提高感应电能传输效率的研究

周静，安慰东，李永振

（西安石油大学 陕西 西安 710065）

0 引言

传统的电能传输主要通过导线直接接触进行，但是随着供电设备对供电品质、安全性、可靠性的不断提高，这一传统的接触式电能传输方式已经无法满足一些特殊场合的供电要求，感应电能传输就是针对这些特殊场合而设计的，并且成为当前电能传输领域研究的一大热点，它解决了一些传统供电系统无法满足的问题，克服了接触式供电的缺陷，是一种有效安全的电能传输方式[1]。但是，感应电能传输的效率非常低下，这一缺点直制约着这项技术的发展。随着材料科学的发展以及大功率的功率器件的发展，感应电能传输已越来越多的运用于工程设计之中[2]。

1 非接触电能传输系统的组成

感应电能传输系统是根据麦克斯维尔电磁场原理，通过可分离变压器进行能量的传递。图1是该系统的组成框图。

图1 非接触电能传输系统

以可分离变压器为分界点，能量传输框图由两大部分组成，变压器原边由交流电网输入，整流滤波成直流电，并经过功率因数校正，通过高频逆变给变压器原边绕组提供高频交流电流。通过原边绕组与副边绕组的感应电磁耦合将电能经过整流滤波和功率调节后提供给用电设备[3]。

从该系统可以看出，系统的总传输功率由4部分组成：从工频交流道直流的变换效率；从直流到高频逆变的逆变效率；从次级输出端到负载的变换效率；感应耦合环节的功率传输效率。前3项与通态压降和高频开关损耗有关，采用软开关技术和功率因数校正技术可以解决这些问题。关于第4项，可分离变压器属于松耦合结构，要增大感应耦合能力，必须提高系统的工作频率，选择合适的电磁结构和参数[4]。

2 影响感应电能传输效率的关键因素

在感应电能传输系统中，有多个影响电能传输效率的因素，它们之间相互影响、制约。

2.1 可分离变压器的耦合系数

耦合系数表示变压器初级，次级线圈的耦合程度，与变压器的铁芯材料、线圈的绕法（线径、匝数、位置）以及气隙的大小有关。

2.1.1 磁芯材料的选取原则

① 高的磁导率，在一定的磁场强度H下，磁感应强度B的大小取决与 的大小( )；

② 要有很小的矫顽力Hc和剩余磁感应强度Br。材料的矫顽力越小，就表示磁化和退磁容易，磁滞回线狭窄，在交变磁场中磁滞损耗就越小；

③ 电阻率 要高。在交变的磁场中工作的磁芯具有涡流损耗，电阻率高涡流损耗小；

④ 具有高的饱和磁感应强度Bs。饱和磁感应强度高，相同的磁通需要较小的磁芯截面积，磁性元件的体积小。

2.1.2 线圈的绕法以及气隙的大小

线圈的绕法应该根据设计的可分离变压器的具体结构具体分析，而关于气隙因素对传输效率的影响，经样机实验分析，气隙越大，传输效率越低，如图2所示。所以应该在条件允许的条件下，最大限度地缩小气隙以获得高的耦合系数。

图2 气隙对传输效率的影响

2.2 系统工作频率

在满足输出功率的情况下，应满足较高的工作频率。经实验证明，初级电流随着系统工作频率的增加而不断减小，初级电流越小，系统的功率损失也就越小。因此，感应电能传输系统的工作频率应该在高频频段，根据样机的实验，系统的工作频率应该在 10kHz—30kHz[5]。

2.3 补偿拓扑结构及参数计算

感应电能传输系统中存在着较大的漏电感，这严重限制了其传输的有用功率，为了减少系统的无功功率，一般采用补偿容抗来平衡电路中的感抗[6]。

补偿拓扑可以根据布局的不同分为串联补偿和并联补偿。具体的可以分为4种拓扑结构，a 初级串联补偿、次级串联补偿；b 初级串联，次级并联；c 初级并联、次级串联；d 初级并联，次级串联。初级的补偿电容是为了平衡初级的漏感抗和次级反映到初级的感应感抗，从而减小感应电源的视在功率，提高了感应电源的功率因数。次级的补偿可以减小次级的无功功率，提高次级负载的功率因数，增大感应电源的输出功率。

2.3.1 次级补偿

在感应电能传输系统中，由于可分离变压器漏磁的存在以及次级负载并非纯阻性的性质，系统的的输出电压与电流会随着感性（或容性）负载的变化而变化，功率传输不稳，既限制了功率的传输，又使得感应电源以及负载都存在着安全隐患，所以必须要对次级加入补偿电路[6]。如图3的(a)、(b)、(c)所示，(a)为次级未加入补偿，(b)为次级加入串联补偿电容，(c)为次级加入并联补偿电容。

图3 （a）次级无补偿

图3 （b）次级串联补偿

图3 （c）次级并联补偿

2.3.1.1 次级串联补偿的电容的计算

可以看出次级采用并联补偿，那么次级到初级的反应阻抗为容性的。

2.3.2 初级补偿

因为可分离变压器的初级绕组直接跟高频逆变电源的开关管连接，初级绕组两端的电压直接加在开关管上，初级电流也全部流过开关管，开关管的电压电流定额较高，所以必须在初级加入电容进行补偿，当补偿电容和初级绕组电感达到谐振状态时，补偿电容上的电压抵消了部分初级绕组两端的电压，降低了开关管开启和关断时的电压应力既延长了开关管的工作寿命，又提高了感应电能系统能量的传输效率[6]。初级补偿也可分为串联补偿和并联补偿，如图4（a）、（b）、（c）所示，图a为未加补偿，图b为初级串联补偿，图c为初级并联补偿。

联补偿，图c为初级并联补偿。

图4 （a） 初级未加补偿

图4 （c） 初级串联补偿

图4 （c） 初级并联补偿

2.3.2.1 次级串联补偿，初级串联补偿电容的计算

2.3.2.3 次级串联补偿，初级并联补偿电容的计算

因为初级补偿电容要与初级绕组电感到达谐振，所以式（12）的虚部应该为0，即：

2.3.2.4 次级并联补偿，初级并联补偿电容的计算

因为初级补偿电容要与初级绕组电感到达谐振，所以式（14）的虚部应该为0，即：

3 样机实验结果

为了验证上述的分析，对样机进行了一次初级串联补偿实验，样机的初次级绕组的电感量为6.1mH，采用了高频逆变电路作为电源，逆变电路输入为30，V直流电，在逆变输出为10kHz的条件下，测试了样机的传输效率，传输效率曲线如图5所示，在初级未加补偿电容时的传输效率为75%左右，当初级串联补偿电容为0.41μF时，传输效率提高到了95%左右，传输效率明显得到改善。

图5 初级串联补偿传输效率曲线

4 结论

本文对感应电能传输系统进行了研究，对影响传输效率的参数给出了具体的分析，最后对可分离变压器的补偿电路着重进行了分析并且给出了设计方案，最后对样机进行了补偿电路的测试，实验结果符合理论分析，传输效率得到明显提高。

[1] 张峰，王慧贞，姜田贵.电压型松耦合全桥谐振变换器运力分析与实现[J]. 电力电子技术，2007，41(4).

[2] 杨民生.基于DSP的非接触式电源系统的研究[D]长沙：湖南大学，2005.

[3] 姜田贵，张峰，王慧贞.松耦合感应电能传输系统中补偿网络的分析[J]. 电力电子技术，2007,41(8).

[4] 武瑛.新型无接触供电系统的研究[D]. 北京：中国科学院院研究生院，2007.

[5] 张永祥，田野，李琳.松耦合感应电能传输系统的设计[J].海军工程大学学报，2006，18(1).

[6] 毛赛君.非接触感应电能传输系统关键技术研究[D].南京：南京航空航天大学；2006.