杜 波，劉 平，王文杰

（鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

非接觸電能傳輸系統(tǒng)松耦合變壓器傳輸特性的研究

杜 波，劉 平，王文杰

（鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

本文是對(duì)基于非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的全橋諧振變換器的傳輸特性進(jìn)行的研究。松耦合變壓器是非接觸電能傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，本文首先分析了松耦合變壓器與傳統(tǒng)緊耦合變壓器的區(qū)別進(jìn)而提出原副邊補(bǔ)償問題，其次計(jì)算出串串補(bǔ)償和串并補(bǔ)償電容的選取，再次計(jì)算當(dāng)系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)時(shí)電壓的放大倍數(shù)并得出負(fù)載特性，最后通過PSpice軟件搭建電路并仿真，證明分析和結(jié)論的正確性。

松耦合變壓器；諧振變換器；原副邊補(bǔ)償；傳輸特性

變壓器是通過磁場將能量從原邊線圈傳遞到副邊線圈的電氣設(shè)備,其可分為緊密耦合變壓器和松散耦合變壓器。緊密耦合變壓器原副邊線圈之間的磁場耦合緊密，相對(duì)于磁化電感，漏感很小。而松耦合變壓器原副邊線圈的耦合很弱,漏感遠(yuǎn)大于磁化電感[1]。

由于松耦合變壓器漏感較大，漏感表現(xiàn)為感性，必然會(huì)消耗大量的無功功率，使得系統(tǒng)的設(shè)備容量增加，系統(tǒng)中器件參數(shù)和規(guī)格的加大，增加系統(tǒng)的尺寸和成本，并且使得電能在傳輸過程中的損耗增加[2]。為了改善系統(tǒng)功率因數(shù)，減少對(duì)系統(tǒng)視在功率的要求，需要進(jìn)行無功補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)姆绞接性呇a(bǔ)償和副邊補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)淖饔糜校禾岣呦到y(tǒng)能量傳輸能力；降低原副邊功率器件電壓電流定額；使系統(tǒng)表現(xiàn)為一定的特性（電壓源或電流源）。

1 補(bǔ)償分析

加入補(bǔ)償電容的目的是為了補(bǔ)償變壓器原副邊的漏感，使得系統(tǒng)的等效阻抗虛部為零?，F(xiàn)分析原邊串聯(lián)副邊串聯(lián)補(bǔ)償(串串補(bǔ)償)和原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)補(bǔ)償(串并補(bǔ)償)這兩種情況。

圖1和圖2分別代表串串補(bǔ)償和串并補(bǔ)償?shù)娜珮蛑C振變換器的等效電路圖，原邊電源等效為交流電壓源Vac，副邊負(fù)載電阻等效為交流等效電阻RL，輸出電壓為等效為VRL。

圖1 串串補(bǔ)償?shù)刃щ娐穲DFig.1 Primary series compensation and secondary series compensation(PSSS)equivalent circuit diagram

圖2 串并補(bǔ)償?shù)刃щ娐穲DFig.2 Primary series compensation and secondary parallel compensation(PSSP)equivalent circuit diagram

對(duì)應(yīng)圖1和圖2中關(guān)系，副邊的負(fù)載阻抗用Zs表示，其值取決于副邊補(bǔ)償類型：

對(duì)于副邊串聯(lián)補(bǔ)償來說，選擇式(3)補(bǔ)償電容Cs，可以使得副邊無功功率為零。但對(duì)于副邊并聯(lián)補(bǔ)償來說，選擇式(3)電容，副邊無功功率并不為零。據(jù)式(2)，令其虛部為零，解得副邊補(bǔ)償電容的大小如下式所示：

用反映阻抗Zr來描述副邊負(fù)載對(duì)原邊電路的影響，具體關(guān)系由式(5)給出

其中w表示系統(tǒng)工作角頻率，M表示原副邊電感的互感系數(shù)。

把式(1)和式(2)代入式(5)，可得到反映阻抗分別為：

串聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆从匙杩篂椋?/p>

并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆从匙杩篂椋?/p>

反映阻抗體現(xiàn)了副邊電路對(duì)原邊電路的影響，且表示了功率的傳輸性能，反映電抗消耗的功率就是副邊電路吸收的復(fù)功率，反應(yīng)電阻消耗的功率就是副邊電路消耗的有功功率。

此時(shí)副邊阻抗最小，輸出電壓和電流同相位，負(fù)載獲得的功率最大。則在諧振頻率處副邊反映到原邊的反應(yīng)電阻和反映電抗如表1所示：

原邊采用串聯(lián)補(bǔ)償，由于副邊電路耦合所產(chǎn)生的效應(yīng)等效于在原邊回路中串聯(lián)一個(gè)反映阻抗，設(shè)原邊等效總阻抗為 Zt，則 Zt可以表示為

表1副邊工作在諧振頻率的性能參數(shù)Tab.1 Secondary side worked in the resonance frequency of performance parameters

Zt的實(shí)部表示系統(tǒng)的有功功率，而虛部表示無功功率，為降低系統(tǒng)伏安容量等級(jí)，通常選擇原邊電容使原邊等效總阻抗的虛部在副邊諧振頻率時(shí)為零。使原邊等效總阻抗Zt在副邊諧振頻率w=w0時(shí)的虛部為0，則可求出原邊補(bǔ)償電容值。

表2原邊諧振補(bǔ)償電容值Tab.2 Primary resonant compensation capacitance values

由表2可知串串補(bǔ)償拓?fù)涞脑呇a(bǔ)償電容不受互感系數(shù)和負(fù)載的影響，而串并補(bǔ)償?shù)脑呇a(bǔ)償電容將受到互感系數(shù)的影響。

2 諧振時(shí)電壓放大倍數(shù)及負(fù)載特性分析

2.1 串串補(bǔ)償分析

根據(jù)圖1串串補(bǔ)償?shù)刃щ娐穲D對(duì)變壓器原邊和副邊電路分別列寫KVL[4]得：

由（10）可以求出

把（11）帶入（9）并化簡可得

電壓放大倍數(shù)

圖3 副邊諧振時(shí)原邊等效電路圖Fig.3 When secondary resonant the primary equivalent circuit

2.2 串并補(bǔ)償分析

如圖2串并補(bǔ)償?shù)刃щ娐穲D所示，負(fù)載RL支路的電流為is，則與負(fù)載并聯(lián)的次級(jí)補(bǔ)償電容Cs支路的電流為jwCsRLis，對(duì)變壓器原邊和副邊電路分別列寫KVL得：

由（16）可以求出

把（17）代入（15）化簡可得

電壓放大倍數(shù)

3 仿真實(shí)驗(yàn)

串串補(bǔ)償時(shí)求出Cp=Cs=12.66 nF，當(dāng)原邊為電壓源供電時(shí)，設(shè)電壓源為Vac=50 V，負(fù)載表現(xiàn)為電流源特性，負(fù)載電流is=0.568 A，如圖4所示。

當(dāng)原邊為電流源供電時(shí)，設(shè)電流源為ip=1 A，負(fù)載表現(xiàn)為電壓源特性，負(fù)載電壓VRL=jwMip=87.964 V，如圖5所示。

圖4 串串補(bǔ)償電壓源供電時(shí)負(fù)載電流波形圖Fig.4 PSSS voltage source power supply load current waveform figure

圖5串串補(bǔ)償電流源供電時(shí)負(fù)載電壓波形圖Fig.5 PSSS current source power supply load current waveform figure

圖6 串并補(bǔ)償電壓源供電時(shí)負(fù)載電壓波形圖Fig.6 PSSP voltage source power supply load current waveform figure

圖7 串并補(bǔ)償電流源供電時(shí)負(fù)載電流波形圖Fig.7 PSSP current source power supply load current waveform figure

圖中當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)（圖中□◇▽△○分別代表5個(gè)不同的電阻值），所得到的仿真曲線完全重合，從仿真波形圖和數(shù)值上可以得出，仿真和理論計(jì)算完全吻合，證明分析和結(jié)論的正確性。

4 結(jié)論

由于松耦合變壓器存在較大的漏感，增加了系統(tǒng)的無功功率，為了提高系統(tǒng)的功率傳輸能力，在松耦合變壓器的原副邊增加電容和漏感形成諧振電路，來減小無功功率，提高傳輸效率。

通過分析計(jì)算和仿真可以得出，串串補(bǔ)償?shù)乃神詈先珮蛑C振變換器當(dāng)原副邊的諧振頻率相等時(shí)，則系統(tǒng)在這個(gè)諧振頻率下無功功率為零，恒壓源供電時(shí)，輸出得到恒流源特性；恒流源供電時(shí)，輸出得到恒壓源特性。串并補(bǔ)償?shù)乃神詈先珮蛑C振變換器當(dāng)選擇合適的補(bǔ)償參數(shù)，系統(tǒng)處于諧振時(shí)，系統(tǒng)無功功率為零，恒壓源供電時(shí)，輸出得到恒壓源特性；恒流源供電時(shí)，輸出得到恒流源特性。在非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)松耦合變壓器系統(tǒng)時(shí)，針對(duì)不同設(shè)計(jì)要求，該分析結(jié)果可以為系統(tǒng)參數(shù)的選取提供有效的理論依據(jù)。

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Research of loosely coupled transformer transfer characteristic in contactless power transfer system

DU Bo，LIU Ping，WANG Wen-jie
（School of Information Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China）

This article is mainly discuss the full-bridge resonant converter transmission characteristics based on non-contact inductive power transfer technology.Loosely coupled transformer is a critical component in the non-contact power transmission system,This paper analyzes the distinction between loosely coupled transformer and the traditional tight coupling transformer,Second,calculate the value of compensation capacitance,thirdly,summary voltage gain when the system operates in resonant state and draw load characteristics,finally use PSpice simulation software to build circuits,prove the correctness of analysis and conclusions.

Loosely coupled transformer;resonant converter;primary and secondary compensation;transfer characteristic

TN86

A

1674-6236（2014）17-088-04

2013-11-13 稿件編號(hào)：201311124

杜 波（1988—），男，河南民權(quán)人，碩士研究生。研究方向：開關(guān)電源、功率變換器、數(shù)字化控制。