可分离式电能传输技术探讨

摘要：可分离式电能传输技术是一种新型的电能传输技术，利用电磁感应理论实现电能有效、安全的传输，在交通运输、航空航天、机器人、医疗器械、照明、便携式电子产品、矿井和水下应用等场合有着广泛的应用前景。

关键词：电磁感应整流滤波可分离变压器

0 引言

可分离式电能传输方法的研究目前仍处于起步阶段，从目前的各类资料来看，最初一项有关这种方法的研究是在八十年代由日本国家研究院与、Yaskawa电气公司联合提出的。到九十年代初期，新西兰奥克兰大学电子与电气工程系电力电子学研究中心开始对其进行研究，将其称为感应电力传输技术(InductivePowerTransfer简称IPT)。经过十多年的努力，该技术在理论和实践上己获得重大突破，先感应电能传输技术的研究后获得有关发明专利11项。其项目发起和主要负责人包逊斯教授(Pmf.Boys)为此获得皇家学会勋章一枚以表彰他在该领域世界水平的突出贡献。可分离式电能传输技术是世界上电能输送领域的前沿课题，国外处于起步阶段，在国内还未见任何有关这方面的研究和应用报道。该技术的研究开发将填补国内空白，其推广应用有着广阔的发展前景，必将推动我国电力电子及电气自动化技术的巨大进步!

1.系统特点

可分离式电能传输系统的典型结构如图1所示。变压器一次侧电路通过磁场耦合把电能转换为磁场能量，变压器二次侧电路接受磁场能量后，通过相应的电路变换为应用场合负载可以直接使用的电能形式，从而实现无接触式电能传输。在可分离式电能传输系统中，一二次侧电路之间较大气隙的存在，一方面使得一二次侧无导线接触，弥补了传统接触方式电能传输的固有缺陷。另一方面较大气隙的存在使得系统构成的磁耦合关系属于松耦合，这种新颖电能传输技术通常也称为松耦合感应电能传输技术。这种情况下，漏感与励磁电感相当，甚至比励磁高，限制了电能传输的大小和传输功率。而且在该系统的分析中，因磁耦合装置为松耦合，通常用于磁元件分析的变压器模型不再适用，必须采用耦合电感模型分析该系统中的电磁关系，同时考虑漏感和励磁电感对系统工作的影响。

可分离电能供电方式与接触式电能供电方式相比有以下特点:

(l)运动设备与送电电网之间没有电的直接联系，不会产生火花和磨损，因此特别适用于易燃易爆的场合。

(2)送电电网是带有绝缘的电缆，没有的带电导体，因此不会发生人体触电的危险。

(3)由于供电电源和用电设备之间是通过空气的松耦合，因此允许用电设备在一定的范围内自由移动，提高了用电设备的灵活性。

2.工作原理

可分离式电能传输系统主要由三大部分组成,即能量发送端、分离式变压器和能量接收端,如图2.1 所示。

一二次线圈相互分离、甚至存在相对运动的变压器，称为分离式变压器。

可分离式电能传输技术的最基本理论依据就是电磁感应原理。高频电流通过初级侧载流线圈产生交变磁力线，交变磁力线与次级侧感应线圈相耦合产生感应电动势，从而利用产生的电动势来驱动负载。

相对于传统的感应能量传递系统，可分离式电能传输系统耦合程度较小。为了提高系统的功率传输能力，初级绕组通常采用高频交流电压驱动。系统工作时，输入端首先将普通工频市电整流成直流，再经DC/AC转换，变成合适的高频交流电，作为初次侧载流线圈的电流输入。经磁路耦合，在次级侧感应出高频交流电。由于存在气隙，耦合系数小，传输功率较低。需要根据负载的要求对次级侧交流电进行各种处理。若为直流负载，则将高频电流经过整流为负载供电；若为交流负载，则还需要进行逆变处理。所以不存在一种对所有负载都最优的电路拓扑结构，必须根据需要，针对不同性质的负载设计出不同的电路。

可分离式电能传输系统等效于疏松耦合结构连接的传输系统，如变压器的原边励磁电感为 ，副边激磁电感为 ，互感为 。设原边线圈流过角频率为 电流有效值为 的交流电，根据耦合关系，副边电路接受线圈将会感应出电压：

(1)

相应的诺顿等效短路电流为：

(2)

若副边线圈的品质因数为：

(3)

则由以上三式可得出传输功率：

(4)

可以看出，提高电能传输的大小可以通过增大 、 、 和 ，或减小 ，但受应用场合机械安装和成本限制，可分离式电能传输系统中， 值一般较小，而且一旦系统设计完成后， 和 的值就基本固定了。能够做调整的是乘积量 。从设计角度考虑，在参数选择设计中， 的值一般不会超过10，否则系统工作状态对负载变化、元件参数变化和频率变化非常敏感。

由此，对传输电能大小调节余度最大的是乘积 。从该关系式可见频率与原边电流的关系,提高频率，可以减小原边电流，反之亦然。

所以在传输相等电能及其他相关量不变的情况下，采用高频的系统与低频的系统相比，所需初级载流线圈电流大大降低，系统成本大大降低。因此，可分离式电能传输系统比较适合采用高频系统。但限于目前功率电子技术及器件的水平，系统频率受到限制，所以一般采用的频率范围为10至100KHz。

3.主系统设计

3.1.可分离变压器的设计

可分离变压器是可分离电能传输系统的关键部分，实现电能的可分离传输。可分离变压器和常规变压器在原理上类似，都是应用电磁感应原理实现电能从变压器原边到副边的变换。但是可分离变压器的原边和副边是分离的，存在较大的气隙，空气磁路长度远远超过了常规变压器的长度，变压器处于松耦合状态，磁路中有较大距离的空气磁路，磁动势中相当一部分消耗在空气磁路部分，变压器漏磁较大，耦合系数不高；而常规变压器的磁路中气隙很小，其磁动势主要分布在铁芯磁路部分，而铁芯所具有的高磁导率决定了常规变压器的磁阻较小，需要的励磁电流较小。

图3.2示出可分离变压器原理图，它是系统的核心组成部分。

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。由于可分离变压器初次级线圈之间有气隙存在，使漏磁较大，耦合系数较小，能量传输能力和效率较低，因此提高初次级之间的耦合效率，增加可分离变压器的能量传输和效率是可分离电能传输系统必须解决的问题。论文将通过互感模型分析可分离变压器，利用互感来描述初次级线圈之间的耦合能力，这种模型能够简单且准确地反映电能传输关系。

3.2.滤波电容的设计

由于已知输出电流最大纹波值，可以假设输出电流最大纹波有效值为 ，而滤波电容的阻抗为：

(5)

式中， 为滤波电容等效串联电阻；L为滤波电容等效串联电感；C为滤波电容值； 为电容的工作频率。根据预先选定的输出电压最大纹波有效值，可以按式 计算出滤波电容的阻抗：

其中，输出电压最大纹波值 取为输出电压下限值的0.5%，即 ，输出电流最大纹波峰峰值 取为最大输出电流的20%，即

，则

(7)

根据电解电容手册选择标称电容量为470 ，耐压为25V的电解电容器。滤波电容须采用高频电容，以提高滤波效果、减少发热。

4.结束语

为了提高用电系统的安全性、可靠性、灵活性，以及扩展电能传输技术的应用范围和适用于一些特殊领域，可分离电能传输技术应运而生。可分离电能传输技术以电磁感应原理为理论基础，以可分离变压器设计和电路拓扑设计为核心，以电磁耦合技术和电力电子技术为辅助可以实现供电电源与负载之间正没有任何直接电气连接和物理接触。可分离电能传输技术是世界上电能输送领域的前沿课题，该技术的研究开发将填补国内空白，其推广应用有着广阔的发展前景，必将推动我同电力电子及电气自动化技术的巨大进步。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。