【正文】 導(dǎo) 師淵博的理論知識(shí)、豐富的工程經(jīng)驗(yàn)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)和平易近人的 性格 給我留下了深刻的 印象。 ? 在闡述可分離變壓器特點(diǎn)和分類的基礎(chǔ)上，對(duì)改進(jìn)型非接觸變壓器的磁路模型進(jìn)行了分析，并給出了非接觸變壓器的優(yōu)化方案。圖 中從下往上依次是開關(guān)管 1S 、 4S 的驅(qū)動(dòng)電壓波形 ? ?1gsVS、 ? ?4gsVS、橋臂電壓波形 acV 、變換器的原、副邊繞組電流 LpI 、 LsI 。 為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通 (如 1S 管 )，當(dāng)開關(guān)管 1S 處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)， LpI 必須滿足221423p Lp s inL I C V? ，因此， LpI 要盡量大使得 1C 放完電，二極管 1D 續(xù)流導(dǎo)通，同時(shí) 1C 要選取較小值。 開關(guān)模態(tài) 2[ 1t ， 2t ]（如圖 （ b）所示）： 1t 時(shí)刻，關(guān)斷 開關(guān)管 3S ， LpI 給開關(guān)管 3S 的緩沖電容 3C 充電，同時(shí)給開關(guān)管 4S 的緩沖電容 4C 放電，在 3C 和 4C 的緩沖作用下， 3S 近似零電壓關(guān)斷。 移相控制帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的分析 移相控制帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖 所示。 因此，變換器副邊反映到原邊的阻抗 rZ 可以表示為電阻 eR 和電容 eC 的串聯(lián)。 諧振變換技術(shù)相比于 SPWM 變換技術(shù)，根據(jù)負(fù)載和開關(guān)頻率的不同，可以實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷或零電壓開通，頻率遠(yuǎn)小于 SPWM 所需的頻率，開關(guān)損耗小，電壓（電流）接近正弦 [22]。 帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器電路特性分析 帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的作用及優(yōu)點(diǎn) 帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器由全橋高 頻逆變、可分離變壓器、全橋整流三部 20 分組成。原邊補(bǔ)償電容和原邊繞組通常構(gòu)成諧振變換器的 19 諧振元件。因此，可以得到變換器副邊電路的 戴維南等效電路和諾頓等效電路，如圖 所示。感應(yīng)電壓和反映電壓都通過互感來表達(dá)。磁芯中部為平面 U 型結(jié)構(gòu)，磁芯兩邊柱底部向外側(cè)擴(kuò)展，擴(kuò)展的幾何形狀可為矩形、圓形或多邊形，如圖 所示。當(dāng) L2g， 繼續(xù)增大 L 只會(huì)減小 MPR 中的梯形柱磁阻， MP? 增加，變壓器的體積、質(zhì)量增大，但對(duì)耦合系數(shù)的改善并不明顯；還可將增大磁芯 L 改為增大 f，如圖 所示。 MP? 為由原邊電流產(chǎn)生，匝鏈副邊一部分繞組的磁通。 改進(jìn)型非接觸變壓器的磁路模型 原有磁路模型的限制 為便于分析，本文與文獻(xiàn) [9]相同，針對(duì)對(duì)稱的繞組結(jié)構(gòu)，在副邊開路條件下建立等效磁 11 路、分析耦合系數(shù)。平面繞組的布置方式有集中式和分布式 2 種，如圖 所示。為便于分析，針對(duì)對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu)，并在副邊開路條件下給出其等效磁路， 如圖 1(b)所示。非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)要得到廣泛的應(yīng)用，必須實(shí)現(xiàn)高的輸入功率因數(shù)，減小對(duì)電網(wǎng)的污染，采用功率因數(shù)校正變換器可以有效的減小諧波含量，提高功率因數(shù) [5]。根據(jù)非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的特性，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要有： (1) 提高可分離變壓器的耦合系數(shù)。 5 第二章 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)基本特性研究 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)理論實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，能量傳輸框圖如圖 所示，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。近年來，環(huán)境意識(shí)和石油燃料資源耗盡的可能性使人們又重新重視了電動(dòng)汽車的研究發(fā)展，而電池充電將是未來的電動(dòng)汽車面臨的一個(gè)重要問題。工程應(yīng)用中的技術(shù)限制也制約著非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的發(fā)展，如無源器件和有源功率器件的電壓和電流定額。 美國(guó)通用汽車公司子公司 Delco Electronics 研制的 MagnechargeTM 是最先商業(yè)化的 電動(dòng)汽車非接觸電能傳輸系統(tǒng)之一，現(xiàn)在正由 Delco 生產(chǎn)和銷售，專用于 GM 的 EV1 型電動(dòng)汽車充電。非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)解決了傳統(tǒng)導(dǎo)線直接接觸供電的缺陷，是一種有效、安全的電能傳輸方法 [911]。在現(xiàn)有的 功率變換技術(shù)的基礎(chǔ)上，感應(yīng)電能傳輸技術(shù)是工程上最可行的方式。非接觸能量傳輸系統(tǒng)（感應(yīng)耦合） 原副邊完全分離的非接觸變 壓器，通過磁場(chǎng)的耦合傳輸電能，使得能量傳遞過程中供電側(cè)和用電側(cè) 沒有 物理鏈接。向蓄電池充電的電力可以由煤炭、天然氣、水力、核能、太陽能、風(fēng)力、潮汐等能源轉(zhuǎn)化。 眾所周知，內(nèi)燃機(jī)汽車廢氣中的 CO、 HC 及NOX、微粒、臭氣等污染物形成酸雨酸霧及光化學(xué)煙霧。 17 變換器的補(bǔ)償電路 16 變換器副邊等 效電路 9 改進(jìn)型非接觸變壓器的磁路模型 Separate transformer。盡本人所知，除了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。其次，對(duì)帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的電路特性進(jìn)行了分析，分析了變換器的諧振頻率，對(duì)移相控制的帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器進(jìn)行了電路仿真。 7 改進(jìn)型非接觸變壓器 14 iv 第四章 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)全橋串聯(lián)諧振變換器 的電路特性分析 20 移相控制帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的分析 新能源汽車的發(fā)展方向有多種，從技術(shù)發(fā)展成熟程度和中國(guó)國(guó)情來看，純電動(dòng)汽車應(yīng)是大力推廣的發(fā)展方向。電動(dòng)汽車停止時(shí)不消耗電量，在制動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)可自動(dòng)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)減速時(shí)能量的再 利用。利用充電樁充 電 的形式 會(huì) 有以下缺點(diǎn)：同時(shí)充電的汽車數(shù)目 有限，戶外有線充電樁易受到 損壞 ，建專用充電站占用大量用地。與感應(yīng)電能傳輸類似，容性電能傳輸可以利用高頻變化的電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)大氣隙的電能傳輸。在水下場(chǎng)合，導(dǎo)線直接接觸供電存在電擊的潛在危險(xiǎn)。新西蘭奧克蘭大學(xué)所屬奇思公司已將非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)成功應(yīng)用于新西蘭 Rotorua 國(guó)家地?zé)峁珗@的 30kW 旅 客電動(dòng)運(yùn)輸車 [4,68]。像其他新技術(shù)一樣，非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的發(fā)展面臨著很多挑戰(zhàn)。 4 本文研究的意義及內(nèi)容 本文研究的意義 隨著人們環(huán)境意識(shí)的提高和對(duì)石油燃料資源耗盡危機(jī)的警覺，未來的交通運(yùn)輸系統(tǒng)將逐漸向著綠色、 環(huán)保、電氣化的方向發(fā)展。 ? 第三章在概述可分離變壓器的基礎(chǔ)上，介紹了改進(jìn)型非接觸變壓器，給出了改進(jìn)型非接觸變壓器的磁路模型，提出了非接觸變壓器的優(yōu)化方案。 整 流 濾 波 功率 因 數(shù) 校 正電 網(wǎng)高 頻逆 變?cè)?邊繞 組副 邊繞 組整 流 濾 波功 率 調(diào) 節(jié)用 電設(shè) 備無 線通 訊無 線通 訊電 能 傳 輸 方 向可 分 離 變 壓 器 圖 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)能量傳輸框圖 非接觸感應(yīng)電能傳輸?shù)脑砑皟?yōu)點(diǎn) 非接觸供電是基于磁場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)無線供電的新型電能傳輸方式，利用原 副邊完全分離的非接觸變壓器，通過高頻磁場(chǎng)的耦合傳輸電能，實(shí)現(xiàn)能量傳遞過程中供電側(cè)和用電側(cè)無物理連接。提高變換器的開關(guān)頻率可以減小非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的體積和重量，但是隨著開關(guān)頻率的不斷提高，采取硬開關(guān)方式的功率變換器，其開關(guān)損耗將大大增高，影響了系統(tǒng)效率的提高，對(duì)電動(dòng)汽車和磁浮列車等大功 率充電場(chǎng)合，提高變換器的效率尤為重要。 滑動(dòng)式，原邊和副邊處于相對(duì)滑動(dòng)的狀態(tài)，主要應(yīng)用于有軌電車、磁浮列車等交通運(yùn)輸領(lǐng)域，如圖 （ a）所示。改進(jìn) 9 的變壓器磁芯如圖 所示，為平面 U 型結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，兩種繞組布置方法主要影響磁芯窗口中的磁場(chǎng)分布。 12 圖 磁通分塊示意圖 1A、 1B 區(qū)為第 1 部分，漏磁通為 L? 。增加耦合磁通比例可提高變壓器的耦合系數(shù)，且 全耦合磁通 MF? 所占比例越大越有利于提高 k。減小 MFR 、 MPR ，同時(shí)增大 1LR 、0? ，有利于實(shí)現(xiàn)高耦合系數(shù)和輕量化。這種模型適用于變壓器原邊和副邊緊密耦合的情形，原、副邊電壓滿足匝比關(guān)系，其漏感通?？梢院雎圆挥?jì)。 Lpj MI? ? 表示可分離變壓器原邊繞組電流 LpI? 在副邊的感應(yīng)電壓， Lsj MI? ?? 是可分離變壓器副邊繞組電流 LsI? 在原邊的反映電壓 [3,12,13,16,20]。 pL sLLpI? MLsI? pL sLMLsI?LpI? （ a）未加補(bǔ)償 （ b）串聯(lián)補(bǔ)償 pL sLMLsI?LpI? （ c）并聯(lián)補(bǔ)償 圖 原邊補(bǔ)償電路 若可分離變壓器的原邊繞組直接跟變換器的開關(guān)管連接，那么原邊繞組兩端的電壓直接加在開關(guān)管上，原邊繞組電流也全部流過開關(guān)管，開關(guān)管的電壓電流定額較高。在充電器場(chǎng)合，宜采用副邊并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞?，?shí)現(xiàn)對(duì)電池的恒流充電。 SPWM 即脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)率排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以 做到正弦波輸出。開關(guān)管 1S 和 4S 同相工作，開關(guān)管 2S 和 3S 同相工作，開關(guān)管 1S 和 2S為 180 度互補(bǔ)導(dǎo)通。 當(dāng)帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器發(fā)生諧振時(shí)，可以得到 0 001pL C? ?? （ ） 其中， 0? 是串聯(lián)諧振角頻率。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)， 變換器有八個(gè)工作模態(tài)，如圖 所示。此后，當(dāng)開關(guān)管 1S 兩端電壓上升到 Vin，開關(guān)管 2S 兩端電壓下降到零， LpI 流過 2S 的反并二極管和開關(guān)管 4S ，變換器開始另一半周期工作，其工作情況類似于上述的半個(gè)周期。二極管應(yīng)選導(dǎo)通壓降小的，且要選快恢復(fù)二極管以減小關(guān)斷 損耗。 改變移相角，觀察其對(duì)變換器相關(guān)特性的影響： 移相角為 90o 時(shí)，其余仿真參數(shù)不變，得到如下仿真波形： 圖 移相角 90o為時(shí)的仿真波形 30 移相角為 45o 時(shí)，其余仿真參數(shù)不變，得到如下仿真波形： 圖 移相角 45o為時(shí)的仿真波形 移相角為 0o 時(shí)，其余仿真參數(shù)不變，得到如下仿真波形： 圖 移相角 0o為時(shí)的仿真波形 由以上三組波形的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：隨著移相角 ? 的增加，變換器的原邊繞組電壓會(huì)減小，原、副邊繞組電流也會(huì)減小， 由于原邊繞組電壓的減小，導(dǎo)致耦合到副邊的變壓也相應(yīng)減小，造成整流后的輸出電壓也減小， 因此得出結(jié)論：通過改變移相角 ? 的大小，可以有效地對(duì)變換器的原邊繞組電壓，原、副邊繞組電流， 進(jìn)而對(duì)輸出電壓，輸出功率進(jìn)行控制。 ? 對(duì)變換器的原、副邊補(bǔ)償電路進(jìn)行阻抗分析。 其次，在論文的完成過程中， 我 一直得到實(shí)驗(yàn)室辛玉寶師兄的熱心指導(dǎo)和耐心幫助， 師兄幫 我解決了很多問題，講授了平時(shí)學(xué)習(xí)的方法和學(xué)習(xí)技巧，使我在研究課題領(lǐng)域受益匪淺，得到很快的成長(zhǎng)，在學(xué)習(xí)上少走了很多的彎路，感謝你們的關(guān)心和無私的幫助，和你們相處的日子讓我難以忘懷，衷心的祝福你們身體健康，生活愉快、工作順利。 后續(xù)研究工作展望 本文由于 作者 時(shí)間和水平有限，本 設(shè)計(jì) 還有以下工作有待深入研究： ? 討論了繞組位置和氣隙對(duì)可分離變壓器參數(shù)的影響，得出了變壓器參數(shù)隨氣隙變化的規(guī)律。 （ a） 29 （ b） 圖 移相控制帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器仿真波 形 觀察圖 （ b）中 ? ?oUC 、 ? ?rIL 的波形可以看出，當(dāng) ? ?oUC =0 時(shí)， ? ?rIL 為最大值；當(dāng) ? ?rIL =0 時(shí)， ? ?oUC 為最大值；所以 oC 、 rL 中的能量相互交換，處于諧振狀態(tài)。因此，緩沖電容的大小應(yīng)該綜合考慮。隨著電流 LpI 方向的改變， LpI 從開關(guān)管 S1 和 4S 流過，變換器