非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)中松耦合變壓器的研究

分類：技術(shù)教程日期：2007-10-12 00:00:00

摘要：對(duì)基于非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)中的松耦合變壓器進(jìn)行了研究，對(duì)松耦合變壓器的建模與電路分析進(jìn)行了論述，著重對(duì)影響系統(tǒng)功率傳輸能力的耦合系數(shù)進(jìn)行了研究。通過(guò)ANSYS 仿真，對(duì)比了兩種松耦合變壓器的耦合系數(shù)的大小。選取耦合系數(shù)較高的第二種繞線方式設(shè)計(jì)了1kW全橋諧振變換器的松耦合變壓器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定。最后，詳細(xì)分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真存在差異的原因。關(guān)鍵詞：松耦合變壓器；功率傳輸能力；耦合系數(shù)；氣隙
Abstract:
The loosely coupled transformer in inductive power transfer system is investigated. The major point is focused to the coupling coefficient, which greatly influenced the system's ability of power transmission. Two cases loosely coupled transformers with different coupled coefficient are emulated by ANSYS, and a comparison is made between them. With the higher , a prototype of 1kW full-bridge converter is built. Experimental result form the transformer is given. Finally,detailed difference between emulation and experiment is given.
中圖分類號(hào): 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: 文章編號(hào)：
0 引言
松耦合感應(yīng)電能傳輸模式（Loosely CoupledInductive Power Transfer，簡(jiǎn)稱LCIPT）是一種基于電磁感應(yīng)耦合理論，現(xiàn)代電力電子能量變換技術(shù)及控制理論于一體的新型電能傳輸模式。實(shí)現(xiàn)了在供電線路和用電設(shè)備之間的非物理連接下的能量傳輸[2]。從而克服了傳統(tǒng)接觸供電方式所具有的接觸火花、碳積、磨損、不安全等一系列缺陷[4]。目前，在大功率汽車充電系統(tǒng)和礦井等特殊場(chǎng)合已經(jīng)成功開(kāi)始使用。
在松耦合感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，能量發(fā)射裝置和能量接收裝置之間一般是通過(guò)有較大距離的分離式變壓器來(lái)連接。分離式變壓器的漏感具有較高的數(shù)量級(jí)，不僅影響能量傳輸?shù)墓β屎托剩視?huì)加大功率器件的電壓應(yīng)力。雖然通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢詼p小開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力，但是遠(yuǎn)距離傳輸所帶來(lái)的耦合系數(shù)低這個(gè)問(wèn)題卻沒(méi)有辦法解決，本文就以非接觸變壓器為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于ANSYS仿真軟件進(jìn)行了仿真比較，并且以所設(shè)計(jì)的1 kW松耦合諧振變換器的松耦合變壓器進(jìn)行了測(cè)試，給出了自感、漏感和耦合系數(shù)隨氣隙變化的曲線，就仿真與實(shí)驗(yàn)的差距給出了詳細(xì)的理論分析。
1 松耦合感應(yīng)能量傳輸
圖1 為松耦合感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)框圖。

圖1 耦合感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)將單相或三相交流市電整流為直流電供給松耦合變換器，變換器的輸出經(jīng)過(guò)整流獲得直流電供給負(fù)載。對(duì)于電池負(fù)載來(lái)說(shuō)，最佳方法是采用恒流充電的方式，變換器就需要采用恒流源的拓?fù)洹?duì)于滑動(dòng)式無(wú)接觸能量傳輸系統(tǒng)，進(jìn)行長(zhǎng)距離供電時(shí)通常需要一定的開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)初級(jí)繞組的分段式供電，提高傳輸效率。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，核心部分為帶有松耦合變壓器的變換器。
對(duì)于大功率充電器來(lái)說(shuō)選用全橋拓?fù)浔容^合適，全橋諧振變換器的電路原理圖如圖2所示。
圖2 中Vin為輸入電壓，S1~S4 是開(kāi)關(guān)管；虛線框內(nèi)表示的就是松耦合變壓器；副邊電壓經(jīng)過(guò)整流之后供給負(fù)載。松耦合變壓器最主要的缺點(diǎn)就是漏感值比傳統(tǒng)緊耦合變壓器漏感值大得多，這樣就會(huì)在開(kāi)關(guān)器件上產(chǎn)生很大的電壓尖峰。解決這個(gè)問(wèn)題的方法就是加入補(bǔ)償電容使之與漏感發(fā)生諧振，漏感在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓尖峰被電容電壓完全抵消。同時(shí)，諧振電路起到了濾波的作用。原邊電路加上補(bǔ)償后原邊獲得了正弦電流，此時(shí)，對(duì)于電路的分析可以大大簡(jiǎn)化，并且松耦合變壓器對(duì)外界的電磁干擾也降到最低。但是補(bǔ)償電容并不能增大互感值，也就是耦合系數(shù)由變壓器的結(jié)構(gòu)本身決定。因?yàn)轳詈舷禂?shù)反映了系統(tǒng)的功率傳輸能力，所以如何提高松耦合變壓器的耦合系數(shù)是研究非接觸式能量傳輸系統(tǒng)中的一個(gè)重要問(wèn)題。

圖2 耦合全橋變換器電路原理圖
2 松耦合變壓器
圖3（a）和圖3（b）分別為松耦合變壓器實(shí)物示意圖和原理圖。

（a）松耦合變壓器實(shí)物示意圖（b）松耦合變壓器原理圖
圖3 松耦合變壓器
與傳統(tǒng)變壓器的不同是在原邊磁芯和副邊磁芯之間有很大的氣隙，雖然通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢詫⑤^大的漏感的影響抵消掉，但是，耦合系數(shù)卻不能提高。本文就在相同氣隙前提下如何提高兩個(gè)耦合電感的耦合系數(shù)進(jìn)行了建模仿真, 并且根據(jù)所設(shè)計(jì)的一臺(tái)1 kW 松耦合全橋諧振變換器的耦合變壓器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試，對(duì)實(shí)驗(yàn)與仿真的差異進(jìn)行了理論分析。
2.1 松耦合變壓器的建模
變壓器的模型如圖4所示。

圖4 松耦合能量傳輸系統(tǒng)中變壓器T等效模型
利用感應(yīng)電壓描述原、副邊繞組間的耦合效應(yīng)，感應(yīng)電壓用互感來(lái)表達(dá)，同時(shí)引入原邊反應(yīng)阻抗來(lái)描述系統(tǒng)的功率傳輸能力。這種圖5 所示的模型分析的優(yōu)點(diǎn)在于不需要將耦合電感和漏感分開(kāi)來(lái)進(jìn)行電路分析。新型無(wú)接觸電能傳輸系統(tǒng)的漏感很大，不能忽略不計(jì)，采用這種方法分析較為方便。下面給出了圖5 所示的互感模型的各參數(shù)表達(dá)式。其中n 為理想變壓器的匝比，由式（1）給出定義。由于耦合系數(shù)k 不一定等于1，n 并不一定等于實(shí)際的變壓器的匝比N1/N2。Llk 和Lm分別為耦合線圈的漏感和自感。
n= LsM （1）
k= ML
姨pLs （2）
Llk=Lp-Mn
=Lp（1-k2）（3）
Lm=Mn
=Lpk2 （4）

圖5 互感模型
2.2 松耦合變壓器的分析
耦合變壓器的互感模型中，原邊繞組的參數(shù)為Rp 和Lp，副邊繞組參數(shù)為Rs 和Ls。RL 為負(fù)載電阻，初級(jí)繞組中通以恒定的電流Ip，兩端的電壓為Up。根據(jù)圖示的參考方向可以得到如下的方程：
j棕I觶 pLp+I觶 pRp-j棕I觶 sLs=U觶
p （5）
j棕I觶 sLs+I觶 sRs+I觶 sRL=j棕I觶 pM （6）
式（5）和式（6）為原邊和副邊的基本回路方程，進(jìn)一步可以導(dǎo)出電磁結(jié)構(gòu)的等效電路如圖6 所示，次級(jí)系統(tǒng)對(duì)初級(jí)系統(tǒng)的影響可以通過(guò)反應(yīng)阻抗Zr來(lái)體現(xiàn)。

圖6 等效電路圖
Zr=Rr+jXr= j棕MI觶
s
I觶
s
（7）
Rr= 棕2M2
蓸Rs+RL 蔀2+棕2Ls2（Rs+RL）（8）
Xr=- 棕2M2
蓸Rs+RL 蔀2+棕2Ls2 （9）
副邊的反應(yīng)阻抗直接反映了系統(tǒng)的功率傳輸能力。反應(yīng)阻抗吸收的復(fù)功率就是次級(jí)系統(tǒng)吸收的復(fù)功率，從中可以看出耦合系數(shù)對(duì)于系統(tǒng)的傳輸能力起著重要的作用。在松耦合系統(tǒng)中，當(dāng)分離變壓器原邊與副邊之間的氣隙越大，耦合系數(shù)也就越小，相應(yīng)的傳輸能力也會(huì)越低。圖7 給出了在相同的輸入電壓不同耦合系數(shù)的情況下，利用Saber 仿真全橋諧振變換器輸出電壓的結(jié)果。

圖7 輸出電壓隨耦合系數(shù)變化的Saber仿真圖
（Lr=50 μH，Cr=0.1 μF，Lp=Ls=130 μH，f=50 kHz, R=10 Ω）
從圖7 中可以看到輸出隨耦合系數(shù)變化的關(guān)系，相同的負(fù)載下耦合系數(shù)越大，輸出電壓也越高，因此要提高系統(tǒng)的傳輸能力，就要盡量提高松耦合變壓器的耦合系數(shù)。
2.3 松耦合變壓器的優(yōu)化繞法
通常在緊耦合變壓器中繞組的繞法一般都是采用圖8（a）中的方法。但是當(dāng)變壓器由緊耦合變?yōu)樗神詈蠒r(shí)這兩種繞法是否有較大的區(qū)別，圖9給出了ANSYS仿真結(jié)果（其原副邊繞組采用相等的匝數(shù)）。

（a）松耦合變壓器繞法一（b）松耦合變壓器繞法二
圖8 耦合變壓器的繞法
從仿真結(jié)果可以看出，相同氣隙下，采用圖8（a）繞組方式時(shí)變壓器的漏磁較多，耦合系數(shù)較低，采用圖8（b）的方式將繞組拆分成兩半后放置在U型鐵芯的芯柱端部時(shí)，變壓器的漏磁較少，耦合系數(shù)也較高。在圖8（b）的方式中，原、副邊繞組的線圈接觸比較緊密，更多的磁力線可以在原、副邊繞組之間垂直地通過(guò)，漏磁較少，提高了耦合系數(shù)。圖9（c）給出了采用圖8（b）的繞組放置方式氣隙較大（100mm）時(shí)磁力線分布圖，可以看出，隨著氣隙的變大，匝鏈線圈的磁通變少，漏磁也增加，耦合系數(shù)也相應(yīng)地降低。

（a）繞組位（b）繞組位于（c）大氣隙時(shí)的
于底部芯柱端部磁力線分布圖
圖9 U 型可分離變壓器磁力線分布圖
利用建立的ANSYS模型進(jìn)行仿真，圖10（a）~圖10（d）分別給出了兩種繞組放置方式下的耦合系數(shù)隨氣隙變化的曲線和在第二種方式下原副邊電感、互感、漏感隨氣隙變化曲線。

（a）兩種不同繞組放置方式耦合系數(shù)隨氣隙變化的曲線（b）變壓器原、副邊電感隨氣隙變化的曲線

（c）變壓器互感隨氣隙變化的曲線（d）變壓器漏感隨氣隙變化的曲線
圖10 仿真結(jié)果
當(dāng)耦合變壓器的氣隙較大時(shí)，從圖10（a）可以看出耦合變壓器的繞法1 比繞法2的耦合系數(shù)要小很多。隨著變壓器氣隙的增大，變壓器的耦合系數(shù)、變壓器原、副邊電感、互感不斷減小，變壓器漏感不斷增大。氣隙大于50mm后變壓器原、副邊電感變化就很小了。因此，可分離變壓器設(shè)計(jì)關(guān)鍵之一就是讓氣隙在規(guī)定的變化范圍之內(nèi)，保證耦合系數(shù)變化較小，以有利于變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和效率的提高。
3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及與仿真差異分析
圖11 為所設(shè)計(jì)樣機(jī)的松耦合變壓器在固定氣隙時(shí)感值隨頻率變化的曲線和固定頻率時(shí)感值隨氣隙變化的曲線。

（a）氣隙為2mm時(shí)原邊繞組的（b）氣隙是8mm 時(shí)原邊繞組的
自感和漏感隨頻率變化曲線自感和漏感隨頻率變化曲線

（c）開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz時(shí)的（d）為局部放大圖
原邊繞組自感和漏感隨氣隙變化曲線
圖11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（a）小氣隙（b）大氣隙
圖12 松耦合變壓器的物理模型

從上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出頻率對(duì)原副邊繞組的感值的影響很小，從20 kHz 到40 kHz時(shí)繞組電感和漏感基本保持恒定。從圖11（a）可以看出，當(dāng)變壓器由緊耦合變?yōu)樗神詈蠒r(shí)，繞組電感值急劇下降，隨氣隙的逐漸增大繞組電感值變化變緩慢。但是，隨氣隙的很大范圍的變化，漏感值只是緩慢升高，這與仿真結(jié)果有所差異。
為了分析上面的實(shí)驗(yàn)與仿真的差異建立了圖12 所示的松耦合變壓器模型。
為了方便描述，將通過(guò)原邊繞組的磁通量分為三部分，主磁通椎、漏磁通椎r、散磁通椎s[5]，如圖12 所示。在圖12 中，1 區(qū)域和3區(qū)域表示的就是漏磁通；2 區(qū)域表示的是主磁通；4 區(qū)域表示的是散磁通。散磁通也耦合到副邊繞組，但并不是像主磁通一樣其磁路經(jīng)過(guò)全部的磁芯回路。與一般的變壓器的分析方法不同，在這里著重引出強(qiáng)調(diào)了散磁通的概念，因?yàn)榇判镜拇艑?dǎo)率并不是無(wú)限大，所以會(huì)有一小部分耦合到副邊繞組的磁通會(huì)經(jīng)過(guò)圖12 中的4 區(qū)域的磁路，但是散磁通相對(duì)于主磁通來(lái)說(shuō)占的比重很少。
F=NI=Hl=椎Rm （10）
椎= F
Rm
（11）
由式（10）可知對(duì)于匝數(shù)確定的耦合變壓器來(lái)說(shuō)，繞組流過(guò)相同的電流時(shí)，小氣隙和大氣隙變壓器的整個(gè)磁路的磁動(dòng)勢(shì)是相等的。由式（11）知，氣隙變大時(shí)磁通量變小，反映到圖12 中，因?yàn)? 區(qū)域的磁感線在磁路發(fā)生變化前相當(dāng)于是主磁通的一部分，也就是2區(qū)域的主磁通椎在不斷減小。因?yàn)閰^(qū)域3 比區(qū)域1的磁阻小的多，所以3區(qū)域的漏磁通遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于1 區(qū)域的漏磁通。當(dāng)氣隙增大時(shí)，1、3 區(qū)域的漏磁通都基本保持不變。由于2區(qū)域主磁通回路磁阻的增大，所以4 區(qū)域的散磁通會(huì)有一部分變?yōu)? 區(qū)域的漏磁通，而2 區(qū)域的主磁通會(huì)有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)?區(qū)域的漏磁通。因?yàn)檎麄€(gè)變壓器的漏感主要由3 區(qū)域中的漏感部分組成，所以隨著氣隙的增大漏感只是略有增大，但是因?yàn)樽愿袦p小很快，所以漏感與自感的比值卻有很大的增加。
磁通和電路中的電流一樣，總是從低磁阻的通路通過(guò)，高磁阻通路磁通量較少。在用ANSYS仿真時(shí)，耦合到副邊的磁力線只經(jīng)過(guò)副邊的磁芯回路，不會(huì)存在散磁通。這就解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與ANSYS仿真之間存在差異的原因。
4 結(jié)語(yǔ)
文中對(duì)非接觸感應(yīng)能量能量傳輸系統(tǒng)中的松耦合變壓器進(jìn)行了研究，因?yàn)轳詈舷禂?shù)直接決定了系統(tǒng)的功率傳輸能力，針對(duì)影響耦合系數(shù)的兩種變壓器的繞法進(jìn)行了仿真。選取耦合系數(shù)較高的一種繞線方法設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)1 kW的松耦合全橋諧振變換器。并對(duì)所設(shè)計(jì)的變壓器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，與仿真有所差異，實(shí)驗(yàn)中隨著氣隙的增大漏感值基本保持不變，對(duì)于這一點(diǎn)文中給出了詳細(xì)的理論分析。
參考文獻(xiàn)
[1] Wang Chwei-Sen, Covic Grant A. Power Transfer Capabilityand Bifurcation Phenomena of Loosely Coupled Inductive Power Transfer Systems [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004,51(1):148-156.
[2] Sakamoto H, Harade K, Washimiya S, et al. Large Air-Gap Coupler for Inductive Charger [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1999,35(5):3526-3528.
[3] Kutkut Nasser H, Divan Deepak M, Novoty Donald W,et al. Design Considerations and Topology Selection for a 120 -kW IGBT Converter for EV Fast Charging [J].IEEE Transactions on Power Electronics, 1998,13 (1):169-178.
[4] Souza A F de, Barbi I援A New ZVS Semi-resonant High Powerfactor Rectifier with Reduced Conduction Losses [C]. Proceedings of the Power Electronics Specialists Conference, 1996.