提高感應(yīng)電能傳輸效率的研究

周靜，安慰東，李永振

（西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065）

0 引言

傳統(tǒng)的電能傳輸主要通過導(dǎo)線直接接觸進(jìn)行，但是隨著供電設(shè)備對供電品質(zhì)、安全性、可靠性的不斷提高，這一傳統(tǒng)的接觸式電能傳輸方式已經(jīng)無法滿足一些特殊場合的供電要求，感應(yīng)電能傳輸就是針對這些特殊場合而設(shè)計(jì)的，并且成為當(dāng)前電能傳輸領(lǐng)域研究的一大熱點(diǎn)，它解決了一些傳統(tǒng)供電系統(tǒng)無法滿足的問題，克服了接觸式供電的缺陷，是一種有效安全的電能傳輸方式[1]。但是，感應(yīng)電能傳輸?shù)男史浅５拖拢@一缺點(diǎn)直制約著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。隨著材料科學(xué)的發(fā)展以及大功率的功率器件的發(fā)展，感應(yīng)電能傳輸已越來越多的運(yùn)用于工程設(shè)計(jì)之中[2]。

1 非接觸電能傳輸系統(tǒng)的組成

感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)是根據(jù)麥克斯維爾電磁場原理，通過可分離變壓器進(jìn)行能量的傳遞。圖1是該系統(tǒng)的組成框圖。

圖1 非接觸電能傳輸系統(tǒng)

以可分離變壓器為分界點(diǎn)，能量傳輸框圖由兩大部分組成，變壓器原邊由交流電網(wǎng)輸入，整流濾波成直流電，并經(jīng)過功率因數(shù)校正，通過高頻逆變給變壓器原邊繞組提供高頻交流電流。通過原邊繞組與副邊繞組的感應(yīng)電磁耦合將電能經(jīng)過整流濾波和功率調(diào)節(jié)后提供給用電設(shè)備[3]。

從該系統(tǒng)可以看出，系統(tǒng)的總傳輸功率由4部分組成：從工頻交流道直流的變換效率；從直流到高頻逆變的逆變效率；從次級輸出端到負(fù)載的變換效率；感應(yīng)耦合環(huán)節(jié)的功率傳輸效率。前3項(xiàng)與通態(tài)壓降和高頻開關(guān)損耗有關(guān)，采用軟開關(guān)技術(shù)和功率因數(shù)校正技術(shù)可以解決這些問題。關(guān)于第4項(xiàng)，可分離變壓器屬于松耦合結(jié)構(gòu)，要增大感應(yīng)耦合能力，必須提高系統(tǒng)的工作頻率，選擇合適的電磁結(jié)構(gòu)和參數(shù)[4]。

2 影響感應(yīng)電能傳輸效率的關(guān)鍵因素

在感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，有多個(gè)影響電能傳輸效率的因素，它們之間相互影響、制約。

2.1 可分離變壓器的耦合系數(shù)

耦合系數(shù)表示變壓器初級，次級線圈的耦合程度，與變壓器的鐵芯材料、線圈的繞法（線徑、匝數(shù)、位置）以及氣隙的大小有關(guān)。

2.1.1 磁芯材料的選取原則

① 高的磁導(dǎo)率，在一定的磁場強(qiáng)度H下，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小取決與 的大小( )；

② 要有很小的矯頑力Hc和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br。材料的矯頑力越小，就表示磁化和退磁容易，磁滯回線狹窄，在交變磁場中磁滯損耗就越小；

③ 電阻率 要高。在交變的磁場中工作的磁芯具有渦流損耗，電阻率高渦流損耗??；

④ 具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高，相同的磁通需要較小的磁芯截面積，磁性元件的體積小。

2.1.2 線圈的繞法以及氣隙的大小

線圈的繞法應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)的可分離變壓器的具體結(jié)構(gòu)具體分析，而關(guān)于氣隙因素對傳輸效率的影響，經(jīng)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)分析，氣隙越大，傳輸效率越低，如圖2所示。所以應(yīng)該在條件允許的條件下，最大限度地縮小氣隙以獲得高的耦合系數(shù)。

圖2 氣隙對傳輸效率的影響

2.2 系統(tǒng)工作頻率

在滿足輸出功率的情況下，應(yīng)滿足較高的工作頻率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，初級電流隨著系統(tǒng)工作頻率的增加而不斷減小，初級電流越小，系統(tǒng)的功率損失也就越小。因此，感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的工作頻率應(yīng)該在高頻頻段，根據(jù)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的工作頻率應(yīng)該在 10kHz—30kHz[5]。

2.3 補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)計(jì)算

感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中存在著較大的漏電感，這嚴(yán)重限制了其傳輸?shù)挠杏霉β?，為了減少系統(tǒng)的無功功率，一般采用補(bǔ)償容抗來平衡電路中的感抗[6]。

補(bǔ)償拓?fù)淇梢愿鶕?jù)布局的不同分為串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償。具體的可以分為4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，a 初級串聯(lián)補(bǔ)償、次級串聯(lián)補(bǔ)償；b 初級串聯(lián)，次級并聯(lián)；c 初級并聯(lián)、次級串聯(lián)；d 初級并聯(lián)，次級串聯(lián)。初級的補(bǔ)償電容是為了平衡初級的漏感抗和次級反映到初級的感應(yīng)感抗，從而減小感應(yīng)電源的視在功率，提高了感應(yīng)電源的功率因數(shù)。次級的補(bǔ)償可以減小次級的無功功率，提高次級負(fù)載的功率因數(shù)，增大感應(yīng)電源的輸出功率。

2.3.1 次級補(bǔ)償

在感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，由于可分離變壓器漏磁的存在以及次級負(fù)載并非純阻性的性質(zhì)，系統(tǒng)的的輸出電壓與電流會隨著感性（或容性）負(fù)載的變化而變化，功率傳輸不穩(wěn)，既限制了功率的傳輸，又使得感應(yīng)電源以及負(fù)載都存在著安全隱患，所以必須要對次級加入補(bǔ)償電路[6]。如圖3的(a)、(b)、(c)所示，(a)為次級未加入補(bǔ)償，(b)為次級加入串聯(lián)補(bǔ)償電容，(c)為次級加入并聯(lián)補(bǔ)償電容。

圖3 （a）次級無補(bǔ)償

圖3 （b）次級串聯(lián)補(bǔ)償

圖3 （c）次級并聯(lián)補(bǔ)償

2.3.1.1 次級串聯(lián)補(bǔ)償?shù)碾娙莸挠?jì)算

可以看出次級采用并聯(lián)補(bǔ)償，那么次級到初級的反應(yīng)阻抗為容性的。

2.3.2 初級補(bǔ)償

因?yàn)榭煞蛛x變壓器的初級繞組直接跟高頻逆變電源的開關(guān)管連接，初級繞組兩端的電壓直接加在開關(guān)管上，初級電流也全部流過開關(guān)管，開關(guān)管的電壓電流定額較高，所以必須在初級加入電容進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)補(bǔ)償電容和初級繞組電感達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí)，補(bǔ)償電容上的電壓抵消了部分初級繞組兩端的電壓，降低了開關(guān)管開啟和關(guān)斷時(shí)的電壓應(yīng)力既延長了開關(guān)管的工作壽命，又提高了感應(yīng)電能系統(tǒng)能量的傳輸效率[6]。初級補(bǔ)償也可分為串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償，如圖4（a）、（b）、（c）所示，圖a為未加補(bǔ)償，圖b為初級串聯(lián)補(bǔ)償，圖c為初級并聯(lián)補(bǔ)償。

聯(lián)補(bǔ)償，圖c為初級并聯(lián)補(bǔ)償。

圖4 （a） 初級未加補(bǔ)償

圖4 （c） 初級串聯(lián)補(bǔ)償

圖4 （c） 初級并聯(lián)補(bǔ)償

2.3.2.1 次級串聯(lián)補(bǔ)償，初級串聯(lián)補(bǔ)償電容的計(jì)算

2.3.2.3 次級串聯(lián)補(bǔ)償，初級并聯(lián)補(bǔ)償電容的計(jì)算

因?yàn)槌跫壯a(bǔ)償電容要與初級繞組電感到達(dá)諧振，所以式（12）的虛部應(yīng)該為0，即：

2.3.2.4 次級并聯(lián)補(bǔ)償，初級并聯(lián)補(bǔ)償電容的計(jì)算

因?yàn)槌跫壯a(bǔ)償電容要與初級繞組電感到達(dá)諧振，所以式（14）的虛部應(yīng)該為0，即：

3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證上述的分析，對樣機(jī)進(jìn)行了一次初級串聯(lián)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，樣機(jī)的初次級繞組的電感量為6.1mH，采用了高頻逆變電路作為電源，逆變電路輸入為30，V直流電，在逆變輸出為10kHz的條件下，測試了樣機(jī)的傳輸效率，傳輸效率曲線如圖5所示，在初級未加補(bǔ)償電容時(shí)的傳輸效率為75%左右，當(dāng)初級串聯(lián)補(bǔ)償電容為0.41μF時(shí)，傳輸效率提高到了95%左右，傳輸效率明顯得到改善。

圖5 初級串聯(lián)補(bǔ)償傳輸效率曲線

4 結(jié)論

本文對感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對影響傳輸效率的參數(shù)給出了具體的分析，最后對可分離變壓器的補(bǔ)償電路著重進(jìn)行了分析并且給出了設(shè)計(jì)方案，最后對樣機(jī)進(jìn)行了補(bǔ)償電路的測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論分析，傳輸效率得到明顯提高。

[1] 張峰，王慧貞，姜田貴.電壓型松耦合全橋諧振變換器運(yùn)力分析與實(shí)現(xiàn)[J]. 電力電子技術(shù)，2007，41(4).

[2] 楊民生.基于DSP的非接觸式電源系統(tǒng)的研究[D]長沙：湖南大學(xué)，2005.

[3] 姜田貴，張峰，王慧貞.松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的分析[J]. 電力電子技術(shù)，2007,41(8).

[4] 武瑛.新型無接觸供電系統(tǒng)的研究[D]. 北京：中國科學(xué)院院研究生院，2007.

[5] 張永祥，田野，李琳.松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，18(1).

[6] 毛賽君.非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)；2006.