串联谐振的非接触供电系统传输功率分析

西安思源学院 袁观娜 杨 燕 李 秋

导线是目前电能传输的主要方式，这种接触传导方式的缺点是易产生电火花、导体易裸露，在如矿井、水下等特殊场合，极易发生事故。非接触感应电能传输系统是利用电磁感应传输电能，不存在电气接触，极大的提高了供电的安全性和可靠性。本文通过建立基于串联谐振的非接触供电系统的模型，建立方程得出基于串联谐振的非接触供电系统的输出功率，得出基于串联谐振的非接触供电系统输出功率的影响因素，并提出提高基于串联谐振的非接触供电系统输出功率的途径。

图1 非接触电能传输系统

图2 逆变电路

1831年，法拉第发现了电磁感应，电能掀起了人类第二次工业革命，推动了社会的发展。传统的电能传输主要靠导线来传输，电气设备通过连接导线、接头来实现电能的接触传导。导线的传输方式不可避免存在连接点，连接处容易发生磨损，接触点容易产生接触电火花，对于煤矿等有易燃易爆气体场合容易发生爆炸事故。同时传统的导线传输容易出现导体裸露，对于水下等电能传输场合容易出现漏电、触电等危险。因此，导线传导的方式在某些特殊场合极大的影响了供电的安全性和可靠性。随着电力电子器件和控制技术的发展，使得非接触电能传输成为现实。非接触电能的传输作为新型传输技术越来越受到人们的关注，在电力系统、电动汽车、通讯设备、医疗器械、航空航天等方面具有广泛的应用前景。

非接触能量传输系统如图1所示，系统以分离变压器为界分为能量发射部分和能量接收部分。能量发射部分通过工频整流将交流电转换成直流，通过高频逆变将直流电转换成高频交流电供给变压器的原边线圈。能量接收部分为变压器副边线圈通过电磁感应获取电能，通过高频整流转换成直流电，通过调节电路调节后供给负载。能量发射和能量接收利用可分离变压器，不存在电气连接，极大的提高了供电的安全性和可靠性。

1 基于串联谐振的非接触供电系统的模型

图2所示为串联谐振逆变电路和并联谐振逆变电路。本文研究的主要是基于基于串联谐振的非接触供电系统。图中，串联谐振电路由S1到S4组成的逆变桥和R、L、C组成的串联谐振负载组成。串联谐振逆变时，当S1、S4和S2、S3交替导通时，负载即可得到高频交流电。交流电电压幅值Ui，频率为逆变开关频率。当逆变开关频率为谐振频率时，负载电流为正弦电流。因此，非接触电能传输系统变压器一次侧可等效为一交流电源。

二次侧等效电路如图3所示，二次侧采用高频整流后，经过能量调节电路供给直流负载。能量调节电路一般为斩波电路，如升压斩波电路或降压斩波电路。当变压器一次电流为正弦电流时，感应到二次侧仍为正弦电流。由于整流电路输入基波电压和输入电流同相位，因此整流输出具有电阻性质。若输出与负载之间有斩波电路，不影响电路性质。因此二次侧可等效为电阻。

图3 二次侧等效电路

可分离变压器具有耦合电能的作用，但是与一般的变压器不同，其耦合系数小于1，不能用理想的变压器作为等效电路。这里采用松耦合变压器等效模型，即采用自感L1和等效电阻R1来表示一次线圈，采用自感L2和等效电阻R2来表示二次线圈，用互感M来表示两个线圈之间的耦合关系，这种模型结构可以真实描述实际可分离变压器电气特性，如图4所示。

图4 变压器等效模型

图5 非接触电能传输系统等效电路

2 影响传输功率因素

非接触电能传输系统等效电路如图5所示，工频整流和高频逆变等效为交流电源Ui，C1为一次侧串联电容，变压器采用松耦合互感等效模型，二次侧等效为电阻R0，C2为二次侧补偿电容。i1为流过变压器一次绕组的电流，i2为流过变压器二次绕组中的电流。

由图5可列如下方程：

解得：

由式1-3可知，非接触电能传输系统的输出功率与电流的频率，电流的模值，二次侧并联品质因数以及互感与自感的比值有关。可以通过提高一次电流的模值和频率、二次侧并联品质因数、互感，降低自感来提高输出功率。提高一次电流的模值和频率可通过控制高频谐振电路来实现，二次侧并联品质因数可通过二次侧补偿电路来实现，提高互感与自感的比值可通过提高可分离变压器的导磁性能来实现。

3 结论

本文通过分析串联谐振逆变电路、二次侧高频整流电路和能量调节电路、可分离变压器的特点，建立了基于串联谐振的非接触供电系统的等效模型，计算得出基于串联谐振的非接触供电系统的输出功率，分析出影响基于串联谐振的非接触供电系统输出功率的因素，给出提高基于串联谐振的非接触供电系统输出功率的有效途径，为非接触电能传输系统的设计奠定理论基础，特别是对于煤矿等易燃易爆、水下等易漏电场合的电能传输具有重要意义。