非接触电能传输系统的频率稳定性研究

2005 年 11 月 电 工 技 术 学 报 Vol.20 No.11 第 20 卷第 11 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Nov. 2005 非接触电能传输系统的频率稳定性研究 孙 跃 1,2 王智慧 1 戴 欣 1 苏玉刚 1 李 良 1 (1. 重庆大学自动化学院 重庆 400044 2. 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室 重庆 400044) 摘要 分析了非接触电能传输系统主电路的频率稳定性问题，提出了利用相控电感电路动态 调谐以提高系统工作频率稳定性的方法，保证最大功率传输和系统正常工作，并对动态调谐的工 作原理进行了分析和仿真研究。 关键词：非接触 动态调谐 并联谐振 串联谐振 中图分类号：TM712 Study of Frequency Stability of Contactless Power Transmission System Sun Yue Wang Zhihui Dai Xin Su Yugang Li Liang (Chongqing University Chongqing 400044 China) Abstract Frequency stability problem in Contactless Power Transfer (CPT) system is analysised in detail and dynamic tuning method is presented to improve its frequency stability and guarantee maximum power transmission. This dynamic tuning method can be realized with the application of phased controlled inductor. At the same time, the paper has a detail discussion of its operating principle and gives its feasibility verification by means of simulation. Keywords：Contactless, dynamic tuning, parallel resonant, series resonant 1 引言 基于感应耦合电能传输技术的非接触电能传 输方式解决了传统供电方式在特殊场合（水下或易 燃易爆等场合）和移动设备供电等情况下存在的问 题和缺陷 [1,2]。非接触电能传输系统的原理如图 1[3] 所示，由能量变换与发送机构（初级回路）和能量 接受机构（次级回路）两部分构成，利用电磁感应 与耦合原理实现电能从初级回路传递到次级回路[4]。 初级回路采取基于谐振工作模式的高频电力电 子能量变换电路，这不但提高了发射线圈电缆中的 电流，而且为逆变机构提供了软开关条件，以降低 高频开关损耗和提高系统工作频率。然而，软开关 条件下逆变机构的工作频率是随谐振频率变化的， 即浮动的。为了保证最大效率的电功率传输，要求 初级和次级固有谐振频率一致。然而，分析和 图 1 非接触系统原理图 Fig.1 Schematic diagram of CPT system 实验研究表明，当负载变化时，次级回路反射到初 级回路的阻抗就会发生改变，从而导致初级谐振电 路的固有谐振频率发生变化。事实上，作为一种电 源系统，其负载往往具有很大的随机性，这就不能 保证最大传输功率效率和系统工作稳定。 本文分析了次级回路分别为并联调谐模式和 串联调谐模式对初级回路工作频率的影响，提出在 初级回路并联附加相控电感电路，应用动态调谐方 式实时调节初级回路的等效固有谐振频率，从而保 重庆市科委 2004 年重点基金项目。 收稿日期 2005-02-22 改稿日期 2005-07-13 第 20 卷第 11 期 孙 跃等 非接触电能传输系统的频率稳定性研究 57 证系统工作谐振频率的稳定性，并对相控电感 电路和动态调谐电路进行了理论分析和仿真研究。 2 系统频率影响因素分析 图 1中 I是来自前级逆变机构的等效交流方波 电流源，L 为传输电缆自身电感和次级回路反射电 感所形成的等效串联电感，R 为电缆自身电阻和次 级回路反射电阻之和，C 为初级电路调谐电容。Ls 为拾取线圈电感，RL为用电设备等效电阻（用电设 备可能为感性、容性、阻性或三者的组合，这里只 讨论阻性的情况）。 次级回路也采用谐振工作模式，且其固有频率 是统一的、固定不变的。要使系统稳定和实现最大 功率传输，必须保证初级回路谐振网络的谐振频率 的变化处于允许的范围内。 次级回路与初级回路之间只有拾取线圈与传 输电缆相互耦合关系，其对初级回路的影响只表现 为电缆电感 L和电阻 R的变化。因此，我们首先研 究空载时初级回路的电路状况。由图 1可推出并联 谐振网络基波等效阻抗为 22222 222 22222 )1( )( j )1( CRLC CLCRL CRLC RZ ωω ωω ωω +− −−++−= （1） 式中 ω ——谐振网络的固有频率，ω=2πf f ——逆变网络的工作频率 由上式可得 LC CRLC )( 2−=ω 分析表明，次级回路对 L或 R的影响必然会影响谐 振网络的固有频率和阻抗角。L 和 R 对式（1）中 的虚部和频率的影响分别是：在负载 R较小或初级 回路等效导轨电感 L较大时，负载的变化对谐振网 络固有频率的影响较小；当 R较大或初级回路等效 导轨电感 L较小时，负载的变化对谐振网络固有频 率的影响较大。 次级回路可采用并联或串联的谐振方式，以适 应不同用电设备。下面分别讨论这两种方式对 L和 R的影响。 拾取采用并联谐振方式时，等效电路图如图 2 所示，其中 LP 为传输电缆自身电感，RP 为电缆自 身电阻，CS 为次级回路谐振电容，Zcs 为拾取反射 阻抗，−jωMIp是主电路导轨电流在拾取线圈中产生 的互感电动势，它是受导轨电流控制的受控电源。 拾取电路正常工作时应该谐振，此时其阻抗为 SS 2 LS SSS S 2 LS IS S )( j CCRL CLL CRL RLZ +++= （2） 反射阻抗为[5] S 22 es Z MZ ω= （3） 由式（2）和式（3）可知，并联拾取负载反射 到导轨上的等效阻抗呈容性和阻性，即 L 减小，R 增加。 图 2 并联谐振拾取等效电路图 Fig.2 Equivalent circuit diagram of parallel tuned pick-ups 拾取采用串联谐振方式时，主电路等效电路不 变，拾取电路等效电路如图 3所示。完全谐振时其 等效阻抗为 ZS=RL （4） 由式（3）和式（4）可知，串联拾取反射到导 轨上的等效阻抗为阻性，即 R增加。 图 3 串联谐振拾取等效电路图 Fig.3 Equivalent circuit diagram of series tuned pick-ups 由上述可知，无论拾取采用哪种谐振方式，只 要用电设备变化都将影响初级谐振网络的固有频 率。因此，必须采取 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 保证初级回路谐振网络的 固有频率在允许的范围内变化。 3 基于动态调谐方式的系统频率稳定性 措施 上面分析了导致系统频率变化的因素，下面讨 论如何通过附加相控电感电路实现初级回路的动 态调谐，以保证 L中的电流频率稳定。 3.1 相控电感调谐电路 如图 4所示为一种相控电感电路的动态调谐电 58 电 工 技 术 学 报 2005 年 11月 路，该调谐电路是由一个固定容量的电容器与一个 串联了双向晶闸管的电感组成。通过晶闸管的通断 实现对电感电流的移相控制，使整个并联支路可以 从容性到感性的范围内连续调节。 图 4 动态调谐电路原理图 Fig.4 Schematic diagram of dynamic tuning circuit 假设电路两端的电压为正弦波 u=Usin(ωt)，电 感电阻为零（一般情况下ωLt＞＞Rt，电阻可以忽 略）。当触发角 °° 90 180 α 时，可推导出电感两端 电压的基波分量为[6] ) cos()2sin22(1 t Uu ωαα +−ππ= （5） 其电压有效值为 )2sin22(1 αα +−π=U （6） 则等效电感为 ααω 2sin22 t 1 eq +−π π== L I UL （7） 从式（7）中可以看出，当α=π/2时，Leq=Lt， 开关在电压峰值时进行切换，与电感自然换向时刻 相同；当α=π时，Leq=∞，开关的导通时间为零， 此时电感处于断路状态。由图 4可推得并联电路的 等效阻抗为 tCL L Z eq 2 eq eq 1 j ω ω −= （8） 图 5为等效阻抗 Zeq虚部随等效电感 Leq变化的曲线 图，从图中可以看出通过控制触发角α，使 Zeq在感 性和容性之间连续变化。 图 5 Leq与 Zeq关系图 Fig.5 Simulation curve of Leqand Zeq 3.2 调谐原理 相控电感调谐电路后的初级回路电路图如图 6 所示，电路总的等效阻抗为 Z= × ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−++++ 2 222t eq 2222 2 1 )( 1 LR LCC LLR R ω ωωωωω ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−++−+ 222teq222 1j LR LCC LLR R ω ωωωωω （9） 从式（9）中可以看出等效阻抗的虚部与 Leq和 Ct都 有关系。由此可见，只要合理的选择动态调谐电路的 Lt、Ct和α 就可以使式（9）中的虚部为零，以保持 负载在一定范围内变化时系统的工作频率稳定。 图 6 动态调谐的主电路原理图 Fig.6 Schematic diagram of dynamic tuning main circuit 保持系统的工作频率稳定可以理解为保持谐 振网络的固有谐振频率不变，即对于固定的ω其等 效阻抗始终为阻性，阻抗角为零。可由检测电路实 时检测流入谐振网络的电流 I 的基波分量 I(ω)和谐 振网络两端电压 V(ω)。计算出实际电路阻抗为 )(je)( )( )( ωθωω ω •= Z I V （10） 由式（7）和式（9）可推导出式（10）中θ与控制 角α 的关系如下 R LCLCRCLRC )( )( 222 t 222 t −+++= ωωωαθ t 222 ))2sin(22)(( RL LR ω ααω π +−π+− （11） 图 7 给出了阻抗角θ和控制角α的关系曲线图，由 图中可以看出，在前半部分曲线接近线性变化， 随着α 的增加变化越来越平缓。当α=π时，电感 Lt 开路，θ 固定不变。推导过程中假设ω 为常数，而 此时调节控制角α 可使负载在一定的范围内变化 时θ 为零，这说明调节控制角α 可以保持系统频率 稳定。 ＞ ＞ 第 20 卷第 11 期 孙 跃等 非接触电能传输系统的频率稳定性研究 59 图 7 阻抗角θ 随控制角α变化曲线 Fig.7 Curve of impedance angle θ varied with control angle α 从式（11）可知，阻抗角分为两部分，第一部 分为定值，第二部分为变量。当第一部分不能很好 的匹配，将导致θ (α)与横坐标没有交点。由此可见， 必须确定了系统的负载变化范围后再设计相应的 调谐电路。否则，当负载变化过大时将导致系统频 率变化。 3.3 仿真分析 仿真的主要参数为： L=31.6µΗ,C=2µF,Lt=10 µΗ,Ct=2µF。图 8a给出了相控电感触发角α 和导轨 电流角频率ω 随导轨等效电阻 R 从 0.001Ω变化到 5Ω的变化曲线，图 8b 给出了在导轨等效电感 L 从 31.6µH减小到 10µH的过程中α 和ω 的变化曲线。 （为了显示在同一个图中，α和ω 分别缩小了相应 的倍数。） 图 8 α 和ω 随 R 和 L的变化曲线 Fig.8 Curve of α and ω varied with R or L 从图中可以看出，无论是 R或 L怎么变化，在 一定范围内，动态调谐可以使导轨电流角频率几乎 保持不变。从图 8b中可以看出，当 L减小到 10µH 前，α已经大于了π。这说明，相控电感电路只能在 一定的范围内进行动态调谐。 4 结论 从前面的分析和仿真结果可以知道，由检测电 路实时检测谐振网络的电压和电流，计算出电路的 实时阻抗角和相应的控制角α以调节相控电感对谐 振网络进行补偿。这种方法可以实现电路的动态调 谐，使系统的工作频率保持稳定。但它也存在局限 性，只能在确定了负载的变化范围后才能设计出使 系统频率保持稳定的调谐电路。 参考文献 1 Hu A P, Chen Z J, Hussmann S, et al. 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