电气工程新技术文献综述

东北石油大学电气工程新技术文献综述2011年11月6日课程电气工程新技术研究方向非接触式电能传输技术院系电气信息工程学院自动化系专业班级电气08-1班学生姓名冯小童学生学号080603140102东北石油大学电气工程技术文献综述1非接触式电能传输技术文献综述前言非接触电能传输技术是近年来备受国际学术界关注的一项新的能量传输技术。基于该技术的非接触电能传输系统与传统的能量传输方式相比，克服了设备移动灵活性差及环境不美观等缺点，还解决了大气高频电磁污染、接触火花、碳积、机构磨损和大电流载体不安全裸露等影响环境清洁的问题。且可以应用于一些有特殊要求的场合中如：在化工、采矿等易燃、易爆场合。非接触式电能传输安全性高，无需电路连接维护，能够实现完全气密性，防水性和无人化管理。[1]1．非接触电能传输系统的基本原理非接触电能传输技术是用电设备以非接触方式从固定电网取电的技术，基于电磁耦合感应原理，综合利用现代电力电子能量变换技术、磁场耦合技术、大功率高频变换技术(包括谐振变换技术和电磁兼容设计技术等)，借助现代控制理论和方法，实现电能的非接触传输。基于该技术的非接触电能传输系统核心为利用电磁耦合原理实现电能无接触传输。即通过感应耦合电能传输技术传导电能。ICPT技术根据传统变压器的原理及特点[2]，把传统变压器的原副边分离成疏松磁耦合，以空气为磁介质传输电能。工频交流电经初级变换器转换为高频交变的电流；由原边初级绕组将其以电磁波的形式辐射到周围空间，副边次级绕组因感应耦合产生感应电动势从而拾取电能经次级变换器为负载供电。通过上述几部分的发展完善和优化设计组合，大幅提高互感耦合，使电能传输效率及电能传输容量得到提高，真正的无接触(无线)电能传输将得以实现。目前日趋完善的非接触电能传输系统(CPT)模式如图1所示。图一CPT结构示意图2．功率补偿与变压器设计非接触电能传输系统中的电磁耦合属于松耦合，松耦合系统与传统的变压器和感应电机等紧密耦合不同的是，松耦合系统初次级间存在着一个较大的气隙，漏感较大，系统的传输能力很有限。解决这个问题的有效办法有：提高系统频率，初级变换器次级绕组次级变换器初级绕组电源负载东北石油大学电气工程技术文献综述2在初级和次级加入补偿电路，改进变压器结构[3]。松耦合变压器耦合系数很小，为提高能量的传输效率而提高系统频率，但频率受到电力电子功率器件及控制技术的限制。近年，随着电力电子技术的飞速发展，系统频率已经可以达到M以上级别。由于漏感很大，在高频下，功率因数变得很低。现有的解决方法一般就是在原副边加补偿电容。有串联补偿，并联补偿及串并联补偿等。文章的第二章对系统的补偿进行了详细的研究与分析。改进变压器结构，提高耦合系数，是提高系统传输效率的最好方法，目前已经有很多文章进行了相关的研究。张峰，王慧贞在《非接触感应能量传输系统中松耦合变压器的研究》一文中，对影响系统功率传输能力的耦合系数进行了研究。并通过ANSYS仿真软件进行了仿真，选取耦合系数较高绕线方式进行了实验研究并进行了实验数据测定。韩亚荣等人的《非接触式电能传输系统的松耦合变压器特性分析》分析了松耦合变压器的特点，利用有限元模型分析了铁芯材料、线圈位置、气隙大小对变压器耦合系数的影响[4]。3.谐振逆变技术与软开关技术如前所述，提高发射线圈中的交变电流频率是提高系统的能量传输效率的有效途径之一。自从上世纪八十年代起，随着大功率电力电子开关器件的发展，采用大功率半导体的谐振逆变器也逐步得到了应用。由于现代功率半导体器件的开关过渡时间（开通瞬间和关断瞬间）在毫秒到纳秒级，因此变换器电路中的寄生电感和寄生电容在开关过渡过程中总是要起作用。当变换器开关的过渡过程只受外部的寄生成分影响时，这种开关被定义为硬开关。借助于附加的电感和电容来延缓开通和关断过程，这就是缓冲电路的作用。当开关过渡过程中为了减小开关的应力而使储存的电磁能量增大，从而造成在每一个开关过渡过程中储存的电磁能量在下一个循环中不能比较经济地消耗掉，这就产生了馈能型缓冲电路技术，当储存在电磁元件中的能量进一步增加的时候，可以在电路中观察到明显的谐振现象，这就导致了谐振变换器技术的产生。谐振开关技术为提高半导体器件的开关频率和降低开关损耗提供了有效的解决途径，从理论上来讲，采用谐振开关技术将使功率器件的开关损耗降低到零，从而开关频率的选取将不再受到限制。在目前的实际应用中，20MHz等级的谐振开关电源技术已经比较成熟，更高频率等级的谐振开关电源也处于不断的发展之中。逆变器电路型式多种多样，按电路结构可分为全桥、半桥和非桥式等；按负载特点可分为谐振式和非谐振式[5]。根据非接触电能传输系统中的特殊负载情况，即较大的线路阻抗将影响逆变器的输出效率，所以必须在负载中添加电容进行无功补偿，以提高传输效率。虽然半桥逆变电路使用的器件较少，但其输出幅值仅为U/2，将会限制开关器件功率容量的发挥，而且需要分压电容器，故很少采用[6]。为了提高逆变器的功率密度，增加电磁感应的耦合系数，提高电流频率是非接触式电能传输系统的必然选择。然而，实践证明，高频化会产生各种新的问题，如过高的du/dt、di/dt将产生严重东北石油大学电气工程技术文献综述3的电磁干扰(EMI)，开关损耗随开关频率正比上升，无源器件的损耗增大等。为了既能有效地抑制电磁干扰、降低开关损耗、提高能量传输效率与能量密度，又能较好地对电流电压波形进行预测，提高系统的可控性与稳定性，因此，应用于无接触电能传输系统中的逆变器拓扑结构采用全桥谐振式逆变器结构[7]。4．国内外的研究现状及发展趋势从20世纪80年代非接触式电能传输的概念提出至今，国内外对此进行了大量的研究。在国外，非接触式电能传输的技术发展已经相当的成熟，此技术已经德到了一定的运用，并出现了相关的产品。近年来，德国研发出一种内植遥感勘测装置，用于监测内植医疗辅助设备的状态。该装置接收线圈采用镍锰铁高导磁率合金40L，功率小，频率低(3．5-4．5kHz)，可实时非接触传递能量和数据；日本奥林巴斯医疗系统公司研制了一种用于检测消化道的胶囊内窥镜，胶囊内窥镜尺寸为直径11mm、长26ram，接收线圈内置胶囊里面，由外界磁场提供胶囊活动所需能量；北卡罗来纳州立大学电子计算工程系等研究机构开发出一种眼睛内神经刺激器以弥补视网膜功能缺陷。但由于非接触式电能接入技术的若干关键理论和技术尚未得到彻底解决，尚处于实用化技术开发和技术产业化的初级阶段。具有突破性进展的是2007年6月，美国麻省理工大学(MIT)科研小组在2．1m的空气隙间隔下，向另一端传送电能，使传输功率功率达~U40％，成功点亮一盏40W的灯泡。国内目前对CPT系统的研究仍很薄弱，虽然非接触电能传输系统应用前景广阔并且已经有很好的发展，但由于其造价昂贵以及传输功率和效率受距离的限制等问题，此项技术的研究及其产品应用仍处在起步阶段[8]。目前的研究多集中在变换器技术的改进上，通过改变变换器结构来达到提高效率的目的。多数文献仅对CPT在各领域的应用作了探索。5.总结非接触电能传输技术是通过电磁耦合，以非接触方式向负载传递能量的一项新技术。该技术集合了电力电子能量变换技术，磁场耦合技术，现代控制理论。由于这种电能传输方式没有接触摩擦，可减少对设备的损伤，不会产生易引燃引爆的火花，解决了给移动设备特别是在恶劣环境下工作设备的供电问题[9]。在交通运输、航空航天、机器人、医疗器械、照明、便携式电子产品、矿井和水下应用等场合有着广泛的应用前景。与其他新技术一样，非接触电能传输技术的发展也面临着很多的挑战。如电能传输技术成本过高、传输效率低、系统安全可靠性差以及易受外界电磁干扰等，这些因素制约着CPT在工程建设及日常生活中的应用。因而，非接触电能传输系统的研究正在向大容量、高效率、低成本、大气隙、高稳定性等方向发展[10]。东北石油大学电气工程技术文献综述4参考文献[1]Bitterly,J.G,Flywheeltechnology:past,present,and21stcenturyprojections,”IEEEAerospaceandElectronicSystemsMagazine,1998:13-16[2]Chwei-SenWang,GrantA.Covic,PowerTransferCapabilityandBifurcationPhenomenaofLooselyCoupledInductivePowerTransferSystems[J]IEEEtransactionsonindustrialelectronics,Vo1.51,No.1,Feb2004:148-156[3]H.Sakamoto,K.Harade,S.Washimiya,K,takehara.LargeAir-GapCouplerforInductiveCharger[J]，IEEEtransactionsonpowerelectronics,Vol35,No.5January1999:3526-3528[4]高金峰,徐磊.并联谐振型非接触供电平台的频率控制与设计[J].郑州大学学报(工学版).2006(04)[5]王平楠,唐厚君.基于非接触电能传输电路的技术分析[J].微处理机.2006(03)[6]孙跃,王智慧,戴欣,苏玉刚,李良.非接触电能传输系统的频率稳定性研究[J].电工技术学报.2005(11)[7]马皓,周雯琪.电流型松散耦合电能传输系统的建模分析[J].电工技术学报.2005(10)[8]武瑛,严陆光,徐善纲.运动设备无接触供电系统耦合特性的研究[J].电工电能新技术.2005(03)[9]孙跃,李良,戴欣,苏玉刚,王智慧.电流型全桥软开关变换器的离散映射建模与仿真[J].电工技术学报.2005(06)[10]孙跃,戴欣,苏玉刚,杜雪飞.广义状态空间平均法在CMPS系统建模中的应用[J].电力电子技术.2004(03)