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1、2016/41APSC无线电能供电系统中补偿拓扑的研究陈乾宏南京航空天大学自动化院电气工程系APSC1研究背景补偿拓扑的设计需求和分析基础234总结目录CONTES常见2016/42APSCPart 1：研究背景电能传输在人类生产和活中起着重要作用，如何更方便、安全更高效地是科学研究的重要方向危险！采用插头与座的金属接触来导电容易产生接触火花，在矿井、油田等场合存很大安全隐患统接触式供电电源传统接入式包括：导体（线）硬连接模可插拔件滑动滚式（针对移动设备）背景2016/43传统接触式供电无线供电技术背景无线供电技术优点使用方便无连线，使用方便，移动灵活;安全火花及触电危险;可适应恶劣环境,易于
2、防水无积尘和接触损耗问题少维护甚至免维护无积尘和接触磨损易于实现无人自动供电移动式供电.无线供电的优点2016/44WPT技术市场前景201-13，被世界经济论坛评选为十大新兴技术之一;14年入选时代周刊年度10项最佳发明清单;MarketsandMarkets2014研究报告，全球无线电力传输市场复合增长率达6.9%。预计到20年输规模将到105.2亿元人民币(电缆网)2014，中国科协，1项引领未来的科学技术之一广阔的市场前景WPT技术分类用于远距和超的能量传输优点：可以穿过金属介质传输能量；缺距离小要求高频工作目前容较容性耦合感性耦合-应式，共振（基于磁场的能量传输本质相同）感应式频率较
3、低，功范围宽共振式频率较高距离大其它如激光/微波2016/45心脏起搏器人工心脏应用领域不断拓宽家用医疗 电动汽车充电无线供电技术的应用工业无线供电技术的应用发射信号 反射信号地下管网探测3M公司地下设施定位0.6m-2 高压取电物联网传感器自供电NinaM.RoscoeandMartinD.Judd.HarvestingEnergyfromMagneticFieldstoPowerConditionMonitoringSensorsJ.SensorsJournal,IEEE,2013:32016/46APSCPart 2：补偿拓扑的设计要求和分析基础无线供电结构框图 无线供电系统结构框图20
4、16/47技术关键WPT关键技术AF BCG电磁兼容技术能量耦合器优化设计技术ED高频电力子技术生物兼容技术材料技术通信技术 控制技术关键技术TES 结构框图原边绕组副边绕组气隙补偿漏感及激磁电感非接触变压器的优化策略：特点之一：耦合系数小二参变化大需要有效的控制策略2016/48非接触系统结构框图15气隙气隙变化原副边的错位互感、漏耦合系数变化失谐!系统稳定性？非接触系统结构框图16补偿拓扑的优化选取控制策略有效关键技术非接触变压器的优化设计2016/49无线电能传输的建模互感、漏模型耦合理论二端口网络非接触变压器的等效模型互感模型三参数模型-1LPjMISiP SjIPS+*ML:nMLL
5、1:n漏21 22SL S M L P SLS SMSLnML L L L L L MLL LMLL 2PL SPM PMnLML LLL L 122P L MS L MP SL L LL L n LkML L 物理匝比等效2016/4101S S ESZ j L Rj C PLCSMERABIIZin21in PP SMZ j Lj C Z 1SAB in Sj MIV Z Z28E LR R副边输入阻抗：原28O Sin ABI IV V1OSEAB in Sj MV RV Z Z out OSin ABV VV V互导增益：电压Im( )arctanRe( )in ZinZin 相角S/
6、补偿基波等效模型2 21rS E SSMZj L R rj C 反射阻抗：S/补偿网络的分析电路基波等效20E ES S S ER RZ r R Re( )Re( )rP r PZZ r 2 21r S E SSMZ j L R rj C Zr为反射阻抗：2 2 22 ( )Re( ) 1( ) E sr E s S SM R rZ R r L C T S P S/补偿网络的分析反射阻抗实部越大，有利于效率提高，恰当的变换和高频化变压器的效率变换效率2016/4121()fkHz40LR21in谐振频率fo 85kHz原边自感LP 254.16副LS 36.27互感M 37.65原边电容CP
7、9.899nF副CS 96.662nF 电压增益特性互导增益特性 输入相角特性40LR21()fkHzVG()fkHz40R21LgAS/补偿网络的分析非接触系统结构框图2气隙气隙变化原副边的错位互感、漏耦合系数变化失谐!系统稳定性？2016/412APSCPart 3：常见补偿拓扑的分析电路连接开关（逆变）网络谐振网络整流负载补偿电容电源 滤波补偿电容C滤波L副边原边压型输入电流源2016/413原边电路连接当原边为电压源输入当为流源输入钳位，无法振荡钳位，无法振荡RE副边电路连接在整流桥连续导通状态下，ORv 2i 同相，因此副边的整流滤波电路可等效为电阻。C滤波，假设电容值很大输出近似恒
8、压LC滤波，假设感值很大输出近似恒流o oOS oE L2 22 24 4sin( ) 8 8sin( )2V t Vv VR Ri I t II 只考虑整流桥电压R中基成分，有：2016/414RE 基波等效C滤波，假设电容值很大输出近似恒压LC滤，假设电感值很大输出近似恒流E L28R R2E L8R R在整流桥连续导通状态下，ORv 2i 始终同相，因此副边的整流滤波电路可等效为电阻。系统简化开关（逆变）网络谐振网络整流负载补偿电容电源 滤波补偿电容方波压电流2016/415谐振补偿串联谐振并联谐振电感、容元件上的电压相互抵消。当Q值较高时，将远大于外加压。1L LQ R R C RQ
9、CRL 电感、容元件上的无功电流相互抵消。单电容补偿-副边副边并联补偿边串联副边至原的反映阻抗Zr：2 2rSMZZ传递有功率为2 ReP rP I Z 副边补偿方式反映阻抗实部反映阻抗虚部特点串联0副边反射至原的阻抗没有虚部并 映呈容性，但与负载无关2 2EMR22ESM RL2SML1S SLC原边电流为：ABPP rVIj L Z 至的功率传输能力2016/416单电容补偿-副边副边并联补偿控制原边绕组电流恒定，副边的电路可等效为边串联可实现输出电流不受负载影响，适合蓄池充场合。可实现输出电压不受负载影响，适合中等直流总线应用场合。采用副边单容补偿，可增强原至副的功率传能力，但难以改善原
10、边输入电源的电压应力。单电容补偿-原边原边串联补偿边并联补偿电容上的压和绕组上的压相抵消，可以使电源降低到控制范围内因此适合于长导轨、很高场。补偿电容上流过的电和后级路中无功分量相抵，因此适合线圈较集中、需要很大初级场。采用原边单电容补偿，一般着重减小电源的压流应力，难以兼顾功率传输能力且难以兼顾输出稳定。单容难以兼顾输入和出2016/417四类双电容基本补偿拓扑3(a) S/补偿(b) S/P补偿(c) P/S补偿(d)P/补偿非接触变压器漏感大、激磁电感小多元件谐振网络原边并联：大直流侧电感、开关管电压应力高四类双电容基本补偿拓扑34(a) S/补偿(b) S/P补偿(c) P/S补偿(d
11、)P/补偿非接触变压器漏感大、激磁电感小多元件谐振网络原边并联：大直流侧电感、开关管电压谐振串器件谐振2016/418在此基础上，四种补偿拓扑分别对应的原边电容取值为：双电容补偿为增强功率传输能力副自感LS与C完全谐振；减小伏安量(输入电压电流同相)原边电容以及副至的反映阻抗虚部完全谐振。SP的C取值与耦合系数有关，PS和的C取值与耦合系数和副边功率因数有关。在输入相角为零的频率点，出特性如何？双电容补偿S/P的输出压增益P/的输出电流增益P/S的输出电流增益令谐振频率为40kHzS/的输出电压增益2016/419双电容补偿S/补偿利用漏感谐振vABC1 C2LL1 L2 vOSM:n+RE
12、输入阻抗呈感性，存在环流损耗输出电压与负载无关输出电压与负载呈正比输入阻抗呈性，无功小利用自感谐振出恒流若轻或空，原边电流激增ABEjvRM2 2ESH 轻载下重区串/补偿38ABEjvRM与有关通用输出电压增益输入相角为零的频率点fr处的输出电压增益/21 1 24 2 2/ 1 2 1 2,11v S SPES S P S P Sj MGj L j C CCRCC M L L LC LC 1 21 1rP SLC LC Ev rrRGM 在非接触系统中，为了减小伏安容量、降低环流损耗，提高能量传输的效率，一般令工作在输入阻抗为纯的频率点附近。2016/420S/补偿的典型应用输出电压为40
13、8V，输出电流为6.2AS/补偿的典型应用S/补偿用铜量少，拓扑结构简单。输出电压为408V，输出电流为6.2A2016/421串/并补偿41与RE无关通用输出电压增益输入相角为零的频率点fr处的输出电压增益LP SjMIS jIPiP S REC3vOSvABC1 i22 4 2 21 3 1 3 /21 12 2 2/ 1 2 1 18 1 ,1 11vP S P S S PM M ES P P l M l MG k L LCC LC LCjn L C nL CRLC L n CL L L 2 1311 rP SSL M L CLC 28 Sv r LG M SLn M双电容补偿S/P补偿
14、* SLnM变压器L模型若输出短路，原边电流激增输入阻抗为纯性出电与负载无关*S 采用锁相控制轻载时益过高，因为现频率分叉象。输出电压增益 输入相角增益特性只和C1有关3取值影响到入2016/42S/P补偿的应用工作频率2kHz原边采用串联补偿以保证输入阻抗为纯、副边采用并联补偿以保证传输效。双电容补偿P/补偿由前文可知，原边并联输入端为电流源型逆变器PSMIL副边诺顿等效原边戴维南等效LPC1+Ij 222ESRZr1IjC22ES1IjCR输出电压与负载无关该点，入阻抗呈容性S2016/423P/补偿的应用应用实例(等效电流源)：30W，原边电流15A，频率20kHz，负载6k=0.45，QS1.7双电容补偿P/S补偿由前文可知，原边并联输入端为电流源型逆变器原边戴维南等效1IjC输入恒流时，输出电流与负载无关阻抗呈容性1IjC2 2EMR1ICS2016/424双电容补偿P/S补偿1IjC 1IjC2 2EMR1IC输入恒流时，输出电与负载无关 输入阻抗呈容性S输入恒流时，输出电流与负载无关 PMn L P2 1 21 1P P SL C L M C 增益特性只和有关，2影响到输入相角输入阻抗为纯性S/补偿的优化输出恒压&高效同时对输出电压稳定可控和提高效率两个角度进行优。首先为变器率：原边副边传输效率其中令 为效率最大值频点该随负载变化2
