江蘇自動化研究所 鄒 峰

山東濟寧供電公司 孔 平

1.引言

在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是在礦井、石油鉆采等場合，采用接觸式電能傳輸，因接觸摩擦產(chǎn)生的微小電火花，就很可能引起爆炸而造成重大事故。在水下場合，接觸式電能傳輸存在電擊的潛在危險。在給氣密儀器設備內(nèi)部供電時，接觸式電能傳輸需要采用特別的連接器設計，成本高并且難以確保設備的氣密性。為了解決傳統(tǒng)接觸式電能傳輸不能被眾多應用場合所接受的問題，迫切需要新型的電能傳輸方法。于是，無接觸供電技術應運而生，成為當前電能傳輸領域的研究熱點。

2.無接觸供電的特點和應用前景

無接觸供電，指輸電線路和負載方在沒有電氣連接和物理接觸的情況下，實現(xiàn)電能的傳輸。這種傳輸方式可以克服傳統(tǒng)導線供電方式所具有的電擊、火花、磨損等缺陷，使供電系統(tǒng)和負載之間無任何接觸和摩擦，易于維護，并且不受負載運動速度的限制，從而能在水下、冰雪天氣和地下等各種惡劣的條件下工作。

目前，無接觸供電技術應用領域廣泛，覆蓋各種功率等級，小到人造器官、日用電器、機器人，大到移動機電設備、電動汽車、磁懸浮列車?？梢哉f，無接觸供電技術是現(xiàn)代電力傳輸技術發(fā)展的一項重大突破?，F(xiàn)在，無觸點供電技術正朝向大功率電氣設備、小功率便攜式電子裝置、工作于特殊環(huán)境的電氣設備等方面發(fā)展；其具有維護簡單、無器件磨損、安全性能好、自動化程度高等優(yōu)點，在這些領域內(nèi)都具有非常廣闊的應用前景。

3.無接觸供電技術的原理

無接觸供電技術的理論依據(jù)是電磁感應原理。目前國際上普遍采用的解決方案是利用氣隙變壓器來實現(xiàn)電能的無接觸傳輸。常規(guī)變壓器的一次、二次線圈繞在共同的閉合鐵心上，雖然磁路耦合系數(shù)很高，但一次、二次線圈不能相對運動。而無接觸供電技術就是將這種變壓器模型的一次線圈和二次線圈分開，一次繞組可安裝在輸電軌道或埋設于地面以下，延伸為很長的環(huán)路；二次線圈繞在圍著一次繞組可以移動的開口鐵心上。磁耦合裝置可以采用多種形式。圖1(a)所示，原邊繞組和副邊繞組分別繞在分離的鐵芯上；圖1(b)中原邊采用空芯繞組，副邊繞組繞在鐵芯上；圖1(c)中的原邊采用長電纜，副邊繞組繞在鐵芯上。

因為磁路經(jīng)氣隙而閉合，一二次線圈相互分離，所以稱之為分離式變壓器；其一次側、二次側之間通過電磁感應實現(xiàn)電能傳輸。與常規(guī)變壓器不同，無接觸供電裝置中的變壓器由于氣隙的存在，其鐵心中的磁通密度很小。為了產(chǎn)生足夠的電勢、增加傳輸功率以滿足負載的需要，目前普遍采用的方法是提高一次側交流電的頻率，以增大變壓器鐵芯內(nèi)交變磁場的頻率，并對一次線圈和二次線圈的漏感進行補償，從而得到較大的二次側感應電勢。

4.無接觸供電裝置的結構

基于分離式變壓器的無接觸供電裝置的電路結構圖如圖2所示。

整個電路由交流電源、一次整流濾波、高頻逆變、分離式變壓器、二次整流濾波和負載組成。交流電源產(chǎn)生的交流電壓經(jīng)整流濾波后得到直流電壓，再經(jīng)高頻逆變裝置將直流逆變?yōu)楦哳l交流，這種高頻交變電流經(jīng)分離式變壓器的一次發(fā)送線圈向外界輻射電磁能量，通過一二次線圈間的電磁耦合，二次接收線圈中將產(chǎn)生同頻率的交變電流，得到感應電壓，經(jīng)二次整流電路整流后對負載供電。

5.無接觸供電裝置的電路設計

5.1 裝置主電路

電路輸入的是15V交流電源，頻率為50Hz的交流電，通過整流橋整流后的電壓大約20V，經(jīng)過逆變橋高頻逆變，經(jīng)過串聯(lián)諧振電路得到6.8kHz高頻交流電，通過分離變壓器驅動負載電路。

5.2 穩(wěn)壓源電路

穩(wěn)壓源電路為電路各部分提供工作電壓。電路中的控制芯片需要一個穩(wěn)定的工作電壓才能可靠工作。本裝置需要的輔助電源有：+5V，+12V。以+12V為例，其電路圖如圖4所示。穩(wěn)壓源電路由變壓器、整流電路和穩(wěn)壓電路組成。

5.3 整流電路設計

整流器采用的是型號為D25SBA60的整流橋，整流后用電容濾波，濾波電容用來濾除交流成分。使輸出的直流更平滑。在電源設計中，濾波電容的選取原則由經(jīng)驗公式：

圖1 磁耦合裝置的三種基本形式

圖2 基于分離式變壓器的無接觸供電裝置結構圖

圖3 裝置主電路圖

圖4 穩(wěn)壓源電路

圖5 整流橋工作狀態(tài)設計

圖6 程序流程圖設計

圖7 lR2110的封裝

圖8 lR2110驅動半橋接法

圖9 lR2110全橋驅動電路

其中：R為負載電阻，C為濾波電容，T為交流電周期；考慮到后邊接負載時電流大概在0.5A左右，C選取1000uF、電壓大于20V的電容。

5.4 逆變電路的工作原理

全橋逆變電路由四個IRF840組成，每個IRF840由一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管組成，組成4個橋臂，橋臂VT1和VT4作為一對，橋臂VT2和VT3作為另一對，如圖3中所示。設負載為純電阻負載，直流側電壓為U，輸出電壓為U1。工作時，成對的橋臂同時導通，而兩對橋臂的通斷狀態(tài)又互補，當VT1和VT4導通時，VT2和VT3關閉，輸出電壓U1為正半周期，幅值為+U；同理VT2和VT3導通時輸出電壓U1為負半周期，幅值為-U。兩對橋臂互換時中間留有一定的死區(qū)，保證同一半橋避免出現(xiàn)同時導通的短路情況，如此反復進行，輸出U1為近似于方波的交流電，如圖5中所示。

四個開關器件的通斷由AT89C51單片機控制。兩對橋臂開關狀態(tài)轉換時應有一短暫的全關狀態(tài)（橋臂狀態(tài)由關到開之間加入一個小的延時），使電壓換向時留有一定的死區(qū)，避免了同一橋臂上兩個開關同時導通的短路事故發(fā)生。程序流程圖設計見圖6所示。

5.5 逆變電路的開關器件驅動設計

上文全橋逆變電路中的開關器件，需要得到可靠的驅動信號從而穩(wěn)定工作。我們選用IR2110作為驅動器件，接收來自單片機的邏輯控制信號，并輸出具有足夠驅動能力的開關信號。IR2110芯片兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x（速度快）的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅動器件的首選品種。該芯片能實現(xiàn)自舉式浮充驅動方式，驅動電路非常簡單，即用一個電源就能可靠驅動同一橋臂上的兩個開關器件。

5.5.1 IR2110芯片介紹

IR2110的引腳封裝如圖7所示，其中，VDD和VSS分別連接芯片電源正電壓和地，HIN、LIN和SD都是邏輯電平輸入；而VB是高端浮置供電電壓，VS是高端浮置供電偏移電壓，HO是高端浮置輸出電壓，LO是低端輸出電壓，VCC是低端固定供電電壓，COM是低端偏移供電電壓。

5.5.2 自舉元器件的選取

如圖8所示自舉二極管（VD1）和電容（C1）是IR2110在應用時需要嚴格挑選和設計的元器件，應根據(jù)一定的規(guī)則進行計算分析。在電路實驗時進行調(diào)整，使電路工作在最佳狀態(tài)。

（1）自舉電容的設計

IGBT和PM（POWERMOSFET）具有相似的門極特性。開通時，需要在極短的時間內(nèi)向門極提供足夠的柵電荷。假定在器件開通后，自舉電容兩端電壓比器件充分導通所需要的電壓（10V，高壓側鎖定電壓為8.7/8.3V）要高；再假定在自舉電容充電路徑上有1.5V的壓降（包括VD1的正向壓降）；最后假定有1/2的柵電壓（柵極門檻電壓VTH，通常3～5V）因泄漏電流引起電壓降。綜合上述條件，工程應用則?。?/p>

IRF840充分導通時所需要的柵電荷Qg=64nC，C1＞0.256uF。

（2）自舉二極管的選取

自舉二極管是一個重要的自舉器件，它應能阻斷直流干線上的高壓，二極管承受的電流是柵極電荷與開關頻率之積。為了減少電荷損失，應選擇反向漏電流小的快恢復二極管。

5.5.3 光耦隔離設計

通常單片機不僅要對被控對象進行監(jiān)測，而且還要把經(jīng)過處理的信息以開關量的形式輸出并控制被控系統(tǒng)工作，這些開關量屬于弱電控制量。因此，強電控制電路必將會對單片機控制系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重干擾，以致單片機不能正常工作。單片機控制系統(tǒng)和強電控制回路共地是引起干擾的主要原因，消除這些脈沖干擾的最有效方法是使單片機弱電部分與強電控制回路的地隔開，在電氣連接上切斷它們彼此間的耦合通路。

在單片機控制系統(tǒng)中，電氣隔離通常可分為電磁隔離和光耦隔離兩類。電磁隔離適用于啟動負荷大響應速度慢的動力設備；光耦隔離的響應速度快。因此，本文中選用了光耦PC817隔離。

基于上述理論，本文中設計了如圖9所示驅動電路。如圖9所示，從C51單片機的P2.1、P2.2、P2.3、P2.4口出來的脈沖信號驅動光耦，經(jīng)光耦隔離后，送到IR2110專用集成驅動電路，進而去驅動功率MOSFET管。圖中，C5、C9是自舉電容，選用1.0uF/50V并且和0.1uF/50V的鉭電容并聯(lián)。并聯(lián)高頻小電容用來吸收高頻毛刺干擾電壓。D1、D4是快恢復二極管，其功能是防止MOSFET導通時高壓串入VCC端損壞芯片。功率器件的柵源極的驅動電壓一般為CMOS電平（5V～20V），因此要在柵極增加保護電路，電路中D2、D3、D5和D6穩(wěn)壓二極管限制了所加柵極電壓。

6.總結

本文中的無接觸供電裝置作為新型的電能傳輸方式，沒有導線裸露或接觸電火花，供電電源與用電負載可以相對轉動或滑動，消除了傳統(tǒng)的采用電纜直接連接的供電方式的固有缺點，極大地提高了供電的安全性與靈活性。無接觸供電裝置已經(jīng)在許多領域得到初步應用，我們對于無接觸供電系統(tǒng)的問題作出深入研究，也有利于提高系統(tǒng)的綜合傳輸性能和電能傳輸效率，從而為各類電氣系統(tǒng)及設備提供安全節(jié)能的供電模式。

[1]周淵深,宋永.電力電子技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[2]曲學基.逆變技術基礎與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社[,2007.

[3]韓騰,卓放,劉濤.可分離變壓器實現(xiàn)非接觸控制電能傳輸系統(tǒng)研究[J].電力電子技術,2004,10.

[4]楊民生,王耀南.新型無接觸感應耦合電能傳輸技術研究綜述[J].湖南文理學院學報,2010(3).