無接觸電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究.pdf

1、無接觸電能傳輸(CET)作為一種新型的電能傳輸方式，近年來受到越來越多的關(guān)注。與傳統(tǒng)的利用導(dǎo)線進(jìn)行電能傳輸?shù)姆绞较啾?，由于電能的傳輸不需要金屬?dǎo)線，避免了用電設(shè)備與電源的直接電氣接觸，使得CET在安全性、可靠性、使用壽命以及維護(hù)的成本等方面具有很大的優(yōu)點(diǎn)。目前，已經(jīng)在功率等級(jí)為幾十毫瓦到幾百千瓦的一些場(chǎng)合有了研究和應(yīng)用，如手機(jī)充電、人工器官移植，以及電車的移動(dòng)充電等。當(dāng)下，隨著對(duì)安全性、便捷性等要求的提高，CET的應(yīng)用越來越廣，成為了研

2、究熱點(diǎn)。
　　 然而，CET的傳輸效率比較低，成為限制其廣泛應(yīng)用的主要因素。因此，研究、設(shè)計(jì)高效率的無接觸電能傳輸系統(tǒng)(CETS)意義重大。而所用的可分離變壓器模型計(jì)算的復(fù)雜，則為設(shè)計(jì)添加了重重困難。本文采用可分離變壓器的互感模型，對(duì)無接觸電能傳輸系統(tǒng)的基本特性以及設(shè)計(jì)方法作了一些研究，主要包括：
　　 1．比較CETS的不同模型，討論各種補(bǔ)償下系統(tǒng)的特性
　　 用互感模型對(duì)可分離變壓器進(jìn)行建模，對(duì)四種多諧補(bǔ)償方

3、式下無接觸電能傳輸系統(tǒng)的一些重要特性，諸如電壓增益特性，阻抗特性等進(jìn)行了討論；在系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)，且諧振槽的品質(zhì)因數(shù)足夠高，以使流經(jīng)原邊線圈的電流為正弦波的前提下，提出了用耦合系數(shù)k，副邊能量接收電路的品質(zhì)因數(shù)Qs和可分離變壓器原邊自感和副邊自感的比值n三個(gè)參數(shù)(三要素)作為變量來描述函數(shù)(系統(tǒng)特性及電量等)的方法，簡(jiǎn)化了對(duì)系統(tǒng)的分析。
　　 2．帶鐵芯的頻率跟蹤式無接觸電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　 提出了用系統(tǒng)的穩(wěn)定性條

4、件限制可分離變壓器副邊線圈的自感；當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率范圍和負(fù)載確定時(shí)，分析得到原邊線圈匝數(shù)為影響傳輸效率的唯一因素，作為設(shè)計(jì)變量，繞制了四組原邊線圈，采用最高效率下的原邊線圈，完成帶鐵芯的可分離變壓器的設(shè)計(jì)；用該法設(shè)計(jì)的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)的效率較高。在此基礎(chǔ)上，研究了恒壓輸出、等效負(fù)載可變的頻率跟蹤式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)穩(wěn)定性條件應(yīng)用于前級(jí)高頻諧振逆變、次級(jí)直流電壓調(diào)節(jié)(兩級(jí)式)的CETS，在相當(dāng)大的線圈間距變化范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)輸出電壓

5、的恒定。
　　 3．一般的可分離變壓器下CETS的設(shè)計(jì)
　　 對(duì)無芯線圈作為可分離變壓器的CETS進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將CETS的傳輸特性(電壓增益，電流增益等)及電量參數(shù)(原副邊電流，補(bǔ)償電容電壓等)描述為三要素的函數(shù)；比較了不同補(bǔ)償方式下系統(tǒng)的輸出特性，分析了系統(tǒng)傳輸效率與補(bǔ)償電容電壓應(yīng)力之間的關(guān)系，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只需確定Qs和n。當(dāng)輸入電壓、傳輸距離或者負(fù)載發(fā)生變化以致輸出不再維持恒定時(shí)，在副邊整流橋后增加了Buck電路，

6、應(yīng)用改進(jìn)后的三要素設(shè)計(jì)理論，成功實(shí)現(xiàn)了變距離時(shí)輸出電壓的恒定和能量的高效傳輸。
　　 4，多路負(fù)載的CETS的建模
　　 用三要素k，n，Qs以及原副邊線圈寄生電阻與等效負(fù)載的比值α，β來描述諧振狀態(tài)下系統(tǒng)的模型，采用將副邊參數(shù)折算到原邊的方法，將多個(gè)回路簡(jiǎn)化成一個(gè)電路；分析了四種多諧補(bǔ)償方式下系統(tǒng)補(bǔ)償電容的選擇，推導(dǎo)并討論了常見補(bǔ)償下系統(tǒng)的傳輸特性，以及實(shí)現(xiàn)恒定輸出的方法，討論了影響系統(tǒng)傳輸效率以及器件電壓電流應(yīng)力的因