周靜，安慰東，李永振

（西安石油大學 陜西 西安 710065）

0 引言

傳統(tǒng)的電能傳輸主要通過導線直接接觸進行，但是隨著供電設備對供電品質(zhì)、安全性、可靠性的不斷提高，這一傳統(tǒng)的接觸式電能傳輸方式已經(jīng)無法滿足一些特殊場合的供電要求，感應電能傳輸就是針對這些特殊場合而設計的，并且成為當前電能傳輸領域研究的一大熱點，它解決了一些傳統(tǒng)供電系統(tǒng)無法滿足的問題，克服了接觸式供電的缺陷，是一種有效安全的電能傳輸方式[1]。但是，感應電能傳輸?shù)男史浅５拖?，這一缺點直制約著這項技術的發(fā)展。隨著材料科學的發(fā)展以及大功率的功率器件的發(fā)展，感應電能傳輸已越來越多的運用于工程設計之中[2]。

1 非接觸電能傳輸系統(tǒng)的組成

感應電能傳輸系統(tǒng)是根據(jù)麥克斯維爾電磁場原理，通過可分離變壓器進行能量的傳遞。圖1是該系統(tǒng)的組成框圖。

圖1 非接觸電能傳輸系統(tǒng)

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。通過原邊繞組與副邊繞組的感應電磁耦合將電能經(jīng)過整流濾波和功率調(diào)節(jié)后提供給用電設備[3]。

從該系統(tǒng)可以看出，系統(tǒng)的總傳輸功率由4部分組成：從工頻交流道直流的變換效率；從直流到高頻逆變的逆變效率；從次級輸出端到負載的變換效率；感應耦合環(huán)節(jié)的功率傳輸效率。前3項與通態(tài)壓降和高頻開關損耗有關，采用軟開關技術和功率因數(shù)校正技術可以解決這些問題。關于第4項，可分離變壓器屬于松耦合結構，要增大感應耦合能力，必須提高系統(tǒng)的工作頻率，選擇合適的電磁結構和參數(shù)[4]。

2 影響感應電能傳輸效率的關鍵因素

在感應電能傳輸系統(tǒng)中，有多個影響電能傳輸效率的因素，它們之間相互影響、制約。

2.1 可分離變壓器的耦合系數(shù)

耦合系數(shù)表示變壓器初級，次級線圈的耦合程度，與變壓器的鐵芯材料、線圈的繞法（線徑、匝數(shù)、位置）以及氣隙的大小有關。

2.1.1 磁芯材料的選取原則

① 高的磁導率，在一定的磁場強度H下，磁感應強度B的大小取決與 的大小( )；

② 要有很小的矯頑力Hc和剩余磁感應強度Br。材料的矯頑力越小，就表示磁化和退磁容易，磁滯回線狹窄，在交變磁場中磁滯損耗就越??；

③ 電阻率 要高。在交變的磁場中工作的磁芯具有渦流損耗，電阻率高渦流損耗小；

④ 具有高的飽和磁感應強度Bs。飽和磁感應強度高，相同的磁通需要較小的磁芯截面積，磁性元件的體積小。

2.1.2 線圈的繞法以及氣隙的大小

線圈的繞法應該根據(jù)設計的可分離變壓器的具體結構具體分析，而關于氣隙因素對傳輸效率的影響，經(jīng)樣機實驗分析，氣隙越大，傳輸效率越低，如圖2所示。所以應該在條件允許的條件下，最大限度地縮小氣隙以獲得高的耦合系數(shù)。

圖2 氣隙對傳輸效率的影響

2.2 系統(tǒng)工作頻率

在滿足輸出功率的情況下，應滿足較高的工作頻率。經(jīng)實驗證明，初級電流隨著系統(tǒng)工作頻率的增加而不斷減小，初級電流越小，系統(tǒng)的功率損失也就越小。因此，感應電能傳輸系統(tǒng)的工作頻率應該在高頻頻段，根據(jù)樣機的實驗，系統(tǒng)的工作頻率應該在 10kHz—30kHz[5]。

2.3 補償拓撲結構及參數(shù)計算

感應電能傳輸系統(tǒng)中存在著較大的漏電感，這嚴重限制了其傳輸?shù)挠杏霉β剩瑸榱藴p少系統(tǒng)的無功功率，一般采用補償容抗來平衡電路中的感抗[6]。

補償拓撲可以根據(jù)布局的不同分為串聯(lián)補償和并聯(lián)補償。具體的可以分為4種拓撲結構，a 初級串聯(lián)補償、次級串聯(lián)補償；b 初級串聯(lián)，次級并聯(lián)；c 初級并聯(lián)、次級串聯(lián)；d 初級并聯(lián)，次級串聯(lián)。初級的補償電容是為了平衡初級的漏感抗和次級反映到初級的感應感抗，從而減小感應電源的視在功率，提高了感應電源的功率因數(shù)。次級的補償可以減小次級的無功功率，提高次級負載的功率因數(shù)，增大感應電源的輸出功率。

2.3.1 次級補償

在感應電能傳輸系統(tǒng)中，由于可分離變壓器漏磁的存在以及次級負載并非純阻性的性質(zhì)，系統(tǒng)的的輸出電壓與電流會隨著感性（或容性）負載的變化而變化，功率傳輸不穩(wěn)，既限制了功率的傳輸，又使得感應電源以及負載都存在著安全隱患，所以必須要對次級加入補償電路[6]。如圖3的(a)、(b)、(c)所示，(a)為次級未加入補償，(b)為次級加入串聯(lián)補償電容，(c)為次級加入并聯(lián)補償電容。

圖3 （a）次級無補償

圖3 （b）次級串聯(lián)補償

圖3 （c）次級并聯(lián)補償

2.3.1.1 次級串聯(lián)補償?shù)碾娙莸挠嬎?/p>

可以看出次級采用并聯(lián)補償，那么次級到初級的反應阻抗為容性的。

2.3.2 初級補償

因為可分離變壓器的初級繞組直接跟高頻逆變電源的開關管連接，初級繞組兩端的電壓直接加在開關管上，初級電流也全部流過開關管，開關管的電壓電流定額較高，所以必須在初級加入電容進行補償，當補償電容和初級繞組電感達到諧振狀態(tài)時，補償電容上的電壓抵消了部分初級繞組兩端的電壓，降低了開關管開啟和關斷時的電壓應力既延長了開關管的工作壽命，又提高了感應電能系統(tǒng)能量的傳輸效率[6]。初級補償也可分為串聯(lián)補償和并聯(lián)補償，如圖4（a）、（b）、（c）所示，圖a為未加補償，圖b為初級串聯(lián)補償，圖c為初級并聯(lián)補償。

聯(lián)補償，圖c為初級并聯(lián)補償。

圖4 （a） 初級未加補償

圖4 （c） 初級串聯(lián)補償

圖4 （c） 初級并聯(lián)補償

2.3.2.1 次級串聯(lián)補償，初級串聯(lián)補償電容的計算

2.3.2.3 次級串聯(lián)補償，初級并聯(lián)補償電容的計算

因為初級補償電容要與初級繞組電感到達諧振，所以式（12）的虛部應該為0，即：

2.3.2.4 次級并聯(lián)補償，初級并聯(lián)補償電容的計算

因為初級補償電容要與初級繞組電感到達諧振，所以式（14）的虛部應該為0，即：

3 樣機實驗結果

為了驗證上述的分析，對樣機進行了一次初級串聯(lián)補償實驗，樣機的初次級繞組的電感量為6.1mH，采用了高頻逆變電路作為電源，逆變電路輸入為30，V直流電，在逆變輸出為10kHz的條件下，測試了樣機的傳輸效率，傳輸效率曲線如圖5所示，在初級未加補償電容時的傳輸效率為75%左右，當初級串聯(lián)補償電容為0.41μF時，傳輸效率提高到了95%左右，傳輸效率明顯得到改善。

圖5 初級串聯(lián)補償傳輸效率曲線

4 結論

本文對感應電能傳輸系統(tǒng)進行了研究，對影響傳輸效率的參數(shù)給出了具體的分析，最后對可分離變壓器的補償電路著重進行了分析并且給出了設計方案，最后對樣機進行了補償電路的測試，實驗結果符合理論分析，傳輸效率得到明顯提高。

[1] 張峰，王慧貞，姜田貴.電壓型松耦合全橋諧振變換器運力分析與實現(xiàn)[J]. 電力電子技術，2007，41(4).

[2] 楊民生.基于DSP的非接觸式電源系統(tǒng)的研究[D]長沙：湖南大學，2005.

[3] 姜田貴，張峰，王慧貞.松耦合感應電能傳輸系統(tǒng)中補償網(wǎng)絡的分析[J]. 電力電子技術，2007,41(8).

[4] 武瑛.新型無接觸供電系統(tǒng)的研究[D]. 北京：中國科學院院研究生院，2007.

[5] 張永祥，田野，李琳.松耦合感應電能傳輸系統(tǒng)的設計[J].海軍工程大學學報，2006，18(1).

[6] 毛賽君.非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學；2006.