電容補償對無線能量傳輸系統(tǒng)性能影響的實驗研究

1、第11卷第11期2011年4月16711815(2011)1122596204科學(xué)技術(shù)與工程ScienceTechnologyandEngineeringVol111No111Apr120112011Sci1Tech1Engng1機電技術(shù)電容補償對無線能量傳輸系統(tǒng)性能影響的實驗研究劉修泉李艷紅郝海青黃平22(廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州511483;華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院,廣州510640)摘要首先介紹了無線能量傳輸系統(tǒng)的基本構(gòu)成和初次級電容補償模型,輸系統(tǒng),對不同初次級電容補償模型進行試驗研究。結(jié)果表明:,初級并聯(lián)補償可以有效降低初級繞組的電流。得多。在初次級均補償情況下,功率因數(shù)最高

2、。關(guān)鍵詞無線能量傳輸中圖法分類號B,新型無線能量傳輸系統(tǒng)以電磁感應(yīng)耦合技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合電力電子和控制技術(shù),實現(xiàn)了電能無線傳輸。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示,工頻交流電經(jīng)過整流、逆變后轉(zhuǎn)換成高頻交流電供給初級繞組,通過電磁感應(yīng),在次級感應(yīng)產(chǎn)生高頻電壓,經(jīng)整流穩(wěn)壓變換轉(zhuǎn)化成需要的恒定直流電壓,為負載提供電能。初級繞組和次級繞組之間不存在直接接觸,有較大的間隙,可以保持相對運動或相對靜止狀態(tài)。該系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng),實質(zhì)為松耦合的變壓器,其初、次級繞組之間耦合性能較低,漏感參數(shù)不能忽略不計13圖1無線能量傳輸系統(tǒng)耦合感應(yīng)結(jié)構(gòu)1初次級補償系統(tǒng)模型無線能量傳輸系統(tǒng)基于松耦合電磁感應(yīng)來傳輸能量,存在較大

3、的漏感,使得傳輸系統(tǒng)有功功率降低。為了減小系統(tǒng)的無功功率,一般都采用電容補償,補償?shù)交芈钒l(fā)生諧振,提高輸出功率和系統(tǒng)傳輸效率。在初級和次級回路中,最基本的電容補償方式有兩種:串聯(lián)補償和并聯(lián)補償4,5。2011年1月18日收到廣東省自然科學(xué)基金項目(10151148301000001)資助。因此,一第一作者簡介:劉修泉(1973),男,湖北陽新人,講師,博士,研究方向:微機電系統(tǒng)和無線能量傳輸技術(shù)。E2mail:。共有四種基本的補償拓撲:初級繞組電容串聯(lián)補償,次級繞組電容串聯(lián)補償,稱為SS拓撲補償;初級繞組串聯(lián)電容補償,次級繞組并聯(lián)電容補償,稱為©

4、1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 11期劉修泉,等:電容補償對無線能量傳輸系統(tǒng)性能影響的實驗研究2597SP拓撲補償;初級繞組并聯(lián)電容補償,次級繞組串電阻電壓可以利用IVT321毫伏表進行測量,負載電阻電流和輸出功率由實驗數(shù)據(jù)計算得到。聯(lián)電容補償,稱為PS拓撲補償;初級繞組并聯(lián)電容補償,次級繞組并聯(lián)電容補償,稱為PP拓撲補償,分別如圖2a)、b)、c)、d)所示。圖3實驗系統(tǒng)3初次級回路補償對供電電源性能的影響初次級回路電容補償可以提高系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率和改進

5、功率因數(shù)。電容補償類型分串聯(lián)和并聯(lián)兩種。實驗采用鐵芯變壓器,初次級繞組鐵圖2初次級補償系統(tǒng)模型芯氣隙(軸向距離)為10mm。該實驗運行頻率為100kHz,保持負載輸出功率不變,主要研究初次級2無線能量傳輸實驗系統(tǒng)的構(gòu)成無線能量傳輸實驗系統(tǒng)如圖3所示。其中a)為實驗原理圖,圖中WL3866B寬帶大功率信號源的輸入電源是工頻交流電,可以輸出8(10)kHz1MHz高頻正弦交流電,電壓范圍為(0240)V,最回路電容補償對系統(tǒng)性能的影響,包括初級補償、次級補償,初次級同時補償對電源電壓、初級發(fā)射電流和功率因數(shù)的影響關(guān)系及補償前后的比較。該無線能量傳輸系統(tǒng)松耦合變壓器的電路參數(shù):初級電感L1=110.

6、76H,次級電感L2=92.44H,互感M=35.5H,內(nèi)阻R1=1.68,R2=1.23,負載電阻為51,初級繞組串聯(lián)和并聯(lián)補償下的補償電容分別為C1=13.7和14.8F,次級繞組串聯(lián)或大功率可達160W。初級繞組電流、電壓和輸入功率均可由WL258功耗儀測量。負載采用水泥電阻,© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2598科學(xué)技術(shù)與工程11卷者并聯(lián)補償電容均為27.2F。3.1初級補償對供電電源性能的影響表2次級補償前后輸入電壓、初級繞組電流和功率

7、因數(shù)輸入輸入電壓/V初級繞組電流/A功率因數(shù)無補償310.28723.9%串聯(lián)補償21.360.18898.3%并聯(lián)補償22.500.21377.0%在次級回路無補償情況下,根據(jù)初級回路的串聯(lián)補償和并聯(lián)補償?shù)难a償電容值分別進行實驗。實驗過程中,保持負載電壓不變,即輸出功率保持不變,測得的輸入電壓、初級繞組電流和功率因數(shù)見表1。表1初級補償前后輸入電壓、初級電流和功率因數(shù)輸入輸入電壓/V初級繞組電流/A功率因數(shù)無補償310.28723.9%3.3初次級各種補償方式對供電電源性能的影響前述兩種情況僅對初級或者次級進行補償,接下來的實驗對初級次級回路同時進行補償,共有四種補償方式:串-串補償,串-并

8、補償,并-串補償,并-并補償。根據(jù)補償電容的計算,初級補償電容分別為13.78H,1413.67H,14.H,.14.8H,.7.27.3H,實串聯(lián)補償2.210.288672.4%并聯(lián)補償30.70.18956%從表1中可以看出,在初級回路串聯(lián)電容補償后,輸入電壓顯著降低,為補償前的7.;組電流略有增加,;達到72.,幾乎不變;,65.9%;,為6%,效果不明顯。綜合上述,初級串聯(lián)補償可以顯著降低電源所需電壓,并聯(lián)補償可以有效降低初級繞組電流,串聯(lián)補償和并聯(lián)補償都可以提高功率因數(shù),但前者效果更加顯著。3.2次級補償對供電電源性能的影響,保持負載電壓不變,、初級繞組電流和功率因數(shù),具體實驗數(shù)據(jù)

9、見表3。表3初次級同時補償后輸入電壓、初級繞組電流和功率因數(shù)輸入輸入電壓/V初級電流/A功率因數(shù)串-串2.650.1900.785串-并1.890.21690.964并-串20.60.18380.086并-并21.80.2080.072從表3中可以看出,在初次級均補償情況下,輸入電壓和初級繞組電流均下降,功率因數(shù)都有提高,但在串串補償,串并補償時初級輸入電流相差不大,但輸入電壓比其他兩種情況時低很多,功率因數(shù)提高很多,在串并補償情況下輸入電壓最小,功率因數(shù)最高。初級回路無補償,次級回路電容補償,分別在次級串聯(lián)和并聯(lián)補償電容進行實驗。實驗過程中,保持負載電壓不變,測量初級回路輸入電壓、初級繞組電

10、流和功率因數(shù),具體實驗數(shù)據(jù)見表2。從表2中可以看出,次級回路電容串聯(lián)補償后輸入電壓為21.36V,為補償前的68.9%,初級繞組電流也降低了,為補償前的65.8%,功率因數(shù)也稍有提高;次級回路電容并聯(lián)補償后輸入電壓為22.5V,為補償前的72.5%,電流降為補償前的74.4%,4結(jié)論本文建立了以松耦合變壓器為基礎(chǔ)的無線能量傳輸系統(tǒng),對不同的初次級電容補償進行試驗研究。在次級回路無補償情況下,初級串聯(lián)補償可以顯著降低電源所需供應(yīng)的電壓,初級并聯(lián)補償可以有效降低初級繞組的電流;在初級回路無補償情況下,次級補償也可降低輸入電壓和初級繞組的發(fā)射電流,但與初級補償相比,電壓下降幅度小得多;在功率因數(shù)也有

11、提高,但比串聯(lián)補償時的稍小。這表明次級補償均可提高功率因數(shù),效果不明顯,同時也可降低輸入電壓和初級繞組的發(fā)射電流,與初級串聯(lián)補償相比,電壓下降幅度小得多。© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 11期劉修泉,等:電容補償對無線能量傳輸系統(tǒng)性能影響的實驗研究2599初次級均補償情況下,輸入電壓和初級繞組電流均下降,功率因數(shù)都有提高,但在串并補償情況下輸入電壓最小,功率因數(shù)最高。參考文獻1BingyiZ,HongbinL,GuihongF.Studyofthe

12、separabletransformerusedincontactlesselectricalenergytransmissionsystem.In:Trans22武瑛,嚴陸光,徐善綱.新型無接觸能量傳輸系統(tǒng).變壓器,2003;40(6):163武瑛,嚴陸光,黃常綱,等.新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的性能分析.電工電能新技術(shù),2003;22(4):10134HeinlothK.Wirelesspowertransmission.In:Fossilenergy.Spring2er2Verlag,2002:1871995SuhYH,KaiCF.Ahigh2efficiencydual2frequency

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14、ofonic,1,Guangzhou511483,P.R.China;SchoolofUniversityofTechnology,Guangzhou510640,P.R.China)AbstractonsofaWirelessPowerTransmission(WPT)systemandprimaryandsecondarycompensatedtopologiesareintroduced.Then,basedonalooselycouplingtransformer,theWPTsystemarede2signed.Theresultsshowthattheprimarycompensa

15、tedinseriescanreducethevoltageofpowersupplyevidently,theprimarycomensatedinparallelcanreducethecurrentoftheprimary;thesecondarycompensatedmayalsore2ducetheinputvoltageandprimarywindingsemissioncurrent,compareswiththeprimarycompensated,thevolt2agedeclinerateismuchsmaller;boththeprimaryandsecondarycompensated,theinputvoltageandtheprimarycurrentdrop,thepowerfactorisincreased.Buti