串聯(lián)諧振的非接觸供電系統(tǒng)傳輸功率分析

西安思源學(xué)院 袁觀娜 楊 燕 李 秋

導(dǎo)線是目前電能傳輸?shù)闹饕绞?，這種接觸傳導(dǎo)方式的缺點(diǎn)是易產(chǎn)生電火花、導(dǎo)體易裸露，在如礦井、水下等特殊場合，極易發(fā)生事故。非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)是利用電磁感應(yīng)傳輸電能，不存在電氣接觸，極大的提高了供電的安全性和可靠性。本文通過建立基于串聯(lián)諧振的非接觸供電系統(tǒng)的模型，建立方程得出基于串聯(lián)諧振的非接觸供電系統(tǒng)的輸出功率，得出基于串聯(lián)諧振的非接觸供電系統(tǒng)輸出功率的影響因素，并提出提高基于串聯(lián)諧振的非接觸供電系統(tǒng)輸出功率的途徑。

圖1 非接觸電能傳輸系統(tǒng)

圖2 逆變電路

1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)，電能掀起了人類第二次工業(yè)革命，推動了社會的發(fā)展。傳統(tǒng)的電能傳輸主要靠導(dǎo)線來傳輸，電氣設(shè)備通過連接導(dǎo)線、接頭來實(shí)現(xiàn)電能的接觸傳導(dǎo)。導(dǎo)線的傳輸方式不可避免存在連接點(diǎn)，連接處容易發(fā)生磨損，接觸點(diǎn)容易產(chǎn)生接觸電火花，對于煤礦等有易燃易爆氣體場合容易發(fā)生爆炸事故。同時傳統(tǒng)的導(dǎo)線傳輸容易出現(xiàn)導(dǎo)體裸露，對于水下等電能傳輸場合容易出現(xiàn)漏電、觸電等危險。因此，導(dǎo)線傳導(dǎo)的方式在某些特殊場合極大的影響了供電的安全性和可靠性。隨著電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，使得非接觸電能傳輸成為現(xiàn)實(shí)。非接觸電能的傳輸作為新型傳輸技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，在電力系統(tǒng)、電動汽車、通訊設(shè)備、醫(yī)療器械、航空航天等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

非接觸能量傳輸系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)以分離變壓器為界分為能量發(fā)射部分和能量接收部分。能量發(fā)射部分通過工頻整流將交流電轉(zhuǎn)換成直流，通過高頻逆變將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電供給變壓器的原邊線圈。能量接收部分為變壓器副邊線圈通過電磁感應(yīng)獲取電能，通過高頻整流轉(zhuǎn)換成直流電，通過調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)后供給負(fù)載。能量發(fā)射和能量接收利用可分離變壓器，不存在電氣連接，極大的提高了供電的安全性和可靠性。

1 基于串聯(lián)諧振的非接觸供電系統(tǒng)的模型

圖2所示為串聯(lián)諧振逆變電路和并聯(lián)諧振逆變電路。本文研究的主要是基于基于串聯(lián)諧振的非接觸供電系統(tǒng)。圖中，串聯(lián)諧振電路由S1到S4組成的逆變橋和R、L、C組成的串聯(lián)諧振負(fù)載組成。串聯(lián)諧振逆變時，當(dāng)S1、S4和S2、S3交替導(dǎo)通時，負(fù)載即可得到高頻交流電。交流電電壓幅值Ui，頻率為逆變開關(guān)頻率。當(dāng)逆變開關(guān)頻率為諧振頻率時，負(fù)載電流為正弦電流。因此，非接觸電能傳輸系統(tǒng)變壓器一次側(cè)可等效為一交流電源。

二次側(cè)等效電路如圖3所示，二次側(cè)采用高頻整流后，經(jīng)過能量調(diào)節(jié)電路供給直流負(fù)載。能量調(diào)節(jié)電路一般為斬波電路，如升壓斬波電路或降壓斬波電路。當(dāng)變壓器一次電流為正弦電流時，感應(yīng)到二次側(cè)仍為正弦電流。由于整流電路輸入基波電壓和輸入電流同相位，因此整流輸出具有電阻性質(zhì)。若輸出與負(fù)載之間有斬波電路，不影響電路性質(zhì)。因此二次側(cè)可等效為電阻。

圖3 二次側(cè)等效電路

可分離變壓器具有耦合電能的作用，但是與一般的變壓器不同，其耦合系數(shù)小于1，不能用理想的變壓器作為等效電路。這里采用松耦合變壓器等效模型，即采用自感L1和等效電阻R1來表示一次線圈，采用自感L2和等效電阻R2來表示二次線圈，用互感M來表示兩個線圈之間的耦合關(guān)系，這種模型結(jié)構(gòu)可以真實(shí)描述實(shí)際可分離變壓器電氣特性，如圖4所示。

圖4 變壓器等效模型

圖5 非接觸電能傳輸系統(tǒng)等效電路

2 影響傳輸功率因素

非接觸電能傳輸系統(tǒng)等效電路如圖5所示，工頻整流和高頻逆變等效為交流電源Ui，C1為一次側(cè)串聯(lián)電容，變壓器采用松耦合互感等效模型，二次側(cè)等效為電阻R0，C2為二次側(cè)補(bǔ)償電容。i1為流過變壓器一次繞組的電流，i2為流過變壓器二次繞組中的電流。

由圖5可列如下方程：

解得：

由式1-3可知，非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率與電流的頻率，電流的模值，二次側(cè)并聯(lián)品質(zhì)因數(shù)以及互感與自感的比值有關(guān)?？梢酝ㄟ^提高一次電流的模值和頻率、二次側(cè)并聯(lián)品質(zhì)因數(shù)、互感，降低自感來提高輸出功率。提高一次電流的模值和頻率可通過控制高頻諧振電路來實(shí)現(xiàn)，二次側(cè)并聯(lián)品質(zhì)因數(shù)可通過二次側(cè)補(bǔ)償電路來實(shí)現(xiàn)，提高互感與自感的比值可通過提高可分離變壓器的導(dǎo)磁性能來實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

本文通過分析串聯(lián)諧振逆變電路、二次側(cè)高頻整流電路和能量調(diào)節(jié)電路、可分離變壓器的特點(diǎn)，建立了基于串聯(lián)諧振的非接觸供電系統(tǒng)的等效模型，計算得出基于串聯(lián)諧振的非接觸供電系統(tǒng)的輸出功率，分析出影響基于串聯(lián)諧振的非接觸供電系統(tǒng)輸出功率的因素，給出提高基于串聯(lián)諧振的非接觸供電系統(tǒng)輸出功率的有效途徑，為非接觸電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)，特別是對于煤礦等易燃易爆、水下等易漏電場合的電能傳輸具有重要意義。