无线电能传输技术-基础理论

一基础理论1. 非接触感应式电能传输系统的基本原理无接触感应式电能传输（Contactless Inductive Power Transfer)是利用变压器的感应耦合的特点(如图1)，将传统变压器的感应耦合磁路分开，初、次级绕组分别绕在不同的磁性结构上，电源和负载单元之间不需要机械连接进行能量耦合传输。

这种初、次级分离的感应耦合电能传输技术不仅消除了摩擦、触电的危险，而且大大提高了系统电能传输的灵活性，显著减小了负载系统的体积和重量。

正因为感应式电能传输系统的功能性好、可靠性高、柔性好，加上无接触,无磨损的特性，能够满足各种不同条件下电工设备用电需求，同时兼顾了信息传输功能的需求。

在十九世纪末二十世纪初，特斯拉就提出交流磁场驱动小灯，但是由于技术和材料的限制，效率很低。

随着电力电子技术、高频技术和磁性材料的巨大发展以及多种场合下电工设备感应式供电需求的增长，这种新型的能量传输技术正逐步兴起。

图1 非接触感应式电能传输系统2.非接触感应式电能传输系统的结构及工作原理相对于传统的感应电能传输系统，非接触感应式电能传输系统耦合程度较小，为了增加磁能积利用率，减小体积，提高系统的功率传输能力，初级电路通常采用高频变流/逆变技术，使交流电压在较高的频率上工作。

如图2所示，非接触感应式电能传输系统的基本结构包括：初、次级电路以及感应耦合电磁结构。

初级交流电压经初级变换器，由初级绕组与次级绕组耦合，次级绕组耦合得到的电能经次级变换器供给负载使用，同时利用初次级绕组还可以实现信号的双向传输。

图2 非接触感应式电能传输系统构成框图系统工作时，在输入端将经整流、逆变的单相低频交流电转换成高频交流电流供给初级绕组。

次级端口输出的电流为高频电流，根据负载用电需要，若为直流负载，则将高频电流经过整流为负载电能传输；若为交流负载，则根据需要进行交交变频或交直交逆变处理。

这种能量传输方式有以下优点：1、没有裸露导体存在，感应耦合系统的能量传输能力不受环境因素，如尘土、污物、水等的影响。

因此这种方式比起通过电气连接来传输能量，更为可靠、耐用，且不发生火花，不存在机械磨损和摩擦；2、系统各部分之间相互独立，可以保证电气绝缘；3、能够采用多个次级绕组接收能量时可为多个用电负载电能传输；4、变压器初、次级可以相互分离，配合自由，可以处于相对静止或运动状态，适用范围也更广泛。

二无接触电能传输系统的拓扑结构模型非接触感应式电能传输系统有三个环节：即作为供能和接收环节的初级和次级电路，以及传输环节的耦合电路，在此基础上对三大环节进行分析，得到非接触感应式电能传输系统性能的影响因素，得出非接触感应式电能传输系统的选型和参数匹配的方法。

具体表现在通过结构创新，提高磁能积利用率，减少体积，提高效率。

1.供能环节－初级电路初级端供电质量将直接影响传输性能，它是非接触感应式电能传输系统中的重要构件。

提高变换器效率，减小输出谐波分量，实现正弦波电压或电流供电是初级变换器的研究和发展的方向。

初级变换器一般包括整流电路与高频逆变电路两部分。

为了提高变换效率，常采用谐振技术，利用初级绕组漏电感实现谐振变换。

（a）（b）图3 初级电路变流/逆变拓扑模型的选择波形发生电路：采用DSP2812实现PWM电流源控制，功率放大电路采用E型放大器。

当电压源逆变器以正弦波脉宽调制方式( SPWM)运行时，施加在电动机端的电压接近正弦。

为了在电动机端得到基波和高频波的叠加波，可推知应该用叠加波取代正弦波作为调制波。

为方便起见，以单相全桥逆变电路为例来研究叠加电压的PWM调制行为。

谐波特性，所得的结论将不失一般性。

电路如图4所示，由四个IGBT全控器件和四个续流二极管组成的单相全桥逆变器错误！未找到引用源。

PWM发生电路产生占空比为50%的PWM控制信号，由于电路上、下桥臂的MOSFET不可以同时导通，因此,添加死区时间延迟单元。

T1、T4导通的时候，T2、T3关闭。

T2、T3导通的时，T1、T4关闭。

图4 单相全桥逆变器为了方便实验中电压源和电流源的实验比较，使用EI的LM358p放大器芯片，实现电压源到电流源的转换电路如图5所示。

图5基于LM358p电压源到电流源的转换电路2.传输环节－耦合电路分析初、次级绕组之间耦合的建模方法，最常使用的是传统的变压器模型和互感模型。

无接触变压器与传统的变压器的本质区别，在于初、次级之间的耦合性能差异。

耦合系数k 是度量两个线圈磁耦合程度物理量，01k ≤≤。

对于传统的变压器，耦合系数通常在0.95~0.98之间，接近于1。

而无接触变压器属于疏松耦合式系统，耦合系数通常在0.8以下，有的甚至不到0.1。

用0.5作为阈值分野，定义k <0.5时，线圈间称为松散耦合；对于k >0.5，则称为紧耦合。

虑到采用互感模型分析的以上优点以及无接触变压器的疏松耦合特性，下面将采用互感模型来分析无接触变压器中初、次级绕组之间的耦合环节，如图6所示。

图6 非接触感应式电能传输系统互感模型为了简化分析，一般设次级端所接负载Z L 为纯阻性负载R L 。

图7为非接触感应式电能传输系统电路分析模型，定义初级绕组中的电流为I 1，两端电压为U 1。

1j MI ω为初级电流I 1在次级中感应产生的电压，2j MI ω-为次级中的电流I 2在初级线圈中的感应电压值。

在相互感应电压的过程中，实现了能量传递。

以图中给出电流的方向为正方向，可得初、次级电路的方程为：11121()-I j L R I j M U ωω+= （1） 2221()L I j L R R I j M ωω++= （2）图7 非接触感应式电能传输系统电路分析模型因为，111Z j L R ω=+，222L Z j L R R ω=++，更一般的，可以得到阻抗传输公式 1121-I Z I j M U ω=（3） 221-0I Z I j M ω=（4）用矩阵表示为 111220I U Z sM Z I sM -⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦（5）式中s ＝jω 阻抗分析：次级系统对初级的影响通过次级反映阻抗Z r2来体现。

反映阻抗Z r2表示次级电路的阻抗Z 2通过耦合，在初级电路中表现的电阻值，反映了次级电路阻抗对初级电路的影响。

初级电路中，反映阻抗吸收的复功率就是次级系统吸收的复功率，直接反映了系统的功率传输性能。

1222222222222112222r j MI j M j MI Z M Z M M Z Z I I Z Z Z Z ωωωωωω=-=-===（6）图8 引入反映阻抗后的初、次级等效电路一般电感互感计算公式：在电流密度相同的情况下，线圈与相应整体线匝的磁场应是一样的，N 匝线圈的电流只是相应的整体线匝电流的1/N 。

因此，从诺伊曼公式可知，线圈的电感L 为相应整体线匝电感L ’的N 2倍，即2'L N L =。

同理，两个各为N 1和N 2匝线圈的互感M 为相应整体线匝的互感M’的N 1×N 2倍，即12'M N N M =。

因此，一般只需分析单匝线圈之间的相互影响，就能够进一步的得出多匝线圈之间的相互耦合关系。

定义耦合系数/k M=k =（6） 式中：1k 初级线圈产生的磁通交链到次级线圈的百分数；2k 次级线圈产生的磁通交链到初级线圈的百分数。

互感公式影响因素：定义r 1、r 2为线圈半径(r 1>r 2)，d 为初次级线圈中心平面间距，Δ为线圈中心偏移量，α为线圈偏移角。

理想状态下，互感M 的值可以用以下公式表示1222(,,)()()()M r r d k K k E k k k μ⎤=--⎥⎦式中：k =，1k < K(k)、E(k)分别对应第一类和第二类完全椭圆积分1/200222426()113135[1()()()]2224246K k k k k ππ===++++⎰⎰00222426()113135[1()()()]2224246E k k k k πφπ===++--⎰⎰ 定义22()()()()G k k K k E k k k =--，则在理想状态下，互感的值可以表示为12(,,)()M r r d G k μ=（a ） 距离对互感M 的影响线圈距离分别为3cm 、6cm 、9cm 和12cm 时对互感的影响如图9所示图9 线圈之间的距离对互感的影响（b ）半径、距离、水平偏移对互感M 的影响在存在水平位移，且Δ<r L1时，互感的值可以近似表示为12(,,,)()M r r d k ∆=式中：k ∆=1k <对于两个半径均为6cm 的线圈，分别取它们的垂直距离为3cm 、6cm 、9cm 和12cm 时，水平偏移对互感的影响如图10所示图10 水平位移对互感系数的影响（计算值）Q 值的优化:对于一个谐振曲线如图11所示，定义谐振曲线峰值两侧最大值的70％处频率之间的宽度为频带宽度，大小为两边缘频率之差21v v v ∆=-。

可以得到:001v v Qωω∆∆== 即频带宽度反比于谐振电路的Q 值，Q 越大，能量就越集中，频率的选择性就越强。

此时，较小的频率偏移量就会造成传输效率的迅速降低。

因此维持较高的Q 值会使系统对于参数的变化过于敏感，电路调谐变得困难。

当频率点发生变化时，较小的Q 值意味着谐振频率尖峰较为平缓的，对频率点的漂移不敏感，鲁棒性较好。

进一步得到对于信号传输，传输带宽0/B f Q =，Q 的增大将使带宽减小，带宽的减小意味着系统信号传输更容易受到 图11 频带宽度 频率失配的影响。

3. 接收环节－次级电路根据最大能量传输定理和谐振理论，当工作频率和系统（初级、次级电路）固有频率相同时，能够获得最大传输效能。

为达到最优性能，固有频率ω0一般取0ω==ω0可以近似表示为 0212)()C n ω=+n初、次级线圈匝数比 C 1初等效电容； C 2次级等效电容； L 1为初级电感； L 2为次级电感。

随着耦合系数的下降和运行频率的提高，初、次级回路的电抗参数呈几倍、甚至几十倍的增加。

为了改善初、次级回路的供电性能，需要对初、次级回路的无功功率进行补偿。

所谓功率补偿，就是利用最大功率原理，使负载阻抗是输出阻抗的复共轭，这时负载获得最大功率。

通过初级补偿，可以提高初级绕组输入端的功率因数(位移因数)，提高供电质量；在初级补偿的基础上，通过次级补偿，可以提高系统的输出功率和传输效率。

初、次级补偿都可以有串联补偿和并联补偿两种方式。

如图12所示。

图12 初、次级的串联补偿和并联补偿（S ：串联、P ：并联）并联电容器用于补偿感性无功功率；串联电容器用于补偿线路等效感抗、降低线路感性无功功率流动和提高线路受电端的电压；混合使用时，一般是串联电抗器串联在并联电容器支路中，然后与并联电容器一起接入系统，补偿高频无功功率，起到抑制高次谐波以及保护并联电容器的作用。