系列中 的单轨行车，导轨线圈长1 3 0 m ，导轨线圈电流7 0 a ，拾取线圈长2 2 0 r a m ，可有效 实现7 5 0 w 功率的传递。课题组还研制出利用非接触式电能接入技术的新型道路 照明系统，并且已经应用在新西兰的部分高速公路和隧道中。 德国w a m p f l e r 公司在非接触式电能接入的产品开发上取得了很大的成绩，主 要产品分为感应供电和感应充电二类。b m w a g 公司部分汽车装配车间的自动化 装配线采用了该公司的产品来实现电能供应，装配线总长6 2 m ，导轨电源的额定 功率为3 0 k w 。2 0 0 3 年1 0 月，w a m p f l e r 公司和意大利e p t 合作研制的短途电车 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 运行成功。该电车在行驶到终点时，埋在地下的充电站自动对汽车电池进行非接 触方式充电，其电能传输效率高达9 5 。 日本的j u n j ih i r a i 等人提出无线传输功率和信息( w t p d 技术【5 l ，即能量、信 号同时传输。利用该技术，他们研制出一种用于电动汽车和移动机器人的智能充 电系统，其功率传输效率可达9 2 ，数据传送的频带宽度能达到8 5 m h z ，可辨识 电池类型，实时反馈或监测电池端电压、充电电流和温度，并且能实时调整充电 电压和充电模式以达到最优充电效果。 英国s p l a s h p o w n e r 和美国m o b i l e w i s e 公司主要从事非接触式电能接入技术的 小型化应用，在赌城拉斯维加斯举办的2 0 0 3c e s ( 国际消费电子产品) 展上，二 家公司展出了无线充电器等相关产品【7 1 。s p l a s h p o w e r 公司的充电板仅有6 m m 厚， 芯片厚度为l m m ，用电设备( 手机、p d a 等) 与充电板之间可间隔l c m 充电。2 0 0 3 年1 0 月举行的日本电子展“c e a t e cj a p a n2 0 0 3 ”，日本a a k 公司也展出了类似 的产品。 近年来，德国研发出一种内植遥感勘测装置，用于监测内植医疗辅助设备的 状态。该装置接收线圈采用镍锰铁高导磁率合金4 0 l ，功率小，频率低( 3 5 - - , 4 5 k h z ) ，可实时非接触传递能量和数据。另外，北卡罗来纳州立大学电子计算工 程系等研究机构开发出一种眼睛内神经刺激器以弥补视网膜功能缺陷【7 】。 由此可见，国外在非接触式电能接入技术的研发上已经取得一定进展，其产 品也逐渐进入市场。m w 级的生物体内装置，由于其应用领域的特殊性( 需要着 重考虑装置的可靠性、生物电磁效应和电磁机构材料的生物适应性) ，目前还处在 研究阶段，需要进一步开发研究。 1 2 2 国内研究现状 目前，国内对非接触式电能接入技术及装置的研究非常薄弱，更无成熟产品 可言。国内在该领域的研究起步很晚，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综述性文章。香港城市大学的s yh u i 、h c h u n g 和s c t a n g 等人研究了非接触式电能接入技术及微型化应用，如手机充电器等。该装置 是利用p c b 板实现手机非接触充电，其工作频率为5 0 0 k i z 到2 m h z 。 除此之外，由重庆大学自动化学院孙跃教授领导的课题组自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。到0 2 年7 月，建立样机系统的仿真模型，两个月后提交 了国内第一份关于非接触式电能传输系统( 装置) 的仿真研究报告及可行性分析 报告。0 3 年1 月在重庆大学学报( 自然科学版) 上发表论文单轨行车新型供电 3 重庆大学硕士学位论文l 绪论 方式及其相关技术分析，9 月在电气自动化上发表论文非接触式移动电源 新技术，在2 0 0 3 年四川省第七届电工技术学术年会上发表论文适用于感应耦 合电力传输系统的软开关模式功率变换器，论文广义状态空间平均法在c m p s 系统建模中的应用已被电力电子技术收录。在重庆市科委的支持，课题组 申请到2 0 0 2 年重庆市科委计划项目基于感应原理的新型电能传输技术及系统 研究( 7 3 3 0 ) 和2 0 0 3 年重庆市科委计划项目城市电气化交通新型供电模式相关 技术研究( 7 9 5 7 ) 。0 3 年2 月初完成了国内第一台小容量( 1 0 0 瓦) 样机的工程设计， 并于3 月底基本完成样机的制作并调试成功。并且参加2 0 0 3 年第八届“挑战杯 获得全国三等奖。至此，本课题组已初步掌握了该领域的核心技术，具备了进一 步开发大容量装置和微型化装置的工程实践能力。 1 2 3 结论 综上所述，国外在非接触式电能接入技术及装置的研发上已经取得了一定的 成果，正在迅猛发展之中；而国内的学术界和工业界还普遍没意识到研制该技术 及其装置的重要性和紧迫性，这妨碍了我国在该技术领域的研发进程。同时，可 以看到，由于非接触式电能接入装置造价昂贵以及能量传输效率不高等问题，此 项技术的研究及其产品应用仍处在起步阶段。这为我国研发该技术及其装置提供 了一个很好契机，如果现在开始加紧研发其相关技术及产品，就可以在较短的时 间内赶上国际先进水平，缩小与发达国家在此领域的差距。另外，国家计划在“十 五”电动汽车国家重大科技专项中为研发投入8 8 亿元人民币，这为我们提供了一 个很好的契机发展非接触式电能接入技术在感应充供电方面的应用。 1 3 - 本课题的研究目的、意义和内容 1 3 1 研究目的 紧跟国际前沿趋势，在整理和消化国内外相关技术资料的基础上，开发具有 自主知识产权的非接触式电能接入技术和装置，并就相关关键技术进行深入研究。 1 3 2 研究意义 基于电磁感应耦合原理的非接触式电能接入技术是一种高新技术。该技术克 服了传统供电模式的种种不足，能实现安全供电和灵活供电，具有对环境的亲和 性，适应能力强( 可以在非常恶劣的环境下运行，不受周围尘埃，潮湿及化学腐 蚀物的影响) ，做到免维护或低维护运行。 专家认为，非接触式电能接入技术必将成为现代工业电气和自动化领域具有 重大意义的最新研究方向。目前，该技术的研究在国外取得了显著成果，逐渐进 入实用阶段。而国内对该技术及产品的研究非常薄弱，相关技术研究还处于起步 阶段，尚无成熟产品。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 非接触式电能接入技术的研究具有较高的学术价值，该课题的研究有助于解 决传统供电技术存在的种种问题，为电气设备( 特别是移动电设备) 的安全、灵 活以及绿色供电提供了一种极有价值的解决方案。 1 3 3 研究内容 1 研究电磁耦合原理及相关技术，分析非接触供电技术的基本支撑理论，研 究其实现的可能性和存在的问题； 2 用现代电力电子技术、现代控制理论和电磁学去分析系统整体结构和部分 关键性技术，并利用m a t l a b 进行建模仿真分析； 3 利用p s p i e e 仿真软件，对导轨主电路和副边电路进行器件选择和仿真分析。 4 利用p r o t e l 设计电路板，购买元器件，研制系统样机，并调试成功；测试 试验数据，并与计算、仿真结果进行比较分析。 5 重庆大学硕士学位论文 2 非接触式电能接入技术及系统 2 非接触式电能接入技术及系统 2 1 各种供电方式的比较 一般电气设备基本上都从固定电源系统获取电能。其获取电能的主要手段是 有线电接触取电形式( 即能量直接传导模式，通常采用“导线+ 接线器 ) 。对于 移动电设备( 如工厂移动吊装设备、城市电气化交通工具、矿井采掘与矿井运输 设备等) ，其能量直接传导模式通常采用“拖线 传输方式或滑( 滚) 动接触取 电方式。能量直接传导模式和非直接传导模式的比较见表2 1 。 表2 1 供电方式及其特点比较 t a b l e2 1m e t h o d sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f p o w e r s u p p l y 供电 对象 固定设备移动设备 传导 能量直 接传导 非直接传导 模式模式 能量直接传导模式非直接传导模式 模式 具体导线+非接触式电拖线 滑( 滚) 动蓄电池非接触式电能 实现 连线器 能接入模式方式接触方式供电接入模式 多点接多点接 高频电磁 体积能 特触的不触的不 污染( 接 量比大 设备移动灵活 可靠性 美观 可靠性 触火花)不受环境影响 成本 大方 机构磨损 过高 点 移动灵 不污染环境染 不美观 活性差 不安全裸 充电时 露导体免( 低) 维护 间长 2 2 非接触式电能接入系统的基本原理 实现电能非接触式接入的系统( 装置) ，一般由两大部份组成( 见图2 1 ) 。 一部分是导轨( 电源) 电路，又称原边电路，其功能是实现电源能量变换并产生 用于能量传输的高频磁场，它由整流滤波电路、高频逆变装置和导轨线圈( 高频 载流电缆) 组成。另一部分是可在一定范围内沿导轨线圈移动的拾取电路，又称 副边电路，其功能是实时拾取能量并进行相应的能量变换输出，它主要由拾取线 圈以及功率调节器组成。两个部份相对独立( 无机械、电气连接) 但又通过磁场 耦合具有能量相关性。通常一根导轨线圈为多个拾取线圈供电，从而实现多种负 载的同时供电。系统( 装置) 的基本框架如图2 1 所示。 6 重庆大学硕士学位论文2 非接触式电能接入技术及系统 詹舒 _ 三相i 频供电 导轨( 电源) 电路 磁感应耦合 图2 1 非接触式电能接入系统( 装置) 的结构框图 f i g2 1s t r u c t u r eo f c o n t a c t l e s sp o w e rc o n n e c t i n gd e v i c e 经过导轨电路的功率变换电路将三相工频电源，转换成为基本恒定的高频交 变电流，该电流流过导轨，在其周围形成高频交变磁场；通过电磁感应及耦合， 拾取线圈产生感生交变电动势，再通过功率调节器，将能量转化为负载所需的形 式，然后向用电设备提供电能。 实现非接触式电能接入的原理示意见图2 2 所示。 p p 导轨电路 的其余部分 j s i、 拾取电路 厂、1 匕 的其余部分 i 坚 一，4 图2 2 非接触式电能接入的电路原理图 f i g2 2c o n t a c t l e s sp o w e rc o 姐e c 缸g c i r c u i t 图2 2 中用p 和s 来分别表示导轨电路参数和拾取电路参数( 论文的其余部分 也按此标注) 。 功率传送的基本公式为： 匕= j o ) m i p ( 2 1 ) y 口= j e a m i , ( 2 2 ) 匕是因导轨电流f 户在拾取线圈上产生的感应电压，v p 是因拾取线圈电流产 生的反馈电压，缈是工作频率，肘是导轨线圈和拾取线圈之间的互感。 三p 为导轨线圈漏感，丘为拾取线圈漏感。由于电磁感应机构( 导轨线圈一般 7 重庆大学硕士学位论文2 非接触式电能接入技术及系统 较长，拾取线圈一般比较短小) 和传输介质( 空气) 的特殊性，漏感0 和t 很大， 这导致装置的能量传输效率较低。 2 3 各部分功能及基本要求 2 3 1 高频逆变装置 高频逆变装置主要承担提供稳定的导轨电流任务，即将5 0 h z 工频交流电源， 经过高频逆变给导轨线圈提供2 0 k h z 的高频正弦波电流。 由于高频逆变工作频率高，必须对开关器件的开关损耗以及由过高d v d t 或 d 谢t 产生的e m i 干扰等问题进行有效地控制，以防烧毁开关器件和对环境产生较 大的干扰；对于电路中的谐波成分也必须控制在很低的水平上；要求确保产生稳 定的导轨线圈电流，并尽量减小负载变换对导轨线圈电流的影响。 2 3 2 导轨线圈 导轨线圈是高频电流的载体，此高频电流用以在导轨周围产生高频交变磁 场，向拾取线圈发射能量。 在高频电流作用下，导轨线圈的集肤效应和毗邻效应将尤为突出，将会导致 等效串联阻抗( e s r ) 上升，从而使系统损耗增大，效率降低。对此，我们采用李 兹( l i t z ) 绞合线来作为高频电流载体，并对导轨电缆的构造形式做出相应调整， 以减小其影响。 2 3 3 拾取线圈 在非接触式电能接入系统中，拾取线圈扮演的是“能量收集者 的角色，它 利用电磁感应原理，从导轨电流产生的交变磁场中感应电能，并提供给其后的功 率调节器，它的状态决定着整个系统的性能。 为了使拾取线圈达到最好效果( 高传输效率、高频率稳定性) ，必须用导轨 接近程度、最大线圈偏移、最大输出功率要求等要素对其进行分析。由于导轨电 流产生的磁场中存在像铁氧体这样一些可渗透性磁性材料( 用于聚集磁通) 的存 在，故很难用表达式来表示磁场。实验比较分析表明，环形铁芯的耦合效果优于 e 形铁芯，e 形铁芯优于平板形铁芯。因此，本装置采用环形铁芯和e 形铁芯作为 拾取线圈的磁路机构。另外，由于导轨线圈与拾取线圈的低耦合系数，拾取线圈 应采用铁氧体之类的磁芯材料以增强耦合效果，以满足负载的功率需求。同时要 求铁氧体必须具有足够大的最大磁通密度，以防止磁饱和现象的发生。还可以采 用非晶合金的磁芯。 2 3 4 功率调节器 由于拾取线圈与导轨线圈间的距离总是处于一种随机变化状态，导致拾取线 圈中的感生电动势幅值也不断发生改变。因此，由其形成的电压源不能直接驱动 8 重庆大学硕士学位论文 2 非接触式电能接入技术及系统 负载，必须经过整流、滤波、调压、稳压等环节，才能以稳恒电压源的形式给负 载提供稳定、有效供电。 首先，功率调节器必须能够适应负载动态变化，保证能在各种情况下向负载 提供稳定和高效的能量供应。其次则为避免功率传输阻碍现象的发生，功率调节 器必须能在合适的时候对拾取线圈进行解耦，以保证导轨部份对其它拾取负载的 有效能量供应。 9 重庆大学硕士学位论文3 关键技术研究 3 关键技术研究 非接触式电能接入系统，是一种利用电磁感应耦合原理实现电能从静止电源 装置向移动设备非接触传输的系统，图3 1 是系统主电路原理图。 图3 1 非接触式电能接入系统主电路原理图 f i g3 1m a i nc i r c u i td i a g r a mo fc o n t a c t l e s sp o w e rc o n n e c t i n gs y s t e m 电路中，导轨( 电源) 电路可看作是由e d c 和k 组成的电流源所激励的并联 l c 谐振回路，其中功率开关管对( s 1 、s 3 ) 、( s 2 ，s 4 ) 采用推挽方式工作，用于将 输入直流电流激励i d c 转化为高频方波电流提供给一c 。和尺：。组成的谐振回路， 从而得到导轨正弦电流和电压，通过导轨线圈( 三。) 在周围空间形成高频交变磁场。 而对于移动部分，即拾取电路，处于交变磁场中的拾取线圈( 三。) 将会感应出电 流并在三。、c 。和尺，构成的谐振回路中形成共振，其输出的正弦谐振电压经整流、 滤波、调压后形成恒定的电压供应，带动负载运行。 3 1 导轨电路的功率变换部分 3 1 1 软开关与硬开关 p w m ( 脉冲宽度调制) 是现代功率电子领域一种相当流行的技术。应用硬开 关技术的p w m ，虽然具有高品质的功率变换和控制，谐波分量较低，使e m c ( 电 磁兼容) 滤波器的体积更小且容易设计。但是其开关频率显然不宜太高，否则开 关损耗太大，同时使元件体积增加，变换器效率将大为降低。另外，p w m 产生 的脉冲波会产生较大的d i d t 和d v d t 以及谐波。这不但增加了开关的应力，同时也 产生了较大的e m i 。 1 0 重庆大学硕士学位论文3 关键技术研究 提高电力电子开关电路功率开关器件的开关频率是电力电子开关变换技术的 重要发展方向之一。其原因是高频化可以使开关变换器( 特别是变压器、电感等 磁性元件以及电容) 的体积、重量大为减小，从而提高变换器的功率密度( 单位 体积的输出功率) 。并且，提高开关频率对于降低开关电源的音频噪声和改善动态 响应也大有好处。 为了使开关电源能够在高频下高效率的运行，国内外电力电子界和电源技术 界自7 0 年代以来，不断研究开发高频软开关技术。所谓“软开关 是指z v s ( 零电 压开关) 和z c s ( 零电流开关) ，理论上开关损耗为零。软开关包括软开通和软关断。 软开通有零电流开通和零电压开通两种；软关断有零电流关断和零电压关断两种。 软开关是应用谐振原理，使开关变换器的开关器件中的电流( 或电压) 按正弦或 准正弦规律变换，当电流( 压) 自然过零点时，使器件开通或关断，实现开关损 耗为零，从而极大地提高了开关频率。 与传统的p w m 变换器相比，利用谐振来实现软开关也有其不足。例如附加的 无功分量、尖峰电流和电压定额较高、工作频率的不确定性、以及控制器设计的 复杂性。但由于其所带来的低开关损耗和较高的波形质量从而在电力电子电路中 受到普遍的欢迎。在非接触式电能接入系统的应用中，谐振变换所带来的低谐波 高质量导轨电流正是其所需求的。但由于导轨线圈直接安置在户外，必须考虑其 所带来的e m c ( 电磁兼容性) 。 谐振变换大致可分为负载谐振和准谐振两种类型【8 】。即可利用负载r l c 谐振 来实现，也可用添加独立的变换电路的方法来实现。因为非接触式电能接入装置 有一个固有导轨电感并且对其电流波形有较高的要求。因此负载谐振可以说是一 个最简单、经济的选择。而另一方面，准谐振变换利用小l c 电路在开关管开通或 关断期间谐振，以实现软开关。准谐振的工作频率是恒定的，在这一点上它与p w m 相似，然而与传统的p w m 相比，在开关管控制上其灵活性相对较小，这是因为开 通关断时刻对软开关来说是无法改变的。因此就这一点而言，准谐振可看作是负 载谐振变换与p w m 折衷。 3 1 2 功率变换电路 非接触式电能接入变换装置中采用开关模式高频逆变器获得高频导轨电流输出。 作为开关模式变换器可以是直接交交变换，也可是直交或者交直交变换。 交交变换包括相控交流电压调节器、p w m 控制交流斩波器、循环换流器都不能 起到升频的作用【9 】。文献 8 】提到一种通过能量注入控制和自由振荡的方式来实现 变频的新型升频交交变换器，但需要进一步的研究其e m i 。分析和实验研究表明， 作为非接触式电能接入装置的导轨能量变换( 电源) 部分最好的是选择直交功率 变换器，其直流功率输入即可来源于电池、也可来源于可调压的直流电源。在功 重庆大学硕士学位论文3 关键技术研究 率需求较高的工业应用中，由于无法有效提供大容量的直流功率输入，通常采用 交直整流器来产生直流输入，当对e m c 和功率质量有严格要求时，可对整流器 采用谐波控制和功率因数控制【1 0 】。 功率变换器的输入源即可以是电流源也可以电压源。 1 电压型谐振变换 电压型谐振变换器有全桥谐振和半桥谐振两种形式。全桥有四个开关管，而 在半桥中其中有两个用大电容来替代，稳态时电容两端的电压保持恒定，因此这 两个电容就可看作电压源，其值为直流输入幅值的一半。当全桥输出为v d 时， 半桥输出为v d 2 。 a ) 全桥结构 a ) f u l lb r i d g e b ) 半桥结构 b ) h a l f b r i d g e 图3 2 电压型全桥和半桥逆变器 f i g3 2f u l lb r i d g ea n dh a l f b r i d g ev o l t a g e - f e di n v e r t e r s 电压型变换器的输出电压的频率、幅值、相位都可用开关管的门极信号来控 制。但值得注意的是，有必要在每对开关管进行切换时设置一个死区时间以防电 压源短路并导致开关元件直通。死区时间的最小值由开关器件的开通关断延时加 上一个安全系数决定。由于电压源并联会导致短路现象发生，因此电压逆变器的 输出不能和电压源性质的负载( 例如一个纯电容支路) 连接，因此电压型开关网络通 常与串联谐振电路相连( 或串并联支路) ，如图3 2 所示。 1 2 重庆大学硕士学位论文3 关键技术研究 由于电流型谐振变换的直流电流约为谐振电流的q 倍，这样就可以减少谐振 电流，从而降低开关管的开关损耗。所以我们采用电流型谐振变换，具体分析见 3 1 3 节。 2 单开关功率变换 针对基于半桥或全桥高频逆变器的配置存在开关损耗大和开关驱动电路复杂 等问题，有人提出采用单开关结构的功率变换，并且在非接触式电能接入的微型 化应用中进行了尝试。 单开关结构开关损耗低，但开关通常受到更多的电压和电流应力，以下特性 差【l l 】：高尺蛔，寄生电容大，这限制了开关频率的提高。 大多数变换器使用基于e 类结构的单开关，z i e r h o f e r 和h o c h m a i r 提出的内植 耳蜗【l ，该变换器见图3 3 ，其主要优点在于效率不受耦合作用变化的影响，该电 路是自激振荡的，这意味着无需从拾取电路发送任何信息。输出电压受开关频率 ( 1 0 - - 1 1 5 m h z ) 的控制。 图3 3z i e r h o f e r 和h o c h m a i r 提出的基于e 类结构的变换器 f i g 3 3c o n v e r t e rp r o p o s e db yz i e r h o f e ra n dh o e h m a i rb a s e do nc l a s se 另一种结构是基于反激式变换器【1 1 】，如图3 4 所示。该变换器用于对便携式设 备中的卡片进行非接触供电。在那些无法使用商用电源的地方，太阳能电池作为 电源，以替代电池充电。 图3 4k a n a i 提出的反激式变换器 f i g3 4c o n v c r t 日p r o p o s e db yk a n a ib a s e do nf l y b a c k 1 3 重庆大学硕士学位论文3 关键技术研究 3 1 3 采用的功率变换电路 理论上，电流型谐振变换是电压型谐振变换的对偶电路。电流型直交变换器 有两种基本的电路形式：全桥和推拉式，如图3 5 所示。 k i a ) 全桥结构 a ) f u l lb r i d g e b ) 推拉式结构 b ) p u l l p u s h 图3 5 电流型全桥和推拉式逆变器 f i g 3 5f u l lb r i d g ea n dp u l lp u s hc i r c u i t f e di n v e r t e r s 推拉式逆变器采用相分变压器来把输入电流分为两个相等的电流输入，如图 3 5 所示。全桥变换电路和推拉式变换电路没有太大的区别之处，但是后者增加了 谐振电压并且不需要隔离的高端门极驱动。 在实际中有很大的差别，如不利用超导或闭环控制，电流源是不可能独立存 在的。从经济角度考虑，可采用大电感与电压源的串联来构成一个准电流源，如 图3 5 所示。 因为在高频稳态下电感中的电流几乎是恒定不变的，可近似看作电流源。然 而这种构造增加了系统的阶数而且可能导致动态问题，需要采用特殊的电路来控 制或采取适当的保护措施【1 2 1 。 电流源的要求是不允许开路，以免产生过电压。因此于其两臂中之任一臂必须在 1 4 重庆大学硕士学位论文 3 关键技术研究 整个周期内直通。对于一个电流型逆变器，因为两电流源不能串联以免造成过电压， 因此不能和纯电流型负载支路相连，应采用并联l c 回路作为替代，如图3 5 所示。 3 2 电磁机构分析 3 2 1 与普通变压器的比较 非接触式电能接入装置中的电磁机构包括导轨线圈、拾取线圈以及作为磁场 载体的磁路机构。实现能量传输机理在很大程度上与变压器相似，即都是通过电 磁感应原理将能量由一次侧传递到二次能量接受侧。但与变压器不同的是：变压 器原副边采用紧密耦合且磁场介质通常具有高磁导特性的铁磁材料，这样具有很 高的传输效率，而非接触式电能接入装置实际上是一种松耦合形式的系统，系统 的导轨线圈与可移动的拾取线圈之间有较大的气隙且其大小是任意可变的，致使 磁场传输介质中包括磁导率很低的空气磁路段实际的耦合系数相当小( 通常小于 1 ) ，相比之下，变压器的耦合系数可达9 5 9 8 ，感应电机的耦合系数可达9 2 f 8 1 ； 非接触式电能接入装置的磁场是一种高频非正弦波磁场，而变压器的磁场是工频 正弦波磁场。 3 2 2 导轨线圈的形式 根据不同的应用，概括起来，非接触式电能接入装置的导轨部分有平行电缆、 部分平行电缆和集总线圈这三种基本形式【引，其示意图如图3 6 所示： a ) 平行电缆式 a ) p a r a l l e l ”部分平行电缆式 b ) p a r t i a lp a r a l l e l 图3 6 导轨线圈的形式 f i g 3 6t r a c kl a y o u t c ) 集总线圈式 c ) c o i ll o o p 平行电缆适用于长距离沿途供电的应用，如电动汽车、行车和车间自动化装 配线等。 对于负载只分布在轨道上的某些特定点上( 如高速公路或隧道的道路照明系 统) ，就可以采用部分平行电缆。这种形式是把不用的导轨部分缠绕在一起以消除 其所带来的磁场效应( 因为缠绕部分的电感为o ) ，所以其总电感也相对于平行电 缆式大大减少了，由此对于给定导轨长度，部分平行电缆结构就能比平行电缆在 给定导轨电压下提供更大的导轨电流。 1 5 重庆大学硕士学位论文