无线电能传输技术基础理论Word下载.docx

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次级端口输出的电流为高频电流，根据负载用电需要，若为直流负载，则将高频电流经过整流为负载电能传输；

若为交流负载，则根据需要进行交交变频或交直交逆变处理。

这种能量传输方式有以下优点：

1、没有裸露导体存在，感应耦合系统的能量传输能力不受环境因素，如尘土、污物、水等的影响。

因此这种方式比起通过电气连接来传输能量，更为可靠、耐用，且不发生火花，不存在机械磨损和摩擦；

2、系统各部分之间相互独立，可以保证电气绝缘；

3、能够采用多个次级绕组接收能量时可为多个用电负载电能传输；

4、变压器初、次级可以相互分离，配合自由，可以处于相对静止或运动状态，适用范围也更广泛。

二无接触电能传输系统的拓扑结构模型

非接触感应式电能传输系统有三个环节：

即作为供能和接收环节的初级和次级电路，以及传输环节的耦合电路，在此基础上对三大环节进行分析，得到非接触感应式电能传输系统性能的影响因素，得出非接触感应式电能传输系统的选型和参数匹配的方法。

具体表现在通过结构创新，提高磁能积利用率，减少体积，提高效率。

1.供能环节－初级电路

初级端供电质量将直接影响传输性能，它是非接触感应式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。

（a）

（b）

图3初级电路变流/逆变拓扑模型的选择

波形发生电路：

采用DSP2812实现PWM电流源控制，功率放大电路采用E型放大器。

当电压源逆变器以正弦波脉宽调制方式（SPWM）运行时，施加在电动机端的电压接近正弦。

为了在电动机端得到基波和高频波的叠加波，可推知应该用叠加波取代正弦波作为调制波。

为方便起见，以单相全桥逆变电路为例来研究叠加电压的PWM调制行为。

谐波特性，所得的结论将不失一般性。

电路如图4所示，由四个IGBT全控器件和四个续流二极管组成的单相全桥逆变器[78]。

PWM发生电路产生占空比为50%的PWM控制信号，由于电路上、下桥臂的MOSFET不可以同时导通，因此,添加死区时间延迟单元。

T1、T4导通的时候，T2、T3关闭。

T2、T3导通的时，T1、T4关闭。

图4单相全桥逆变器

为了方便实验中电压源和电流源的实验比较，使用EI的LM358p放大器芯片，实现电压源到电流源的转换电路如图5所示。

图5基于LM358p电压源到电流源的转换电路

2.传输环节－耦合电路

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。

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。

耦合系数k是度量两个线圈磁耦合程度物理量，。

对于传统的变压器，耦合系数通常在0.95~0.98之间，接近于1。

而无接触变压器属于疏松耦合式系统，耦合系数通常在0.8以下，有的甚至不到0.1。

用0.5作为阈值分野，定义k<

0.5时，线圈间称为松散耦合；

对于k>

0.5，则称为紧耦合。

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环节，如图6所示。

图6非接触感应式电能传输系统互感模型

为了简化分析，一般设次级端所接负载ZL为纯阻性负载RL。

图7为非接触感应式电能传输系统电路分析模型，定义初级绕组中的电流为I1，两端电压为U1。

为初级电流I1在次级中感应产生的电压，为次级中的电流I2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。

以图中给出电流的方向为正方向，可得初、次级电路的方程为：

（1）

（2）

图7非接触感应式电能传输系统电路分析模型

因为，，，更一般的，可以得到阻抗传输公式

（3）

（4）

用矩阵表示为

（5）

式中s＝jω

阻抗分析：

次级系统对初级的影响通过次级反映阻抗Zr2来体现。

反映阻抗Zr2表示次级电路的阻抗Z2通过耦合，在初级电路中表现的电阻值，反映了次级电路阻抗对初级电路的影响。

初级电路中，反映阻抗吸收的复功率就是次级系统吸收的复功率，直接反映了系统的功率传输性能。

（6）

图8引入反映阻抗后的初、次级等效电路

一般电感互感计算公式：

在电流密度相同的情况下，线圈与相应整体线匝的磁场应是一样的，N匝线圈的电流只是相应的整体线匝电流的1/N。

因此，从诺伊曼公式可知，线圈的电感L为相应整体线匝电感L’的N2倍，即。

同理，两个各为N1和N2匝线圈的互感M为相应整体线匝的互感M’的N1×

N2倍，即。

因此，一般只需分析单匝线圈之间的相互影响，就能够进一步的得出多匝线圈之间的相互耦合关系。

定义耦合系数

（6）

式中：

　初级线圈产生的磁通交链到次级线圈的百分数；

　次级线圈产生的磁通交链到初级线圈的百分数。

互感公式影响因素：

定义r1、r2为线圈半径（r1>

r2），d为初次级线圈中心平面间距，Δ为线圈中心偏移量，α为线圈偏移角。

理想状态下，互感M的值可以用以下公式表示

，

K（k）、E（k）分别对应第一类和第二类完全椭圆积分

定义，则在理想状态下，互感的值可以表示为

（a）距离对互感M的影响

线圈距离分别为3cm、6cm、9cm和12cm时对互感的影响如图9所示

图9线圈之间的距离对互感的影响

（b）半径、距离、水平偏移对互感M的影响

在存在水平位移，且Δ<

rL1时，互感的值可以近似表示为

对于两个半径均为6cm的线圈，分别取它们的垂直距离为3cm、6cm、9cm和12cm时，水平偏移对互感的影响如图10所示

图10水平位移对互感系数的影响（计算值）

Q值的优化:

对于一个谐振曲线如图11所示，定义谐振曲线峰值两侧最大值的70％处频率之间的宽度为频带宽度，大小为两边缘频率之差。

可以得到:

即频带宽度反比于谐振电路的Q值，Q越大，能量就越集中，频率的选择性就越强。

此时，较小的频率偏移量就会造成传输效率的迅速降低。

因此维持较高的Q值会使系统对于参数的变化过于敏感，电路调谐变得困难。

当频率点发生变化时，较小的Q值意味着谐振频率尖峰较为平缓的，对频率点的漂移不敏感，鲁棒性较好。

进一步得到对于信号传输，传输带宽，Q的增大将使带宽减小，带宽的减小意味着系统信号传输更容易受到图11频带宽度

频率失配的影响。

3.接收环节－次级电路

根据最大能量传输定理和谐振理论，当工作频率和系统（初级、次级电路）固有频率相同时，能够获得最大传输效能。

为达到最优性能，固有频率ω0一般取

实际应用中，当和不能保证严格相等时，固有谐振频率ω0可以近似表示为

n初、次级线圈匝数比

C1初等效电容；

C2次级等效电容；

L1为初级电感；

L2为次级电感。

随着耦合系数的下降和运行频率的提高，初、次级回路的电抗参数呈几倍、甚至几十倍的增加。

为了改善初、次级回路的供电性能，需要对初、次级回路的无功功率进行补偿。

所谓功率补偿，就是利用最大功率原理，使负载阻抗是输出阻抗的复共轭，这时负载获得最大功率。

通过初级补偿，可以提高初级绕组输入端的功率因数（位移因数），提高供电质量；

在初级补偿的基础上，通过次级补偿，可以提高系统的输出功率和传输效率。

初、次级补偿都可以有串联补偿和并联补偿两种方式。

如图12所示。

图12初、次级的串联补偿和并联补偿（S：

串联、P：

并联）

并联电容器用于补偿感性无功功率；

串联电容器用于补偿线路等效感抗、降低线路感性无功功率流动和提高线路受电端的电压；

混合使用时，一般是串联电抗器串联在并联电容器支路中，然后与并联电容器一起接入系统，补偿高频无功功率，起到抑制高次谐波以及保护并联电容器的作用。

（1）初级补偿

初级采用串联补偿时，在谐振频率下，串联补偿电容上的电压降与初级端的感抗压降相抵消，降低了对初级供电系统的电压要求；

并联补偿时，流过并联补偿电容的电流注入或吸收了初级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。

初级串联谐振补偿电容

初级并联谐振补偿电容

初级没有进行补偿时，变换器的总输入阻抗为

对初级串联补偿电路，变换器的总输入阻抗为

对初级并联补偿电路，变换器的总输入阻抗为

（2）次级补偿

次级采用串联谐振补偿时，次级补偿电容压降和次级感抗压降相抵消，从而串联补偿的次级绕组端口近似等效于电压源，端口电压不受负载值影响；

次级采用并联谐振补偿时，流入次级补偿电容中的电流与次级导纳中电流的无功分量相抵消，并联补偿的次级绕组端口近似等效于电流源，端口输出电流不受负载电阻值影响。

因此，负载端的输出功率将得到大大提高。

没有补偿时次级电路的阻抗为

次级串联或并联时补偿电容C2为

次级补偿当负载电阻较小时，采用串联补偿可以大大提高传输能力，而当负载电阻较大时，采用并联补偿更具优势。

当耦合系数k取较小的值（k<

0.01）时，可以忽略初、次级电路相互的影响。

此时，初级补偿电容C1可以取，次级补偿电容C2可以取

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。

但当运行频率小于谐振频率时，并联补偿初级视在功率增加较慢；

而当运行频率大于谐振频率时，串联补偿初级视在功率增加较慢。

为了克服上述串联和并联补偿的不足，一般使用串、并联补偿相结合的方式。

二基于PCB的感应式能量传输系统

1.基于PCB的磁集成技术

随着微电子技术的发展，在线圈小型化方面，采用了印刷电路板PCB方式的平面（planar）变压器技术，大大减小了感应线圈的体积，提高了能量密度。

平面变压器技术具有以下优点：

1、工作频率高（50kHz～2MHz），能量密度大（达到100W/g）；

2、体积小，空间紧凑，适于自动化安装；

3、采用PCB或铜箔，散热面积大，减少在高频工作条件下由集肤效应和临近效应所引起的涡流损耗并有利于散热；

4、传统绕组的电流密度为2～6A