副边无补偿的紧耦合旋转式无线供电技术研究

副边无补偿的紧耦合旋转式无线供电技术研究

王碧峰

内蒙古乌海亚东精细化工有限公司  内蒙古自治区乌海市  016030

摘要：本文对副边无补偿的紧耦合旋转式无线供电技术的原理、参数设计过程中的相关思考展开分析。在此基础上，结合仿真实验，对该技术实际应用过程中呈现出的特点进行总结，供参考。

关键词：副边无补偿；紧耦合旋转；无线供电；电磁感应

引言：某些大型复杂设备在运转过程中，需要设置大量传感器，用以对设备的工况进行连续监测。通过传统的“碳刷”方式对这些设置在设备之上的传感器进行供电时，极其容易因设备的正常运转导致碳刷受到磨损。基于此，频繁停机、维护供电构件的模式无法满足相关需求。为解决这类问题，需要探索一种通过“无线”的方式，对特定元器件进行供电的方式。本文主要围绕副边无补偿的紧耦合旋转式无线供电技术的应用展开分析。

1.副边无补偿的紧耦合旋转式无线供电系统的构成

1.1系统原理分析

紧耦合工作条件的认定标准是：一些旋转设备采用无线供电方式时，其供电系统定转子之间的间隙最大不超过10mm，最小不低于1mm，耦合系数最小值也能够达到0.5[1]。满足上述要求，便可视为“紧耦合”。需要注意，绝大多数紧耦合旋转式无线供电系统都需根据“搭载”的设备的特性及“搭载位置”，进行针对性设计。比如无线供电系统常设置在盾构机设备的刀盘处，该供电系统的电路是补偿电路，搭载高频逆变器、空心变压器、高频整流器三种主要设备。根据盾构机刀盘的运行原理及在作业过程中的情况来看，应尽可能地减小开关处受到的电流应力作用。基于此，逆变器设备的结构不应该是常规结构，而应该设置成“全桥”结构。该结构的特点是，变压器原边虽然只有一个线圈，但由于具有“双边磁化”的特性，故变压器的综合利用率会大幅度提升。当有电流通过时，变压器圆边的工作电压即为输入电源电压。该结构的缺点是，可能导致变压器在运行过程中出现直流偏磁的问题且原边也存在电压短路的可能性。当该设备正常运转时，直流电流会被逆变为交流电流，进而在原边线圈谐振腔滤波的作用下，可以进一步基于交变电流生成交变磁场。若要进一步利用这一交变磁场，需要设置副边线圈，以产生感应电动势，最终在闭合回路中生成感应电流。同样设置全桥整流电路，可以将这种感应电流重新转化为直流电，进而完成对相关设备的供电。

总体来看，基于副边无补偿的紧耦合旋转式无线供电技术的核心原理是“电磁感应”，主要流程可以作如下总结：①电磁线圈处于“紧耦合、无直接接触”的状态[2]。②供电侧电路首先基于逆变器（全桥结构），将稳定供应的直流电流逆变为交流电。③原边线圈处的交流电在谐振腔滤波作用下，对应生成较为稳定的交变磁场。④副边线圈在交变磁场的作用下（基于电磁感应原理），会生成感应电动势。⑤副边线圈连接的电路中同样设置逆变器设备，逆向运用本段②步骤，可以将感应交流电（电动势）重新转化为稳定直流电压（与主边初始供应直流电电压完全一致），从而实现对相关设备的无线供电。

1.2系统参数分析

上文提到，副边无补偿的紧耦合旋转式无线供电技术在实际应用时，必须充分考虑所“搭载”的设备区域在设备运转过程中面对的客观情况，否则技术难以真正得到应用。依然以盾构机刀盘为例，经过实际考察后得知，无线供电系统只能安装在盾构机中心回转体之上的合适区域，且整体安装空间较为有限。基于此，上文提到的逆变器、变压器、整流器等设备本身的体积均应尽量压缩。除此之外，无线供电电路的整体大小也应尽量缩小，副边结构也应尽量简化。

基于上述条件限制，所设计的副边无补偿紧耦合旋转式无线供电电路的整体构想如下：

（1）补偿谐振结构为“原边串联结构-副边无补偿”结构；

（2）能够提供“外部补偿”的装置只有1个电容；

（3）上述单一电容设置在外部补偿电路之后，与空心变压器常规完成漏感谐振，与此同时，还可以对变压器的磁通量进行平衡限制，此举可以极大地降低磁通量饱和现象的发生率。

如果将逆变器的输出电压设定为u（t），那么基于傅里叶变换计算后，可以将逆变器输出电压转换为由电路系统工作频率、谐波次数两项参数构成的表达式：

（1）

在表达式（1）中，U表示初始直流电压；n为谐波次数，取值为正奇数（1、3、5……）；f（t）即为系统的工作频率。

根据上文所述，逆变器输出的电压电流会直接进入谐振腔中，此时用于外部补偿的电容C会对该直流电压电流进行隔断，并促使其转换成交流电压电流。受此影响，后级电路中很难产生有功功率。表达式（1）中等号右边部分、“+”之后的内容是“基波”的表达式，其中存在两个谐振点，分别表示外部电容C主边线圈的串联谐振以及与自身并联的另一电感线圈的并联谐振。

副边整流桥二极管处于导通状态时，意味着系统理论上同样处于正常工作状态。此时，副边会受二极管的作用，对应生成交流电动势。受电感线圈材质、电路中其他元器件品质的影响，无线供电系统基于电磁感应原理，转化前后的电压电流只在理论层面会保证“完全一致”。总体来看，磁通两侧的电感比例、电路材质等因素导致的电压电流转换品质因数都会影响转换后的无线供电效果。有研究表明，当副边无补偿的紧耦合旋转式无线供电电路的电感比例增加时，转化电压从初始状态到第二谐振点附近区域的区间内，呈现逐渐上升的趋势，但上升幅度逐渐平缓。这种趋势表明，电压虽然整体呈现增益状态，但对转换频率的灵敏度具有从高到低的特性。当电路电感比例逐渐减小时，电压增益曲线的“陡峭程度”会得到提升，即接近第二谐振点时，电压增益曲线趋近平缓的程度不如第一种情况。根据恒压输出工况结果，判定应当增加电路电感比例。这样设置的目的在于，尽量降低工作频率变化对电压增益产生的影响，且还可以使开关损耗尽可能地降低

[3]。

2.副边无补偿的紧耦合旋转式无线供电系统的实际运用结果分析

根据上文对副边无补偿的紧耦合旋转式无线供电系统的构成、运行原理、参数设计过程中的相关思考，设计简单试验，进行仿真验证。试验所用的设备包括整流稳压电路、屏蔽磁环、发射线圈、接收线圈、耦合机构、谐振电容、逆变器。电路的主要参数如下：①励磁电感8.30μH；②漏感3.50μH；③谐振电容0.995μF；④副边自感，分别为1.98μH、2.57μH、2.55μH；⑤谐振变化比例为7∶3∶3∶3；⑥开关频率为85kHz；⑦互感为2.29μH、2.88μH、2.43μH。 

仿真实验结果显示：①当开关频率无限接近85kHz区域时（由于仿真实验条件有限，检测设备无法精确判定开关频率是否能够在一段时间内始终保持为85.00kHz。因此，理论上只能视这一数值“无限趋近”），电流的相位与电压的相位基本保持一致，没有发现任何明显的“反相”情况。②谐振电流的波动变化情况整体符合“正谐波”的变化规律，表明原边基本在第2个谐振点附近区域维持正常工况。③针对副边多个子绕组在多重负载条件下的输出电压值进行仿真实验，最终结果显示，空载与有负载存在时，输出电压的差值较大；如果功率等级较低，则可以清楚看到线圈内阻会对装置产生较大影响，且随着负载的加大，电压增益幅度会降低。                                                      

结语：总体来看，副边无补偿的紧耦合旋转式无线供电技术应用时，主要利用电磁感应原理，首先将稳定供应、输出的直流电压会在逆变器的作用下转换为交流电流，在生成电磁场之后，副边线圈会产生感应电动势，再次在逆变器的作用下，重新转换为直流电压。这种技术应用于大型、复杂设备无线供电时，具有成本低、稳定性强、能够长期使用等特点，故应当予以推广。

参考文献：

[1]华超,周岩,胡震,等. 基于移相调制的无线供电与信息协同传输技术[J]. 电工技术学报:1-13.

[2]王展,蓝鲲,张金刚,等. LCC-S型箭地无线供电系统谐振网络参数优化方法[J]. 电源学报:1-13.

[3]连鸿强,麦瑞坤,李才洪,等. 副边无补偿的紧耦合旋转式无线供电技术[J]. 广东电力,2022,35(03):47-54.