【正文】 導 師淵博的理論知識、豐富的工程經(jīng)驗、嚴謹?shù)目蒲凶黠L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和分類的基礎上，對改進型非接觸變壓器的磁路模型進行了分析，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管 1S 、 4S 的驅動電壓波形 ? ?1gsVS、 ? ?4gsVS、橋臂電壓波形 acV 、變換器的原、副邊繞組電流 LpI 、 LsI 。 為了實現(xiàn)開關管的零電壓開通 (如 1S 管 )，當開關管 1S 處于關斷狀態(tài)時， 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)流導通，同時 1C 要選取較小值。 開關模態(tài) 2[ 1t ， 2t ]（如圖 （ b）所示）： 1t 時刻，關斷 開關管 3S ， LpI 給開關管 3S 的緩沖電容 3C 充電，同時給開關管 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)諧振變換器開關管的驅動信號如圖 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)。 諧振變換技術相比于 SPWM 變換技術，根據(jù)負載和開關頻率的不同，可以實現(xiàn)零電流關斷或零電壓開通，頻率遠小于 SPWM 所需的頻率，開關損耗小，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 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。原邊補償電容和原邊繞組通常構成諧振變換器的 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。感應電壓和反映電壓都通過互感來表達。磁芯中部為平面 U 型結構，磁芯兩邊柱底部向外側擴展，擴展的幾何形狀可為矩形、圓形或多邊形，如圖 所示。當 L2g， 繼續(xù)增大 L 只會減小 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 [9]相同，針對對稱的繞組結構，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，針對對稱繞組結構，并在副邊開路條件下給出其等效磁路， 如圖 1(b)所示。非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)要得到廣泛的應用，必須實現(xiàn)高的輸入功率因數(shù)，減小對電網(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)非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)的特性，設計準則主要有： (1) 提高可分離變壓器的耦合系數(shù)。 5 第二章 非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)基本特性研究 非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)的構成 非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)利用電磁感應理論實現(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，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)境意識和石油燃料資源耗盡的可能性使人們又重新重視了電動汽車的研究發(fā)展，而電池充電將是未來的電動汽車面臨的一個重要問題。工程應用中的技術限制也制約著非接觸感應電能傳輸技術的發(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 型電動汽車充電。非接觸感應電能傳輸技術解決了傳統(tǒng)導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 功率變換技術的基礎上，感應電能傳輸技術是工程上最可行的方式。非接觸能量傳輸系統(tǒng)（感應耦合） 原副邊完全分離的非接觸變 壓器，通過磁場的耦合傳輸電能，使得能量傳遞過程中供電側和用電側 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、風力、潮汐等能源轉化。 眾所周知，內(nèi)燃機汽車廢氣中的 CO、 HC 及NOX、微粒、臭氣等污染物形成酸雨酸霧及光化學煙霧。 17 變換器的補償電路 16 變換器副邊等 效電路 9 改進型非接觸變壓器的磁路模型 Separate transformer。盡本人所知，除了畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。其次，對帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的電路特性進行了分析，分析了變換器的諧振頻率，對移相控制的帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器進行了電路仿真。 7 改進型非接觸變壓器 14 iv 第四章 非接觸感應電能傳輸系統(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，從技術發(fā)展成熟程度和中國國情來看，純電動汽車應是大力推廣的發(fā)展方向。電動汽車停止時不消耗電量，在制動過程中，電動機可自動轉化為發(fā)電機，實現(xiàn)制動減速時能量的再 利用。利用充電樁充 電 的形式 會 有以下缺點：同時充電的汽車數(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。與感應電能傳輸類似，容性電能傳輸可以利用高頻變化的電場實現(xiàn)大氣隙的電能傳輸。在水下場合，導線直接接觸供電存在電擊的潛在危險。新西蘭奧克蘭大學所屬奇思公司已將非接觸感應電能傳輸技術成功應用于新西蘭 Rotorua 國家地熱公園的 30kW 旅 客電動運輸車 [4,68]。像其他新技術一樣，非接觸感應電能傳輸技術的發(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)境意識的提高和對石油燃料資源耗盡危機的警覺，未來的交通運輸系統(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上，介紹了改進型非接觸變壓器，給出了改進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 變原 邊繞 組副 邊繞 組整 流 濾 波功 率 調(diào) 節(jié)用 電設 備無 線通 訊無 線通 訊電 能 傳 輸 方 向可 分 離 變 壓 器 圖 非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)能量傳輸框圖 非接觸感應電能傳輸?shù)脑砑皟?yōu)點 非接觸供電是基于磁場耦合實現(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，通過高頻磁場的耦合傳輸電能，實現(xiàn)能量傳遞過程中供電側和用電側無物理連接。提高變換器的開關頻率可以減小非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)的體積和重量，但是隨著開關頻率的不斷提高，采取硬開關方式的功率變換器，其開關損耗將大大增高，影響了系統(tǒng)效率的提高，對電動汽車和磁浮列車等大功 率充電場合，提高變換器的效率尤為重要。 滑動式，原邊和副邊處于相對滑動的狀態(tài)，主要應用于有軌電車、磁浮列車等交通運輸領域，如圖 （ a）所示。改進 9 的變壓器磁芯如圖 所示，為平面 U 型結構?？梢钥闯?，兩種繞組布置方法主要影響磁芯窗口中的磁場分布。 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 ，同時增大 1LR 、0? ，有利于實現(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系，其漏感通?？梢院雎圆挥?。 Lpj MI? ? 表示可分離變壓器原邊繞組電流 LpI? 在副邊的感應電壓， 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）未加補償 （ b）串聯(lián)補償 pL sLMLsI?LpI? （ c）并聯(lián)補償 圖 原邊補償電路 若可分離變壓器的原邊繞組直接跟變換器的開關管連接，那么原邊繞組兩端的電壓直接加在開關管上，原邊繞組電流也全部流過開關管，開關管的電壓電流定額較高。在充電器場合，宜采用副邊并聯(lián)補償?shù)姆绞?，實現(xiàn)對電池的恒流充電。 SPWM 即脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)率排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當?shù)臑V波可以 做到正弦波輸出。開關管 1S 和 4S 同相工作，開關管 2S 和 3S 同相工作，開關管 1S 和 2S為 180 度互補導通。 當帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器發(fā)生諧振時，可以得到 0 001pL C? ?? （ ） 其中， 0? 是串聯(lián)諧振角頻率。在一個開關周期內(nèi)， 變換器有八個工作模態(tài)，如圖 所示。此后，當開關管 1S 兩端電壓上升到 Vin，開關管 2S 兩端電壓下降到零， LpI 流過 2S 的反并二極管和開關管 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周期。二極管應選導通壓降小的，且要選快恢復二極管以減小關斷 損耗。 改變移相角，觀察其對變換器相關特性的影響： 移相角為 90o 時，其余仿真參數(shù)不變，得到如下仿真波形： 圖 移相角 90o為時的仿真波形 30 移相角為 45o 時，其余仿真參數(shù)不變，得到如下仿真波形： 圖 移相角 45o為時的仿真波形 移相角為 0o 時，其余仿真參數(shù)不變，得到如下仿真波形： 圖 移相角 0o為時的仿真波形 由以上三組波形的對比，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減小，原、副邊繞組電流也會減小， 由于原邊繞組電壓的減小，導致耦合到副邊的變壓也相應減小，造成整流后的輸出電壓也減小， 因此得出結論：通過改變移相角 ? 的大小，可以有效地對變換器的原邊繞組電壓，原、副邊繞組電流， 進而對輸出電壓，輸出功率進行控制。 ? 對變換器的原、副邊補償電路進行阻抗分析。 其次，在論文的完成過程中， 我 一直得到實驗室辛玉寶師兄的熱心指導和耐心幫助， 師兄幫 我解決了很多問題，講授了平時學習的方法和學習技巧，使我在研究課題領域受益匪淺，得到很快的成長，在學習上少走了很多的彎路，感謝你們的關心和無私的幫助，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 時間和水平有限，本 設計 還有以下工作有待深入研究： ? 討論了繞組位置和氣隙對可分離變壓器參數(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 ? ?oUC =0 時， ? ?rIL 為最大值；當 ? ?rIL =0 時， ? ?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，緩沖電容的大小應該綜合考慮。隨著電流 LpI 方向的改變， LpI 從開關管 S1 和 4S 流過，變換器