CN204596590U - 具有副边电流相位检测功能的改进型非接触变压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有副边电流相位检测功能的改进型非接触变压器，该非接触变压器包括原边和副边，原边包括原边磁芯和原边绕组，副边包括副边磁芯和副边绕组，所述原边还包括测试绕组和流压转换电路，该测试绕组和原边绕组共用原边磁芯，且该测试绕组短接，测试绕组的输出接入流压转换电路。本实用新型通过合理设计原边绕组和测试绕组，使得原边绕组各部分电流在测试绕组各部分中产生的磁通部分相抵或者完全相抵。通过将非接触变压器原边的测试绕组短路，使得测试绕组的短路电流与副边电流在松耦合和变气隙条件下始终满足线性关系，并通过流压转换电路得到同相位的电压信号。

Description

具有副边电流相位检测功能的改进型非接触变压器

技术领域

本实用新型涉及一种适用于非接触能量传输系统中使用的非接触变压器，属于电流互感器或电能变换领域。

背景技术

非接触供电是基于磁场耦合实现“无线供电”的新型电能传输模式，利用原副边完全分离的非接触变压器，通过高频磁场的耦合传输电能，使得能量传递过程中电能传输侧(简称供电侧)和电能接受侧(简称受电侧)无物理连接。与传统的接触式供电相比，非接触供电使用方便、安全，无火花及触电危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损和相应的维护问题，可适应多种恶劣天气和环境，便于实现自动供电。非接触供电技术因其特有的恶劣环境适应性、高安全性、少维护和方便性，在手机、机器人、人体植入设备、电动汽车等移动设备的供电场合，在油田、矿井、水下供电等环境恶劣或者易燃易爆场合均已得到了应用。

在非接触电能传输系统中，供电侧和受电侧一般存在相对运动，会引起系统中的核心部件——非接触变压器的结构参数上的变化，从而导致其耦合系数、漏感、激磁电感等电路参数的变化，参数的变化不仅影响到输出性能，严重时还可能导致系统失控。这就要求非接触变换器的控制方法应能够适应电路变参数的特点，保证稳定性和良好的快速性。Xiaoyong Ren,Qianhong Chen,Lingling Cao,Xinbo Ruan,Siu-chungWong,Chi.KTse,“Characterization and Control ofSelf-Oscillating Contactless Resonant Converter with Fixed VoltageGain”，IPEMC，2012提出了适用于非接触变换器的一种自激控制方法，通过检测非接触变压器副边电流或者整流桥电流的相位，利用过零比较得到逆变桥开关管的驱动信号，使非接触变换器在变参数条件下自动工作在电压增益恒定的频率点，实现变负载和变气隙条件下输出基本恒定。该控制方法简单，且能自动快速响应于变换器的参数变化。在这种控制方案中，如何在供电侧来快速和准确地检测受电侧待测电流的相位信息，成为该控制方法优点得以充分体现的关键。其它许多控制方法也需要在供电侧检测受电侧电流的相位信息。如J.Huh,W.Lee,G.H Cho,B.Lee,C.T Rim,“Characterization ofnovel inductivepowertransfer systems for on-line electric vehicles”,APEC,2011中提出当供电侧输入为恒流源输入，可通过使系统副边实现完全谐振来达到变负载条件下输出电压恒定的目的。变参数条件下，要实现副边完全谐振，就需要检测副边电流的相位信息。此外，副边谐振还是保证最大功率传输的条件，这同样需要检测副边电流的相位信息。可见，在供电侧检测受电侧的电流相位信息已成为许多非接触变换器控制方法得以实现的关键点之一。

目前非接触电能传输系统中将受电侧待测信号反馈至供电侧的非接触信号反馈方式主要有红外线及射频等检测方式。这些方式都是有源检测方式，也就是信号检测部分需要供电和相应的有源变换电路。P.Si,A.P.Hu,J.W.Hsu，M.Chiang，Y.Wang，S.Malpas and D.Budgerr，“Wireless power supply for implantable biomedical devicebased on primary input voltage regulation”，IEEE conference onIndustrial Electronics andApplication，2007，235-239给出了采用射频方式在供电侧检测受电侧输出电压的结构框图，输出电压信息依次经过受电侧的模数转换芯片和无线电收发器，发出射频信号，在供电侧以无线电收发器接收射频信号，再经由数模转换芯片得到输出电压信息，其它有源检测方案结构类似。这些有源检测方案中，其检测元件放置于非接触电能传输系统的受电侧，由于受电侧存在电能供给的限制，使得有源检测方案的应用存在较大的局限性。例如，启动前，受电侧无电能供给，反馈信号失控会影响启动；启动过程中，受电侧供电不稳定，信号反馈失真，影响系统工作；负载动态变化时，受电侧供电受影响，也会干扰检测信号从而影响非接触电能传输系统的稳定、可靠工作。此外，有源检测方案采用多级式的处理方式，对于需要检测电流相位信息的场合，可能引起较大延迟或相位失真。因此，如何在受电侧采用无源方式检测电流相位信息并准确快速地反馈至供电侧成为了非接触电能传输系统中电流相位检测的难点。

常规的电流无源检测方案为基于检测电阻的电流互感器。待测电流流入激励绕组，检测电阻并于测试绕组两端，通过获取检测电阻端电压，得到待测电流的数值或相位信息。常规电流互感器原副边绕组紧耦合，其激磁电感很大，漏感很小，因此检测电阻的电流及端电压与待测电流满足线性关系。但在非接触电能传输系统中，用于测量受电侧电流的电流互感器，其激励绕组和测试绕组同样要分处于受电侧和供电侧，绕组间松耦合，激磁电感很小、漏感很大；此外，在变气隙条件下，电流互感器激磁电感及漏感数值均发生变化。采用松耦合电流互感器加电阻检测的方法，因测试绕组电流即电阻电流与待测电流间不再满足线性关系，无法用于检测待测电流的相位信息。

为此，Kaiqin Yan,Qianhong Chen,Jia Hou,Wenxian Chen,Xiaoyong Ren and Xinbo Ruan“Self-Oscillating Contactless ResonantConverter with Phase Detection Contactless Current Transformer,”IEEEECCE,2013,pp.2920-2927给出的非接触电流互感器通过将电流互感器的测试绕组短路，使得测试侧的漏感和励磁电感相并联。由电流互感器的T型等值电路可知，待测电流由理想变压器按照匝比变换后经激磁电感支路和测试侧漏感支路并联流通。待测电流按阻抗比例流入测试侧漏感支路，由于两部分阻抗性质相同均为纯电感，则流入测试侧漏感支路的电流与待测电流成线性关系，所以测试绕组的短路电流与待测电流存在线性关系。非接触电能传输系统气隙变化时，电流互感器参数发生变化，但是测试绕组短路的电流互感器其并联支路阻抗性质相同的特点并不改变，因而不会影响测试绕组电流与待测电流满足线性关系的特性，仅会改变该线性关系的比例系数。确保了松耦合和变气隙条件下，采用电流互感器，在供电侧准确检测受电侧电流的相位信息。

采用独立的非接触电流互感器检测受电侧变压器绕组的电流，虽然能够在供电侧对受电侧电流相位进行无源检测，但系统中需要额外增加元件——非接触电流互感器。这增加了器件的个数，不利于系统功率密度的提高。同时，引入独立的非接触电流互感器要将其励磁侧绕组与承担功率传输功能的非接触变压器的次级串联，改变了次级侧的电路参数，次级补偿电容需要重新设计，同样设计条件下引入非接触电流互感器还会增加次级补偿电容的电压应力。另外，为了保证副边电流的测试精度，要减小非接触变压器和电流互感器的磁场耦合，这需要将非接触变压器和电流互感器之间保持一定距离并采用屏蔽技术。显然，这也不利于系统尺寸的降低。能否不用独立的电流互感器，直接利用非接触变压器自身同时实现电能传输和副边电流相位的检测成为研究的一个方向。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服上述结构的缺点，提出了一种能实现上述功能的基础上，不需要独立的非接触电流互感器的改进型非接触变压器。

本实用新型目的通过以下措施实现：

一种具有副边电流相位检测功能的改进型非接触变压器改进型非接触变压器，该非接触变压器包括原边和副边，原边包括原边磁芯和原边绕组，副边包括副边磁芯和副边绕组，所述原边还包括测试绕组和流压转换电路，该测试绕组和原边绕组共用原边磁芯，且该测试绕组短接，测试绕组的输出接入流压转换电路。

本实用新型的进一步设计在于：

所述原边绕组由一个绕组或者多个绕组顺向或者反向串并联组合构成，副边绕组由一个绕组或者多个绕组串并联组合构成，测试绕组由一个绕组或者多个绕组顺向串联或者反向串联组合构成。

通过调节原边绕组和测试绕组各部分的连接关系，使得原边绕组和测试绕组各部分磁通耦合相对关系不一致，正向耦合和反向耦合同时存在，原边绕组各部分的电流在测试绕组各部分中产生的磁通部分相抵，通过调整测试绕组包围的面积、相对于原边绕组的位置和匝数，理想情况下可以实现完全相抵。

其中，变压器原边与变压器副边结构非对称(不包括测试绕组)，且测试绕组相对原边激励磁场反对称布置，测试绕组电流在原边绕组中产生的磁通代数和接近于零。

其中，所述流压转换电路采用霍尔传感器、紧耦合的电流互感器或罗氏线圈将测试绕组电流转换为电压信号输出。

其中，所述原边磁芯采用E型、I型、U型、边沿扩展的U型磁芯或由以上形状组合拼接而成的磁芯；副边磁芯采用E型、I型、U型、边沿扩展的U型磁芯或由以上形状组合拼接而成的磁芯。

其中，所述原边磁芯和副边磁芯均可采用铁磁材料硅钢片、铁氧体、微晶、超微晶或坡莫合金制成，或者采用非导磁材料空气、陶瓷、塑料制成。

其中，所述原边绕组、副边绕组和测试绕组的导线均可选用实心导线、Litz线、铜带、空心铜管或者PCB绕组。

本实用新型与现有的非接触变压器加独立的非接触电流互感器方案相比具有如下优点：

1、本实用新型通过合理设计非接触变压器测试侧绕组和非接触变压器原边绕组的结构，大大降低原边绕组和测试绕组的耦合系数，实现了非接触电流互感器测试绕组和非接触变压器原边绕组共用原边磁芯，并且大大降低了原边绕组对测试绕组的干扰，不再需要现有技术中的非接触电流互感器测试侧。

2、本实用新型相当于在原有非接触变压器中接入一个非接触电流互感器，利用电路等效的方式，将现有技术中非接触电流互感器励磁侧电流和测试侧电流的相位关系，等效为非接触变压器副边绕组电流和非接触变压器原边测试绕组电流的相位关系，实现了对非接触变压器副边的复用，不再需要现有技术中的非接触电流互感器励磁侧。

3、本实用新型在保证现有技术中测试侧短路式非接触电流互感器功能的基础上，提出了该改进型非接触变压器，不再需要独立的非接触电流互感器，简化了电路结构。

4、本实用新型设计的改进型非接触变压器应用于非接触电能传输系统时，满足测试绕组短路电流与待测电流存在线性关系。非接触变压器气隙变化时，测试绕组和副边绕组的耦合系数发生变化，但是测试绕组的短路电流和副边绕组电流相位相同的特点并不改变，因而不会影响测试绕组电流与待测电流满足线性关系的特性，仅会改变该线性关系的比例系数。

附图说明

附图1-1是现有的非接触变压器加独立的非接触电流互感器的一个应用电路；

附图1-2是本实用新型改进型的非接触变压器的一个应用电路；

附图1-1和图1-2中主要符号名称：V_in—输入直流电压；Q₁～Q₄—开关管；G₁～G₄—开关管的驱动信号；C_p—原边谐振电容；C_S—副边谐振电容；D_R1～D_R4—输出整流二极管；C_f—输出滤波电容；R_L—负载；V_o—输出电压；i₁—非接触变压器原边绕组电流；i₂—非接触变压器副边绕组电流；i₃—非接触变压器测试绕组电流；v_c—流压转换电路输出电压。

附图1-3是本实用新型的改进型非接触变压器结构图；

附图1-3中的主要符号名称：1—非接触变压器原边；2—非接触变压器副边；3—流压转换电路；i₁—非接触变压器原边绕组电流；i₂—非接触变压器副边绕组电流；i₃—电流互感器的测试绕组电流；v_C—流压转换电路输出电压；M₁₂—非接触变压器原边绕组和非接触变压器副边绕组的互感；M₁₃—非接触变压器原边绕组和测试绕组的互感；M₂₃—非接触变压器副边绕组和测试绕组的互感；

附图2是本实用新型的非接触变压器的单绕组磁通抵消型原边结构图A；

附图3是本实用新型的非接触变压器的单绕组磁通抵消型原边结构图B；

附图4是本实用新型的非接触变压器的两绕组磁通抵消型原边结构图(两绕组串联)；

附图5是本实用新型的非接触变压器的两绕组中心绕组型原边结构图(两绕组串联)；

附图6是本实用新型的非接触变压器的三绕组磁通抵消型原边结构图(三绕组串联)；

附图7是本实用新型的非接触变压器的三绕组中心绕组型原边结构图(三绕组串联)；

附图8是本实用新型的非接触变压器的两绕组磁通抵消型原边结构图(两绕组并联)；

附图9是本实用新型的非接触变压器的两绕组中心绕组型原边结构图(两绕组并联)；

附图10是本实用新型的非接触变压器的三绕组磁通抵消型原边结构图(三绕组串并联)；

附图11是本实用新型的非接触变压器的三绕组中心绕组型原边结构图(三绕组串并联)；

附图12是本实用新型的采用E型磁芯作为非接触变压器原边或者副边磁芯的示意图；

附图13本实用新型的采用U型磁芯作为非接触变压器原边或者副边磁芯的示意图；

附图14是本实用新型的采用边沿扩展的U型磁芯作为非接触变压器原边或者副边磁芯的示意图；

附图15是本实用新型的采用I型磁芯组合拼接而成的边沿扩展的U型磁芯作为非接触变压器原边或者副边磁芯的示意图；

附图16是测试绕组短路的电路模型；

附图17是流压转换电路的电路模型；

附图18测试绕组+流压转换电路模型；

附图19测试绕组和副边绕组电流波形。

其中图19-1对应气隙＝10mm；图19-2对应气隙＝20mm；图19-3对应气隙＝30mm。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述：附图非限制性公开了本实用新型的非接触互感器的几个具体的实施实例，结合附图对本实用新型的非接触互感器作进一步描述如下：

实施例一：

附图1-1给出了现有的非接触变压器加独立的非接触电流互感器的全桥应用电路，其中101为非接触变压器原边，102为非接触变压器副边，103为非接触电流互感器励磁侧，104为非接触电流互感器测试侧，103和104构成了独立的非接触电流互感器。

实施例二：

附图1-2给出了本实用新型改进型非接触变压器的全桥应用电路，对比图1-1和图1-2可以看出改进型非接触变压器不会改变主电路拓扑，其中105为原边绕组，106为副边绕组，107为测试绕组，108为流压转换电路。

实施例三：

附图1-3给出了本实用新型改进型非接触变压器的结构框图，其由非接触变压器原边1、非接触变压器副边2和流压转换电路3组成。

本实用新型设计非接触变压器原边1包括原边磁芯、原边绕组和测试绕组，非接触变压器原边1的测试绕组短路(即短接)，原边绕组可由一个绕组或者多个绕组串并联组合构成。

实施例四：

参见附图2，201为原边磁芯，202A和202B串联构成测试绕组，203为原边绕组，原边绕组203与测试绕组202A和202B的耦合关系相同，由于202A和202B是反向串联，所以原边绕组电流在测试绕组两部分中产生的磁通部分相抵，理想情况下，通过调整测试绕组202A和202B包围的面积、相对原边绕组的位置和匝数，可以使得202A和202B耦合到的磁通大小相同，实现磁通完全相抵。

实施例五：

参见附图3，301为原边磁芯，302A和302B串联构成测试绕组，303为原边绕组，原边绕组303与测试绕组302A和302B的耦合关系相同，由于302A和302B是反向串联，所以原边绕组电流在测试绕组两部分中产生的磁通部分相抵，理想情况下，通过调整测试绕组302A和302B包围的面积、相对原边绕组的位置和匝数，可以使得302A和302B耦合到的磁通大小相同，实现磁通完全相抵。

实施例六：

参见附图4，401为原边磁芯，402A和402B串联构成测试绕组，403A和403B串联构成原边绕组，原边绕组403A与测试绕组402A的耦合关系和原边绕组403B与测试绕组402B的耦合关系相同，由于402A和402B是顺向串联，403A和403B是反向串联，所以原边绕组两部分电流在测试绕组两部分中产生的磁通部分相抵，通过调整测试绕组包围的面积、相对原边绕组的位置和匝数，理想情况下可以实现完全相抵。

实施例七：

参见附图5，501为原边磁芯，502为测试绕组，503A和503B串联构成原边绕组，原边绕组503A和503B与测试绕组502的耦合关系相同，由于503A和503B是反向串联，所以原边绕组两部分电流在测试绕组中产生的磁通部分相抵，通过调整测试绕组包围的面积和相对原边绕组的位置，理想情况下可以实现完全相抵。

实施例八：

参见附图6，601为原边磁芯，602A、602B和602C串联构成测试绕组，603A、603B和603C串联构成原边绕组，原边绕组603A与测试绕组602A的耦合关系、原边绕组603B与测试绕组602B的耦合关系和原边绕组603C与测试绕组602C的耦合关系相同，由于602A、602B和602C是顺向串联，603A和603B是反向串联，603A和603C是顺向串联，所以原边绕组三部分电流在测试绕组三部分中产生的磁通部分相抵，通过调整测试绕组包围的面积、相对原边绕组的位置和匝数，理想情况下可以实现完全相抵。

实施例九：

参见附图7，701为原边磁芯，702为测试绕组，703A、703B和703C串联构成原边绕组，原边绕组703A、703B和703C与测试绕组702的耦合关系相同，由于703A和703B是反向串联，703A和703C是顺向串联，所以原边绕组三部分电流在测试绕组中产生的磁通部分相抵，通过调整测试绕组包围的面积和相对原边绕组的位置，理想情况下可以实现完全相抵。

实施例十：

参见附图8，801为原边磁芯，802A和802B串联构成测试绕组，803A和803B并联构成原边绕组，原边绕组803A与测试绕组802A的耦合关系和原边绕组803B与测试绕组802B的耦合关系相同，由于802A和802B是顺向串联，803A和803B是反向并联，所以原边绕组两部分电流在测试绕组两部分中产生的磁通部分相抵，通过调整测试绕组包围的面积、相对原边绕组的位置和匝数，理想情况下可以实现完全相抵。

实施例十一：

参见附图9，901为原边磁芯，902为测试绕组，903A和903B并联构成原边绕组，原边绕组903A和903B与测试绕组902的耦合关系相同，由于903A和903B是反向并联，所以原边绕组两部分电流在测试绕组中产生的磁通部分相抵，通过调整测试绕组包围的面积和相对原边绕组的位置，理想情况下可以实现完全相抵。

实施例十二：

参见附图10，1001为原边磁芯，1002A、1002B和1002C串联构成测试绕组，1003A和1003C的串联支路和1003B并联构成原边绕组，原边绕组1003A与测试绕组1002A的耦合关系、原边绕组1003B与测试绕组1002B的耦合关系和原边绕组1003C与测试绕组1002C的耦合关系相同，由于1002A、1002B和1002C是顺向串联，1003A和1003C是顺向串联，1003A和1003B是反向并联，所以原边绕组三部分电流在测试绕组三部分中产生的磁通部分相抵，通过调整测试绕组包围的面积、相对原边绕组的位置和匝数，理想情况下可以实现完全相抵。

实施例十三：

参见附图11，1101为原边磁芯，1102为测试绕组，1103A和1103C的串联支路和1103B并联构成原边绕组，原边绕组1103A、1103B和1103C与测试绕组1102的耦合关系相同，由于1103A和1103C是顺向串联，1103A和1103B是反向并联，所以原边绕组三部分电流在测试绕组中产生的磁通部分相抵，通过调整测试绕组包围的面积和相对原边绕组的位置，理想情况下可以实现完全相抵。另外，附图2～11所示的非接触变压器原边的架构给出了原边绕组为单绕组、两绕组、三绕组时实现原边绕组电流在测试绕组中产生的磁通部分相抵或者完全相抵的方法，以此类推，原边绕组可以由更多绕组顺向或者反向串并联组合而成，测试绕组可以由一个或多个绕组顺向或者反向串联组合构成。

所述非接触变压器副边2包括副边磁芯和副边绕组，副边绕组可由一个绕组或者多个绕组串并联组合构成。

非接触变压器原边1和副边2的磁芯可采用E型、I型、U型、边沿扩展的U型等多种形状以及由以上形状组合拼接而成的磁芯，非接触变压器原边1和副边2采用的磁芯类型可不同。

参见附图12，其原边或副边磁芯采用E型磁芯。

参见附图13，其原边或副边磁芯采用U型磁芯。

参见附图14，其原边或副边磁芯采用边沿扩展的U型磁芯。

参见附图15，其原边或副边磁芯采用I型磁芯组合拼接而成的边沿扩展的U型磁芯。

本实用新型的非接触变压器所采用的测试绕组短路的方法，其等效电路图参见附图16。其中，副边绕组和测试绕组构成了一个电流互感器，n₁为匝比，L₁、L₂分别为副边绕组侧的漏感和激磁电感，L₃为测试绕组侧的漏感。i₂为待测电流，i₃为测试绕组电流。检测时，待测电流流过非接触变压器的副边绕组，根据阻抗的比例关系，可以得到测试绕组电流i₃：

${\stackrel{\·}{I}}_3=\frac{1}{n_1}\·\frac{\mathrm{j\ω}{L}_3}{\mathrm{j\ω}{L}_3+\mathrm{j\ω}{L}_2/n_1^2}{\stackrel{\·}{I}}_2=\frac{1}{n_1}\·\frac{L_3}{L_3+L_2/n_1^2}{\stackrel{\·}{I}}_2---\left(1\right)$

从式(1)可以看出，测试绕组电流与待测电流成线性关系，二者仅相差一个比例系数。而当非接触电能传输系统的气隙发生变化时，激磁电感及漏感的变化并不能影响其线性关系，仅能改变该线性关系的比例系数。因此，在变气隙条件下，仍可从测试绕组的电流得到待测电流的相位信息，二者始终保持同相。

通过短路的测试绕组，得到了与待测电流同相位的电流信号，但是电流信号并不能直接为控制电路所用，因此需要加入流压转换电路。同时，为保证电流互感器测试绕组短路的性质，流压转换电路必须采用对测试绕组电流与待测电流线性关系影响小的方式实现。

符合上述要求的流压转换电路有多种，且相应的转换电路对应不同的工作带宽，下面选择基于检测电阻的电流互感器作为流压转换电路对检测原理做出解释。

测试实例一：

本实用新型采用基于检测电阻的电流互感器作为流压转换电路。

参见附图17，其中1为短路的测试绕组和副边绕组构成的电流互感器(下称电流互感器1),2为基于检测电阻的电流互感器(下称电流互感器2)，其绕组间紧耦合，电流互感器1的短路线作为电流互感器2的激励绕组。由于电流互感器2是紧耦合的，忽略其漏感，采用变压器漏感模型则可得到附图18-1所示的电路等效模型。其中，L₁、L₃、L₂分别为电流互感器1的副边绕组侧漏感、激磁电感和测试侧漏感，n₁为其匝比，L_m为电流互感器2的激磁电感，n₂为其匝比，R_CS为检测电阻，i₂为待测电流，i₃为电流互感器1的测试绕组电流，v_C为检测电阻R_CS的端电压。

根据匝比关系可将电流互感器2测试侧的检测电阻及激磁电感折合至其激励侧，相应的等效电路图参见附图18-2，其中，等效电阻R_CS′及等效激磁电感L_m′为：

${R_{\mathrm{CS}}}^{\′}=R_{\mathrm{CS}}/n_2^2---\left(2\right)$

${L_m}^{\′}=L_m/n_2^2---\left(3\right)$

为减小电流互感器2所产生的误差，一般其匝比n₂取值很大，因而折合后的等效电阻R_CS′及等效激磁电感L_m′相对于电流互感器1测试侧的阻抗来说很小，因此可忽略其影响，认为电流互感器1的测试绕组短路，相应的电路图可简化为附图16。而电流互感器2的激励电流可认为是电流互感器1测试绕组的短路时的测试绕组电流，满足(1)式。

由于电流互感器2的次级匝数多，激磁电感L_m相对于检测电阻R_CS很大，可忽略激磁电感的影响，再根据电流与匝比之间的关系，则可得到检测电阻R_CS两端的电压v_C：

${\stackrel{\·}{V}}_C=\frac{1}{n_2}{\stackrel{\·}{I}}_3{R}_{\mathrm{CS}}=\frac{1}{n_1{n}_2}\·\frac{R_{\mathrm{CS}}{L}_3}{L_3+L_2/n_1^2}{\stackrel{\·}{I}}_2---\left(5\right)$

显然，此时待测电流i₂、电流互感器1的测试绕组电流i₃及检测电阻端电压v_C互成线性关系，三者相位始终保持一致，获得检测电阻端电压v_C的相位信息即可得到待测电流i₂的相位。

基于检测电阻的电流互感器实现了流压转换电路的功能，可以准确的将测试绕组电流转化为电压信号输出，通过检测该电压信号的相位，即可得到改进型非接触变压器副边绕组的电流相位。

测试实例二

下面采用附图1-2所示的电路对本实用新型改进型非接触变压器进行实验验证。

其中非接触谐振变换器的逆变桥采用全桥变换器拓扑，原副边采用串/串补偿方式。短路的测试绕组中电流i₃和副边电流i₂相位相同，经由流压转换电路得到与非接触变压器副边电流i₂相位相同的电压信号v_c。

非接触变压器的原边采用附图4所示的方式绕制，原边绕组为两个15匝的绕组反向串联，原边测试绕组包围整个原边绕组，测试绕组匝数为2匝，副边绕组也为两个15匝的绕组反向串联。原边磁芯和副边磁芯采用E型和I型磁芯组合拼接而成。实测感量分别为：原边绕组自感70uH，副边绕组自感70uH，测试绕组自感2.18uH，当气隙距离分别为10mm、20mm和30mm时，原边绕组和测试绕组的耦合系数分别为0.0061、0.005和0.0009，非常接近于0；测试绕组和副边绕组的耦合系数分别为0.03、0.026和0.021。

流压转换电路采用基于检测电阻的电流传感器，其绕组间紧耦合，磁芯采用新康达公司型号为H10/6/5环形磁芯。

电流互感器1的测试绕组的短路线直接穿过磁环，即该电流传感器2的激励绕组为1匝，电流互感器2的测试绕组匝数取100匝，采用的检测电阻为100Ω。

采用型号为RIGOL DS1102E的示波器，分别在原副边绕组气隙距离为10mm、20mm和30mm时进行了测试，实验结果参见附图19(包括19-1，19-2，19-3)。由实验波形可以看出，在不同的气隙距离下，待测电流i₂峰峰值都为6.48A，测试绕组电流i₃峰峰值分别为1.02A、0.82A和0.7A，均没有相位差。说明待测电流i₂和测试绕组电流i₃满足线性关系，且气隙的变化，并不影响该线性关系，仅仅影响该线性关系的比例系数，两个量始终保持同相位。

本实用新型设计的新型非接触变压器在松耦合和变气隙条件下，通过测试绕组，在供电侧准确检测到受电侧电流的相位信息，不再需要独立的非接触电流互感器。

Claims (8)

1.一种具有副边电流相位检测功能的改进型非接触变压器，该非接触变压器包括原边和副边，原边包括原边磁芯和原边绕组，副边包括副边磁芯和副边绕组，其特征在于：所述原边还包括测试绕组和流压转换电路，该测试绕组和原边绕组共用原边磁芯，且该测试绕组短接，测试绕组的输出接入流压转换电路。

2.如权利要求1所述的改进型非接触变压器，其特征在于：所述原边绕组由一个绕组或者多个绕组顺向或者反向串并联组合构成，副边绕组由一个绕组或者多个绕组串并联组合构成，测试绕组由一个绕组或者多个绕组串联组合构成。

3.如权利要求1所述的改进型非接触变压器，其特征在于：变压器原边与变压器副边结构非对称，且测试绕组相对原边激励磁场反对称布置，测试绕组电流在原边绕组中产生的磁通代数和接近于零。

4.如权利要求1所述的改进型非接触变压器，其特征在于所述流压转换电路采用霍尔传感器、紧耦合的电流互感器或罗氏线圈将测试绕组电流转换为电压信号输出。

5.如权利要求1～4任一项所述的改进型非接触变压器，其特征在于：所述原边磁芯和/或副边磁芯的结构选用：U型、I型、两边柱底部沿侧边向外扩展的边沿扩展型、十字形或者上述形状的组合。

6.根据权利要求1～4任一项所述的非接触变压器，其特征在于：所述原边磁芯和副边磁芯均选用整块磁芯、或由多块磁芯采用阵列式方法拼装组合而成。

7.如权利要求1～4任一项所述的非接触变压器，其特征在于：所述原边磁芯和副边磁芯均选用导磁材料硅钢片、铁氧体、非晶、微晶、超微晶、坡莫合金、或粉芯材料制成；或者非导磁材料空气、陶瓷、环氧或塑料制成；或者由一种或多种导磁材料和/或一种或多种非导磁材料组合来实现。

8.如权利要求1～4任一项所述的非接触变压器，其特征在于：所述原边绕组、副边绕组和测试绕组的导线均选用实心导线、Litz线、铜带、空心铜管、PCB绕组或者它们的组合。