电工电气 （２０１３ Ｎｏ．４） 感应耦合式菲接触电能传输系统的设计
感应耦合式非接触电能传输系统的设计
沈慧娟，曾宪智
（浙江嘉兴学院，浙江嘉兴３１４００１）
摘要：基于电磁感应原理，运用现代电力电子能量变换技术和控制方法，实现供电线路和用电设 备之间的非接触电能传输。通过对初级变换器拓扑选择及主要元器件参数的分析，提出非接触电能传输 系统的设计，并对系统的效率和补偿等关键问题进行了仿真及实验研究，提高了系统的传输效率。 关键词：可分离变压器；非接触电能传输；原副边补偿 中图分类号：ＴＭ７２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—３１７５（２０１３）０４—００２４—０４
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ
ＳＨＥＮ Ｈｕｉ－ｊｕａｎ，ＺＥＮＧ Ｘｉａｎ—ｚｈｉ （Ｊｉａｘｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｘｉｎｇ ３１４００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｍｏｄｅｍ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎ— ｉｃｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ．Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｓｅｔ ｕｐ ｂｙ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｍａｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｋｅｙ ｐｏｉｎｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｔａｃｈａｂｌｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｐｒｉｍａｒｙ ａｎｄ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ
０引言
非接触感应电能传输技术是一种新型的电能传
输技术，避免了传统接触式供电的接点随着时间的 增长而老化，导致接触不良、漏电短路故障和安全
事故。 非接触感应电能传输技术打破了在化工、钻
井、工矿、水下探测等特殊行业的某些场所下的电 工设备馈电的限制，开拓了如在电动汽车、高速磁
悬浮列车馈电以及在生物医学、家用电器等方面的 应用 １Ｊｏ
１非接触式感应电能传输原理
非接触式感应电能系统利用疏松感应耦合系统
和电力电子技术相结合的方法，实现了电能的无物
理连接传输。它将传统的变压器紧密型耦合磁路 分开，初、次级绕组分别绕在具有不同磁性的结构
上，实现在电源和负载单元之间进行能量传递而不 需要物理连接，如图ｌ所示，系统由原边电路和副
边电路两大部分组成。
电能传输 变压器
图１非接触感应电能传输系统图
原边电路与副边电路之间有一段空隙，通过磁 场耦合相联系。原边电路把电能转换为磁场发射，
经过这段气隙后副边电路通过接收装置，匝链磁力 线，接收磁场能量，并通过相应能量调节装置，变
换为应用场合负载可以直接使用电能形式，从而实
现了非接触式电能传输 。
基金项目：嘉兴市科技计划项目（２０１ １ＡＹ１０７２） 作者简介：沈慧娟（１９６９），女，实验师，硕士，研究方向为电子技术及应用。
一
２４— 感应耦合式菲接触电能传输系统的设计 电工电气 （２０１３ Ｎｏ．４）
２系统的硬件设计与分析
２．１系统的硬件设计
非接触式感应电能系统有以下部分组成：初级 变换器、无接触式变压器结构、次级变换器。初、
次级子系统之问不含有物理连接。为增大系统的感 应能力，在变压器初级通常采用高频率的交流电流
做驱动。系统工作时在输入端将单相交流电经过整
流逆变转换成高频率交流电提供给初级绕组，在输 出端将电流的频率从初级的高频率转化为次级端
需要的频率，并通过调节电压、电流和相位来调节 为感应耦合电能传输系统的电路结构，从图中可以 看出无接触式变压器是非接触电能传输系统的主
要部分，要提高系统的电能传输能力，就要优化电 磁结构参数及运行参数。图中ＶＴ ～ＶＴ 构成全桥
逆变器，单相２２０Ｖ交流电源加到由二极管模块组
成的单相整流桥，经电解电容滤波成平直的电压， 再；ｂｕ￣ｒＪ由四个Ｃ［Ｖ［０ＳＦＥＴ组成的移相全桥谐振变换器
上，逆变器输出的电压在经过线路电容补偿后，除 了很少一部分损失在线路阻抗上，几乎全部加在同
轴绕组上，副边绕组电压经过整流后给负载供电。
变压器原边绕组用于检测原边电压、电流，控制输 次级的输出，从而给用电负载供电 。图２所示 出功率Ⅲ。
ＶＴ 蚪 ：Ｃ２ Ｄ９ Ｌ 『 ÷
。 ； ｌ
—． ＝Ｃ 厶 丰ｃ ｆ ｌ
＜ ｛ ＜ＶＴ。 Ｇ ＝ ＜ ＿ｊ
ｌ、■ Ｌ— Ｒ Ｄ１１ Ｕｆ ｒ——＝、Ｉ Ｌ————————————一
图２非接触式感应电能传输系统主电路图
２．２分离式变压器的建模与设计 可分离变压器实质上是原副边骨架相互独立的
磁耦合线圈，由于不存在闭合的铁芯磁通路，因而 耦合系数比较低，可采用互感模型进行分析，如图
３所示为系统采用原边串联、副边并联补偿（ＳＰ）下 的等效电路 。
Ｍ ｓ ａ）互感模型
ＲＰ 足 ｂ）简化电路 图３非接触式感应电能传输系统的等效电路图 对于谐振变换器，采用基波分析法可以简化复
杂的计算，同时保证比较精确的结果。副边接收电 路对原边的影响可以用反映电阻 和反映电抗 表示，因而图３ ａ）可以简化为图３ ｂ）。
Ｄ一 ＋Ｒｓ一 ｓ ）＋ ｓＣｓ＋Ｌｓ） … “ ６９ （ＲＲｓＣｓ ｓ）。＋ 埘ｓ一 ｓ ） ｕ
ｊ ｓ一 ）一ｊ ｓ ｓ） 厂 （ＲＲｓ 乜ｓ）。＋ 埘ｓ一 ｓ ）。
采用ｓＰ补偿，原副边的补偿电容分别为：
此时，原边谐振频率与副边谐振频率相同，作
为系统的工作频率，则能量传输能力达到最大。补 偿后，谐振状态下的反映电阻简化为：
Ｒ－兰 （４） ｌ＋ （１＋ ）
其中， 为高频整流部分的等效电阻；ｋ为线圈
的耦合系数；力为原边自感与副边自感的比值； 为副边线圈电阻 。与等效电阻的比值。
一
２５— 电工电气 （２０１３ Ｎｏ．４） 感应耦合式菲接触电能传输系统的设计
Ｒ＝ ＲＬ／８ ｋ＝Ｍ／４Ｌ—ｐＬｓ
８＝Ｒｓ／Ｒ
ｎ＝ＬＰ／Ｌｓ 为副边线圈的品质因数：
Ｏｓ＝ｅ／￣Ｌｓ （６） 谐振状态下的原边电流为：
ＩＦ ，力）： ２Ｊ２Ｉｏ （７）
ａ４ｎ 则原边补偿电容上的电压为：
… ＝ （８）
副边线圈的电流大小决定了能量接收效率，其 表达式为：
。（Ｏｓ）： 瓜 ≈半，／ｌ＋Ｏｓ２ （９）
根据式（４）、（５）、（９），可分离变压器的传输 效率函数可以表示为： ，门，ｐ。）＝７丽／Ｔｐ２Ｒｒ・了 ＝
ｌ
｛ｌ＋ ）｛１＋ ［１＋（１＋ ） ］） （１ｏ）
其中，。为原边线圈电阻Ｒ 与 的比值，一般口《
。 图３ ｂ）中简化电路的品质因数０ 是一个重要的 参数，它决定了电路中正弦波的质量，当０ 大于
０．５时，电路中能产生比较高质量的正弦波。
＝等：去（１１，
２．３系统设计分析 对于ＳＰ：￣ｂ偿，线圈自感比值影响谐振变换器的 电压增益、原边补偿电容的电压应力、原边电流
以及系统的效率，因此，合理地选择自感比值十分
重要。谐振变换器的电压增益可以通过匹配变压器 变化改变；补偿电容的电压应力则影响系统的体积
和可靠性；原边电流的大小决定了功率管电流应力 和可分离变压器原边线圈的损耗。耦合系数的大小
直接影响原边补偿电容的电压应力以及功率管的电
流应力，耦合系数越小，应力越大，这对系统的设 计是不利的 ］。图４为６５ ｖ／ｌｏｏ ｗ的样机在耦合系数
ｋ＝Ｏ．３、ｋ＝Ｏ．４６时不同自感比值对可分离变压器原 边电流和原边补偿电容电压的影响。
一２６— ２０ １８ １６ ｌ４ １２ １０ ８ ６ ４ ２
图４原边电流与原边补偿电容电压的关系 选择合适的自感比值可以在一定程度上减轻耦 合系数过低带来的影响，通常选择自感比值在ｌ附
近是比较理想的，如果增大，则原边线圈体积比较
大，给原边线圈加铁芯可以在比较小的体积增量下 增加自感比，但是如果很大，对原边补偿电容耐压
要求剧增；过小的则会导致原边电流很大，效率下 降” 。由式（９）可知，可分离变压器的副边电流随 ｏ 减少而降低，则副边损耗下降，能量接收效率提
高，式（１０）也反映了这点。但是当０ 降低到一定
程度时，副边电流降幅有限，效率提升缓慢，同时 原边补偿电容急速上升，选择合适的力与０ 最高
效率可达９０％以上。 ２．４系统设计流程
控制电路利用ＤＳＰ芯片采用基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的
控制电路对系统控制电路的软硬件进行设计，实现 对电路硬件的控制 ，如图５所示。
图５基于ＤＳＰ的非接触电能传输系统硬件图
３非接触式感应电能系统的仿真与实验研究
实验内容：（１）针对次级匝数变化，变压器电
感量及耦合系数的变化，以及对传输性能的影响。 （２）初级变换器工作频率的变化，对励磁电流以及
效率的影响。（３）初次级恒流与恒压输出补偿与不
补偿对比实验。基于Ｍａｔｌａｂ平台的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ为系 统的构建仿真模型，并进行了仿真分析，如图６所示。
感应耦合式非接触电能传输系统的设计 电工电．Ｉ【 （２０１３ Ｎｏ．４）
图６利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对非接触式感应电能系统的仿真
在理想条件下，当系统工作在谐振状态下，功
率因数ＣＯＳ￣＝ｃｏｓ ０。＝１，系统的有用功最大，无用 功为零。理论上，此时可分离变压器的传输功率以
及传输效率达到最大，最高效率达到９０％。表１给 出工频２２０Ｖ输出时的实验结果，由于补偿电容的
等效串联电阻（ＥＳＲ）损耗、滤波电感的磁芯损耗、 以及匹配变压器的损耗等因素，最终测量得到的样
机满载效率最高为８７．３３％。 表１输出功率为１００ ｗ的数据
皇查 ！ 堕 亟 皇垦 皇垦 至 ０．１Ｏ ４．４８ ６．５１ ５Ｏ．２１ ６６．５３ ８７．３３ Ｏ．２Ｏ ５．３５ ５．９２ ５４．３９ ５３．６６ ７６．１６ ０ ２２ ６．５４ ７ ２６ ６４ ７３ ７９ ８６ ７９．７３
４结语
感应耦合式电能无线传输技术借助于现代控制 理论和方法实现的不同介质之间的非接触式能量传
递，从而实现了无物理连接的电能传输，消除了供
电系统的摩擦、电弧等危害，提高了系统的安全性 和灵活性。主要完成的工作有：（１）分析无接触电
能传输系统的结构及工作原理，运用基波模式近似 分析法，建立初级谐振变换器和无接触变压器的数
学模型，研究其能量传输的特点，从而在理论上得 出补偿方法，以提高系统输出性能。（２）讨论了无
接触电能传输系统拓扑选择问题，结合无接触电能 传输系统的特点，选择全桥谐振变换器为主电路拓
扑，分析其主电路的工作过程，讨论了主要器件参 数及驱动的设计问题，并且介绍了无接触变压器的 类型和结构。（３）对无接触电能传输系统的频率、
效率和补偿等关键问题进行了仿真及实验研究。详 细分析了无接触变压器初级和次级绕组设计、初级
变换器频率选择、补偿方式及效果等问题。从而确 定了工作频率、补偿方式等关键参数。（４）详细分
析无接触变压器的各种损耗，提高变压器效率。
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收稿日期：２０１２—１２—０８
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