非接触供电系统可分离变压器模型及绕线设计.pdf
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1、非接触供电系统可分离变压器模型及绕线设计沈阳职业技术学院 王 茉摘要:通过对可分离变压器的基本结构和磁路进行分析,推导出可分离变压器的数学模型,并进行了绕线设计,得出了影响非接触供电系统电能传输效率的若干因素,为非接触供电系统的设计提供理论依据。关键词:可分离变压器;绕线设计;数学模型;非接触供电;磁路分析基金项目:沈阳职业技术学院2022年度科研基金项目(2022XQ003)传统意义的供电方式主要通过导体直接相连接的方式(如导线,插头等)为移动装置进行持续供电。这种方式存在裸露导体与摩擦,易产生接触电火花等安全隐患,甚至一些特殊环境下(如易燃易爆、水下),会产生漏电和电击等事故,因而有一定的
2、局限性。随着人类生产生活对电能需求日益提高,非接触供电系统得到广泛应用,非接触供电系统利用电磁感应原理,不存在直接电气接触,极大地提高了供电的安全性与可靠性。相比传统的导线接触式电能传输,非接触供电系统有一定内在的优势,可工作于潮湿环境中或者其他不方便物理接触的供电领域。可分离变压器作为非接触供电系统的核心部件之一,对其研究十分重要。1 可分离变压器基本结构及磁路分析可分离变压器也被称为松耦合变压器,通过可分离变压器使供电系统的初级电缆与次级线圈之间产生电磁感应,实现电能传输。在电气领域中传统采取封闭式铁芯的变压器,其初级与次级仅仅相互缠绕在铁芯上,初、次级线圈处于相对静止状态,非接触变压器与
3、传统变压器既有区别又有联系。可分离变压器与传统变压器的原理相同,均是利用电磁感应来实现电能的传输。但是可分离变压器的结构与传统变压器结构不同,其初级、次级线圈并非紧紧缠绕,而是具有大气隙与较长空气磁路。本文所使用的可分离变压器初级线圈为长度较长的单圈环型电缆,电缆一般被固定在导轨上,进行远距离传输,次级线圈缠绕在可分离变压器的中柱上,可以随着变压器移动而移动,实现静止设备向移动设备供电。图1 传统变压器与可分离变压器原理图非接触供电系统大多数是针对移动设备设计的,因此应选择利于初、次级线圈易于相对运动的变压器形式。易于滑动的变压器有环形、U 型和 E型等多种形状,本文选用 E 型。因为 E 型
4、变压器结构简单、移动灵活、绕线简单且开口较大,容易装配在所运行的导轨上,利于次级线圈的移动。E型磁芯如图2所示。本文中的可分离变压器磁芯材料选择常见的铁氧体。E 型可分离变压器可被看成是两个 U 型磁铁并联平行放置在一起,其磁路也与U 型磁铁类似。磁力线从 E 型磁铁外侧的两个磁臂向中柱流通并闭合,构成磁臂中柱气隙的闭合128 EPEM 2023.7 下电力创新Power Innovation磁路。图2 e 型铁芯示意图图3 e 型铁芯磁路分析图为简化处理,分析时忽略磁芯的漏磁通,包括 表 面 漏 磁 和 边 缘 漏 磁 等,可 以 将 E 型 的 铁芯 磁 通 的 磁 路 近 似 看 成 图
5、3中 的 虚 线,可 知:L1=L2=F+E/2、L2=A+D+C,磁感线的横截面积:S1=AB、S2=(F-E)B、S3=DB=2AB,则每一部分的磁阻可表示成:、,可将 E型磁芯的磁路简化为图4所示的等效磁路,理想状态下忽略了初级线圈周围漏磁与次级线圈漏磁。图4中,Rg代表磁芯开口处的空气磁阻、R3为中柱的磁阻、R1为两侧磁臂的磁阻,N1i1、N2i2和 N3i3为各磁臂的磁链。图4 e 型铁芯等效磁路图5 分离变压器简化电路图通过上文的磁路分析可知,虽然采用 E 型的可分离变压器易于初级与次级相对运动,但是其磁路本身有空气气隙,漏感较大,因此传输效率较低。因此,非接触系统要获得高效率,提
6、高可分离变压器的效率为一个关键步骤。关于可分离变压器的耦合的建模,有两种常用的方法,一种是变压器模型法、另一种是互感模型法。变压器模型常用于分析传统紧耦合变压器,将变压器的励磁电感和漏感分别计算,通过初级与次级之间的匝数比来计算两侧电压、电流之间关系。而互感模型是将变压器的互感与漏感综合考虑,通过变压器的互感来计算出初级与次级之间的相互影响。感应电压用以描述初级线圈对次级线圈的影响,相对地,反应电压用以描述次级线圈对初级线圈的影响,即互感可以计算出变压器感应电压与反应电压。由于传统变压器耦合系数较高,可以用变压器模型计算,而可分离变压器属于松耦合,耦合系数很低,通常在0.5以下,且其初级和次级
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