【正文】 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(cè)和用電側(cè) 沒有 物理鏈接。除傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接傳輸外，非接觸電能傳輸包括感應(yīng)傳輸、容性傳輸、電磁波傳輸。在變壓器松耦合的方式下，如果工作頻率足夠高，磁場的變化率將在原、副邊繞組之間引起很強(qiáng)的電磁感應(yīng)，這使大氣隙的能量傳輸變得可行，這是感應(yīng)電能傳輸?shù)幕靖拍?。但是受電場?qiáng)度和介電常數(shù)以及介電材料的限制，容性電能傳輸?shù)墓こ虒嵱眠€有待進(jìn)一步研究。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。 非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 自從 1831 年法拉第揭示電磁感應(yīng)現(xiàn)象以來，電能的傳輸主要是由導(dǎo)線直接接觸進(jìn)行的，電氣設(shè)備一般通過插頭和插座等電連接器的接觸進(jìn)行供電 [4]。在礦井、油田鉆采等場合，采用傳統(tǒng)的導(dǎo)線直接接觸供 電方式，因接觸摩擦產(chǎn)生的微小電火花，很容易引起爆炸，造成重大事故。在給運動設(shè)備進(jìn)行供電時，一般采用滑動接觸供電的方式，存在滑動磨損，接觸火花，碳積和不安全裸露導(dǎo)線等缺點 [68]。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]。隨著功率變換技術(shù)、控制技術(shù)和磁性材料的發(fā)展，以及非接觸感應(yīng)電能傳輸需求的增長，非接觸感 應(yīng)電能傳輸技術(shù)得到了迅速的發(fā)展 [3]。經(jīng)過 10 多年的努力，先后獲得多項發(fā)明專利，該項技術(shù)已被成功推往美國、日本、德國和法國等地。 90 年代后期，日本、德國等國家相繼投入了一定的經(jīng)費從事非接觸電能傳輸?shù)难芯亢蛯嵱没a(chǎn)品開發(fā)，已獲得一定的技術(shù)突破和相應(yīng)的實用產(chǎn)品，如日本大阪富庫公司的單軌型車和無電瓶運貨車、德國奧姆富爾 (WAMPELER)公司 DE 150KW 載人電動火車，軌道長度達(dá)400m，氣隙為 120mm，是目前為止建造的最大的非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)。 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。 在我國，非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的研究剛開始起步，僅有綜述性文獻(xiàn)和個別小功率樣機(jī)的研究報道。非接觸電能傳輸技術(shù)涵 蓋功率變換技術(shù)、電磁感應(yīng)技術(shù)等。首先，目前關(guān)于非接觸感應(yīng)電能傳輸?shù)睦碚摵同F(xiàn)代功率電子學(xué)相比，還很不完善，沒有一個統(tǒng)一的理論來指導(dǎo)設(shè)計非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)，因此 在 這方面 還 需要進(jìn)行深入的研究。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。此外，不斷提高功率等級、系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性、增加分離式變壓器的氣隙也是非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)需要解決的難點。大功率方向是非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的難點 [1213]。未來的交通系統(tǒng)供電需求將為新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)提供廣闊的市場。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。比如，當(dāng)采用車載充電器時，傳統(tǒng)的充電系統(tǒng)在交流電源段分開，整個系統(tǒng)幾乎都在車上，而無接觸電能傳輸方式實現(xiàn)初、次級繞組之間分離，從而可將大部分的設(shè)備置于車外。 ? 第二章介紹了非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成，非接觸感應(yīng)電能傳輸?shù)脑砗蛢?yōu)點，討論了一些設(shè)計準(zhǔn)則，并介紹了高頻逆變拓?fù)涞倪x取。 ? 第四章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(jìn)行 了分析，分析了變換器的諧振頻率，對移相控制全橋串聯(lián)諧振變換器進(jìn)行了電路仿真 ,同時分析了移相角的改變對變換器相關(guān)特性的影響。 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。變壓器原、副邊采用無線通訊的方式對能量變換進(jìn)行檢測和控制。此外，可分離變壓器可以保持相對靜止或運動的狀態(tài)，適用于不同的應(yīng)用場合 [5]。與傳統(tǒng)的接觸式供電相比，非接觸供電使用方便、安全，無火花及觸電危險，無積塵和接觸損耗，無機(jī)械磨損和相應(yīng)的維護(hù)問題，可適應(yīng)多種惡劣天氣和環(huán)境，便于實現(xiàn)自動供電。根據(jù)非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的特性，設(shè)計準(zhǔn)則主要有： (1) 提高可分離變壓器的耦合系數(shù)。 (2) 采用諧振變換器作為非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的功率變換器。 (3) 實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)。因此，為了實現(xiàn)高功率密度，高的能量傳輸效率，必須實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，減小開關(guān)損耗。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]。可分離變壓器和常規(guī)變 壓器在原理上類似，都是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)電能從變壓器原邊到副邊的變換。 （ a）常規(guī)變壓器 （ b）可分離變壓器 圖 變壓器示意圖 可分離變壓器的分類 根據(jù)可分 離變壓器原邊和副邊運動狀態(tài)的不同，可以將可分離變壓器分為三類： 靜止式，原邊和副邊保持靜止。 旋轉(zhuǎn)式，利用了變壓器進(jìn)行能量傳輸不受轉(zhuǎn)速影響的特點，原邊和副邊保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，如圖 （ b）所示 [12,16]。為便于分析，針對對稱繞組結(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。 L cg Ra Ra F RL Ra RL （ a）變壓器結(jié)構(gòu) （ b）等效磁阻電路 圖 變壓器結(jié)構(gòu)及其等效磁阻電路 文獻(xiàn) [17]基于該磁路模型推導(dǎo)了其耦合系數(shù)近似公式，指出耦合系數(shù)的大小取決于變壓器中柱和邊柱的中心距離 cL 與氣隙 g 的比值。因此，可采用平面磁芯 (通常 cL 比非平面磁芯大 )并去掉中柱，來獲得更大的 cL ，來提高耦合系數(shù)、同時減小磁芯的體積質(zhì)量。此外，由于兩磁柱內(nèi)側(cè)距離 L(即磁芯窗口寬度 )相比文獻(xiàn) [17]中提出的磁柱中心距離 cL 對磁阻 LR 的影響更大，本文改用 L 來描述非接觸變壓器的特性 [2]。平面繞組的布置方式有集中式和分布式 2 種，如圖 所示。實驗表明分布式繞組更有利于提 10 高變壓器的 耦合系數(shù)。 圖 給出變壓器在 300kHz 副邊開路條件下的 Ansoft2D 磁場仿真結(jié)果 (原邊 電流3iA? )。采用集中繞組時，原邊電流產(chǎn)生 的磁通不僅能經(jīng) L 閉合，還能從磁芯邊柱經(jīng)繞組間的集中氣隙回到磁芯頂柱， 降低了變壓器的耦合系數(shù)。 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，針對對稱的繞組結(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)。耦合系數(shù) k 表達(dá)式為 ? ?? ? ? ? ? ?121 2 1 2/2 1/ 2 / 2 / 1aaLF F Rk F F R F F R g L???? ? ? ? （ ） R a R a 1F 2FL 圖 等效磁路圖 然而，實驗中發(fā)現(xiàn)，該模型及耦合系數(shù)公式不能很好地解釋下述實驗現(xiàn)象： (1) 如表 1 所示，采用平面 U43 磁芯， L 為 ，比文獻(xiàn)中磁芯對應(yīng)的參數(shù) ()大，但相同氣隙條件下耦合系數(shù)反而??； (2) 采用平面 U64 磁芯 (Planar E64/10/50 磨掉中柱 )， 相比表 1 中的磁芯， L 從 增大到 ，但 10mm 氣隙條件下的耦合系數(shù)僅從 增加到 ， 不符合式 ()描述的耦合系數(shù)變化規(guī)律； (3) 按照式 ()預(yù)測，平面 U43 變壓器耦合系數(shù)為 ，平面 U64 變壓器耦合系數(shù)為 ，均遠(yuǎn)大于實測值。 改進(jìn)型磁路模型 結(jié)合圖 (b)給出的磁場仿真結(jié)果，根據(jù)磁通耦合程度可將原邊電流產(chǎn)生的所有磁通分為 3 個部分，如圖 所示。 L? 為由原邊電流產(chǎn)生，未被副邊繞組耦合的磁通，包括 1A、 1B 區(qū)的磁通 A1? 、 B1? 。 MP? 為由原邊電流產(chǎn)生，匝鏈副邊一部分繞組的磁通。 MF? 為由原邊電流產(chǎn)生，匝鏈副邊所有繞組的磁通。 圖 磁阻定義示意圖 13 1F 2F1LR 2LR 2LR1MR1MR2MR 2MRMF?MF? MP?MP?1 B?1 B?3LR3LR1A? 圖 非接觸變壓器精確磁路模型 非接觸變壓器的優(yōu)化 變壓器優(yōu)化方法 進(jìn)一步優(yōu)化非接觸變壓器的結(jié)構(gòu)，在提高耦合系數(shù)的同時減小變壓器的體積質(zhì)量。即應(yīng)減小 MFR 、 MPR ，同時增大 1LR 、 2LR 、 3LR ，并盡可能減小 MFR 。當(dāng) 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。因此， L 應(yīng)略大于 2g，宜采 用增大 f 的方法提高 k。為了避免漏磁阻減小影響耦合系數(shù)，可增大側(cè)柱部分的磁芯寬度、同時減小中央 U 部分的磁芯寬度，如圖 (b)所示。繞組也應(yīng)采用平面分布式繞組，防止磁通經(jīng)兩繞組間集中氣隙直接閉合 [2]。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。該新型磁芯結(jié)構(gòu)通過增加原副邊磁芯正對面積，提高全耦合磁通的比例，增大耦合系數(shù)；將磁芯邊沿的擴(kuò)展部分限制在邊柱的底部，因而能在獲得高耦合系數(shù)的同時顯著降低 變壓器的體積和質(zhì)量。 15 圖 非接觸變壓器磁芯結(jié)構(gòu) 16 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 功率變換器的模型 可分離變壓器的等效電路模型 在功率變換電路中，常采用變壓器模型來描述原、副邊繞組的耦合關(guān)系。互感模型是另一種描述原、副邊繞組耦合關(guān)系 的電路模型。感應(yīng)電壓和反映電壓都通過互感來表達(dá)。因此用互感模型來表示可分離變壓器的等效電路模型更為適用 [15,16,18,19]。圖 中， pV? 、 sV? 分別表示可分離變 壓器的原邊繞組電壓和副邊繞組電壓， pL 、 sL 分別表示可分離變壓器的原邊電感和副邊電感， M 表示可分離變壓器的互感， ω是開關(guān)角頻率，變壓器原、副邊繞組電流 LpI? 、 LsI? 參考方向如圖所示。 因此，分離變壓器原邊繞組兩端的電壓是： p p Lp LsV j L I j M I??? ? ??? （ ） 分離變壓器副邊繞組兩端電壓的電壓為： s Lp s LsV j M I j L I??? ? ??? （ ） 可分離變壓器原邊繞組和副邊繞組的耦合系數(shù) K 為 psMK LL? （ ） 耦合系數(shù) K 表明了可分離變壓器原邊繞組和副邊繞組的耦合程度，與變壓器的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸等因素有關(guān)，通常是根據(jù)具體的應(yīng)用要求確定的。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。 補(bǔ)償方式可以分為串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償兩類。 原邊補(bǔ)償可以采用串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償兩種方式，如圖 所示。圖 (b)中，通過補(bǔ)償電容 pC 和原邊繞組 pL 的諧振，對原邊繞組 pL 兩端的電壓有一定的補(bǔ)償作用，即補(bǔ)償電容 pC 上的電壓降可以部分或完全抵消原邊繞組 pL 兩端的電壓降，降低了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，適用于原邊繞組較長、分散的應(yīng)用場合。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?；镜难a(bǔ)償方式有串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償，如圖 所示。圖 (c)中，補(bǔ)償電容 sC 與變壓器副邊電感 Ls 在頻率諧振處，變換器副