串聯諧振的非接觸供電系統傳輸功率分析

西安思源學院 袁觀娜 楊 燕 李 秋

導線是目前電能傳輸的主要方式，這種接觸傳導方式的缺點是易產生電火花、導體易裸露，在如礦井、水下等特殊場合，極易發生事故。非接觸感應電能傳輸系統是利用電磁感應傳輸電能，不存在電氣接觸，極大的提高了供電的安全性和可靠性。本文通過建立基于串聯諧振的非接觸供電系統的模型，建立方程得出基于串聯諧振的非接觸供電系統的輸出功率，得出基于串聯諧振的非接觸供電系統輸出功率的影響因素，并提出提高基于串聯諧振的非接觸供電系統輸出功率的途徑。

圖1 非接觸電能傳輸系統

圖2 逆變電路

1831年，法拉第發現了電磁感應，電能掀起了人類第二次工業革命，推動了社會的發展。傳統的電能傳輸主要靠導線來傳輸，電氣設備通過連接導線、接頭來實現電能的接觸傳導。導線的傳輸方式不可避免存在連接點，連接處容易發生磨損，接觸點容易產生接觸電火花，對于煤礦等有易燃易爆氣體場合容易發生爆炸事故。同時傳統的導線傳輸容易出現導體裸露，對于水下等電能傳輸場合容易出現漏電、觸電等危險。因此，導線傳導的方式在某些特殊場合極大的影響了供電的安全性和可靠性。隨著電力電子器件和控制技術的發展，使得非接觸電能傳輸成為現實。非接觸電能的傳輸作為新型傳輸技術越來越受到人們的關注，在電力系統、電動汽車、通訊設備、醫療器械、航空航天等方面具有廣泛的應用前景。

非接觸能量傳輸系統如圖1所示，系統以分離變壓器為界分為能量發射部分和能量接收部分。能量發射部分通過工頻整流將交流電轉換成直流，通過高頻逆變將直流電轉換成高頻交流電供給變壓器的原邊線圈。能量接收部分為變壓器副邊線圈通過電磁感應獲取電能，通過高頻整流轉換成直流電，通過調節電路調節后供給負載。能量發射和能量接收利用可分離變壓器，不存在電氣連接，極大的提高了供電的安全性和可靠性。

1 基于串聯諧振的非接觸供電系統的模型

圖2所示為串聯諧振逆變電路和并聯諧振逆變電路。本文研究的主要是基于基于串聯諧振的非接觸供電系統。圖中，串聯諧振電路由S1到S4組成的逆變橋和R、L、C組成的串聯諧振負載組成。串聯諧振逆變時，當S1、S4和S2、S3交替導通時，負載即可得到高頻交流電。交流電電壓幅值Ui，頻率為逆變開關頻率。當逆變開關頻率為諧振頻率時，負載電流為正弦電流。因此，非接觸電能傳輸系統變壓器一次側可等效為一交流電源。

二次側等效電路如圖3所示，二次側采用高頻整流后，經過能量調節電路供給直流負載。能量調節電路一般為斬波電路，如升壓斬波電路或降壓斬波電路。當變壓器一次電流為正弦電流時，感應到二次側仍為正弦電流。由于整流電路輸入基波電壓和輸入電流同相位，因此整流輸出具有電阻性質。若輸出與負載之間有斬波電路，不影響電路性質。因此二次側可等效為電阻。

圖3 二次側等效電路

可分離變壓器具有耦合電能的作用，但是與一般的變壓器不同，其耦合系數小于1，不能用理想的變壓器作為等效電路。這里采用松耦合變壓器等效模型，即采用自感L1和等效電阻R1來表示一次線圈，采用自感L2和等效電阻R2來表示二次線圈，用互感M來表示兩個線圈之間的耦合關系，這種模型結構可以真實描述實際可分離變壓器電氣特性，如圖4所示。

圖4 變壓器等效模型

圖5 非接觸電能傳輸系統等效電路

2 影響傳輸功率因素

非接觸電能傳輸系統等效電路如圖5所示，工頻整流和高頻逆變等效為交流電源Ui，C1為一次側串聯電容，變壓器采用松耦合互感等效模型，二次側等效為電阻R0，C2為二次側補償電容。i1為流過變壓器一次繞組的電流，i2為流過變壓器二次繞組中的電流。

由圖5可列如下方程：

解得：

由式1-3可知，非接觸電能傳輸系統的輸出功率與電流的頻率，電流的模值，二次側并聯品質因數以及互感與自感的比值有關。可以通過提高一次電流的模值和頻率、二次側并聯品質因數、互感，降低自感來提高輸出功率。提高一次電流的模值和頻率可通過控制高頻諧振電路來實現，二次側并聯品質因數可通過二次側補償電路來實現，提高互感與自感的比值可通過提高可分離變壓器的導磁性能來實現。

3 結論

本文通過分析串聯諧振逆變電路、二次側高頻整流電路和能量調節電路、可分離變壓器的特點，建立了基于串聯諧振的非接觸供電系統的等效模型，計算得出基于串聯諧振的非接觸供電系統的輸出功率，分析出影響基于串聯諧振的非接觸供電系統輸出功率的因素，給出提高基于串聯諧振的非接觸供電系統輸出功率的有效途徑，為非接觸電能傳輸系統的設計奠定理論基礎，特別是對于煤礦等易燃易爆、水下等易漏電場合的電能傳輸具有重要意義。