（电力系统及其自动化专业论文）电子式互感器工作电源的研究.pdf

广东t 业大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h el o w p o w e r , d i g i t a lo u t p u to ft h ee l e c t r o n i cc u r r e n t v o k a g ee l e c t r i c t r a n s d u c e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h eg r o w i n gm a t u r i t ya n dd e p t h , u s i n g e l e c t r o n i cc u r r e n t | v o l t a g et r a n s d u c e ri np l a c eo fc o n v e n t i o n a 、c u r r e n t | v o l t a g e t r a n s d u c e rh a sb e c o m ea ni n e v i t a b l et r e n do ft e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o ni nh i g h v o l t a g e p o w e rs y s t e m e l e c t r o n i ct r a n s d u c e rc a nr e d u c ec o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no fp o w e r s y s t e mc o s t sa n di m p r o v ep o w e rs y s t e mr e l i a b i l i t y h o wt os u p p l yp o w e ri sad i f f i c u l t y a n dk e yt e c h n i q u ef o rt h ea c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s d u c e r t h eq u a l i t yo ft h ep o w e ri s r e s o l v e di sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ea c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s d u c e rp e r f o r m a n c es t r e n g t h s a n dw e a k n e s s e s t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e ss e v e r a lm e t h o d so fp o w e rs u p p l yf o re l e c t r o n i ct r a n s d u c e ra t h i g hs i d ea n dp o i n t so u tt h e i rd i s a d v a n t a g e c o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s f e rc a nb eu s e df o r a c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s d u c e r c o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s f e r t e c h n o l o g y c a nr e s o l v e p r o b l e mi n t h ec u r r e n ts i t u a t i o n b u tc o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s f e rs t i l lh a sm a n y p r o b l e m sn e e dt ob es t u d i e d i nt h i sp a p e r ，t h r o u g hr e s e a r c ho ns e v e r a lk e yt e c h n o l o g y o fc o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s f e rt e c h n o l o g y ( i n d u c t i v ec o u p l e dp o w e rt r a n s f e r , r e f e r r e d t oa si c p t ) t od e s i g nt h e1 9 0 w e rf o re l e c t r i ct r a n s d u c e r i n d u c t i v ec o u p l e dp o w e r t r a n s f e ri sb a s e do nm a x w e l l se l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r y , t h r o u g ht h ep r i m a r yc o i l a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nb e t w e e nt h es e c o n d a r yc o i lt ot r a n s f e re n e r g y p o w e r s u p p l yf o r1 0 a di sn o tr e q u i r e da n yp h y s i c a lc o n n e c t i o nt ot h ep o w e r o fp r i m a r y t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e ss e v e r a lm e t h o d so fp o w e rs u p p l yf o ra c t i v e e l e c t r o n i c t r a n s d u c e ra th i g hs i d ea n dp o i n t so u tt h e i rd i s a d v a n t a g ea n dd e s c r i b e dt h ec o n t a c t l e s s p o w e rt r a n s f e rs y s t e m , p o i n t i n go u tt h a tt h ec o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s f e rs y s t e mi nt h e e l e c t r o n i ct r a n s d u c e ri nt h ea p p l i c a t i o no ft h ea d v a n t a g e t h r o u g hr e s e a r c ho ns e v e r a lk e yt e c h n 0 1 0 9 yo fc o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s f e r t e c h n o l o g y , d e s i g n e dan o n - c o n t a c tp o w e rt r a n s f e rs y s t e mb a s e do nf l a ts p i r a lc o i l d e s i g n e dan e wt y p eo fa c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s d u c e rp o w e rs u p p l yp r o g r a mw a sb a s e d o nn o n c o n t a c t1 9 0 w e rt r a n s f e rs y s t e m b a s e do nt h ec o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s f e rs y s t e m , an e wt y p eo fa c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s d u c e rp o w e rs u p p l yp r o g r a mw a sa t t e m p t e di nt h e a c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s d u c e ra p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：a c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s d u c e r p o w e r i c p t i i 广东- i ：k 大学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签字：_ 夏卅t 论文作者签字多旁彪型l 一 2 0 0 9 年5 月3 1 日 第一一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 互感器是电力系统中计量、继电保护、控制与监视的重要设备。随着电力系 统向着高电压、大电流方向发展，传统互感器不仅在高电压绝缘方面花费巨大，而 且可靠性和测量精度也难以保证，于是，各种旨在解决超高压绝缘问题的测量方 法应运而生。国际电工委员会通过对这些方法的统计分析，提出了电子式互感器 的概念，依据国际电工委员会的标准，电子式互感器可以分为有源式和无源式两 种。具体来讲，无源式是指传感头部分采用光学传感器，并通过光纤将信号传送 到低电位侧的电子式互感器。由于传感器输出信号本身就是随着被测量变化的光 信号，因此不存在设计高压侧电子电路的问题，相应的也不会有电路的供能问题。 有源式则是指传感头部分采用传统的传感原理，利用光纤传输数据的电子式互感 器，所以必须在高压侧对传感头的输出信号进行模拟量与数字量的转换，也就带 来了信号处理电路的供能问题，这是有源式电子式互感器研究中的难点和关键技 术。典型的有源电子式互感器分为高压侧电路、低压侧电路以及光纤传输3 个模块。 其中，高压侧电路的作用是将传感元件的输出信号进行模拟量与数字量的转换， 以方便利用光纤进行信号的传输，而低压侧电路的作用则是将光纤传送下来的信 号进行处理，并将结果送入相应的测量与继电保护设备。为了确保高压侧电子电 路的正常工作，必须提供稳定、可靠的工作电源。电子式互感器产业化生产过程 中必须研究考虑的一个重要问题是高压侧传感器信号处理工作电源的设计。这个 问题解决的好坏直接关系到电子式互感器工作性能的优劣，是电子式互感器应用 设计中的一个关键环节。本文通过对无接触功率传输技术这一新理论的应用中几 个关键技术的研究，提出了一种基于无接触功率传输技术的电子式互感器工作电 源设计方案。 1 2 电子式互感器高压侧供电方案的研究现状及问题 目前研究中高压侧供电的电源方案主要有两种：一种是直接在高压侧提取电 广东t 业大学硕十学位论文 能供电；另外一种是从低压侧通过光电转换的方式将能量传送到高压侧提供电源。 第一种方案又可分为悬浮互感器式供电、高压电容分压器供电、太阳能供电方式 及蓄电池供电方式n 。鲫。 1 2 1 高压侧悬浮供电方式 这种供电方式是利用c t 从母线上感应电压，通过整流、滤波、稳压等后续电 路处理后，实现对高压侧电子电路提供工作电源。采用这种方法存在两个问题， 其一是当母线电流处于空载等小电流状态时，如何保证电源的正常供应；其二是 当母线处于超过额定电流的大电流状态，甚至是短路故障电流时，如何保证电源 电压输出的稳定可靠。 1 2 2 高压侧o v t 供电方式 利用高压电容分压器取电能的思想类似于c t 取电能，都是就近取材的想法。 高压电容分压器从母线上取得电能后，也要经整流、滤波、稳压等处理措施，然 后才能够给高压侧电路供能。理论分析表明，通过调整电容c 的大小可以获取不同 的电流输出，达到设计预期的功率输出要求。该方案的特点在于在实际应用中由 于母线电压变化不大，可以获得较稳定的电压源。但是当线路发生大幅的电压波动 或者出现过电压时要设计性能可靠的限幅限压电路，以防止过压出现将高压侧电 子电路烧坏。 1 2 3 太阳能供电方式 太阳能电池的多年研究与发展积累下来的经验使得其在有源电子式互感器中 的应用成为可能。在高压侧安装太阳能板，将太阳能转换成电能，通过整流电路 和控制电路和二次( 备用) 电池相连，然后经过d c - d c 转换电路和稳压电路为高压 侧供电。由于太阳能电池的输出易受光强、外界环境温度变化、季节变化等因素 的影响，所以为了获得稳定的电源输出，必须与二次( 备用) 电池构成组合电源 系统。采用该方法的不足之处在于电源的不稳定性，这是由太阳能电池固有的缺 陷决定的，另外就是太阳能电池的转换效率问题，使得该方法提供的能量有限， 2 第一章绍论 从而限制了其应用。 1 2 4 蓄电池供电方式 该方法采用蓄电池对高压侧的电子线路进行供电，电池的能量来自高压母线 电流，接在母线上的经过特殊设计的电流互感器或电容分压器构成蓄电池的交流 充电电源，经过稳压和整流后对电池进行充电。采用这种方法的优点是结构简单、 实现起来比较容易，但是蓄电池的寿命比较短，且由于放在高压侧，更换起来比 较困难。 1 2 5 低压侧激光供电方式 激光供能的基本原理方法采用激光或其他光源从低电位侧通过光纤将光能量 传送到高电位侧，再由光电转换器件( 光电池) 将光能量转换为电能量，经过d c d c 变换后提供稳定的电源输出。由于激光二极管的工作原理可以确保光功率在一定 温度条件下的稳定，所以通过光电池转换后得到的电源也相对比较稳定，且电源 的纹波也比较小，噪声低，不易受到外界其他因素的干扰。当然，这种方法也存 在不足，由于受激光输出功率的限制，特别是光电池转换效率的影响，该方法提 供的能量有限，因此对高压侧电路提出了微功耗设计的要求，加大了电路设计的 难度。 经过上面的分析可知电子式互感器高压侧供电方式在目前的实际应用中，存 在着各种各样的缺陷，使电子式互感器的可靠性，稳定性受到了限制。 1 3 论文主要工作和章节安排 本论文的主要工作是通过研究无接触功率传输系统设计的主要环节，提出一 种基于无接触功率传输技术的新的电子式互感器高压侧的供电方案。无接触功率 传输技术是一种新型的电能传输技术，存在很多技术难点，国内对这项技术的研 究刚处于起步阶段。本文对国外技术资料进行了整理和吸收，对无接触功率传输 系统的分类和研究现状进行了简单介绍，对无接触功率传输系统的互感模型进行 分析。对无接触功率传输技术的设计过程进行了探讨。在此基础上提出了一种基 广东丁业大学硕十学位论文 于无接触功率传输系统的工作电源的设计方案。对无接触功率传输技术在电子式 互感器中应用及进一步深入研究有一定的价值。 本文的章节安排为： 第一章介绍了电子式互感器高压侧供电电源的研究背景，对电子式互感器高 压侧供电电源研究现状进行阐述，并指出其中的不足。 第二章简单介绍无接触功率传输技术的分类，发展现状，发展前景。分析无 接触功率传输技术传输系统作为电子式互感器高压侧供电电源的优势。 第三章对设计无接触功率传输技术的关键环节进行了分析。对无接触功率传 输系统中的补偿结构，电源转换电路的设计，初级线圈和次级线圈的各种耦合结 构进行了分析。 第四章分析了平面螺旋线圈在无接触功率传输系统中的应用。设计了基于平 面螺旋线圈的无接触功率传输系统的的简易电路。并进行了仿真分析。提出了基 于无接触功率传输系统的电子式互感器高压侧工作电源的设计方案。 最后对论文的研究进行了总结，指出了工作的不足，进一步的研究方向和内容。 4 第二章无接触功率传输技术的应用及优势 第二章无接触功率传输技术的应用及优势 从人类进入电气时代，电气设备的供电都是采用接触式电能直接传导的传输方 式将电能从供电网络传递给电气设备。但是在高电压环境下，接触式电能传输存 在着高压触电的危险，绝缘成本高。这种连接容易受到腐蚀、水、灰尘和污物的 影响，由于存在摩擦和磨损，系统的安全性、可靠性及使用寿命较低，特别是在 化工、采矿等一些易燃、易爆领域，极易引发事故。随着人们生活以及生产活动 范围的扩大，传统的导线接触式电能传输模式已经不能满足生产和生活的要求， 人们迫切地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。新型无接触功率传输技术正是为了弥补这些不足而发明的一种基于 感应能量传递原理的新技术，无接触功率传输技术( c o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s f e r ， 简称cp 1 ) 又称感应电能传输技术( i n d u c t i v ec o u p l e dp o w e rt r a n s f e r ，简称 i c p t ) 2 1 无接触电能传输技术 无线电力传输这种特殊的供电方式，是人类的梦想之一。世界上第一台交流 电发电机的发明者尼古拉特斯拉( n i k o l at e s l a ) 在1 9 世纪末就进行过无线电力 传输的实验，但最终未能成功。一百年后的今天，随着无源式r f i d 电子标签和各 种非接触式充电( 用于电动牙刷、剃须刀等低功率家电) 技术的实用化，以及无线 网络技术的大发展，新型非接触电能传输技术的应用成为了现实。 对于在空间实现无线电力传输的形式，总起来看大致有三类：第一类是通过 电磁感应磁耦合进行短程传输；第二类是将电能以电磁波射频或非辐射性谐振磁 耦合等形式中程传输；第三类是将电能以微波或激光形式远程传输发射到远 端的接收天线，然后通过整流、调制等处理后使用。 2 1 1 短程无线供电技术 现在已经广泛应用的变压器是基于电磁感应原理来工作的：由一个磁芯和二 个线圈( 初级线圈、次级线圈) 组成；当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯 广东工业大学硕十学位论文 中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电 能就从输入电路传输至输出电路。现在已经商品化的非接触式充电系统，其电能 发射线圈( 连接电源) 与接收线圈( 在电子产品中) ，处于两个分离的装置中，电能 通过感应线圈传送，这类似一个线圈间耦合不紧密的变压器。最早使用变压器原 理进行无线供电的产品是一些电动牙刷、电胡刀和无绳电话等。 2 1 2 中程无线供电技术 我们了解频率介于7 5 k h z 和约i o g h z 之间的电磁波俗称“无线电波 ，可以 用来传送广播和电视节目、进行通信和传真，但是对其传输电能的本领比较陌生。 通常电磁波在自由空间传输能量的过程中会向四面八方散发、不易集中、定向性 差，因而供电效率是个问题；另外，还有对空间造成电磁“污染”的担忧。有人 认为电磁波可以无线传输较长的距离，但输送能量有限，存在传输功率比较低( 甚 至只有几微瓦到几毫瓦) 的问题。相关研究是利用电磁波损失小的天线技术，借助 二极管、非接触i c 卡和无线电子标签等，实现效率较高的无线电力传输。 2 1 3 远程无线供电技术 微波是波长介于无线电波和红外线辐射之间的电磁波，目前已广泛应用于微 波炉、气象雷达、导航和移动通信。目前微波频率采用的2 4 5 g h z 是分配给工业、 科学和医疗使用的频率，不会对通讯造成影响，所到之处的能量密度也不会对生 物造成伤害。家用微波炉的普及，表明了微波技术实用化的成熟。研究者已确认 类似家用微波炉的工作频率2 4 5 g h z 的磁控管用于能量的微波传输，可轻易穿过 大气层，由地面接收设备( 由盘式天线、低压电流二极管和电子束回旋加速器共同 组成) 获取能量后转成高压直流电源。 激光方向性强、能量集中，利用激光可以携带大量的能量，可以用较小的发 射功率实现较远距离的输电。有关研究选择激光的优势在于，所需的传输和接收 设备是微波所需的1 1 0 ，不存在干扰通信卫星的风险使用微波却存在这种问 题。不足点之一是障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换，使用激光不能 像微波那样可以闯过云层，射束能量可能会在中途丧失约一半障1 。 6 第二章无接触功率传输技术的戍用及优势 2 2 无接触功率传输技术的研究现状及发展前景 2 l 世纪人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，环境和能源问题 已成为全球最重要的课题。近年来，随着材料学、电力电子器件、功率变换和控 制技术的发展，无接触功率传输技术的实际应用成为了现实。 2 2 1 无接触功率传输技术的研究现状 非接触感应电能传输技术早在1 0 0 年前就已经为人所知，并进行了多次实验 尝试，但因为效率太低，没能商业化。随着功率变换技术、控制技术和磁性材料 的发展，以及非接触感应电能传输需求的增长，非接触感应电能传输技术得到了 迅速的发展。 早在2 0 世纪7 0 年代中期就出现了电动牙刷，随后发表了几项有关这类设备 的美国专利 。当牙刷不用时，杯型底座通过电磁感应给牙刷中的电池充电。虽 然传递的功率比较低，但感应耦合技术极好地满足了这种应用。 2 0 世纪9 0 年代初，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b o y s 教授以及由他领导的课题组率先对非接触感应电能传输技术进行了系统 的研究。经过l o 多年的努力，先后获得多项发明专利，该项技术已被成功推往美 国、日本、德国和法国等地。新西兰奥克兰大学所属奇思公司已将非接触感应电 能传输技术成功应用于新西兰r o t o r u a 国家地热公园的3 0 k w 旅客电动运输车随圳。 9 0 年代后期，日本、德国等国家相继投入了一定的经费从事非接触电能传输 的研究和实用化产品开发，已获得一定的技术突破和相应的实用产品，如日本大 阪富库公司的单轨型车和无电瓶运货车、德国奥姆富尔( w a m p e l e r ) 公司的1 5 0k w 载人电动火车，轨道长度达4 0 0 m ，气隙为1 2 0 m m ，是目前为止建造的最大的非接 触感应电能传输系统。该公司还将非接触感应电能传输技术用于电动游船的水下 驱动装置。 美国通用汽车公司子公司d e l c oe l e c t r o n i c s 研制的m a g n e c h a r g e t m 是最先 商业化的电动汽车非接触电能传输系统之一，现在正由d e l c o 生产和销售，专用 于g m 的e v i 型电动汽车充电。1 9 9 5 年1 月，美国汽车工程协会根据m a g n e c h a r g e t m 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条 7 广东t 业大学硕十学位论文 例s a ej 一1 7 7 3 。 2 0 0 1 年5 月，国际无线电力传输技术会议在印度洋上的法属留尼汪岛 ( r e u n i o ni s l a n d ，f r a n c e ) 召开期间，法国国家科学研究中心的皮格努莱特( g p i g n o l e t ) ，利用微波无线传输电能点亮4 0 m 外一个2 0 0 w 的灯泡。其后，据研究 者有关文章介绍2 0 0 3 年在岛上建造的l o k w 试验型微波输电装置，已开始以 2 4 5 g h z 频率向接近l k m 的格朗巴桑村( g r a n d b a s s i n ) 进行点对点无线供电。 2 0 0 3 年英国剑桥s p l a s h p o w e r 公司发明了无线充电( w i r e l e s sr e c h a r g i n g s y s t e m ) 技术，也是根据电磁感应进行电力传输的，电能接收器 “s p l a s h m o d u l e ”( 厚不足l m m ) 可配置于充电终端手机、笔记本电脑，电能 发送器则配置成充电器，2 0 0 5 年初这种商业化的无线充电器“s p l a s h p a d s ( 厚 约6 m m 、大小如鼠标垫) 上市，只要便携终端安装有电能接收器即可放到上面充 电。类似的产品还有美国w i l d c h a r g e 公司开发的无线充电系统，充电板的外观像 一个鼠标垫，能够放置在桌椅等任何平坦表面，可提供高达9 0 w 的功率，足以同 时为多数笔记本电脑以及各种小型设备充电。香港城市大学的许树源教授也曾成 功研制出一种“无线电池充电平台，可将数个电子产品放在一个充电平台上充 电，充电时间与传统充电器无异。 2 0 0 6 年日本东京大学产学研国际中心的樱井贵康教授主持开发出一种家用 电器无线供电方式，用一片图书大小的柔软塑料膜片就可对家电进行无线供电 该特制塑料膜上面印刷有半导体感应线圈，厚度约l m m 、面积约2 0 c m 2 、重约 5 0 9 ，可以贴在桌子、地板、墙壁上，可为圣诞树上的l e d 、装饰灯、鱼缸水中的 灯泡或小型电机供电。使用前家用电器需要装上可接收电能的感应线圈，然后放 到相应位置即可得到无线供电。 2 0 0 6 年末有报道称m i t 在无线电力传输技术上获得突破：物理学助教授马林- 索尔贾希克为首的研究团队试制出的无线供电装置，可以点亮相隔7 英尺( 约2 1 m ) 远的6 0 w 电灯泡，能量效率可达到4 0 有关内容刊登在2 0 0 7 年6 月7 日的 s c i e n c e 在线版s c i e n c ee x p r e s s 上。这个“隔空点灯泡实验引起了欧 美及全球各大媒体的极大关注并进行了“g o o d b y ew i r e s 之类的广泛报道。 2 0 0 7 年微软亚洲研究院披露新成果设计和实现了一种通用型“无线供电 桌面( u n i v e r s a lw i r e l e s sp o w e rs u r f a c e ) ，如果随意将笔记本、手机等移动 第二章无接触功率传输技术的应用及优势 设备放置在桌面上，即可自动开始充电或供电。 目前，心脏调节器、心脏除颤器等单植入式医疗装置市场已达数十亿美元，这 些植入装置需要电池供电，当电池将耗尽时，如果能通过无线供电方式充电则将 避免动手术等大麻烦。日本东北大学i j , , g p 光教授，在2 0 0 7 年s s d m 国际会议上， 发表过使用电磁感应型无线供电技术成果，他主持试制出可从外部向植入眼球的 人工视网膜用l s i ( l a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n 大规模集成电路) 进行无线供电的 系统。另外，据2 0 0 7 年7 月多家媒体报道，英国南安普敦大学的研究者成功地研 发出一款能将振动转化为电能的“迷你发电机”，可望将来能凭借心脏病人的心 跳为自己的心脏起搏器供电避免更换电池时动手术。据说这项技术也可能应 用于手机、m p 3 等移动装置仅靠人类的心跳就能无线充电。 最近有报道称，2 0 0 8 年8 月的英特尔信息技术峰会( i d f ：i n t e ld e v e l o p e r f o r u m ) 上演示了无线供电方式点亮一枚6 0 w 电灯泡。该研究是由英特尔西雅图实 验室j o s h u ar s m i t h 等基于美国麻省理工学院( m i t ：m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 马林索尔贾希克( m a r i ns o l j a c i c ) 的研究理论进行的，可以在1 m 距离内隔空给6 0 w 灯泡提供电力，效率高达7 5 。m i t 的索尔贾希克研究团队认为， 他们发现的是一种全新的无线供电技术非辐射电磁能谐振隧道效应，称作 “w i t r i c i t y 无线供电技术。采用“不发出电磁波的天线( w i r e l e s s n o n r a d i a t i v ep o w e rt r a n s f e r ) ”实现非幅射共振能量传输。m i t 的研究者用两 个直径6 0 c m 的特殊铜线圈做实验，作为送电方的一个线圈接在电源上，作为受电 方的另一个线圈置于2 m 外并连接一个灯泡。当送电方接通电源后，两个线圈都以 1 0 兆赫兹的频率振动，从而产生强大的电磁场，通过“电振 电能被传递了，隔 空供电使灯泡发光。在电源与灯泡中间放置木料、金属或其他电器等，灯泡仍会 发亮。研究人员表示，没有发现这一系统会影响人体健康，现在的电磁辐射水平 大概和核磁共振仪类似，应该是在安全范围之内。该无线供电技术也称为共振感 应耦合技术，关键在于利用了非辐射性磁耦合两个相同频率的谐振物体产生 很强的相互耦合，采用单层线圈，两端各放置一个平板电容器，共同组成谐振回 路，减少能量浪费。基于普通电磁感应耦合的非接触电力传输，则是利用数百圈 紧密缠绕的线圈，但只能在数毫米的范围才得到6 0 以上的传输效率。而该系统 只是缠绕了5 圈粗铜线作为天线的线圈，在进行2 m 传输时效率约为4 0 ，距离 9 广东工业大学硕十学位论文 为1 m 时效率竟高达约9 0 。可见这种融合了电磁共振的无线供电技术别具一格。 2 2 2 无接触功率传输技术的发展前景 无接触功率传输技术未来主要在两个方向发展。 一，中短距离的应用。主要应用在交通运输领域。生产领域。医疗器械。随 着人们环境意识的提高和对石油燃料资源耗尽危机的警觉，未来的交通运输系统 将逐渐向着绿色、环保、电气化的方向发展。未来的交通系统供电需求将为新型 无接触功率传输技术提供广阔的市场。电动车是唯一满足零排放的车辆，它通常 需利用蓄电池储能n 引，需要反复进行电池充电。第一辆电动车是在1 8 3 4 年建造的， 到2 0 世纪初，它们是占主导地位的运输技术。但是，当汽车作为主要交通方式盛 行后，电动车的繁荣景象就消失了，只用于少量特殊用途。近年来，环境意识和 石油燃料资源耗尽的可能性使人们又重新重视了电动汽车的研究发展，而电池充 电将是未来的电动汽车面临的一个重要问题。采用新型无接触能量传输系统为电 动车供电，具有一定优越性。诸如，当采用车载充电器时，传统的充电系统在交 流电源段分开，整个系统几乎都在车上，而无接触电能传输方式实现初、次级绕 组之间分离，从而大部分的设备可以置于车外。 未来的高速磁浮列车供电也是可考虑的应用领域。磁浮列车，克服了传统的 轮轨运行方式，实现了时速4 0 0 - - - 5 0 0 公里的高速运行，是一种新型的陆上高速运 输工具，代表着2 l 世纪高速交通技术发展的趋势。 现在的生产行业正逐步向着机器化、智能化方向发展。采用非接触功率传输 系统为机器人供电可以保证能量和信号的安全、可靠的传输1 。新型无接触供电 系统不受周围环境和天气的影响，采用该系统可以解决目前在采矿、水下探测等 环境较恶劣的行业中存在的电工设备供电问题。现在许多海底石油、天然气生产 设备都采用感应电能传输器进行充电n 铂。新型无接触电能传输系统比较灵活和卫 生，在其它的领域，例如生物医学，以及人们的日常生活领域也有一定的应用。 二，远距离的应用。随着全球环境污染和能源短缺问题的日趋紧张，向太空要 能源的需求愈发迫切。美国五角大楼国家安全太空办公室( n s s 0 ) 在2 0 0 7 年1 0 月 的报告中则明确指出，要立即着手“向上钻取能源 的工作，建议美国政府在未 来1 0 年投入1 0 0 亿美元建造一颗能将1 0 g w 太阳能传回地球的试验卫星。太空太 1 0 第二章无接触功率传输技术的应用及优势 阳能电站是利用卫星技术，在太空把太阳能转化成电能，然后以微波和激光等方 式传回地球供人类使用的系统。该系统主要由两大部分组成：太空部分太阳 能发电卫星由火箭将太阳能发电卫星发射到空间轨道上形成，在太空将太阳 能转化成电能；地面部分接收电站接收太空发电卫星通过微波或激光等 方式传输到地面的电能。根据美国科学家预测，到2 0 2 5 年，美国有可能在太空建 造1 0 0 座太阳能电站，将会满足美国全国3 0 的电力。而日本从2 0 世纪8 0 年代 也已展开太空太阳能相关研究，目标是在2 0 3 0 年前向太空发射一颗对地静止卫 星，这颗卫星将为地球上5 0 万户家庭提供1 0 亿w 电能。目前，日本宇宙航空研 究开发机构的研究人员将微波和激光看作是传输太阳能的可能选择。 2 3 无接触功率传输技术在有源电子式互感器中应用的优势 整流高频 一次 电路逆变补偿 二次整流 负载 补偿电路 图2 一l 无接触功率传输系统构成图 f i g2 - 1s t r u c t u r eo fl c p ts y s t e m 无接触功率传输技术是根据麦克斯韦电磁场原理，通过初级线圈和次级线圈 之间的电磁感应来传递能量。如图2 1 所示。交流电流经过整流电路整流，高频 逆变一次补偿后，通过初级线圈和次级线圈的感应电磁耦合，将电能经过补偿和 整流传递给负载。其中初级线圈和次级线圈是没有任何接触的。 典型的有源电子式互感器系统，如图2 - 2 所示，它分为高，低压侧和光纤传输 三个部分。高压侧采用r o g o s w s k i 线圈作为采样传感头，经过信号处理电路转换成 数字信号后再通过电光转换经由光纤传送到低压侧，由微机系统进行数据处理。从 图中可以看出为有源电子式互感器信号处理电路供电的工作电源处在高压侧。 广东t 业大学硕+ 学位论文 图2 2 有源电子式互感器原理框图 f i g2 - 2t h eb l o c kd i a g r a mo fa c t i v ee l e c t r o n i ct r a n s d u c e r 如果利用无接触功率传输系统为有源电子式互感器高压侧信号处理电路提供 电源，把无接触功率传输系统的初级回路放在低压侧，把次级回路放在高压侧为 高压侧信号处理电路供电。无接触功率传输系统就为高压侧信号处理电路供电可 以实现高低电压侧间实现了隔离，不存在高低压侧绝缘的问题。并且不会出现第 一章所述现在运用中的工作电源的各种缺陷。可以提高有源电子式互感器的可靠 性，稳定性。这是无接触功率传输系统在有源电子式互感器应用中的优势。 2 4 本章小结 本章介绍了无接触功率传输系统的分类，说明了无接触功率传输系统的研究 现状及发展前景。阐述了无接触功率传输系统在有源电子式互感器的应用中的优 势。 1 2 第三章无接触功率传输系统模型研究 第三章无接触功率传输系统模型研究 研究无接触功率传输系统首先要建立一个适合研究无接触功率传输系统的模 型，本章主要研究无接触功率传输系统的建模，并进行分析。 3 1 无接触功率传输系统功率变换器模型 相对于传统的感应能量传递系统，新型无接触电能传输系统属于疏松感应耦合 系统阳1 。疏松耦合变压器的模型，如图3 1 所示。 图3 - 1 疏松耦合变压器模型 f i g3 - 1m o d e lo fl o o s e c o u p l i n gt r a n s f o r m e r 从上面的模型可以看n - 在两个铁芯中间有一段空气，而空气的磁阻远大于 铁芯的磁阻。以下就关于疏松耦合变压器的模型建立进行探讨。 3 1 1 根据普通变压器的数学模型推导的数学模型 在功率变换电路中，常采用变压器模型来描述原、副边绕组的耦合关系。这 种模型适用于变压器原边和副边紧密耦合的情形，原、副边电压满足匝比关系， 其漏感通常可以忽略不计。由图3 - 2 可以看到疏松耦合变压器都是从常规变压器 的基础上设计而成的。因此对于疏松耦合变压器的数学模型可以从普通变压器模 型的基础上进行分析。 广东丁业大学硕士学位论文 臣立 图3 - 2 普通变压器模型 f i g 3 2m o d e lo fo r d i n a r yt r a n s f o r m e r 图3 - 2 就是普通变压器的模型，对普通变压器模型进行分析。根据一次侧电 流电压以及二次测电流电压的方向。整个变压器在电路中吸收的功率为：p = u i 。 此时变压器运行在不饱和状态：变压器电压方程为： 驴夥等+ m 等 ， 以= 足t + r 鲁+ 鲁 ( 3 2 ) 公式( 3 1 ) ( 3 2 ) 中：乞，乃为初级侧自感和电阻u p , 为次级线圈对初 级线圈的互感。 厶，足为次级侧自感和电阻虬为初级线圈对次级线圈的互 感。根据电磁场理论有： = k + l m ( 3 3 ) l s = l s ，+ ls m ( 3 4 ) 其中：k ，k 为初、次级的漏感，而三删，丘舶分别为初、次级线圈的激励 电感。上述变压器的电压方程可以用下述矩阵表达： 外 芯。撬。蚴 慨5 ， 其中d = d d t ： 变压器的磁链方程为： 甲p = l 0 p + mp 3 s 1 4 ( 3 6 ) 第三章无接触功率传输系统模型研究 vs = l s s + m pvs 2l 乒s + ms 口 ( 3 7 ) = + k 瓦 ( 3 8 ) 磁动势方程为： n 口i p + n j s = n m ( 3 9 ) 由上式( 3 8 ) ( 3 9 ) 可知，变压器空载时用以建立主磁通的激磁磁动势完全 由初级空载电流i 。产生，当变压器负载时候用以建立主磁通的激磁磁动势由初级 电流和次级电流共同产生，即变压器负载时用以建立主磁通的磁动势是初级和次 级绕组的合成磁动势。 因为松耦合变压器的磁路部分含有较大的空气磁路，因此和常规的变压器磁 路计算有较大的不同，具体表现为激励磁动势增加、漏感增大。所以根据普通变 压器模型分析松耦合变压器是比较麻烦的。 互感模型是另一种描述原、副边绕组耦合关系的电路模型n 争1 5 1 。互感模型使 用感应电压和反映电压的概念来描述原、副边绕组的耦合关系。感应电压和反映 电压都通过互感来表达。无接触功率系统的耦合性能较差，处于松耦合状态因此 用互感模型来表示可分离变压器的等效电路模型更为适用。 以下采用互感模型来分析电流型新型无接触功率传输系统，利用感应电压描 述初、次级之间的耦合效应，感应电压通过互感来表达。同时引入次级反映阻抗 来描述系统的功率传输能力，次级回路对初级回路的影响通过反映电压在初级表 示出来。 m 图3 - 3 无接触功率传输系统互感模型 f i g 3 3m u t u a li n d u c t a n c em o d e lo fi c p t 广东t 业大学硕十学位论文 电磁互感模型如图3 - 3 所示。初级绕组参数为r p 和l p ，次级绕组参数为r 和 厶。r l 为负载电阻。初级绕组中通以恒定的电流厶，两端电压为u p 。根据电路 原理可以得到下列方程。 ip j l p 七i p r p is j r _ a m = u p isj l s + i sr s + isr l = i pj t o m ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 表达式( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 为初、次级的基本回路方程。进一步可以导出电磁互 感的等效初级电路，如图3 - 4 所示。次级系统对初级的影响通过反映阻抗z ，来体 现。由( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 和图3 - 4 的等效初级回路模型进一步可得到： t i p 图3 - 4 等效初级回路模型 f i g 3 - 4e q u i v a l e n tp r i m a r yc i r c u i t is j o ) m = i p z r z r ：r r + i xr ：一j mis ip 耳= 志( 足圳 鼍= 一面r 丽_ 0 2 m 2 l 5 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 反映阻抗直接反映了系统的功率传输性能。反映阻抗吸收的复功率就是次级 系统吸收的复功率。 1 6 第三章无接触功率传输系统模型研究 3 1 2 普通变压器的数学模型与互感模型的数学模型比较 通过上述的分析可以看到，采用普通变压器模型在分析的时候需要对于变压 器电路和磁路都要进行复杂分析。而且在分析的时候，电路和磁力互相联系，不 容易求出模型的解。复杂的方程不利于对模型的分析和对于模型的优化。 而采用互感模型的优点在于：不需要将耦合电感和漏电感分开来进行电路分 析。新型无接触功率传输系统漏感通常较大，不能忽略不计，采用这种分析方法 较为方便。另外，互感模型不用解析复杂的微分方程，将计算的工作量降低。同 时也能直观地看到，由于系统参数变化对系统的影响。因此互感模型对分析无接 触功率传输系统更加简单，快捷。 3 2 本章小结 本章主要研究了无接触功率传输技术系统模型的建立。通过比较分析互感模 型更适用于无接触功率传输系统，用数学公式对互感模型进行了描述。 1 7 广东1 二业大学硕十学位论文 第四章无接触功率传输系统的设计 在无接触功率传输系统中，初级电路与次级电路之间有一段空隙，初级电路 把电能转换为磁场能发射，经过这段气隙后次级电路通过接收装置匝链磁力线， 接受磁场能量，并通过相应的能量调节装置，变换为负载可以直接使用的电能形 式，从而实现了无接触式电能传输。由于进行感应耦合的初级和次级线圈之间有 很大的漏感存在，耦合系数非常低，在工频下系统进行能量传输是非常困难的。 要保证有效的功率传输，通常必须将高频大电流注入系统的初级线圈中，并对初 级线圈和次级线圈的漏感进行补偿。因此无接触功率传输系统的设计要比紧密耦 合系统的设计复杂得多，选择怎样的频率，进行何种补偿方式，以及高频电源和 初级线圈和次级线圈的设计方案，都会关系到无接触功率系统的工作稳定性 1 e - 1 8 4 1 补偿结构 由于新型无接触功率传输系统属于疏松耦合结构，功率的传输