CN201163726Y - 非接触电能传输设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种非接触电能传输设备，以解决现有技术中直接接触的传输方式的不足。该设备，包括一滑动变压器，所述滑动变压器的原边和副边上分别设有原边变换器和副边变换器。本实用新型的没有裸露导线，不存在机械摩损，不会发生摩擦火花，其电能传输能力不受环境因素的影响，比接触式感应电能传输设备更为可靠、耐用；滑动变压器结构灵活多样，可以分别给相对于原边绕组保持静止、移动或旋转的电气设备供电，并且不受运动速度的限制；采用多个副边绕组接收能量时可为多个电气负载供电；采用高频谐振技术和无功补偿技术，可大大降低开关损耗，以及设备的重量和体积，提高设备的功率密度和传输效率。

Description

非接触电能传输设备

技术领域

本实用新型涉及电能传输设备技术领域，具体地说，涉及一种给运动设备供电的非接触电能传输设备。

背景技术

目前，在给运动设备供电时，公知的电能传输主要是通过导线的直接接触来进行的。由于存在滑动磨损、接触火花和不安全裸露导线等问题，这种通过导线的直接接触传输方式存在很大的局限性。

中国专利申请CN200610124129.9提供了一种感应藕合式无线电能传输装置，其特征在于：包括能量发送器，无接触变压器和能量接收器，所述能量发送器包括整流滤波电路、高频逆变电路和用于产生合适频率和脉宽信号的控制电路，输入的工频市电首先经整流滤波电路产生高压直流供给高频逆变电路，高频逆变电路将电能转换成高频交流电输出到无接触变压器初级端；无接触变压器的初、次级磁芯为彼此分隔，线圈分别绕制在对应磁芯上；能量接收器包括补偿电路、整流滤波电路和用于控制电流或电压稳定输出的PWM控制电路，补偿电路接收到无接触变压器次级端感应藕合的能量后经过整流滤波电路和PWM控制电路形成稳定输出。但其传输效果不佳。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种没有裸露导线，不存在机械磨损，没有因为摩擦而产生噪声与尘埃的非接触电能传输设备，以解决现有技术中直接接触的传输方式的不足。

本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种非接触电能传输设备，包括一滑动变压器，其特征在于：所述滑动变压器的原边和副边上分别设有原边变换器和副边变换器。

本实用新型中，所述滑动变压器包含平面式滑动变压器、U型滑动变压器和E型滑动变压器，以适应不同的使用场合。

所述滑动变压器的原边绕组安置在输电轨道上，延伸为很长的环线，而副边绕组绕在沿轨道移动的开口铁芯上。

所述滑动变压器的一次侧绕组和二次侧绕组上设有无功功率补偿电路，以维持一定的电能传输，所述一次侧绕组采用长矩形或长环形。

由于一次侧并联电容对高频交流电有较大的滤波作用，根据负载的不同性质，所述补偿电路采用串联-串联电容补偿电路或者串联-并联电容补偿电路。

所述原边变换器和副边变换器均采用高频变换器，原边变换器将工频交流电流经整流、逆变转换成高频交流电流，供给原边绕组，原边绕组电流在空间建立高频交变磁场，并在副边绕组中产生高频感应电动势及高频感应电流，在输出端副边变换器根据负载用电需要，将副边高频电流进行整流、逆变，最后提供给负载。

本实用新型的非接触电能传输设备具有这样的有益效果：(1)没有裸露导线，不存在机械摩损，不会发生摩擦火花，其电能传输能力不受环境因素的影响，比接触式感应电能传输设备更为可靠、耐用；(2)滑动变压器结构灵活多样，可以分别给相对于原边绕组保持静止、移动或旋转的电气设备供电，并且不受运动速度的限制；(3)采用多个副边绕组接收能量时可为多个电气负载供电；(4)采用高频谐振技术和无功补偿技术，可大大降低开关损耗，以及设备的重量和体积，提高设备的功率密度和传输效率。

附图说明

图1是本实用新型E型滑动变压器结构示意图。

图2是滑动变压器的补偿电路的拓扑结构示意图。

图3是滑动变压器仿真模型。

图4是滑动变压器输出电流的仿真波形图。

图5是谐振频率的分析图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

如图1所示，一种非接触电能传输设备，滑动变压器是本实用新型非接触感应电能传输设备的核心，滑动变压器的结构可以是多种多样的，如平面结构、U型结构和E型结构等，以适应不同应用场合的需要。

普通变压器的原、副边绕组绕在共同的闭合铁芯上，虽然磁路藕合系数很高，但原、副边绕组不能相对运动。而滑动变压器的原、副边绕组是可以分离的，其磁路经气隙而闭合，故又称为可分离变压器或气隙变压器。滑动变压器原、副边之间仍然通过电磁感应实现电能传输，因气隙而导致的磁路藕合系数的降低由提高原边输入电流的频率加以补偿。

对于长距离移动式非接触电能传输系统，滑动变压器的原边绕组可安置在输电轨道上，延伸为很长的环线，而副边绕组绕在沿轨道移动的开口铁芯上。另外，进行长距离供电时通常需要一定的开关控制系统，实现副边绕组的分段式供电，提高传输效率。

对于自动化码头的高速货运小车，滑动变压器一、二次侧之间的气隙应较长，并且一次侧绕组为长矩形或长环形。为使一、二次侧绕组尽量接近，本实施例中，变压器的铁心采用E型结构，如附图1所示。从电能传输途径的角度来说，一次侧绕组称为“供给线圈(supply coil”)，二次侧绕组称为“拾起线圈(pickup coil)”。

随着滑动变压器磁路藕合程度的下降，为维持一定的电能传输，必须提高交变磁场的频率，即系统的工作频率。这样，滑动变压器一、二次侧回路的电抗值成倍增加。要实现一定的功率输出，还必须提高供电电压，从而大大降低了系统的利用率。为此需要对一、二次侧回路的无功功率进行补偿。通过一次侧补偿，可以提高一次侧绕组输入端的功率因数，提高供电质量；通过二次侧补偿，可以提高系统的输出功率和传输效率。

最基本的补偿方式有2种：串联补偿和并联补偿。若一、二次侧分别采用串联或者并联补偿，则系统的补偿拓扑共有4种，即串-串联补偿，串-并联补偿，并-串联补偿，并-并联补偿。考虑到一次侧并联电容对高频交流电有较大的滤波作用，根据负载的不同性质，实际使用的是串联-串联补偿和串联-并联补偿这两种方式。

参见图2，滑动变压器的补偿拓扑结构。由于滑动变压器漏磁通较大(与主磁通相当，甚至比主磁通还要高)，所以常用的基于主磁通/漏磁通的等效电路模型在此并不适用。本实用新型从最基本的支路电压平衡方程和磁链方程入手，采用状态变量法建立基于耦合电感理论的数学模型。从而对滑动变压器进行建模分析。滑动变压器一、二次侧的电压平衡方程为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_1=u_{C1}+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_1}{\mathrm{dt}}+R_1{i}_1\\ u_2=u_{C2}+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_2}{\mathrm{dt}}+R_2{i}_2\end{array}\right.---\left(\text{1}\right)$

相应的磁链方程为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_1=L_1{i}_1+{\mathrm{Mi}}_2\\ {\mathrm{\ψ}}_2={\mathrm{Mi}}_1+L_2{i}_2\end{array}\right.---\left(2\right)$

对于一、二次侧补偿电容， $u_{C1}=\frac{1}{C_1}\∫i_1\mathrm{dt},$ $u_{C2}=\frac{1}{C_2}\∫i_2\mathrm{dt}.$

根据状态变量法，选择一、二次侧绕组磁链ψ₁、ψ₂作为状态变量，相应的状态方程为

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{d\ψ}}_1}{\mathrm{dt}}=u_1-u_{C1}-R_1{i}_1\\ \frac{{\mathrm{d\ψ}}_2}{\mathrm{dt}}=u_2-u_{C2}-R_2{i}_2\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，u₁为已知的一次侧输入电压。一、二次侧绕组电流i₁、i₂可由磁链方程得到

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1=\frac{L_2{\mathrm{\ψ}}_1-M{\mathrm{\ψ}}_2}{L_1{L}_2-M^2}\\ i_2=\frac{L_1{\mathrm{\ψ}}_2-M{\mathrm{\ψ}}_1}{L_1{L}_2-M^2}\end{array}\right.---\left(4\right)$

另外，按照附图2(a)所示的正方向，负载电压u₂＝-R_Li₂。

图3是滑动变压器的仿真模型。根据图二设定的状态方程，在MATLAB/SIMULINK环境下可以建立如图3所示的串联-串联补偿时滑动变压器的仿真模型。

图4为输出电流的仿真波形。为了说明无功补偿的作用，图中给出了三种情况下的结果。可见，输出电流的幅值在无补偿时不到20A，一次侧补偿时约为60A，而双侧补偿时超过80A。这说明运用补偿技术可以大大提高系统的传输能力。

图5给出了双侧补偿时输出电流幅值随系统工作频率的变化曲线，频率变化范围是10kHz～30kHz。可见，系统工作频率的大小对系统传输效率的影响是非常显著的，谐振频率出现在20kHz附近，这与耦合电路谐振频率近似计算公式 $f_0=1/2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}$ 的结果是基本一致的。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种非接触电能传输设备，包括一滑动变压器，其特征在于：所述滑动变压器的原边和副边上分别设有原边变换器和副边变换器。

2.如权利要求1所述的非接触电能传输设备，其特征在于：所述滑动变压器包含平面式滑动变压器、U型滑动变压器和E型滑动变压器。

3.如权利要求1所述的非接触电能传输设备，其特征在于：所述滑动变压器的原边绕组安置在输电轨道上，延伸为环线，副边绕组绕在沿轨道移动的开口铁芯上。

4.如权利要求1至3所述的非接触电能传输设备，其特征在于：所述滑动变压器的一次侧绕组和二次侧绕组上设有无功功率补偿电路。

5.如权利要求4所述的非接触电能传输设备，其特征在于：所述一次侧绕组包含长矩形和长环形。

6.如权利要求4所述的非接触电能传输设备，其特征在于：所述补偿电路包含串联-串联电容补偿电路和串联-并联电容补偿电路。

7.如权利要求1所述的非接触电能传输设备，其特征在于：所述原边变换器和副边变换器为高频变换器。

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