（电工理论与新技术专业论文）并联谐振型icpt系统分析与设计.pdf

a b s t r a c t t h ei n d u c t i v e l yc o u p l e dp o w e rt r a n s f e rt e c h n 0 1 0 9 y ( i c p t ) p r 0 v i d e san e ww a yt o d e l i v e rp o w e lh 1r e c e f l ty e a r s ，m a l l ys u c c e s s e sh a v eb e e na c h i e v e d t h ep r o s p e c to f i c p ti ss ob r o a dm a t m o r ea t t e n t i o ni sp a i dt 0i t b yn o w ，m 蛆yp r a c t i c a la p p l i c a t i o n so f i c p th a v eb e e na c t u a l i z e d i c p ti su s e di nn o n c o m a c tp o w e r 仃a z l s m i s s i o ns y s t e m g e n c r a l l y ，i c p ti sm a d eu p o f 饥7 0s u b c i r c u i t s ：h i g h 行e q u e n c yp o w e rr a d i a t i o nc i r c u i tc 0 1 1 l p o s e do fs w i t c h c o n v e m ra i l dr e s o n a n c ec i r c l l i t 蛐c ha c c e p ta n dp r o v i d ep o w e rt ot l l el o a d t h e c o u p l i n gb e t w e e nt h er a d i a t i o nc i r c u i ta 重1 dm er e c e i v ec i r c u i ti s s 0w e a 玉【m a tt h e t r a m t i o nt h e o r y 锄d t e c l l i l 0 1 0 9 yu s e di n 订a n s f o h n e ra i l di n d u c t i v em o t o ra r c i l ，ta v a i l a b l e i ni c p t h 1o m b rt or e d u c et h ee 1 1 e 唱yl o s sa n de l e c 订0 m a 班c t i cs 仃e s si ns w i t c h ，“i s i m p o n a n tt o 、v o r ku n d e rt h em o d eo fz e r 0 一v o l t a g es w i t c h ( z v s ) o rz e r o c u n 锄ts w i t c h ( z c s ) m 廿l i sp 印e r ac u r r e n t - f 甜p a r a l l e lr e s o n a i l c ez e r ov 0 1 t a g cc o r l v e n e rs a t i s f i e da b o v e r c q u e s ti s 抽v e s t i g a t e d o nt 1 1 eb a s eo f m a t l l 锄曲t i c a lm o d e 】o f t h j s “n do f c o n v e r t 吼t h e a p p r o x i m a t ea n a l ”i cs o l u t i o ni so b t a i n e d t h em a i nw o r ko ft h i sp 印e ri sp r e s c n t e d 髂 f 0 1 1 0 w ： 1 f i r s t ，t h ec h 啪c t e r i s t i c ，d e v e l 叩m e ma i l dp r o s p e c to f i c p t i si n 加d u c e d 2 n e x t ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fi c p ti se x p l a i n e d ；m et o p 0 1 0 9 yo fi c p ta n dt h et y p e s o fc o m p e n s a t i v ec i r c u i ta r 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a r a l l e l r e s o n a n c ec n n v e r t e l k e y w o r d s ：n o n c o m a c t ，i n d u c t i v e l yc o u p i e dp o w e r 胁1 s f e r ，c i r c u i tm o d e i ，r e s o n a n c e i i - 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿 意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：写三落 2 0 0 6 年5 月8 日 1 1 引言 1 绪论 目前，在给移动的用电设备( 如电气化铁道的电力机车、地铁机车、城市有 轨电车或无轨电车) 供电中，一般均采用相对滑动接触的方式传递能量。这种方 式在使用中存在诸如滑动磨损、接触火花、碳积和不安全裸露导体等弊端，它不 仅限制了运动速度，而且还由于摩擦作用损伤了设备，影响了寿命，甚至还需要 花费高昂代价通过停工、停运来检修维护设备。在化工、采矿等易燃易爆领域， 采用滑动摩擦方法极易引燃或引爆火花引发事故。因而研究一种非接触的电能传 输方法显得尤为重要。人们首先考虑到感应能量传输的方法【l 2 j 。 感应能量传输技术己经在一系列进行能量传输的商业化产品和系统中使用了 长达一个多世纪，比较典型的商业化产品是电机、变压器等。与变压器传输能量 相比，电机有一个突出的优点，就是不受速度的影响，但这种传统的感应能量传 输系统的显著特点是子系统之间相对位置固定。当用电设备与供电电源之间有相 对运动时，这种系统的应用必然受到限制。 感应耦合功率传输技术( h l d u c t i v e l yc o u p l e dp o w e rt r a n s f c r 简称i c p t ) 弥补 了供电电源和用电设备之间移动相对比较严格的限制，并能应用到一些特殊的工 作环境，而受到人们的关注。它是基于功率半导体器件和电源转换技术发展的基 础上产生的新技术p 叫。 感应耦合功率传输技术利用电源转换技术，使直流电或工频交流电转变为高 频交流电( 1 0 1 0 0 k h z ) 来传输能量，从而使通过较大气隙传输电能成为现实。 非接触感应耦合功率传输技术是一种新型的技术，还没有统一的标准来定义 它。有时也称为非接触功率传输技术( n o n c o n t a c tp o w e rt r a n s f e r ) 。它也是基于 电磁耦合的原理，但在这里专指通过疏松耦合方式向用电设备的电能传输。 1 2 感应耦合功率传输系统的特点 感应耦台功率传输系统和传统的供电系统相比有以下的显著特点： ( 1 ) 移动灵活 由于供电电源和用电设备之间是通过空气的疏松耦合，因此允许用电设备在 一1 一 一定的范围内自由移动，提高了用电设备的灵活性，这是i c p t 系统与传统电能传 输方式相比的重要优点和特点。 ( 2 ) 环境适应强 i c p t 系统是由两个相互独立的封闭系统构成，因此可以用在粉尘、潮湿和腐 蚀性强的环境。与传统的接触式滑动供电方式相比，不产生碳积，不会污染环境。 ( 3 ) 安全可靠 这种新型的电能传输方式与传统的接触式滑动供电方式( 如滑动轨道电车) 相比，避免了裸露导体的存在和接触火花的产生，提高了对人和设备的安全性。 感应耦合功率传输系统一般工作在几十千赫兹频率，不会对生物体造成伤害。 i c p t 系统避免了导体的接触摩擦，因此不会产生机械磨损、电腐蚀和化学腐 蚀，提高了系统的可靠性。 ( 4 ) 降低维护次数 i c p t 系统由两个相互独立的系统构成，导体之间没有机械摩擦，维护次数大 大降低【z j 。 1 3 感应耦合功率传输技术的发展现状 感应耦合功率传输的概念早已在上世纪8 0 年代提出，国外有许多科研院所和 公司从事此项技术的研究，对该技术进行研究和产品化的功率级别从几个千瓦到 几百个千瓦。比较有代表性的研究机构是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，该中心从2 0 世纪9 0 年代开始主要从事滑动式i c p t 系统的研 究。经过十多年的努力，该技术在理论和实践上已获得重大突破。主要研究集中 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、运货车， 以及水下、井下设备。目前实用的设备己达到2 0 0 k w ，数公里的传输距离和8 5 以上的传输效率。目前该技术已被成功的推广到日本、德国、美国等地，其典型 的商业化产品有： ( 1 ) 日本大阪富库公司的单轨行车和无电瓶自动运货车。这些设备当前己成功 地用于许多材料运输系统中，特别是在一些恶劣的环境下，如喷漆车间等。 ( 2 ) 新西兰奥克兰大学所属奇思公司基于电子与电气工程系的技术，成功地开 发了两项实用项目：一是高速公路发光分道猫眼系统，目前正运行于新西兰惠灵 顿大隧道中；另一个是用于r o t o r u a 国家地热公园的3 0 k w 非接触充电电动机车。 ( 3 ) 德国奥姆富尔公司的载人电动列车已试车成功，在奥姆富尔总部的溯试轨 是目前为止建造的最大的i c p t 系统，总容量达1 5 0 k w ，轨道长度近4 0 0 米，气隙为 1 2 0 m m 。该系统允许接收绕组向各个方向移动的位嚣公差为5 0 m m 。该公司还成功 地将这种新型无接触功率传输技术用于电动游船地水下驱动。 ( 4 ) 美国通用汽车公司推出的e v l 型电车非接触感应充电系统备受世人瞩目。 由美国通用汽车公司的一个分公司d e l c oe i e c t r o l l i c s 公司研制的m a 印e c h a r g e 是最 先商业化的电车感应耦合充电器之一，现正由d e l c o 公司生产和出售，专门用于g m 的e v l 型电动车充电。e v l 型电车的一个电池组，包括2 6 个铅酸电池，可储存约 1 6 k 、h 的能量，这个能量等效于一个高效发电机利用大约1 力仑汽油产生的电能。 要进行充电，只需将充电板插入车辆的充电端口即可。感应耦合进行能量传递的 频率可以在8 0 k h z 到3 5 0 k h z 范围内变动。充电可以反复进行，过程简单、安全、高 效。 有关新型感应耦合功率传输系统项目的开发研究仍然在不断进行中，它涉及 的领域也日渐广泛。除了有上述的交通、材料运输等领域外，还有生物医学、钻 井、工矿、水下作业等领域。如飞机座位上的非接触供电系统，这个系统用于给 每个座位上的娱乐设施提供能量，每个单元大约消耗5 0 w 能量。密封的功率传输 轨道嵌入乘客机舱的地板，座位上采用感应藕合功率接受绕组，与功率传输轨道 相对应，系统采用电流反馈耦合技术。该电能传输装置易拆装，使座位在飞机上 可以灵活的移动，同时利用感应耦合技术提高了系统的安全性、可靠性和舒适度。 生物医学领域正利用这一技术进行人工心脏和恶性肿瘤疗法等的研究。这些 系统通过在病人皮肤下植入电路，由戴在病人腰间的感应耦合装置透过皮肤向体 内进行能量传递，开辟了新型的损伤性较小的医疗天地。由于耦合装置的放置以 及病人皮肤的厚度不同，系统的电力电子驱动设备必须能经受耦合参数的变化【6 。 上述研究和应用涉及的都是分离式或滑动式感应能量传递。旋转式感应能量 传递系统的研究，现在主要用于工厂中机器活动部件的驱动，实现能量和信号的 非接触传输。这种能量传递方式的显著优点是：整个驱动系统包括驱动电机、变换 器，电流、速度和位置控制回路都设置在机器人肢体中。在这种构造方式中，除 了电源电压以外，只需要从外部获得控制信号即可。这些信号以同样的方式进行 传递，从而避免了采用移动电缆导致机器的运动受限，以及由于电缆磨损所带来 的操作失误等缺点。 可以看出，尽管国内还鲜有问津，但国外对感应耦合功率传输技术的研究已 经逐步深入展开。 1 4 感应耦合功率传输技术的发展前景 面： 感应耦合功率传输系统的应用潜力是巨大的，其前景主要体现在以下几个方 ( 1 ) 交通运输领域 随着人们环境意识的提高和对石油燃料资源耗尽危险的警觉，未来的交通运 输系统将逐渐向着绿色、环保和电气化的方向发展，未来的交通系统供电将为i c p t 系统提供广阔的市场。 目前，电动车是唯一可以满足零排放的车辆，而且它既可以利用电池储能， 也可以给电池充电。电动车的电池充电问题将是未来的电动汽车生产商面临的最 主要的问题。采用i c p t 系统为电动车供电，可以克服传统的充电方法带来的电击， 易受环境影响等不足，实现了电能的绿色、安全、高效的传输。 此外，未来的高速磁悬浮列车供电也是考虑中的应用之一。磁悬浮列车是综 合了高新技术的产物，脱离了传统的轮轨运行方式，实现了时速4 0 0 k i i 汕一5 0 0 h l ，l l 高速运行，是一种新型的陆上高速运输工具，代表着2 1 世纪高速铁路技术发展的 趋势。目前发展成熟的磁悬浮列车分别是德国的常导电磁式悬浮列车和日本的超 导电动式悬浮列车。在列车时速比较高的时候，都可以实现大功率的无接触能量 传输。但前提是列车必须高速运行，在低速运行时，仍然需要其他的辅助设备来 供电，这是其发展的一大不足。现正处于研究阶段的瑞士s 丽s s m e 仃。磁悬浮系统， 就采用这一技术进行能量传递，从而实现了电能在全速范围内的传输。今后的有 轨电车、地铁都是i c p t 系统的潜在的应用领域。 ( 2 ) 生产领域 现在的生产行业正逐步向机器化、智能化方向发展。采用i c p t 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。此外，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能量传输器进行充电。 ( 3 ) 其他领域 例如在生物医学，以及人们的日常生活领域中的应用，如便携式的家用电器、 手机等的充电器。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。它打破了在化工、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。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。 利用i c p t 系统，通过电磁感应进行能量传输打开了通向新型的分离式、滑动 式、旋转式耦合领域的大门。它的应用潜力将是巨大的。 国内研究仅限于对逆变器的研究。逆变器的输出功率可达数千瓦，但是有关 移相全桥串联谐振逆变器的研究，大功率的输出仍属少见。 i c p t 技术是世界上电能输送领域的前沿课题，在国内有关这方面的研究和应 用报道还比较少。该技术的研究开发将填补国内空白，其推广应用有着广阔的发 展前景，必将推动我国电力电子及电气自动化技术的巨大进步【7 “0 】1 1 5 需要解决的问题 感应耦合功率传输技术已经在很多方面得到实际的应用，但在以下几个方面 仍然需要改进： ( 1 ) 功率大小。i c p t 的最大传输功率已经达到3 0 0 k w ，但是与传统的供电 方式还有很大的差距，很多大功率用电设备还不能应用该技术。 ( 2 ) 导轨长度。受传输功率的限制，滑动式i c p t 系统的导轨的长度在几公 里范围之内，不能应用在长距离的运输系统中。 ( 3 ) 系统稳定性。系统稳定性在实际应用中至关重要。如果设计不当，某些 受频率控制的i c p t 系统容易进入不稳定状态。 ( 4 ) 电磁兼容性。i c p t 系统存在电磁干扰和电磁辐射问题，由于导轨的长 度较大，不容易对其进行整体屏蔽，因此提高导轨电流的质量，减小谐波是减少 电磁辐射的根本方法。 ( 5 ) 性价比有待提高。提高i c p t 系统的性价比，也是需要解决的问题 1 “”】。 1 6 论文章节安排 感应耦合功率传输技术具有非常广阔的应用前景，对它的研究不仅具有重要 的科学意义，更具有巨大的经济和社会价值，对相关研究领域技术的发展，如电 磁耦合技术、电力电子技术等，具有推动作用，并在实际应用中，将导致一批新 产品的出现，出现新的经济增长点。 本论文对i c p t 技术的一些领域进行了介绍和分析。章节安排如下： 第一章绪论 对i c p t 技术的特点以及发展现状和发展前景作了介绍。 第二章感应耦合功率传输系统的工作原理 介绍了i c p t 系统的一般构成和工作原理；分别从输入谐振网络的电能形式和 谐振网络的结构对系统进行了分类；对推挽式电流馈送并联谐振电路进行了分析： 介绍了自持式电流馈送并联谐振电路的工作原理。 第三章电流馈送并联谐振型电源电路的分析 利用m o s 管的饱和特性建立了电路的动态数学模型，求出了谐振频率的近似 解，并用计算机进行了数值解和近似解的比较。 第四章一个简单i c p t 电路的设计和仿真 设计了一个应用感应耦合功率传输技术驱动的玩具赛车电路，介绍了其设计 过程，最后比较了仿真结果和实际结果。研究结果展示了自动运行在z v s 模式下 的自持式电流馈送并联谐振型电路的广泛适用性。 。 第五章结论与展望 对本论文作了总结，指出了不足之处和以待改进的地方。 2 感应耦合功率传输系统的工作原理 2 1 感应耦合功率传输系统的构成 感应耦合功率传输系统的基本结构包括：电源、初级整流及逆变部分、初级 侧载流线圈、次级侧感应线圈、次级侧整流及调节部分和负载。图2 1 给出了系统 的基本构成框图： 电 源 图2 1 感应耦合功率传输系统结构图 f i g2 1b a s i cs t m c t u r eo f a 帅i c a li c p ts y s t e m 其中，电源、初级整流及逆变部分和初级侧载流线圈属于固定不动部分；次 级侧感应线圈、次级侧整流及调节部分和负载可以做成移动部分。初、次级子系 统之间不存在电气连接。 2 2 感应耦合功率传输技术的工作原理 感应耦合功率传输技术的最基本理论依据就是电磁感应原理( 1 4 叫9 1 。高频电流 通过初级侧载流线圈产生交变磁力线，交变磁力线与次级侧感应线圈相耦合产生 感应电动势，从而利用产生的电动势来驱动负载。 相对于传统的感应能量传递系统，i c p t 系统耦合程度较小。为了提高系统的 功率传输能力，初级绕组通常采用高频交流电压驱动。系统工作时，输入端首先 将普通工频市电整流成直流，再经d c a c 转换，变成合适的高频交流电，作为初 次侧载流线圈的电流输入。经磁路耦合，在次级侧感应出高频交流电。由于存在 气隙，耦合系数较小，传输功率较低。需要根据负载的要求对次级侧交流电进行 各种处理。若为直流负载，则将高频电流经过整流为负载供电；若为交流负载， 则还需要进行逆变处理。所以不存在一种对所有负载都最优的电路拓扑结构，必 须根据需要，针对不同性质的负载设计出不同的电路。 对于滑动式i c p t 系统，进行长距离供电时通常需要一定的开关控制系统，实 现初级绕组的分段式供电，提高传输效率a i c p t 等效于疏松耦合结构连接的传输系统，其次级侧的拓扑结构，如图2 2 ： 广 串联补偿谐振网络 ( a ) 串联补偿谐振型二次侧 并联补偿谐振网络 ( b ) 并联补偿谐振型二次侧 图2 2 次级侧等效电路图 f i g 2 2m ee q u i v a l e n tc i 咖nd i a g r 啪0 f i c p t 图中，变压器的原边激磁电感为工。；副边激磁电感为t ：互感为m 。设原边 线圈流过角频率为电流有效值为l 的交流电，根据耦合关系，副边电路接受线 圈将会感应出电压： 相应的诺顿等效电路短路电流为 v ，：= j m i ， j ，等= 鼍i p 。”2 i 孑2 i o 若副边线圈的品质因数为：q = 等。 则由以上三式可得出传输功率： n 一m 2 i ：q s 只2 亍 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 可以看出，提高电能传输的大小可以通过增大珊、l 、m 和q ，或减小t ， 但受应用场合机械安装和成本限制，i c p t 系统中，m 值一般较小，而且一旦系统 设计完成后，m 和t 的值就基本固定了。能够做调整的是乘积量拼。2 q 。从设计 角度考虑，在参数选择设计中，q 的值一般不会超过1 0 ，否则系统工作状态将对 负载变化、元件参数变化和频率变化非常敏感。 由此，对传输电能大小调节余度最大的是乘积，。2 。从该关系式可见频率与 原边电流的关系：提高频率，可以减小原边电流，反之亦然。 所以在传输相等电能及其他相关量不变的情况下，采用高频的系统与低频的 系统相比，所需初级载流线圈电流大大降低，系统成本大大降低。因此，1 c p t 系 统比较适合采用高频系统。但限于目前功率电子技术及器件的水平，系统频率受 到限制，所以一般采用的频率范围为1 0 1 0 0 王z 。在本课题设计中，采用的频率 为9 0 k h z 。 2 3 感应耦合功率传输系统的类型 根据输入载流线圈的电能形式，感应耦合功率传输系统可分为电压馈送串联 谐振转换电源电路和电流馈送并联谐振转换电源电路【4 】。 2 3 1 电压馈送串联谐振转换电源电路 电压馈送串联谐振转换电源电路又可分为全桥式电路和半桥式电路。其中半 桥式电路是由全桥式电路演变而来，它是用两个大容量电容代替全桥式一侧的两 个开关管而成，如图2 3 中( b ) 所示： 图23 全桥式和半桥式电压馈送串联谐振电源转换电路 f i g ，2 3f u l lb r i 起ea n d h a l f v 0 1 t a g e f e ds 甜e sr e s o n a i l c ec o n v e r t e r 其中：k 直流电源； 墨、& 、墨、功率开关管； c 串联谐振电容； 工初次侧载流线圈电感； r 一载流线圈本身电阻和二次侧耦合到一次侧负载阻抗的总和； 图中与开关管反并联的二极管为功率开关管本身所衍生。当开关管用功率场 效应管( m o s f e t ) 时，图中二极管为源极和漏极形成的寄生二极管。 稳态情况下，半桥式电压馈送串联谐振转换电路中的两个代替功率开关管的 电容电压波动较小，对于串联谐振网络的电压输入相当于电源电压的一半。初次 侧载流线圈的感应输出电压的频率、幅值和初始相角都可以通过控制开关管的导 通时刻来改变。 2 3 2 电流馈送并联谐振转换电源电路 电流馈送并联谐振转换电源电路和电压馈送串联谐振转换电源电路具有对偶 关系，也有全桥式和推挽式电路两种【1 1 ，如图2 4 所示： 图2 4 全桥式和推挽式电流馈送并联谐振转换电源电路 f i g 2 4f u l lb r i d g ea i l dp u l lp u s hc u r r e n t - p 啪1 1 e 1r e s o n a n c ec o n v e r t e r 其中：。，直流电感； 厶、厶分裂电感； 电流馈送并联谐振电源电路一般用一个电感值较大的直流电感和电压源相串 联来构成类似电流源。在稳态情况下，通过直流电感的电流近似为直流。推挽式 电路中用两个分裂电感来代替全桥式电路中上面的两个开关管，使通过直流电感 器中的电流同时分别流过两个分裂电感。 在一般的推挽式逆变电路中，变压器性能的优劣对整个电路的影响较大，制 作时应尽量减小变压器的漏磁通。而在这里应用的相互耦合的分裂电感器却与以 1 0 目_ _ _ | 皇墨置篁l 詈葛摹耋