电容补偿对无线能量传输系统性能影响的实验研究
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无线 能量传输 系统 以电磁 感 应耦 合 技术 为基 础 ， 结 合 电力电子 和控制 技 术 ， 现 了 电能无 线 传 输 。系 实
统构成 如 图 １ 示 ， 频交 流 电经 过整流 、 所 工 逆变后转
电磁 耦 合 结构
初级线 圈
次级线圈
换成 高频交 流 电供 给 初 级 绕 组 ， 过 电磁 感 应 ， 通 在 次级感应 产生 高频 电压 ， 经整 流 稳压 变 换转 化 成需
和 并联两 种 。实验 采 用 铁 芯 变 压器 ， 次级 绕 组 铁 初 芯 气隙 （ 向距 离 ） １ ｍ。该 实 验 运行 频 率 为 轴 为 ０ｍ １ ０ｋ ｚ 保持 负载 输 出功 率 不 变 ， ０ Ｈ ， 主要 研 究 初 次 级
冈 ２ 初 次 级 补 偿 系 统模 型
得多。在初次级均补偿 情况 下， 输入 电压和初级绕组 电流均 下降， 率因数都有提 高。在 串并补偿 情况下输入 电压最小 ， 功 功
率 因数最 高 。
关键词
无 线 能 量 传 输
松 耦合
补 偿
中图法分类号
Ｔ １． ； Ｍ７４ ３
文献标志码
Ｂ
随着 电磁感应 耦 合 能量 传 输技 术 的 提 出 ， 型 新
第一作者简介 ： 刘修泉 （９ ３ ） 男 ， １７ ， 湖北阳新人 ， 讲师 ， 博士 ， 研究
方 向 ： 机 电系 统 和无 线 能量 传 输 技 术 。Ｅ ｍ ｉ ｌ ｘｕ ｕｎ ＠ １６ 微 － ａｌ ｉ ｉｑａ ｌ ２ ． ：ｕ
ＣＯ Ｂ 。
１ １期
刘修泉 ， ： 等 电容补偿对无线能量传输 系统性能影 响的实验研究
补偿 ， 补偿 到 回路 发 生谐 振 ， 高 输 出功 率 和 系统 提
广 东 省 自然 科 学 基 金 项 目
（０ ５ １８ ００ ０ ０ ） １ １１４ ３ １０ ０ １ 资助
传输 效率 。在初级 和 次 级 回路 中 ， 基本 的 电容 补 最 偿方式 有两 种 ： 串联 补偿 和并 联 补 偿 Ｉ 。因此 ， ４Ｊ ５ 一 共 有 四种 基 本 的 补 偿 拓 扑 ： 级 绕 组 电容 串 联 补 初 偿 ， 级绕组 电容 串联补偿 ， 为 Ｓ 扑补偿 ； 次 称 Ｓ拓 初级 绕组 串联 电容 补 偿 ， 级 绕 组 并 联 电 容 补 偿 ， 为 次 称
ｂ 实验装置图 ）
ｃ并联一 ） 串联 补偿 模 型 （ ｓ Ｐ）
图 ３ 实 验 系 统
ｚ
３ 初次级 回路补偿对供 电电源性能 的影响
初 次级 回路 电容 补 偿 可 以提 高 系统 输 出功 率 、
Ｒ
ｄ 并联一 ） 并联补偿模型 （ Ｐ Ｐ）
传输 效率 和 改 进 功 率 因数 。电 容 补 偿 类 型分 串 联
⑥
２ １ ＳｉＴ ｃ． ｎｎ ． ０ ｃ ｅｈＥ ｇｇ １ ．
机 电技 术
电容 补偿 对 无 线能量 传 输 系统 性能 影 响 的实验 研 究
刘修 泉 李艳红 郝 海青 黄 平
（ 州 番 禺 职业 技 术 学 院 ， 州 ５ １ ８ ； 南 理 工 大学 机 械 与 汽 车 工程 学 院 ， 州 ５０ ４ ） 广 广 １４ ３ 华 广 １６ ０
第 １卷 １
第 １期 １
２ １ 年 ４月 ０１
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ．１１ Ｎｏ １ Ａｐ ． ０１ １ ．１ ｒ２ １
１７一 １１ （ ０ １ １—５ ６０ ６ ｌ ８ ５ ２ １ ） １２９ —４
Ｓ ｉｎｃ ｃ ｎｏｏ ｙ ａ ｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｃｅ ｅ Ｔｅ ｈ ｌｇ ｎ ｇ ｎ ｅ ｉｇ
传统 的感 应 能 量 传 输 系 统 ， 质 为 松 耦 合 的 变 压 实 器， 其初 、 次级绕 组 之 间耦 合性 能 较低 ， 感 参数 不 漏 能忽略不 计 － 。 － 无线 能量 传 输 系统 基 于松 耦 合 电磁 感 应 来 传
１ 初次级补偿 系统模型
输 能量 ， 在 较 大 的 漏 感 ， 得 传 输 系统 有 功 功 率 存 使 降低 。为 了减小 系统 的无功 功 率 ， 般都 采 用 电容 一
－斗 ｃ ＝
｛ ＞｛ ｝
逆变 整流 稳压
要 的恒定 直 流电压 ， 为负 载 提供 电能 。初级 绕 组 和
次级绕组 之 问 不存 在 直 接 接 触 ， 较 大 的 问 隙 ， 有 可
以保持相 对 运 动 或 相 对 静 止状 态 。该 系统 不 同于
整流
图 １ 无线能量传输 系统耦合感应结构
摘
要
首 先 介 绍 了无 线 能 量传 输 系统 的基 本 构 成 和初 次 级 电容 补 偿 模 型 ， 后 建 立 以松 耦 合 变 压 器 为 基 础 的 无 线 电能 传 然
输 系 统 ， 不 同初 次 级 电容 补 偿 模 型进 行 试 验 研 究。 结 果 表 明 ： 级 串联 补 偿 可 以 显著 降 低 电源 所 需 供 应 的 电 压 ， 级 并 联 对 初 初 补偿 可 以有 效 降低 初 级 绕 组 的 电流 。 次 级 补偿 也可 降低 输 入 电压 和 初 级 绕 组 的发 射 电流 ， 与初 级 补偿 相 比， 电压 下 降 幅度 小
ｓ Ｐ拓 扑补偿 ； 级绕 组 并联 电容 补 偿 ， 级绕 组 串 初 次 联 电容补偿 ， 为 Ｐ 称 Ｓ拓 扑 补偿 ； 级 绕 组 并 联 电容 初
电阻 电压 可 以利刚 Ｉ Ｔ ２ Ｖ 一３ １毫伏 表进行 测量 ， 载 负
电阻 电流 和输 出功率 由实验数 据计 算得 到 。
ＷＬ ５ 功 耗 仪 ２８
补偿 ， 级 绕 组 并 联 电容 补偿 ， 为 Ｐ 次 称 Ｐ拓 扑 补 偿 ，
分别 如 图 ２ａ 、） Ｃ 、 ） ） ｂ 、 ） ｄ 所示 。
一
Ｉ
尼
＞
ａ ）串联一 串联补偿模 型 （ Ｓ Ｓ）
，
－－－－－ －－
ａ 实 验 原 理 图 ）
ｊ
上 ，
Ｒ
ｂ ）串联一 并联补偿模 型 （ Ｐ ｓ）
统构成 如 图 １ 示 ， 频交 流 电经 过整流 、 所 工 逆变后转
电磁 耦 合 结构
初级线 圈
次级线圈
换成 高频交 流 电供 给 初 级 绕 组 ， 过 电磁 感 应 ， 通 在 次级感应 产生 高频 电压 ， 经整 流 稳压 变 换转 化 成需
和 并联两 种 。实验 采 用 铁 芯 变 压器 ， 次级 绕 组 铁 初 芯 气隙 （ 向距 离 ） １ ｍ。该 实 验 运行 频 率 为 轴 为 ０ｍ １ ０ｋ ｚ 保持 负载 输 出功 率 不 变 ， ０ Ｈ ， 主要 研 究 初 次 级
冈 ２ 初 次 级 补 偿 系 统模 型
得多。在初次级均补偿 情况 下， 输入 电压和初级绕组 电流均 下降， 率因数都有提 高。在 串并补偿 情况下输入 电压最小 ， 功 功
率 因数最 高 。
关键词
无 线 能 量 传 输
松 耦合
补 偿
中图法分类号
Ｔ １． ； Ｍ７４ ３
文献标志码
Ｂ
随着 电磁感应 耦 合 能量 传 输技 术 的 提 出 ， 型 新
第一作者简介 ： 刘修泉 （９ ３ ） 男 ， １７ ， 湖北阳新人 ， 讲师 ， 博士 ， 研究
方 向 ： 机 电系 统 和无 线 能量 传 输 技 术 。Ｅ ｍ ｉ ｌ ｘｕ ｕｎ ＠ １６ 微 － ａｌ ｉ ｉｑａ ｌ ２ ． ：ｕ
ＣＯ Ｂ 。
１ １期
刘修泉 ， ： 等 电容补偿对无线能量传输 系统性能影 响的实验研究
补偿 ， 补偿 到 回路 发 生谐 振 ， 高 输 出功 率 和 系统 提
广 东 省 自然 科 学 基 金 项 目
（０ ５ １８ ００ ０ ０ ） １ １１４ ３ １０ ０ １ 资助
传输 效率 。在初级 和 次 级 回路 中 ， 基本 的 电容 补 最 偿方式 有两 种 ： 串联 补偿 和并 联 补 偿 Ｉ 。因此 ， ４Ｊ ５ 一 共 有 四种 基 本 的 补 偿 拓 扑 ： 级 绕 组 电容 串 联 补 初 偿 ， 级绕组 电容 串联补偿 ， 为 Ｓ 扑补偿 ； 次 称 Ｓ拓 初级 绕组 串联 电容 补 偿 ， 级 绕 组 并 联 电 容 补 偿 ， 为 次 称
ｂ 实验装置图 ）
ｃ并联一 ） 串联 补偿 模 型 （ ｓ Ｐ）
图 ３ 实 验 系 统
ｚ
３ 初次级 回路补偿对供 电电源性能 的影响
初 次级 回路 电容 补 偿 可 以提 高 系统 输 出功 率 、
Ｒ
ｄ 并联一 ） 并联补偿模型 （ Ｐ Ｐ）
传输 效率 和 改 进 功 率 因数 。电 容 补 偿 类 型分 串 联
⑥
２ １ ＳｉＴ ｃ． ｎｎ ． ０ ｃ ｅｈＥ ｇｇ １ ．
机 电技 术
电容 补偿 对 无 线能量 传 输 系统 性能 影 响 的实验 研 究
刘修 泉 李艳红 郝 海青 黄 平
（ 州 番 禺 职业 技 术 学 院 ， 州 ５ １ ８ ； 南 理 工 大学 机 械 与 汽 车 工程 学 院 ， 州 ５０ ４ ） 广 广 １４ ３ 华 广 １６ ０
第 １卷 １
第 １期 １
２ １ 年 ４月 ０１
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ．１１ Ｎｏ １ Ａｐ ． ０１ １ ．１ ｒ２ １
１７一 １１ （ ０ １ １—５ ６０ ６ ｌ ８ ５ ２ １ ） １２９ —４
Ｓ ｉｎｃ ｃ ｎｏｏ ｙ ａ ｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｃｅ ｅ Ｔｅ ｈ ｌｇ ｎ ｇ ｎ ｅ ｉｇ
传统 的感 应 能 量 传 输 系 统 ， 质 为 松 耦 合 的 变 压 实 器， 其初 、 次级绕 组 之 间耦 合性 能 较低 ， 感 参数 不 漏 能忽略不 计 － 。 － 无线 能量 传 输 系统 基 于松 耦 合 电磁 感 应 来 传
１ 初次级补偿 系统模型
输 能量 ， 在 较 大 的 漏 感 ， 得 传 输 系统 有 功 功 率 存 使 降低 。为 了减小 系统 的无功 功 率 ， 般都 采 用 电容 一
－斗 ｃ ＝
｛ ＞｛ ｝
逆变 整流 稳压
要 的恒定 直 流电压 ， 为负 载 提供 电能 。初级 绕 组 和
次级绕组 之 问 不存 在 直 接 接 触 ， 较 大 的 问 隙 ， 有 可
以保持相 对 运 动 或 相 对 静 止状 态 。该 系统 不 同于
整流
图 １ 无线能量传输 系统耦合感应结构
摘
要
首 先 介 绍 了无 线 能 量传 输 系统 的基 本 构 成 和初 次 级 电容 补 偿 模 型 ， 后 建 立 以松 耦 合 变 压 器 为 基 础 的 无 线 电能 传 然
输 系 统 ， 不 同初 次 级 电容 补 偿 模 型进 行 试 验 研 究。 结 果 表 明 ： 级 串联 补 偿 可 以 显著 降 低 电源 所 需 供 应 的 电 压 ， 级 并 联 对 初 初 补偿 可 以有 效 降低 初 级 绕 组 的 电流 。 次 级 补偿 也可 降低 输 入 电压 和 初 级 绕 组 的发 射 电流 ， 与初 级 补偿 相 比， 电压 下 降 幅度 小
ｓ Ｐ拓 扑补偿 ； 级绕 组 并联 电容 补 偿 ， 级绕 组 串 初 次 联 电容补偿 ， 为 Ｐ 称 Ｓ拓 扑 补偿 ； 级 绕 组 并 联 电容 初
电阻 电压 可 以利刚 Ｉ Ｔ ２ Ｖ 一３ １毫伏 表进行 测量 ， 载 负
电阻 电流 和输 出功率 由实验数 据计 算得 到 。
ＷＬ ５ 功 耗 仪 ２８
补偿 ， 级 绕 组 并 联 电容 补偿 ， 为 Ｐ 次 称 Ｐ拓 扑 补 偿 ，
分别 如 图 ２ａ 、） Ｃ 、 ） ） ｂ 、 ） ｄ 所示 。
一
Ｉ
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ａ ）串联一 串联补偿模 型 （ Ｓ Ｓ）
，
－－－－－ －－
ａ 实 验 原 理 图 ）
ｊ
上 ，
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ｂ ）串联一 并联补偿模 型 （ Ｐ ｓ）