可分离变压器实现的非接触电能传输系统研究(1)

磁较大 为了减小系统的射频辐射 初级电流要尽量
接近正弦 实验采用频率跟踪控制的电压源型串联
谐振式逆变器来满足输出电流高频正弦大幅值的要
求 图 4 示 出 开 关 频 率 为 40 k~z 时 谐 振 频 率
频率时有同样的频率入锁结果
利用这种简单的控制方式可以使逆变器工作在
谐振频率附近 且工作频率可以准确地跟踪负载变
化引起的谐振频率变化
" 可分离变压器的优化绕法
根据以上对可分离变压器的分析可知 通过增
大磁路截面积可以减小 Rg 从而增大耦合系数 提 高输出能力 实验选用功率传输能力较大且磁屏蔽
效果良好的 PM 型磁芯 可分离变压器线圈采用高
耦合系数的绕
制方法 如图 6
所示 图 6b 所
示绕线方法比
图 6a 绕线方法 的等效磁路面
向为非接触电能传输及电力电子新技术应 用$
28
出影响传输功率的几方面因素9并以此为指导9实现 了一套非接触电能传输系统9 实验证明这种非接触 电能传输系统可满足中小功率应用要求0
2 系统构成
图 1 示出非接触电能传输系统构成原理图0 通 过高频逆变在初级线圈或者电缆上生成高频电流9 负载侧的次级线圈通过电磁耦合接收初级线圈发出 的能量9经过能量调节后满足各类负载的供电要求0
可分离变压器实现的非接触电能传输系统研究
此提高初 次级之间的耦合效率 增加可分离变压器 43 k~z 谐振支路的电压电流波形 可见,谐振频率附
的能量传输和效率是非接触电能传输系统必须解决 近的电流波形接近正弦
的问题 文中将通过互感模型分析可分离变压器 利
通过频率
用互感来描述初 次级线圈之间的耦合能力 这种模 跟踪控制方式
器, 2000(2) 43~44.
[2] 何希才. 传感器及其应用[ ].北京 国防工业出版杜, 2001.
[3] 方佩敏. 新编传感器原理\应用\电路详解[ ].北京 电子
工业出版杜,1995.
(上接第 29 页)
0.796a且其能量传输效率达 87.6%O 增加输入电压a
表 " 实验数据
参数
10" 负载时
图 1 系统构成原理图
3 可分离变压器分析
图 2 示出可分离变压器原理图9 它是系统的核 心组成部分0 可分离变压器将整个电能传输系统分 为可完全分离的电源 侧和负载侧0 由于可 分离变压器初 次级 线圈之间有气隙存 在9使漏磁较大9耦合 系数较小9 能量传输 能力和效率较低9因
图 2 可分离变压器原理图
1引言
传统的电能传输主要通过导线直接接触进行9 这种传输方式由于存在摩擦和裸露导体9 不仅容易 产生接触火花9在矿井\油田等易燃易爆场合9传统 电能传输方式的安全隐患很大9 也存在诸如滑动磨 损\碳积等局限0
基于电磁感应耦合技术与电力电子技术的非接 触电能传输系统 又称感应电能传输系统 IPT 弥补 了以上不足9国外己开展了较深入的研究9工业 医 疗特别是电动汽车供电领域有不少应用报道[192]0 国 内对非接触电能传输系统的研究处于起步阶段[394]9 还未见具体的实验研究和应用报道0
2004 年 10 月
Power ElCC lOI CS
October,2004
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!ri=ri0(1+!!T)
(6)
式中 ri0 霍尔元件在初始温度下的输入电阻
! 霍尔元件输入电阻的温度系数
!T=T-T0
由式(6)可知!输入电阻随温度变化而变化!需
进行补偿a具体措施有
型能够简单且准确地反映电能传输关系
使逆变器工作
根据图 3 可得可分离变压器的等效电路
在谐振频率附
V=
j!M I!l
(l)
l-!2L2C2+j
!L2 R2
要增大输出电压 V 需增大次级线圈感应电压
j!MI!l 通过选择负载侧补偿电容 C2 使 !2L2C2=l 减 小式(l)分母项模值 从而增大 V 可将式(l)改写为
(1) 在电路上可以采用恒流源供电方法来使控
制电流不变a 消除因输入电阻随温度的变化对测量
产生的误差O 霍尔元件恒流驱动的特点[2]有 以砷化
镰为材料的霍尔元件采用恒流时a 其温度影响小;
在电流一定且磁场强度增加时a 元件的电阻也随之
增加O若采用恒流驱动a元件的电阻大小与控制电流
大小无关a所以线性度好;
图 6 线圈的绕制方法
积大 线圈的漏感减小 图 7 示出实验结果 可见 绕
线方法 b 比 a 有更大的耦合系数
# 实验结果
基于以上分析和实验搭建了采用可分离变压器
的非接触电能传输实验系统 表 l 示出系统参数和
实验结果
(下转第 82 页)
29
第 38 卷第 5 期
电力电子技术
VoI.38,No.5
Ui= iRo+UH
(7)
式中 i,Ui 前置放大器输入电流和输入电压
由式(7)可知a前置放大器的 Ui 不仅与 UH 有 关a 而且与 Ro 有关a而 Ro 随 温 度 的 变 化 而 变 化a 所以 Ui 也随温度的 变化而变化O 设计了一
个如图 5 所示的高输入
阻抗前置放大器a 认为 图 5 霍尔元件的输出电阻
非接触电能传输系统采用初 次级线圈可分离 的变压器,电能传输通过初 次级之间的非磁性物质 完成9电源与负载之间没有裸露金属9避免了火花产 生9适用于易燃易爆场合和水下系统的电能传输9也 适用于封闭系统电能传输0
本文通过对可分离变压器工作特性的分析9得
基金项目!获 2003 年台达电力电子科教发展基金资助 定稿日期 2004-03-02 作者简介 韩 腾"1980-#!男! 浙江人! 硕士生!研究方
(2)通过并联电阻补偿O 并联电阻的阻值为 R2= "RIN/# ( ",RIN ,# 可从霍尔元件参数表中查出)O 4.2.2 补偿输出电阻随温度的变化
从霍尔元件输出端看进去a 可以等效为一个输
出电阻 Ro 与电压源 UH1 相串联的电路O 霍尔元件的
Ro 随温度变化而变化a即 Ro=(1+"!T)O由图 5 可知
HAN Teng, ZHUO Fang, LIU Tao, WANG Zhao-an
(Xi an Jiaotong Uniuersity, Xi an 710049, China) Abstract: Most eiectricai eguipments get the energy through piugs from source, this kind of energy transmission system is efficient and accepted wideiy. But it is unsafe at the speciai circumstance such as undersea appiications and fiammabie environments. This paper describes a contactiess power transmission system using isoiation transformer, which is spark free and no uncovered conduct being exposed to the environments. This paper finds severai factors which affect the power transfer abiiity of the contactiess system through isoiating transformer anaiysis. An experiment resuit is given at the end of this paper. Key words: inverter/contactiess power transmissiong seriai resonant inverterg isoiating transformer
(4)
L2 " RS+Rc+Rg
式中 "m 主磁通
" 初级线圈产生的总磁通
根据磁阻定义 Rg 与气隙长度成正比 与气隙 磁路面积成反比 对可分离变压器而言 气隙不可避
免 因此通过增大磁路截面积来减小 Rg 是最直接的 方法
! 频率跟踪串联谐振式逆变器
由以上分析可知 为了提高 P 需增大初级电
流频率和电流幅值 另一方面由于可分离变压器漏
其输入电流 i !0, 所以
对测量的影响
式(7)变为 Ui=UH1a从中可以看出 Ui 与 Ro 无关a从而
消除了霍尔元件输出电阻 Ro 对测量的影响O
! 结束语
设计的霍尔电流传感器体积较小a 具有较高的
准确度和良好的线性度a实用性强O它适用于要求体
积小且测量准确度较高的场合O
参考文献
[1] 李鸿儒.廉价电流传感器及其应用[J] .仪表技术与传感
85.3
互感/mH
0.0258 可分离变压器效率/% 87.6
提高逆变器和高频整流模块的效率将使系统的 Po 和整体效率进一步提高O
#结论
通过分析可分离变压器, 找出了影响非接触电 能传输系统 Po 的 4 种因素a 分别是初级电流频率\ 电流幅值\可分离变压器磁路截面积和漏磁O 提出了 一种适用于非接触电能传输的频率跟踪控制串联谐 振式逆变器a 以及高耦合系数的可分离变压器绕线 方法O 实验表明a基于互感模型的可分离变压器分析 方法a能够很好地指导非接触电能传输系统的设计O
变器工作在谐振状态时 谐振臂两端的电压与流过
的电流同相位 可近似认为,相位比较器的输入分别
是谐振臂
电流和电
压的相位
信息 当
开关频率 低于谐振
图 5 频率跟踪控制原理
频率时 电流超前于电压 经过锁相环使压控振荡器
输出更高的频率 从而使加在谐振臂的电压频率升
高 谐振臂电流与电压之间的相位差减小 最终进入
第 38 卷第 5 期 2004 年 10 月
电力电子技术 Power EIectronics
Voi.38,No.5 October,2004
可分离变压器实现的非接触电能传输系统研究
韩 腾! 卓 放! 刘 涛! 王兆安
西安交通大学9 陕西 西安 710049
摘要!传统电能传输主要通过导线直接接触进行9在一般环境下这种方式合理有效9被广泛采用0 但在一些特殊
V
=
M L2
R2Il
(2)
Z
输出功率为
! " P =
M L2
R2Il2
(3)
结合式(l) 式(3)可以看出 影响 P 的因素分别
是可分离变压器初级线圈电流频率 幅值以及互感
与次级自感的比值
近 产生正弦
大电流 频率
跟踪控制方法 图 4 逆变器谐振臂的电压电流波形
的核心元件是锁相环 频率跟踪原理如图 5 所示 逆
率的几个因素9并给出了采用串联谐振式逆变器和可分离变压器优化绕法的实验结果0
关键词!逆变器!非接触电能传输9 串联谐振式逆变器9 可分离变压器
中图分类号!TM79 TM49 TM464
文 献 标 识 码 !A
文 章 编 号 !1000-100X(2004)05-0028-02
Contactless Power Transfer System Using Isolation Transformer
由实验结
果可知a 在输
入电压较低
时a 采用谐振
式逆变器能产
生较大的电
流O 对于采用
图 7 耦合系数与气隙的关系
高耦合系数绕 线方法的可分
离变压器a 当其气隙为 1.7 mm 时a 耦合系数达
82
参考文献 [1] Green A W, Boys J G. 10kHz InductiveIy CoupIed Power
频率入锁的谐振频率工作状态 开关频率高于谐振
图 3 可分离变压器等效电路
为便于分析 假定可分பைடு நூலகம்变压器初 次级线圈所
用的磁芯相同 线圈的匝数及绕制方法相同 即 L2=
Ll 通过磁路分析可得影响互感与次级自感比值的
本质因数为漏磁阻 RS 与气隙磁阻 Rg 减小 Rg 或增
大 RS 都能增大式(4)的值
M = "m = RS
环境,如易燃易爆场合和水下系统9这种电能传输方式的安全性难以得到保证0 非接触电能传输系统利用电磁感应耦
合技术与电力电子技术9避免了传统电能传输方式裸露导体的存在和接触火花的产生9实现了电能的安全传输0 研
究了一种采用可分离变压器传输能量的非接触电能传输系统0 通过分析可分离变压器的工作特性9得出影响传输功
参数
10" 负载时
交流输入电压/V
25 气隙/mm
1.7
谐振电流有效值/A 7.4 谐振电容/#F
0.47
逆变器开关频率/kHz 38.2 系统输入功率/W
158
负载电压/V
29.2 初级输入功率/W
113
初级线圈自感/mH 0.0288 次级输出功率/W
99
次级线圈自感/mH 0.0365 系统输出功率/W