無接觸電能傳輸系統(tǒng)的設計研究.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注。與傳統(tǒng)的利用導線進行電能傳輸?shù)姆绞较啾?，由于電能的傳輸不需要金屬導線，避免了用電設備與電源的直接電氣接觸，使得CET在安全性、可靠性、使用壽命以及維護的成本等方面具有很大的優(yōu)點。目前，已經(jīng)在功率等級為幾十毫瓦到幾百千瓦的一些場合有了研究和應用，如手機充電、人工器官移植，以及電車的移動充電等。當下，隨著對安全性、便捷性等要求的提高，CET的應用越來越廣，成為了研

2、究熱點。
　　 然而，CET的傳輸效率比較低，成為限制其廣泛應用的主要因素。因此，研究、設計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算的復雜，則為設計添加了重重困難。本文采用可分離變壓器的互感模型，對無接觸電能傳輸系統(tǒng)的基本特性以及設計方法作了一些研究，主要包括：
　　 1．比較CETS的不同模型，討論各種補償下系統(tǒng)的特性
　　 用互感模型對可分離變壓器進行建模，對四種多諧補償方

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，簡化了對系統(tǒng)的分析。
　　 2．帶鐵芯的頻率跟蹤式無接觸電能傳輸系統(tǒng)的設計
　　 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；當系統(tǒng)的工作頻率范圍和負載確定時，分析得到原邊線圈匝數(shù)為影響傳輸效率的唯一因素，作為設計變量，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計；用該法設計的樣機實驗證明系統(tǒng)的效率較高。在此基礎上，研究了恒壓輸出、等效負載可變的頻率跟蹤式系統(tǒng)的設計方法，將系統(tǒng)穩(wěn)定性條件應用于前級高頻諧振逆變、次級直流電壓調(diào)節(jié)(兩級式)的CETS，在相當大的線圈間距變化范圍內(nèi)，實現(xiàn)了樣機輸出電壓

5、的恒定。
　　 3．一般的可分離變壓器下CETS的設計
　　 對無芯線圈作為可分離變壓器的CETS進行了設計，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，補償電容電壓等)描述為三要素的函數(shù)；比較了不同補償方式下系統(tǒng)的輸出特性，分析了系統(tǒng)傳輸效率與補償電容電壓應力之間的關系，使得系統(tǒng)的設計只需確定Qs和n。當輸入電壓、傳輸距離或者負載發(fā)生變化以致輸出不再維持恒定時，在副邊整流橋后增加了Buck電路，

6、應用改進后的三要素設計理論，成功實現(xiàn)了變距離時輸出電壓的恒定和能量的高效傳輸。
　　 4，多路負載的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，將多個回路簡化成一個電路；分析了四種多諧補償方式下系統(tǒng)補償電容的選擇，推導并討論了常見補償下系統(tǒng)的傳輸特性，以及實現(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力的因