电力电子与电力传动硕士论文-非接触电能传输系统的研究.doc

分类号： 学校代号：11845 udc： 密级： 学 号：2110603191 广广东东工工业业大大学学学学位位论论文文 非非接接触触电电能能传传输输系系统统的的研研究究 * 指 导 教师： 副教授 学 科 门类： 工 学 z 专 业 名称： 电力电子与电力传动 申请学位级 别： 硕 士 论文提交日 期： 2009 年 4 月 论文答辩日 期： 学位授予单 位： 广东工业大学 a dissertation submitted to guangdong university of technology for the degree of master of engineering study on contactless power transfer system m.s.candidate: jie huang supervisor: aprof. qing hu april 2009 school of information engineering guangdong university of technology guangzhou, guangdong, p. r. china, 510006 摘要 i 摘要 非接触电能传输技术是一门新兴的能量传输技术，它集合了电力电子能量 变换技术、磁场耦合技术以及现代控制理论。由于这种电能传输方式没有接触 摩擦，可减少对设备的损伤，不会产生易引燃引爆的火花，解决了给移动设备 特别是在恶劣环境下工作设备的供电问题。在交通运输、航空航天、机器人、 医疗器械、照明、便携式电子产品、矿井和水下应用等场合有着广泛的应用前 景。 本文对非接触电能传输技术进行了理论和实验研究，主要工作包括以下几 点： 1、介绍了非接触电能传输技术的国内外研究现状，发展前景及其基本原 理与涉及到的关键技术。 2、通过建立漏感模型，对各种补偿方式时补偿电容的选择进行了分析与 研究，并对不同补偿方式时负载对系统传输效率的影响进行了分析。 3、介绍了pwm调制硬开关技术、软开关技术，比较分析了应用于无接 触电能传输系统主变换器的几种逆变器拓扑结构，详细分析了移相全 桥变换器的工作原理，在此基础上对变换器进行改进，提出了基于移 相全桥控制的谐振变换器，并对变换器的工作原理进行了详细分析。 4、对系统原副边主电路的主要参数进行了分析与设计，对松耦合变压器 的结构选择、主要参数进行了分析与设计。 5、分别用通用dsp芯片tms320f2812和专用控制芯片uc3875对系统的 控制电路进行了设计。 6、对系统进行了仿真研究，在仿真成功的基础上，采用uc3875控制方 案制作了实验样机，进行了实验研究。 关键词：关键词：非接触；补偿；移相全桥；tms320f2812；uc3875 广东工业大学工学硕士学位论文 ii abstract contactless power transfer technology is a new power transfer technology, which combines the power electronic energy conversion technology, magnetic coupling technology, modern control theory. there is no mechanical contact., as a result of this ,it can reduce damage to the equipment. will not result in the sparks which easy to ignite or detonate others, especially for the problem of power supply for mobile devices which work in the harsh environment. transportation, aerospace, robotics, medical equipment, lighting, portable electronic products, mines and underwater applications and so on, have a wide application prospect. in this paper, i have carry out the theoretical and experimental research for the contactless power transfer technology ,the main work includes the following: 1, firstly, the research status and development trends are introduced. the basic principle and key technologies analyzed later. 2, through the establishment of model of leakage magnetic field, analyzed and researched the principle of choice compensation capacitor for the various compensation mode. the effect of the load to the system transformer turns ratio were analyzed when different methods of compensation be implemented. 3, the hard-switching pwm modulation techniques and soft-switching technology have been introduced. analyzed several main inverter converter topology comparative which application of contactless power transfer system, analyzed the operating principle of phase-shifted full-bridge converter detailed and improved it. a improved resonant converter is proposed and it is based on phase-shifted full-bridge converter, the working principle of the converter are analyzed in detail. 4, analyzed and designed the main parameters of the main circuit, analyzed how to choose the structure of the loosely coupled transformer, designed the main parameters of the loosely coupled transformer. 5, the control circuit of this system has been designed with general-purpose dsp chip tms320f2812 controller and special-purpose chip uc3875 respectively. 6, studies through the system simulation first, after the success of the simulation, made a experimental prototype production which based on the uc3875 and done experimental research. abstract iii key words: contactless; phase-shifted full-bridge; compensation; tms320f2812; uc3875. 目录 i 目录 摘要 .i abstractii contents.iii 第一章 绪论 .1 1.1 引言1 1.2 国内外研究和应用现状 1 1.2.1 国外研究和应用现状 1 1.2.2 国内研究和应用现状3 1.3 非接触电能传输技术的关键技术 3 1.3.1 非接触电能传输系统的基本原理 3 1.3.2 功率补偿与变压器设计4 1.3.3 谐振逆变技术与软开关技术 5 1.4 研究意义与内容 6 第二章 系统的补偿分析 .7 2.1 单边补偿 8 2.1.1 补偿网络参数的选择.9 2.1.2 带负载能力分析.11 2.2 双边补偿.12 2.2.1 补偿网络参数的选择.12 2.2.2 带负载能力分析.14 2.3 本章小结.15 第三章 系统主变换器的分析与设计 .16 3.1 脉宽调制(pwm)技术 16 3.1.1 脉宽调制(pwm) 硬开关技术 .16 3.1.1 脉宽调制(pwm) 软开关技术 .17 3.2 系统主变换器拓扑结构的分析与选择.18 广东工业大学工学硕士学位论文 ii 3.2.1 各种逆变器电路拓扑分析 .18 3.2.2 串联谐振与并联谐振21 3.2.3 主变换器拓扑选择 .22 3.3 普通移相全桥 zvs-pwm 变换器分析.23 3.3.1 基本移相控制全桥 zvs-pwm 变换器 .23 3.3.2 基本移相全桥 zvs-pwm 变换器的工作原理分析 .25 3.3.3 实现 zvs 的条件分析 .29 3.3.4 基本移相控制全桥 pwm 变换器的占空比丢失 .30 3.3.5 基本的移相控制 zvs-pwm 变换器的优缺点分析 .30 3.4 改进型移相控制全桥谐振变换器.31 3.5 本章小结 33 第四章 系统主电路设计 34 4.1 直流部分参数设计.34 4.1.1 整流桥的选择.34 4.1.2 输出电容的选择.35 4.2 逆变器参数设计.35 4.2.1 功率开关管的选择.35 4.2.2 谐振电容和谐振电感的设计.36 4.3 电能拾取端参数设计.37 4.4 松耦合变压器设计.38 4.4.1 变压器结构选择.38 4.4.2 变压器主要参数设计.39 4.5 本章小结 40 第五章 系统控制电路设计 .41 5.1 基于 tms320f2812 的控制电路设计 .41 5.1.1 dsp 芯片 tms320f2812 概述 .41 5.1.2 基于 tms320f2812 的控制电路硬件实现 .43 5.1.3 基于 tms320f2812 的控制电路软件实现 .44 5.2 基于 uc3875 的控制电路设计47 目录 iii 5.3 pwm 控制信号整形与隔离电路 50 5.4 mosfet 的驱动与保护电路 .51 5.5 反馈信号采样电路 52 5.6 本章小结.54 第六章 仿真与实验研究 55 6.1 高频逆变器的仿真分析.55 6.1.1 系统仿真模型的建立.55 6.1.2 系统仿真结果分析.56 6.2 无接触电能传输系统实验研究.58 6.3 本章小结.62 总结与展望 63 参考文献 64 攻读学位期间发表的论文 68 独创性声明 69 致 谢 .70 广东工业大学工学硕士学位论文 iv contents abstract .i chapter 1 introduction.1 1.1 introduction.1 1.2 research and application status at home and abroad1 1.2.1 research and application status at home1 1.2.2 research and application status at abroad3 1.3 key technologies of contactless power transfer system.3 1.3.1 basic principles of contactless power transfer system3 1.3.2 power compensation and the design of transformer 4 1.3.3 resonant inverter technology and soft-switching technology .5 1.4 the main research contents and meaning.6 chapter 2 analysis of compensation for the system 7 2.1 single compensation.8 2.1.1 parameters of the compensation network.9 2.1.2 analysis of load capacity .11 2.2 multilateral compensation12 2.2.1 parameters of the compensation network.12 2.2.2 analysis of load capacity .14 2.3 chapter summary15 chapter 3 study on the main converter of the system.16 3.1 pulse width modulation technology16 3.1.1 hard-switching pwm technology16 3.1.2 soft-switching pwm technology.17 3.2 analysis and choice of the main converter topology 3.2.1 analysis of various inverter circuit topology.18 3.2.2 series resonance and parallel resonance 21 3.2.3 choice of the main converter topology22 3.3 analysis of general phase-shifted full-bridge zvs pwm converter23 3.3.1 basic phase-shifted full-bridge zvs pwm converter .23 3.3.2 analysis of the working process of the basic psfbzvs-pwm converter25 contents v 3.3.3 duty cycle loss of the basic psfbzvs-pwm converter.29 3.3.4 switch zero-voltage-switching conditions.30 3.3.5 analysis of the advantages and disadvantages of the basic psfbzvs-pwm converter30 3.4 improved phase-shifted full-bridge resonant converter31 3.5 chapter summary33 chapter 4 main circuit design of the system 34 4.1 design parameters of dc part.34 4.1.1 choice for rectifier.34 4.1.2 choice for output capacitor35 4.2 design parameters of inverter.35 4.2.1 choice for power switch 35 4.2.2 choice for syntonic capacitor and inductance36 4.3 design parameters of energy pick up side37 4.4 design of loosely coupled transformer.38 4.4.1 configuration of transformer .38 4.4.2 design of main parameter of transformer39 4.5 chapter summary40 chapter 5 control circuit design of the system41 5.1 tms320f2812-based control circuit design 41 5.1.1 introduction of dsp chips tms320f2812.41 5.1.2 tms320f2812-based hardware design of the control circuit43 5.1.3 tms320f2812-based software design of the control circuit.44 5.2 uc3875-based control circuit design .47 5.3 shaping and isolation circuit of the pwm signal.50 5.4 driver and protection circuits of mosfet51 5.5 sample circuit of feedback signal.52 5.6 chapter summary54 chapter 6 experiment and simulation .55 6.1 simulation analysis of high frequency converter .55 6.1.1 establish simulation analysis model 55 6.1.2 analysis for the outcome of simulation analysis .56 广东工业大学工学硕士学位论文 vi 6.2 experiment analysis for contactless power transfer system .58 6.3 chapter summary62 conclusion and expectation.63 references.64 publication during the study for master degree67 original statement68 acknowledgments.69 绪论 1 第一章 绪论 1.1 引言 人类对电能的利用已经有几百年的历史，电能的传输一直以金属导线为主， 任何电器都必需有一条电源线。随着社会经济的飞速前进，在社会、企业和家庭 中电气化设备日益增多，成为现代化生产和生活工具的主流。对于一些电气设备， 传统供电方式限制了它们的普及和使用灵活性，同时给安全供电和环境安全问题 带来了很大的影响。随着人们生活以及生产活动范围的扩大，人们迫切需要一种 新型的电能传输技术来满足新型电气设备及各种特殊条件下的供电需求。实现供 电系统和电器设备之间没有导体接触，解放电源线的束缚自然成为电能传输的重 要研究方之一。 电力电子技术是一门综合电力半导体器件、电力变换技术、现代电子技术、 自动控制技术等许多学科的交叉学科，电力电子技术的飞速发展，为电能传输的 研究提供了很好的基础。上个世纪九十年代，新西兰奥克兰大学的 boys 教授及 他领导的课题组利用电磁感应原理，结合现代电力电子技术的最新发展成果和现 代的控制方法，提出了感应耦合电能传输(inductive coupled power transfer，简称 icpt)技术，并在此基础上形成了一种全新的电源供应模式即非接触式电源技术， 非接触电能传输技术打破了在化工、钻井、工矿、水下探测等特殊行业中的某些 场合下的电工设备馈电的限制，开拓了如在电动汽车、高速磁悬浮列车馈电以及 在生物医学、家用电器等方面的应用123。 1.2 国内外研究和应用现状 1.2.1 国外研究和应用现状 国外对无线电能传输技术的研究较早，早在 20 世纪 70 年代中期就出现了无 线电动牙刷，随后发布了几项有关这类设备的美国专利。80 年代提出了长距离感 应电能传输的新方法8，90 年代初期，新西兰奥克兰大学电子与电气工程系功率 电子学研究中心自开始对 icpt 技术进行研究，经过十多年的努力，该技术在理 广东工业大学工学硕士学位论文 2 论和实践上已经获得重大突破4567。研究主要集中在给移动设备，特别是在恶 劣环境下的供电问题，如电动汽车、起重机、手提充电器、电梯、传送带、运货 行车，以及水下、井下设备。其能量等级、距离、效率等指标都在不断提高，目 前实用设备已达 200kw，数千米的传输距离和 85%的以上的传输效率。1995 年 1 月，美国汽车工程协会根据 magne-chargetm系统的设计，制订了在美国使用非 接触感应电能传输技术进行电动汽车充电的统一标准 saej-1773。 现在，日本、新西兰、德国、美国、以色列等很多国家都已经开始对 icpt 技术进行研究并取得了巨大的成果，已经有了很多的商业化应用： 日本大阪幅库(daifuku)公司的单轨型车和无电瓶自动运货车59，2003 年 在日本千叶县电子展上 akk 公司现场演示了以非接触方式为干电池型充电电池 和手机充电的情形；新西兰奥克兰大学所属奇思(uniservices)公司成功地开发 了两项 icpt(新型感应能量传输技术)的实用项目：高速公路发光分道猫眼系统和 新西兰 rotorua 国家地热公园的 30kw 旅客电动运输车；德国奥姆富尔 (wampeler)公司的载人电动列车也已试车成功，该公司还成功地将这种新型无 接触能量传输技术用于电动游船的水下驱动；美国通用汽车公司推出的 ev1 型电 车非接触感应充电系统也备受世人瞩目；2007 年 2 月，苹果公司提出了关于非接 触式充电器（面向该公司的 ipod 及 iphone 等）的专利，从 2007 年第二季度开始， 欧洲市场上开始推出手机“非接触式充电系统”。这种系统所采用的技术，在充电 器与终端之间不需要通过金属端口连接，并且在几毫米间隔的条件下就可以充电。 摩托罗拉公司目前也正在开发采用这种技术的手机。在 2007 年 ces（consumer electronics show）全球最大的消费类电子展上， fulton innovation 公司的 ecoupled 技术，它可以用无线方式传输电能和数据信息。ecoupled 技术可以使电 器在没有电线连接的情况下正常使用或充电。ecoupled 通过供电设备和用电设备 之间共享电磁场来传输电能，与电磁感应式传导系统相比，ecoupled 在空间位置， 负载和能量损失方面都有了非常大的改进。它可以为多个设备充电，同时对设备 的摆放位置和姿势也没有苛刻的要求；电能损失率在 2左右，足可以达到电线 传输的要求；以色列 powermat 公司日前宣布成功研制出被称为“电源垫”的无线 电源，它用电磁波传输电力，取代电源线和插座。该无线电源的电磁波发射基座 仅几毫米厚，可放在桌上或挂在墙上，附近装有接受器的电器可获得电力。其无 线传输功率达 100 瓦，可同时方便地为小电视、电脑等数个小电器供电。它还能 绪论 3 根据电器工作状态自动把电磁辐射调整到最低39。 除了以上叙述的例子外，还有许多文献提到电动汽车的感应充电，以及在 生物医学、工矿钻井、水下作业等领域中的应用。 1.2.2 国内研究和应用现状 icpt 技术在国内还刚刚起步，西安石油学院的李宏在 2001 年第 2 期的电 气传动上发表了一篇相关的综述性文章。近年中科院院士严陆光和西安交通大 学的王兆安等人也开始对该新型电能接入技术进行了研究，并在国内杂志上发表 了几篇文章。重庆大学自动化学院非接触电能传输技术研发课题组自 2001 年便 开始了对国内外非接触式电能接入技术相关基础理论与实用技术的密切跟踪和研 究，并与国际上在该领域研发工作处于领先水平的新西兰奥克兰大学波依斯（pro. boys）教授为首的课题组核心成员 patrick aiguo hu（呼爱国）博士进行了深层次 的学术交流与科技合作，在理论和技术成果上有了较大的突破。2007 年 2 月，课 题组攻克了非接触感应供电的关键技术难题，建立了完整的理论体系，并研制出 了非接触电能传输装置，该装置能够实现 600 至 1000 瓦的电能输出，传输效率 为 70%，并且能够向多个用电设备同时供电，即使用电设备频繁增减，也不会影 响其供电的稳定性。 目前国内主要的研究方向集中在系统谐振频率及原副边的补偿电路拓扑等方 面，基本上都还只是在理论领域进行研究，在应用领域最近两年才有所突破，但 都还停留在实验室阶段。 1.3 非接触电能传输技术的关键技术 1.3.1 非接触电能传输系统的基本原理 非接触电能传输技术作为一种新颖的电源技术，电磁感应原理与变压器理 论为无接触式电源提供了理论依据。非接触电能传输系统基本结构如图 1-1 所示， 由独立的初级系统和次级系统两部分组成。初级系统与市电连接，次级系统与负 载相连。初级与次级间通过非接触的松耦合变压器的感应电磁耦合来传递能量。 通常情况下一个能量发射机构能同时向多个能量接收机构传送电能，从而为多个 广东工业大学工学硕士学位论文 4 负载同时供电。 图 1-1 非接触电能传输系统结构图 fig 1-1 functional block diagram for contactless power transfer system 对于非接触电能传输系统，松耦合变压器的设计要根据具体的用途不同而不 同，能量发射线圈也可采用多匝线圈或单匝线圈（能量发射导轨）的形式，在实 践中根据非接触式感应充电或移动电气设备的供电需要而灵活运用。非接触电能 传输技术利用通过空气段磁路的电磁耦合来向负载传送电能，该方法充分用到了 现代电力电子能量变换技术以及现代化的控制手段，如高频谐振逆变技术、软开 关技术、单片微机控制技术等。 1.3.2 功率补偿与变压器设计 非接触电能传输系统中的电磁耦合属于松耦合，松耦合系统与传统的变压器 和感应电机等紧密耦合不同的是，松耦合系统初次级间存在着一个较大的气隙， 漏感较大，系统的传输能力很有限。解决这个问题的有效办法有：提高系统频率， 在初级和次级加入补偿电路，改进变压器结构。 松耦合变压器耦合系数很小，为提高能量的传输效率而提高系统频率，但频 率受到电力电子功率器件及控制技术的限制。近年，随着电力电子技术的飞速发 展，系统频率已经可以达到 m 以上级别。由于漏感很大，在高频下，功率因数变 得很低。现有的解决方法一般就是在原副边加补偿电容。有串联补偿，并联补偿 及串并联补偿等。文章的第二章对系统的补偿进行了详细的研究与分析。 改进变压器结构，提高耦合系数，是提高系统传输效率的最好方法，目前已 经有很多文章进行了相关的研究。张峰，王慧贞在非接触感应能量传输系统中 松耦合变压器的研究一文中，对影响系统功率传输能力的耦合系数进行了研究。 并通过 ansys 仿真软件进行了仿真，选取耦合系数较高绕线方式进行了实验研 究并进行了实验数据测定。韩亚荣等人的非接触式电能传输系统的松耦合变压 器特性分析分析了松耦合变压器的特点，利用有限元模型分析了铁芯材料、线 绪论 5 圈位置、气隙大小对变压器耦合系数的影响10。 1.3.3 谐振逆变技术与软开关技术 如前所述，提高发射线圈中的交变电流频率是提高系统的能量传输效率的有 效途径之一。自从上世纪八十年代起，随着大功率电力电子开关器件的发展，采 用大功率半导体的谐振逆变器也逐步得到了应用。由于现代功率半导体器件的开 关过渡时间（开通瞬间和关断瞬间）在毫秒到纳秒级，因此变换器电路中的寄生 电感和寄生电容在开关过渡过程中总是要起作用。当变换器开关的过渡过程只受 外部的寄生成分影响时，这种开关被定义为硬开关。借助于附加的电感和电容来 延缓开通和关断过程，这就是缓冲电路的作用。当开关过渡过程中为了减小开关 的应力而使储存的电磁能量增大，从而造成在每一个开关过渡过程中储存的电磁 能量在下一个循环中不能比较经济地消耗掉，这就产生了馈能型缓冲电路技术， 当储存在电磁元件中的能量进一步增加的时候，可以在电路中观察到明显的谐振 现象，这就导致了谐振变换器技术的产生。谐振开关技术为提高半导体器件的开 关频率和降低开关损耗提供了有效的解决途径，从理论上来讲，采用谐振开关技 术将使功率器件的开关损耗降低到零，从而开关频率的选取将不再受到限制。在 目前的实际应用中，20mhz 等级的谐振开关电源技术已经比较成熟，更高频率等 级的谐振开关电源也处于不断的发展之中。逆变器电路型式多种多样，按电路结 构可分为全桥、半桥和非桥式等；按负载特点可分为谐振式和非谐振式。根据非 接触电能传输系统中的特殊负载情况，即较大的线路阻抗将影响逆变器的输出效 率，所以必须在负载中添加电容进行无功补偿，以提高传输效率。虽然半桥逆变 电路使用的器件较少，但其输出幅值仅为 u/2，将会限制开关器件功率容量的发 挥，而且需要分压电容器，故很少采用。为了提高逆变器的功率密度，增加电磁 感应的耦合系数，提高电流频率是非接触式电能传输系统的必然选择。然而，实 践证明，高频化会产生各种新的问题，如过高的 du/dt、di/dt 将产生严重的电磁干 扰(emi)，开关损耗随开关频率正比上升，无源器件的损耗增大等。为了既能有 效地抑制电磁干扰、降低开关损耗、提高能量传输效率与能量密度，又能较好地 对电流电压波形进行预测，提高系统的可控性与稳定性，因此，应用于无接触电 能传输系统中的逆变器拓扑结构采用全桥谐振式逆变器结构。 广东工业大学工学硕士学位论文 6 1.4 研究意义与内容 新型非接触电能传输避免了传统接触式供电的接点随着时间的增长老化而导 致接触不良，由于其没有电气连接，在水中等特殊场合可避免因传统接线式电源 供应导致漏电短路故障，也可避免在加油站或矿厂等场合因为传统式接触供电而 引起安全事故。非接触电能传输技术打破了在化工、钻井、工矿、水下探测等特 殊行业中的某些场合下的电工设备馈电的限制，开拓了如在电动汽车、高速磁悬 浮列车馈电以及在生物医学、家用电器等方面的应用。该系统的研究必将导致大 量新的研究领域的出现和产生新的经济增长点，使电能的应用更为广阔。因此， 该系统的研究不仅有重要的科学意义，而且有很大的使用价值和广阔的应用前景， 具有巨大的经济和社会效益。 本文在继承前人工作的基础上，对非接触电能传输技术进行了研究，主要研 究内容如下： 1、介绍了无接触电能传输技术的国内外研究及应用现状，介绍了非接触电 能传输系统的基本原理及关键技术。 2、通过建立漏感模型，从系统能量传输效率的角度分析了系统补偿网络参 数的选择原则，利用 matlab 对各种补偿方式时负载大小对能量传输效率 的影响进行了分析。 3、对非接触电能传输系统的主变换器进行了详细的分析，提出了一种基于 移相全桥控制的改进型谐振变换器。 4、对系统主电路的主要参数进行了设计。 5、利用 dsp 芯片 tms320f2812 对系统控制电路的软、硬件进行了设计， 利用专用控制芯片 uc3875 对系统控制电路进行了设计。 6、利用 simulink 建立了系统的仿真模型，对系统进行了仿真研究，最后制 作了实验样机，进行了实验研究。 系统的补偿分析 7 第二章 系统的补偿分析 松耦合传输方式的变换器与传统的变换器的不同是其变压器采用松耦合联接 的方式，这种结构虽然去除了电联接方式的火花放电等危险，但是原副边磁芯之 间距离的增大直接导致了耦合系数的降低，由此带来的较高数量级的漏感，这将 会对变换器的正常工作与性能产生严重的影响。 分离式变压器较大绕组空间所带来的较大漏感，不仅影响能量传输的功率和 效率，而且会加大功率器件的电压和电流应力。原副边之间采用松耦合之后，其 耦合系数是随着磁芯之间的距离以及磁芯之间的相对平动而改变的，这就使变换 器的控制变的复杂。耦合系数越低，通常变换器的效率也就越低，所以如何提高 耦合系数和能量的传输能力及系统效率是非接触电能传输系统研究的关键。为此， 既要研究如何提高松耦合变压器耦合系数的绕制方法，铁心结构，还要研究在系 统中加入补偿电路来补偿绕组电感的影响。同时，补偿电路的加入可以有效利用 电路中的寄生参数，同时消除了这些寄生参数的不利因素。 图 2-1 松耦合变压器等效电感电路模型 fig 2-1 equivalent inductance circuit model for loosely coupled transformer 当无任何补偿时，松耦合变压器的等效电感电路模型如图 2-1 所示11： 图 2-2 松耦合变压器无补偿漏感模型电路原理图 fig 2-2 leak inductance model for no compensation loosely coupled transformer r1，r2分别为初、次级线圈内阻，l1，l2分别为初、次级电感，r 为负载等 效电阻。由于松耦合变压器的初、次级耦合为大间隙耦合，所以漏感特别大，在 实际应用中必须考虑，松耦合变压器漏感模型如图 2.2 所示1213。l1s，l2s分别 u v ip i 广东工业大学工学硕士学位论文 8 为初、次级的漏感，lm为变压器实际励磁电感，定义 k 为变压器耦合系数，设 变压器匝数比为 n，则有公式： (2.1) 11 )1 (lkl s (2.2) ss llknl 12 2 2 )1 ( (2.3) 1 kllm 设无线电能传输系统的系统频率为，线圈内阻 r1，r2的值很小，为了便于分析， 忽略电感内阻，则阻抗 z1，z2，zm可以表示为： (2.4) 111 )1 (lkjljz s (2.5) 12 2 22 )1 ()1 (lkjlnkjljz s (2.6) 1 kljljz mm 如图 3-2 所示，u 为电源电压，v 为输出电压，ip为输入电流，i 为输出电流，pi 为输入功率，p0为输出功率。则无线电能传输系统的功率因素可以表示成14： (2.7) 2 212 2 2 2 2 212 2 0 rzzzrz zrzr rz zrz rz r zzrz zrz ui vi p p m m m m m pi 松耦合变压器由于是间隙耦合，k 值很小，由式 2.4，2.5，2.6，2.7 显然可 见，由于大漏感 l1s，l2s的存在，使得 z1，z2的值很大，从而使系统的功率因数 很低，即系统能量传输效率很低。为了提高系统的传输效率，在松耦合变压器 的初，次级连接合适的补偿网络，使得系统的传输得以提高。下面将对各种补偿 网络进行分析。 2.1 单边补偿 单边补偿即只在系统的某一端添加补偿网络。单边补偿主要有初级串联补 偿（ps） ，初级并联补偿(pp)，次级串联补偿(ss)，次级并联补偿(sp)，各种补偿 方式由于连接方式不同，其元件参数的选择，对系统的影响，带负载能力都有不 同，下面将对各种补偿方式进行对比分析。 系统的补偿分析 9 2.1.1 补偿网络参数的选择 各种补偿网络其实就是在变压器线圈两端连接合适的电容，为便于研究，在 下面的各种补偿拓扑分析中，设定系统工作于频率不变。 初级串联补偿（ps）的漏感等效电路模型如图 2-3 所示： 图 2-3 初级串联补偿（ps）漏感等效电路模型 fig 2-3 equivalent leak inductance model for ps loosely coupled transformer c1为在初级线圈回路上串联的补偿电容，则阻抗 z1，z2，zm可以表示为： (2.8) 11 2 1 1 11 1 1)1 ( 1 cl lkj cj ljz s (2.9) 12 2 22 )1 ()1 (lkjlnkjljz s (2.10) 1 kljljz mm 将式 3.8，3.9，3.10 代入式 3.7 可得： 1 2222 01111 222 1111 1111 111 i pl cl ckkr jjkj plckrkrkkl c (2.11) 将式 2.1，2.2 代入式 2.11 分析上式可得，当时,，即电路发生谐振时， 11 1 s l c 取得最大值，即系统的能量传输效率最高。综上可得，初级串联补偿时，要使 系统的传输效率最高，补偿电容 c1的取值应满足。 1 2 1 1 s c l uv u ip u i u 广东工业大学工学硕士学位论文 10 图 2-4 单边补偿漏感等效电路模型 fig 2-4 equivalent leak inductance circuit model for single compensation 初级并联补偿（pp） ，次级串联补偿（ss） ，次级并联补偿（sp）的漏感等效电路 模型如图 3-4 所示，c1、c2分别为初级和次级的补偿电阻，采用与初级串联补偿 相同的分析方法可得三种单边补偿方式的补偿网络参数选择如表 2-1 所示。 表 2-1 单边补偿补偿网络参数的选取 table 2-1 circuit parameter for single-compensation topologies 单边补 偿等效负载电阻与功率因数关系 补偿方式ppsssp 电容值 1 2 1 1 s c l 2 2 2 1 s c l 2 2 2 1 s c l 当补偿网络参数选择为上述值时，采用初级串联补偿（ps）模式时，补偿电 容与漏感发生谐振，分析式 2.8 可以得出，发生谐振时 z1值为零，消除在阻抗 z1上消耗的大量无功功率，从而提高了初级系统的功率因数，改善了对输入电源 的视在功率的要求，降低原边开关管的电压应力。同样分析可得，当采用初级并 联补偿(pp)模式时，电容电流补偿了原边绕组中的电流，从而降低了开关管以及 电源的电流定额，从而提高了初级系统的功率因数，改善了对输入电源的视在功 率的要求，降低原边开关管的电流应力。 当采用次级串联补偿(ss)模式，在选择补偿网络参数如表 2.1 所示时，补偿 电容与漏感发生谐振，z2的值为零，次级阻抗为纯阻性，这时反映到初级侧的阻 抗也为纯阻性，初级设计时不必考虑次级对初级阻抗相角的影响。初级传输到次 级的功率完全被输出电阻获得，从而大大提高输出了功率。当采用次级并联补偿 (sp)模式时，次级反映到初级的阻抗不再是纯阻性的，为使得原边阻抗相角为零， 在原边设计时，得考虑次级的反映阻抗的容、感性。 a. pp b. ssc. sp 系统的补偿分析 11 广东工业大学工学硕士学位论文 12 初级并联补偿（pp）的漏感等效电路模型如图 3.4a 所示：c1 为在初 级线圈回路上并联的补偿电容，采用与初级串联补偿相同的分析方法 可得： 1 2222 0111111 22 11 1(1)11 1(1) 1 i pl clcklcr kkj pkrkkkl ck 3.12 分析上式可得，当 11 1 lc 时，即电路发生谐振时，取得最大值。 初级并联补偿时，要使系统的传输效率最高，补偿电容 c1 的取值应 满足 1 2 1 1 c l 。 次级串联补偿（ss）的漏感等效电路模型如图 3.4b 所示：c2 为在次 级线圈回路上串联的补偿电容, 采用与初级串联补偿相同的分析方法 可得： 1 2 0221 222 2222221 11111 1111 i pl c lkr jkj pkrkkl ckl ckl c l 3.13 分析上式可得，当 22 1 l c 时，即电路发生谐振时，取得最大 值。次级串联补偿时，要使系统的传输效率最高，补偿电容 c2 的取 值应满足 2 2 2 1 c l 。 系统的补偿分析 13 次级并联补偿（sp）的漏感等效电路模型如图 3.4c 所示：c2 为在次 级线圈回路上并联的补偿电容, 采用与初级串联补偿相同的分析方法 可得： 1 22 2 022122 22 2 221 1111 1 1 i pl c ll ckr l cjkj pkkrkkkl c lk 3.14 分析上式可得，当 22 1 l c 时，即电路发生谐振时，取得最大值。 次级并联补偿时，要使系统的传输效率最高，补偿电容 c2 的取值应 满足 2 2 2 1 c l 。 从上面四中补偿方式的分析对比，不难看出，在采用单边补偿方式时， 在系统其他条件不变的情况下，当补偿电容满足系统谐振要求时，系 统的传输效率最大。 2.1.2 带负载能力分析 当系统工作与谐振状态下时，上面四种补偿方式的系统能量传输功率因素 与负载 r 的关系式分别如