无线感应供电技术助力现代有轨电车

1.无线感应供电构成及关键技术

庞巴迪Primove技术的核心技术是无线感应供电系统。无线感应供电系统由电源逆变电路、无接触变压器、负载整流电路和控制保护电路等组成，系统结构如图3-30所示。其中电源侧可以是交流电源也可以是直流电源，不同之处在于交流电源经过交直交逆变出所需高频交流电。直流供电时无需接整流电路，直接逆变为高频交流电。

由于和传统的直接接触不同，无接触供电系统通过空气气隙进行能量传递，磁耦合率较低，所以需要对其进行相应的补偿，提高系统整体效率是无线感应供电系统的关键技术问题。在系统工作频率固定的基础上，对于典型的感应耦合电能传输技术，无线感应供电系统中的能量损耗部分主要可以分为以下几个环节。

1）一次电能变换环节中的开关功率变换部分开关损耗及传导损耗。

图3-30 无接触供电系统结构图

2）电磁变换环节中的谐振部分传导损耗。

3）感应耦合环节中的功率传输效率。

4）二次电能变换环节中的损耗。

所以提高系统效率应从以下四个方面着手。

1）逆变整流电路部分，通过一次、二次侧补偿电路提高系统效率。尽量减小开关数量和损耗，使其工作在ZVS或ZCS软开关工作状态。

2）控制保护电路部分，使一次、二次侧的谐振频率和开关频率一致，并保持稳定的电压输出。

3）无接触变压器本身，通过优化铁心和线圈的几何参数，采用高磁导率的软磁材料，尽量提高无接触变压器的耦合能力。

4）二次侧整流电路，可以采用同步整流技术降低损耗和减小温升效应。

由此可见，系统效率的影响因素最终可以归结为一次、二次侧的电源变换电路和无接触变压器的设计。

2.变压器耦合模型与系统补偿

感应供电本质上可看为一类特殊的变压器。变压器模型主要有传统的变压器模型和互感模型。由于我们研究的系统主要处在松耦合情况下，在分析中必须将激磁电感和漏电感分开来考虑。互感模型使用感应电压和反映电压的概念来描述一次侧、二次侧系统之间的耦合效应。感应电压和反映电压都通过互感来表达。反映电压表示二次侧对于一次侧绕组的全部影响，不需要将互感与漏电感分开是这种模型分析的主要优点。无接触变压器与传统的变压器的本质区别在于一次侧、二次侧之间的耦合性能差异。对于传统的变压器，耦合系数通常在0.95～0.98，接近于1。而无接触变压器属于疏松耦合式系统，耦合系数通常在0.8以下，有的甚至不到0.1，漏电感较大，铁心工作在磁化曲线线性段。考虑到采用互感模型分析的以上优点以及无接触变压器的疏松耦合特性，下面将采用互感模型来分析无接触变压器中一次侧、二次侧绕组之间的耦合，一次侧绕组的参数为R_p和L_p，二次侧绕组参数为R_s和L_s。绕组间的互感为M。通过空载试验可以同时测得一次侧、二次侧绕组的自感和互感。

式中 I_p0——空载电流；

P₀——空载损耗；

U_oc——一次侧两端所施加电压；(www.xing528.com)

U_p——二次侧空载电压。

一次侧为电压源时，互感模型如图3-31所示，

图3-31 电压源供电的一次侧、二次侧等效电路

同理，当一次侧绕组为电流源供电时，一次侧、二次侧系统的等效电路如图3-32所示。

图3-32 电流源供电的一次侧、二次侧等效电路

为了提高发射功率和传输效率，减少无功功率的传输，需要对一次侧、二次侧电路进行无功功率补偿。一次侧电路部分，减小无功功率可以提高系统的传输容量和效率。拾电器电路设计部分，由于电磁机构自感的存在会导致拾电器输出效率下降，需要设计谐振变换电路补偿自感的影响。

由于系统工作在高频状态下，一次、二次电抗值相对于电阻值都较大，为简化分析，一次侧、二次侧绕组电阻可略去不计。

系统传输的功率为P=（ReZ_r）I²_p，所以为了提高功率传输效率，一次侧采用串联补偿，使得一次电流达到纯阻性，理论上系统在二次谐振频率下工作，系统的功率传输容量是没有限制的。在时，工作在全谐振状态下，可以有限地传递系统效率。为了改善系统供电性能，需对一次侧、二次侧回路进行无功补偿，提高传输功率和传输效率，形成了4种补偿结构：初级绕组电容串联补偿，次级绕组电容串联补偿，称为SS拓扑补偿；初级绕组串联电容补偿，次级绕组并联电容补偿，称为SP拓扑补偿；初级绕组并联电容补偿，次级绕组串联电容补偿，称为PS拓扑补偿；初级绕组并联电容补偿，次级绕组并联电容补偿，称为PP拓扑补偿，如图3-33所示。

3.拾电器设计

通过对拾电器磁心绕组结构的材料选择优化可以提高传输效率，其中磁心材料的选择如下。

图3-33 四种不同的补偿结构

（1）磁导率μ要高 选用μ值高的材料可以降低外磁场的励磁电流值，从而降低磁元件的体积。

在弱磁场中工作的磁性材料，激磁电流很小，要使灵敏度高，应选用起始磁导率μ_i值高的材料。而在强磁场中工作的磁性材料，为了得到大的磁通，要求材料的μ_max值要高。

（2）要求具有很小的矫顽力和狭窄的磁滞回线 材料的矫顽力越小，就表示磁化和退磁容易，磁滞回线狭窄，在交变磁场中磁滞损耗就越小。

（3）电阻率ρ要高 在交变磁场中工作的磁心具有涡流损耗，电阻率高，涡流损耗小。

（4）具有较高的饱和磁感应强度 磁感应强度高，相同的磁通需要较小的磁心截面积，磁性元件体积小。在低频时，最大工作磁通密度受饱和磁通密度限制。但在高频时，主要是损耗限制了磁通密度的选取，饱和磁通密度大小并不重要。目前应用比较多的磁性材料多为软磁材料，主要有铁氧体、铁粉芯、恒导合晶、非晶态合晶及硅钢片等。由于绝大多数的软磁材料是在交变磁场下工作的，在选用软磁材料时，重要考虑的因素是工作磁通密度、磁导率、损耗大小、工作环境及材料的价格等。

随着频率的提高，导线集肤效应更加明显，研究表明，高频电流的集肤效应意味着导线的有效截面积减小，工作频率越高，交变电流的实际电阻也越大，因此，在实际系统中将变得不可忽略，甚至是影响系统效率的关键因素。研究表明，大直径的导线因交流电阻引起的交流损耗大，经常采用的方法是用截面之和等于单导线的多根较细导线并联。据此原理，可以采用多根细线绞合的利兹线，这样就可以有效减少集肤交流和邻近效应的影响。