无线电能传输系统补偿网络的建模分析.docx

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1、非接触电能传输系统补偿网络的建模分析黄杰胡清聂蓉(广东工业大学信息工程学院，广州，510006)摘要：本文介绍了非接触电能传输系统的基本结构与原理，由于系统耦合变压器初次极间存在较大气隙，漏感很大，需 要加补偿网络进行补偿。本文通过建立漏感模型，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。关键词：非接触 漏感模型 功率因数 补偿。中图分类号：TM42文献标识码：AMode Ii ng ana lysis for cotnpensat i on network of Contact I ess power transfer system

2、HUANG jie HU Qing NIE rong(School of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510006 , china)Abstract: In this paper, the basic structure and principles of contactless power transmission system have been introduced. Since the coupling transformer of this system have a

3、very large gap and a great leakage between the primary side and second side, here need to increase a compensation network. Through the establishment of model of leakage magnetic field, analyzed and researched the principle of choice compensation capacitor for the various compensation mode. The effec

4、t of the load to the system transformer turns ratio were analyzed when different methods of compensation be implemented.Keywords: contactless model of leakage magnetic field power factor compensation1引言非接触电能传输系统（CPT）的电能传输是基 于电磁感应耦合技术的，这种电能传输方式有效 地克服了传统的接触传输方式存在的诸如移动不 灵活、电击、火花、噪音等缺点。CPT以其独特 的安全性、可猫传输

5、性、灵活性等优点广泛运用 于化工、钻井、工矿、水下探测、生物医学等特 殊领域。无线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，松耦合系统原次级间存在着 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就是在提高系统 频率的同时，在初级和次级加入补偿电路。现在 己经有很多文献对补偿方式进行了讨论，但是对 补偿电容选择，负载对系统的影响方面还没有文 献进行系统的研究，本文分析了补偿电路的基本 原理，对几种基本的补偿电路拓扑进行了建模分 析，提出补偿电容值的选择方法，分析了负载对 系统的影响，最后进行了实验研究，验证了理论 分

6、析的正确性.2非接触电能传输系统基本结构 与原理。非接触电能传输系统基本结构如图2.1所示：系 统由独立的初级系统和次级系统两部分组成。初图2.1非接触电能传输系统结构图与次级间通过无电接触的松耦合变压器传递能 量。系统工作时，将工频交流电经过整流、逆变 转换成高频交流电供给初级绕组，次级绕组通过 电磁耦合接受初级绕组发出的能量，通过相应调 节，以满足各类负载的供电要求七3补偿网络分析当无任何补偿时，松耦合变压器的等效电感电Ri，Rz分别为初，次级线圈内阻，Li, L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。其漏感模型如图3.2所示

7、11 3.2松犒合变压器无补偿漏感模型电路原理圈Lis，L2S分别为初，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：Lis =（i-K）Ll3.1，广（1- K）L = L.s 3.2k = KLi3.3设无线电能传输系统的系统频率为刃，线圈内阻 R】，&的值很小，为了便于分析，忽略电感内阻, 则阻抗Zl，Z2, Zm可以表示为：Z = jcoLs = jg-K）L 3.4Z, = jcoL、s = j以1- K）萨L、= K）L 3.5Zm = jwLm = gKL3.6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

8、电流，Pi为输入功率,Po为 输出功率。则无线电能传输系统的功率因素人可 以表示成囱：,亨V7 （丕+幻|&七R弓UIP （乙+幻|气+乙乙+ R(乙 +幻 |Z,“患(心+幻|Z,JZ/R(乙+ R)|Z, + Zjx(Z/R)松耦合变压器由于是间隙耦合，K值很小， 由式3.4, 3.5, 3.6, 3.7显然可见,由于大漏感顼s， Js的存在，使得乙，Z的值很大，从而使系统的 功率因数人很低，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。卜面将对各种补偿网络进行分析。3.1单边补偿单边补偿有初级串联补偿（PS）,初

9、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。这 里将对各种方式进行对比分析。3. 1.1补偿电容参数的选择。各种补偿网络其实就是在变压器线圈两端连 接合适大小的电容，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刃不变。初级串联补偿（PS）的漏感等效电路模型如图 3.3所示：图3.3初级中联补偿（PS）淋感等效电珞模型C1为在初级线圈回路上串联的补偿电容，则阻抗Z, Zm可以表示为：U力闻-K）L 1-3.8Z2 = j(oLzs = jco(l K)trL2 = Jy(l

10、-K)L 3.9Z” = jo)Lin = jcoKL, 3.10将式3.8, 3.9, 30代入式3.7可得:R(1-K) xl-j、T R 膈 EcJ，将式3.1, 3.2代入式3.11 4得，当口= / 1时，人取得最大值，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G的取值应满足 =。心s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,功率例数10.90.807LIS L2SLIS L2S C2LIS L2S图3.4单边补偿漏感等效电路模型1015202530等效负裁电阻a. k=0.50.

11、30.2101520253(等效负载电KIb. k=0.8功率因数 sp图3.5等效负载电阻与功率因数关系曲线图表1单边补偿补偿电容值的选取补偿方式PPSSSP电容值G =必C, = 3.1.2带负载能力分析表2单边补偿等效负载电阻与功率因数关系PS2 = KL./R)2 x(l-/C)2xl + (/?/Z1)2pPPA =4-(/?/ x(l-A：)2 x(l/A： - A：)2 x (R/lJ x(K/(l K)+ k 2SS2 =+ (/?)2 x(l-+ K 邛 5SP/t = K(A/R)x(l/K K)+l x + (R/4Tx(K/(1_K) | 表4双边补偿等效负载电阻与功率

12、因数关系PSSS2 = KK，+（R/L）WPSSP九=尸/（1_罚0/幻20/（1+幻）2+（尸/（1_罚）2卜1 + 0/矿广PPSS人=即1/尸+ （4/评（1幻予心xK/（lK）PPSP洋 K/（l履）（1 + 削河（1街+（1/0-履）-（1-幻/灯 x K，）/（l+K） + （R/W（履/（1-K）广25205功率因数负载等效电阻负载等效电阻a. k=0.8b. k=0.5图3.7双边补偿等效负载电阻与功率例数关系曲线图b图4.1系统输入输出电乐波形图Ui 20W格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 式的电容选择入表1所示

13、。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4与负载R的关系 式分别如表2所示，利用MATLAB对四种补偿进 行仿真分析，分析中，L=6,取K等于0.5, 0.8 分别得到曲线图如图3.5所示，从图中可以看出, 当R很小时，随着R的增大，人增大，R大于5后, 当采用PP补偿时，随着R的变化，2变化率最小, 其他三种补偿方式则随着R的增大而减小，从而 可以看出，当采用初级并联补偿时负载对系统传 输效率影响最小。3. 2双边补偿单边补偿只能提高原边或副边的效率，根据 单边补偿的原理，对初次极都进行补偿，可以大 大提高系统的传输效率。采用双边补偿时，不同 的次极补偿方式对初级

14、将产生不同的影响，在双 边补偿系统中，补偿电容的选择也相应的有所改 变。卜面用跟单边相同的分析方法，对四种双边 补偿方式进行分析。3.2.1补偿电容的选择LI, L2分别为初次极线圈电感，Cl, C2分 别为初次极补偿电容，根据公式(3.1, 3.2, 3.3) 得出系统的四种补偿漏感模型，如图3.6所示：图3.6双边补偿漏感等效电路模型设非接触电能传输系统的出次级线圈比为1，按照 单边补偿的分析方法分析上面四种补偿方式，双 边补偿电容值选择如表3所示：3. 2.2带负载能力分析当系统补偿电容选择如表3所示时，各种补 偿方式时系统功率因数义与负载R的关系式如表 4所示，利用MATLAB对四种补

15、偿进行仿真分析, 取K等于0.5, 0.8分别得到系统功率因数4与负 载R的关系曲线图如图3.7,从图中可以看出，当 R很小时，PSSS, PPSS的功率因数人值较大，R 值大于5后，四种补偿方式的人变化率基本相同。表3双边补偿补偿电容值的选取补偿方式C1C2PSSSG =必PSSPq =券。(1一履)G =必PPSSC* co-L,G =必PPSPq =v心（1-罚G =心图3.5,图3.7对比可以看出，同K值，同R值时, 与单边补偿相比，双边补偿4更大，即传输效率 要高。4 .实验研究为了验证理论分析的确性，搭建了采用可分 离变压器的LCIPT实验系统。实验参数：初次级 匝数比为1, Ll

16、=L2=0.2mH,初级漏感为O.lniH, 次级漏感为O.lniH,工作频率为40kHz,负载电 阻10欧姆。补偿电容都取0.158UF,当分别采用PS, PSSS 补偿时，输入与输出电压波形如图4.1所示：输入 电压为25V的方波，4.La为未加补偿时波形，输 出波形为峰值为3.3V的近似正弦波，当在初级加 上0.158UF的补偿电容时，输出波形变为6.7V, 当次级在加上0.158UF的补偿电容后，输出电压上 升到23V。通过补偿，系统传输效率明显提高。5 结论通过建立松耦合变压器漏感模型，详细分析了 在非接触能量传输系统中，不同补偿拓扑时补偿 电容的选择原则，利用MATLAB分析了不同

17、补偿 拓扑时负载对系统的影响。通过串并联电容，抵 消了电路中电抗的虚部，即无功功率消耗部分， 降低系统输入端视在功率大小，提高了系统功率 因数，改善了系统传输效率。收稿口期：作者简介：黄杰（1985）男.湖南隆回人，硕士研 究生，主要研究方向为非接触电能传输技术理论, 开关电源技术，（E_mail:hj51680168163. com 通 信地址：广东省广州市大学城广东工业大学工学 一号馆712室（黄杰收）邮编510006；胡清（1962） 男.湖北人，副教授，博士，硕士生导师,主要研 究方向为非接触电能传输技术理论及应用等；聂 蓉（1986） .湖南常德人，硕士研究生，主要研究 方向为电源故

18、障诊断。参考文献：1 武瑛，严陆光，黄常纲等.新型无接触电能传输系统 的性能分析J.电工电能新技术，2003, 22（4）： 10-132 Chwei-Sen Wang, Grant A Covic. Power Transfer Capability and Bifurcation Phenomena of Loosely Coupled Inductive Power Transfer Systems J.IEEE Trans, on Industrial Electromcs, 2004. 51(1)： 148-1563 徐哗，马皓.串联补偿电压型非接触电能传输变换器 的研究J.电力电子

19、技术，2008.42(3)： 4-54 姜田贵，张峰，工慈贞.松耦合感应能蛾传输系统中补 偿网络的分析J.电力电子技术, 2007, 41(8)： 42-445 D. Fu. Y Qiu. B. Lu, F. Wang and F C. Lee. An improved tliree-levelLCC converter with a novel control strategy fbr lugh-frequency higlipowei-density capacitor chaigmg power supplies/ in Proc. IEEEAPEC.2006, pp. 1401-1405.