【正文】 個變壓器的體積，另一方面會降低整個變壓器的能量傳送效率。也可以選用220V 單相工頻電源作為供電電源，則得到 198V 的直流電源。 松耦合變壓器的物理實現(xiàn) 對于在非接觸式電源系統(tǒng)中所采用的松耦合變壓器，根據(jù)系統(tǒng)的實際要求，考慮到移動電氣設備的移動性要求，松 耦合 變壓器必須有利于負載的靈活移動，因此在本系統(tǒng)中將松 耦合 變壓器的原邊通過導軌線圈的形式來實現(xiàn)，也即原邊線圈為一單匝的線圈，而副邊線圈的匝數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)的實 際要求來進行調節(jié)。如松 耦合 變壓器的磁路中有較大距離的空氣磁路，磁動勢中相當一部分消耗在空 氣磁路部分，因此需要很大的激磁電流，從而導致其漏感較大， 耦合 系數(shù)不高 。 設此時變壓器處于不飽和狀態(tài)，則變壓器的電壓方程為 : ???????????dtdiMdtdiLiRU dtdiMdtdiLiRU1212222221211111 （ 31） 第 3 章 松耦合變壓器的原理及其設計 15 上 式中 : 1L 、 1R 為一次側自感和電阻 。 (2)盡可能高的導磁率 。 由于超微晶磁芯具有普通鐵氧體磁芯所不具備的一些優(yōu)勢，適合于應用在高頻電能傳輸?shù)乃?耦合 變壓器中。 圖 早期的全橋變換器的功率開關器件主要采用的是 GTR 和 MOSFET，眾所周知，它們都存在各自不同的缺點。 :MOST 阻斷電壓和導通壓降之間存在制約關系，增加基區(qū)厚度固然可以提高耐壓值，但同時 也提高了導通壓降，為了折中，不得不增加芯片面積，這使得芯片面積利用率和電流密度都下降。如果 IPM 模塊其中有一種保護電路動作， IGBT柵極驅動單元就會關斷電流并輸出一個故障信號 (Fo)。而 F2407A 擁有專用于電機控制的事件管理器模塊 EVA 和 EVB，只需設置事件管理器中的周期寄存器和比較寄存器，便可實現(xiàn)功率驅動單元的硬件開關模式。同時 GP 定時器為其它子模塊提供時基， T1 和 T3 適用于所有比較單元和 PWM 電路， T2 和 T4 適用于捕獲單元和正交脈沖計數(shù)操作。 （ 2） ADC 模塊 F2407A 包括兩個帶采樣 /保持的各 8 路 10 位 A/D 轉換器，具有自動排序能力，一次可執(zhí)行最多 16 個通道的自動轉換，可工作在 8 個自動轉換的雙排序器工作方式或一組 16 個自動轉換通道的單排序器工作方式。通過結合 TI 的集成開發(fā)環(huán)境 (CCS)與 JTAG 接口，可以很方便地進行實時在線調試。而硬件保護電路，則通過邏輯與門來決定是否封鎖輸出信號，其中硬件保護 較之軟件保護，具有響應速度快的特點 。 過壓保護參考電壓設置： *%120* ** 39。原理圖如圖 。 15V 的電壓， +5V 的電壓直 接給給 DSP 外部接口芯片供電，177。故使用 ANSJ的寬范圍輸入的隔離電源模塊 HDW1512S05 DC/DC 模塊為一級電源模塊，輸入電壓范圍為 918V，功率 15W，有三路電壓輸出 +5V 和177。系統(tǒng)在直流回路設置一個電阻，通過該 電阻把電流轉換成電壓信號后接入圖 保護電路中，形成過流保護。在過 (欠 )壓保護中，當采樣電壓高 (低 )于保護參考點 V2（ V1），則 VOH(VOL)輸出低電平，與其它故障信號相與后送入 DSP的 PDPINT 中斷口，當 DSP 的 PDPINT 管腳接收到低電平信號， DSP 將做出相應的中斷處理，立即封鎖 PWM 輸出及停止運行。本系統(tǒng)設計采用的接口是 RS232，其接口芯片采用的是MAXIM 公司的 MAX232，具體電路如圖 所示。 SCI 即通用異步收發(fā)器（ UART）支持 RS232 和 RS485 的工業(yè)標準全雙工通信模式，用來與上位機的通信； SPI 可用于同步數(shù)據(jù)通信，典型應用包括 F2407A 之間構成多機系統(tǒng)和外部 I/O 擴展，如顯示驅動。 F2407A 的 4 個比較器可以產 生四個附加的獨立比較或高精度 PWM 波形。另外還有 47 個 1/0 引腳。產生泵升電壓是電動機制動過程不可避免的現(xiàn)象，為此要給制動過程提供一條能量釋放路徑。 驅動電路設計 圖 IPM 驅動電路 （ 1） 控制信號輸入 如圖 所示，由 DSP 產生的六路 PWM 信號需要經(jīng)光耦隔離芯片 HCPL4504 后再輸入 IPM。 GTR 的上述弱點都可以用功率 MOSFET 加以克服，因為 MOSFET 是多子器件，無電荷儲存效應，因此開關速度快，工作頻率高 。 JfBKPAA inec m ax0810?? （ 39） 上式中有 : cA 為磁芯窗口面積 eA 為磁芯截面積 第 3 章 松耦合變壓器的原理及其設計 17 inP 為輸入功率 0K 為占空比系數(shù) f 為工作頻率 maxB 為最大磁感應強度 J 為工作電流密度 根據(jù)式 可計算出磁芯截面積與磁芯窗口面積的乘積，從而設計出磁芯的尺寸參數(shù) 松耦合變壓器繞組設計 松 耦合 變壓器的繞組設計包括繞組匝數(shù)的設計和繞制方法部位的設計。 為了滿足如上的要求，我們選用了適合高頻的超微晶軟磁材料作為松耦合變壓器的鐵芯。 松耦合變壓器磁芯選型 如前所述，松 耦合 變壓器由于存在比較大的漏感，為了減小整個裝置的體積，提高系統(tǒng)的能量密度，因此松 耦合 變壓器必須工作于較高的頻率下，目前所采用的工作頻率從 10KHz 到 100KHz 不等。 U 1 U 2（ a ）U 1 U 2（ b ） 圖 如圖 所示為普通雙繞組變壓器和松 耦合 變壓器的示意圖，其中 所示為 變壓器的通用模型，即變壓器的原、副邊線圈匝數(shù)可為一變比。這種新型的非接觸式供電方式比傳統(tǒng)供電方式具有更大的靈活性，因此特別適合移動電氣設備的安全供電，它消除了傳統(tǒng)供電方式的多點接觸的不可靠性，解決了移動電氣設備通過滑、滾動取電方式所帶來的器件磨損、碳積以及電火花問題，為移動電氣設備的安全、綠色供電提供了解決方案。電路原理圖如圖 所示。工頻交流電流經(jīng)過整流及濾波電路之后向高頻逆變器提供平穩(wěn)的直流電源，直流電源在經(jīng)過高頻逆變之后向松 耦合 變壓器的原邊輸送高頻交變電流，逆變器輸出的交變 電流在松 耦合 變壓器的原邊 (能量發(fā)射線圈 )中流過時會產生高頻的電磁輻射，利用合理設計的松 耦合 變壓器的副邊 (能量接收線圈 )產生感應電動勢，該感應電動勢在經(jīng)過整流濾波等電流電壓參數(shù)調節(jié)之后向負載傳送穩(wěn)定的電能，考慮到多個能量接收線圈的存在，必須在用電設備端加上負載供電控制單元以保證整個電源系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性。如日本的工廠行車、電動機車，德國 BWM 公司的裝配機器人、美國及英國的無線充電器等產品都是非接觸式感應 耦合 電能傳輸?shù)囊恍?典型應用。開關管 maxS 用于在電壓過高時切入電路，消耗過剩能量，起到保護的作用。一般的快速充電多為直流充電 ， 一次充電需要 1020 分鐘左右， 10 分鐘左右把 35KW 的電池沖完需要 250KW 的發(fā)電功率，是一個辦公大樓用電負荷的 5倍。對非接觸式電源技術的研究將填補國內空白，推動我國電氣自動化技術的巨大進步。重慶大學自動化學院非接觸電能傳輸技術研發(fā)課題組自 2020 年便開始了對國內外“非接觸式電能接入技 術”相關基礎理論與實用技術的密切跟蹤和研究，并與國際上在該領域研發(fā)工作處于領先水平的新西蘭奧克蘭大學波依斯（ Pro. Boys）教授為首的課題組核心成員 PatrickAiguo Hu（呼愛國）博士進行了深層次的學術交流與科技合作，在理論和技術成果上有了較大的突破。由此可看出國外對非接觸電能傳輸技術已逐步展開，不斷提出新的概念，新的理論，新的設計，不斷完善系統(tǒng)的供電性能，不斷優(yōu)化改進磁耦合機構，以及不斷開發(fā)新的應用領域 國內 研究現(xiàn)狀 目前，國內對非接觸式電能接入技術及裝置的研究比較薄弱，更無成熟產品可言。文獻研究了松耦合感應 3 電能傳輸系統(tǒng)的功率傳輸能力及系統(tǒng)存在的分岔現(xiàn)象。介紹了 ICPT 系統(tǒng)的框架。此外，這種供電方式的另一個重要意義是對其環(huán)境的親和性：一方面，它可以在非常惡劣的環(huán)境下運行，不受環(huán)境塵埃、潮濕及化學腐蝕物的影響；另一方面，它 本身不對環(huán)境形成危害、或釋放有害污染，如碳積，廢氣等。這些電能傳輸 (取電 )方式存在著設備移動靈活性差以及環(huán)境不美觀等缺點，特別是滑動和滾動 取電方式還帶來了大氣高頻電磁污染（接觸火花等）、機構磨損和大電流載體不安全裸露等影響環(huán)境清潔問題，同時給安全供電和環(huán)境安全問題帶來了很大的影響。學?？梢怨颊撐模ㄔO計）的全部或部分內容。 摘 要 I 畢業(yè)論 文 GRADUATE THESIS 設計題目：非接觸式電磁能量轉換系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 錯誤 !未找到引用源。保密的論文（設計）在解密后適用本規(guī)定。尤其要指出的問題是非可靠接觸產生的電磁火花對于有些特殊場合（如含易燃易爆氣體的廠礦、生產車間等）極為不利，可能給生產活動帶來重大災難。它的出現(xiàn)打破了在化工、工礦、水下作業(yè)等特殊行業(yè)中電氣設備饋電的限制，開拓了如電氣化交通、醫(yī)療電子和辦公家用電器等方面的應用，并帶動了相關技術的發(fā)展，具有重要的科學意義，較高的實用價值和河北聯(lián)合大學 XXXX 學院 2 廣闊的應用前景，可帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益，因此，專家認為，非接觸式電能傳輸技術必將成為現(xiàn)代工業(yè)自動化領域的最新的具有重大意義的研究方向。該系統(tǒng)采用 初、次級雙諧振模式。另外，日本 Kumamoto Institute of Technology 的 Hiroshi Sakamoto, Koosuke Harada 等人也對非接觸電能接入技術進行了較為深入的研究，自 1992 年以來，他們先后在 IEEE 期刊及會議上發(fā)表十余篇論文。國內在該領域的研究起步較晚，西安石油學院的李宏在 2020 年第 2 期的《電氣傳動》上發(fā)表了一篇綜述性文章。課題組先后獲得重慶科技計劃項目和重慶自然科學基金重點項目支持（ 3 項）。 本課題的研究目標就是非接觸式電源即電能的非接觸式傳輸技術及其 DSP實現(xiàn)，具體包括如下內容 : 1） 非接觸式的感應電能傳輸技術的原理 2） 高頻滑動松 耦合 變壓 器原理及設計 3） 非接觸式的感應電能傳輸系統(tǒng)的 DSP 軟、硬件具體實現(xiàn) 本章小結 本章對非接觸電能傳輸技術進行了較為詳細的綜述，研究了國內外在這項技術方面的現(xiàn)狀，經(jīng)過分析論證，明確了論文研究的方向，即對非接觸電能傳輸系統(tǒng)的電磁機構進行研究，并提出了該項研究的主要內容 。而接觸式充電在電動汽車普及以后是非常受限制的，首先是同時充電的汽車數(shù)目有限，其次是戶外的有限充電樁容易收到侵害，建專門的充電站則需要大量的用地，在土地資源日益寶貴的今天是非常不劃算的。 可以看出，非接觸式能量傳輸系統(tǒng)與接觸式能量傳輸相比，輸 入側和負載側沒有電氣上和物理上的連接，更適合在在一些大功率的應用以及需要給移動負載供電的場合，如電動汽車。 感應耦合電能傳輸技術的工作原理 非接觸式感應 耦合 電能傳輸技術利用了現(xiàn)代的電磁理論如電磁感應理論與變壓器理論，結合了當今最新的電力電子技術與微機實時控制技術，實現(xiàn)了電能的非接觸式傳輸。整個非接觸式電源的基本結構如圖 所示。 圖 如上圖示，高頻逆變電路可采用全橋或半橋的方式，此處采用了由 4 個 IGBT管組成的全橋諧振逆變電路，結合具體的移相控制方法，從而實現(xiàn)電路的軟開關，減小電能傳送損耗。 本章簡單介紹了非接觸式感應電能傳輸技術的基本原理，分析了非接觸式感應電能傳輸系統(tǒng)的基本結構，簡單介紹了松 耦合 變壓器的原理及結構，負載側的控制策略等，為以后章節(jié)對松 耦合 變壓器的原理和結構的深入闡述及 對負載端控制策略的詳細分析作好了鋪墊工作。而圖 所示情況為當變壓器的原邊匝數(shù)為一匝時的情況一一這也是松 耦合 變壓器在非接觸式電源系統(tǒng)中運用得最多的一種情況。工作在如此高的頻率之下，能大大減小整的體積，減小繞組的匝數(shù)，并且隨著繞組的匝數(shù)的減小，繞組的銅耗也相應減河北理工大學信息學院 16 小，但鐵芯中的損耗隨著頻率的上升而大大增加。超微晶材料是用非晶合金再處理而獲得的直徑為 1020 納米的微晶金屬，采用超微晶軟磁材料作為松 耦合 變壓器的磁芯時，在高頻變壓器的工作溫度范圍內 (80120℃ )有以下幾個特點 : (1)高的飽和磁通密度和高的飽和磁感應強度， 高的最大磁導率和初始磁導率，有利于減小繞組的匝數(shù)并且適用于高頻運用。變壓器的繞組可由初級繞組和次級繞組組成，根據(jù)變壓器的電磁關系，其初級繞組和次級繞組的計算公式如下所示 : 設變壓器的初級繞組匝數(shù)為 pN ： ?BAfK UN esfp 1? （ 310） 設變壓器的初級繞組匝數(shù)為 1sN ： ps MNUUN 121 ? （ 311） 本章小結 本章針對松耦合變壓器進行了原理介紹，最后對磁芯進行了選擇和設計，對繞組進行了設計。 MOSFET 是一種電壓控制的器件，輸入阻抗高，平均驅動功率小，因而驅動電路也相對簡單 。控制信號輸入端須連接上拉電阻，以防止由于 dU/dt 的作用而產生誤動作。智能模塊 IPM 內含有制動單元， IPM 利用制動控制口 BR 和制動輸出口 B 組成