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        基于松耦合變壓器的效率測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2018-09-03 07:25:28豐江波李巖松趙蒙蒙李柏江劉君
        電測與儀表 2018年13期
        關(guān)鍵詞:功率放大磁芯變壓器

        豐江波,李巖松,趙蒙蒙,李柏江,劉君

        (華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,北京102206)

        0 引 言

        傳統(tǒng)的電能傳輸方式存在著接觸電火花、導(dǎo)線漏電、機(jī)械磨損等問題,易受粉塵、污物等環(huán)境因素影響[1-2]。磁感應(yīng)耦合式無線輸電技術(shù)利用發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場將電能耦合到接收線圈,從而實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的無線電能傳輸。它因利用松耦合變壓器來進(jìn)行無直接接觸式電能傳輸而具備方便、安全、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢,已受到了電氣、電工等方面的廣泛關(guān)注,并已廣泛應(yīng)用到航空航天、石油礦井、水下作業(yè)等特殊領(lǐng)域[3-5]。

        非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的核心部件是松耦合變壓器(可分離變壓器),原、副邊存在磁導(dǎo)率很小而磁阻很大的空氣氣隙,使其耦合系數(shù)遠(yuǎn)小于1,傳輸效率很難達(dá)到要求,而這個(gè)弊端通常需要提高輸入電壓的頻率來改善。因此,松耦合變壓器的磁芯一般采用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料,使變壓器可以在高頻條件下保持穩(wěn)定的傳輸性能。然而,與工頻條件不同的是,高頻損耗是影響效率的一個(gè)主要因素。因此,傳輸效率并非隨著頻率上升而持續(xù)增大。探究松耦合變壓器的傳輸效率與頻率的關(guān)系,對非接觸電能傳輸系統(tǒng)的整體效率提升有著十分重要的意義[6]。

        對于松耦合變壓器而言,不同的磁芯材料、結(jié)構(gòu)尺寸和線圈匝數(shù)都會(huì)影響其電感、漏感等性能參數(shù);而變壓器的感抗與頻率關(guān)系密切,相當(dāng)于頻率決定了變壓器的損耗。頻率較低會(huì)導(dǎo)致耦合系數(shù)過小,傳輸能量少;頻率過大又會(huì)增加漏磁通和損耗,限制傳輸效率[7]。文獻(xiàn)[8]對其中無線充電可分離變壓器的原副邊匝數(shù)、諧振電感截面積以及諧振頻率的選取原則進(jìn)行了詳述; 文獻(xiàn)[9]中提出了一種補(bǔ)償拓?fù)潆娐罚晃墨I(xiàn)[10]通過相控電感電路動(dòng)態(tài)調(diào)諧的方法來解決系統(tǒng)主電路中存在的頻率穩(wěn)定性問題,并通過仿真驗(yàn)證該方法的可行性;文獻(xiàn)[11-12] 裝置原、副邊氣隙為6 mm,由于傳輸過程中存在一定損耗,初、次級匝數(shù)分別設(shè)置為24匝和26匝,可傳輸功率825 W,效率高達(dá)93.7%。

        文章在以上文獻(xiàn)的基礎(chǔ)之下,首先完成松耦合變壓器的頻率與效率的關(guān)系推導(dǎo),在此基礎(chǔ)之上,實(shí)現(xiàn)了松耦合變壓器傳輸效率最高時(shí)對應(yīng)的最佳工作頻率,其中,提出了產(chǎn)生高頻率連續(xù)可調(diào)的電源系統(tǒng),通過仿真以及實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步的驗(yàn)證了該最大傳輸效率系統(tǒng)。

        文章依托航天所項(xiàng)目,要求設(shè)計(jì)一個(gè)恒壓(0~100 V)無失真輸出、高頻率連續(xù)可調(diào)(1 kHz~100 kHz)、最大傳輸功率1 000 W的最大傳輸效率測試系統(tǒng),來確定航天器中松耦合變壓器的最佳工作頻率。圖1為系統(tǒng)基本研究思路。

        圖1 測試系統(tǒng)基本研究思路Fig.1 Basic research idea of test system

        1. 松耦合變壓器頻率與傳輸效率關(guān)系推導(dǎo)

        圖2為松耦合變壓器的互感等效電路。

        圖2 松耦合變壓器的互感等效電路Fig.2 The mutual inductance equivalent circuit of loose coupling transformer

        設(shè)電源電壓為Us,原、副邊電阻分別為R1和R2,負(fù)載值為R,根據(jù)基爾霍夫電流定律:

        解方程組:

        式中Z1=R1+jωL1,Z2=R2+R+jωL2。

        由于傳輸效率為有功功率的比值,為消除無功功率的影響,對原、副邊自感進(jìn)行串聯(lián)電容補(bǔ)償來消去復(fù)數(shù)因子jωL1和jωL2, 補(bǔ)償后輸入、輸出有功功率為:

        傳輸效率為:

        2 功率放大電路基本原理

        功率放大電路可以利用直流電源的能量使小信號轉(zhuǎn)換為大電流、高電壓的功率,實(shí)現(xiàn)課題要求。對于頻率等級為10 kHz的功率放大電路,根據(jù)晶體管導(dǎo)通時(shí)間不同,可分為甲類、乙類和甲乙類三種。

        3 高頻變壓器頻率特性分析

        3.1 低頻段特性分析

        低頻段變壓器漏感較小,可以忽略不計(jì),其等效電路以及結(jié)合失真系數(shù)的定義[13]:

        Re=(r+r1)(r2+Z2)/(r+r1+r2+Z2)

        (8)

        式中Y為相對放大系數(shù);Re為等效電源內(nèi)阻;ωl為低頻段工作角頻率。

        由式(7)可知,頻率越低,失真系數(shù)越大。影響低頻段頻率特性的主要因素是L1,增大L1的值可以減小低頻失真。增大非理想變壓器模型中的電感值,顯然,低頻段頻率響應(yīng)得到了改善。

        實(shí)際上,由式(7),式(8),初級線圈電阻對變壓器的低頻特性也有很大的影響。通常1 000 W的變壓器初級線圈阻值為幾歐姆,因此,它也是造成低頻段幅值衰減的原因之一。

        3.2 高頻段特性分析

        由于中頻段輸出電壓幾乎無失真,不存在失真系數(shù)表達(dá)式,無需進(jìn)行頻率分析。在高頻段,變壓器的漏感影響較大,不能忽略;鐵耗小而初級線圈感抗很大,rc和L1的并聯(lián)支路可以看作開路。

        同理,高頻段的頻率失真系數(shù):

        式中Ls為變壓器總漏電感;ωh為高頻工作時(shí)的角頻率。

        高頻段頻率特性的主要影響因子是變壓器初、次級線圈的漏感[14]。頻率越高,原、副邊的漏抗越大,單位電流通過一次繞組產(chǎn)生的漏磁通越多,導(dǎo)致主磁通相對減小,飽和程度減小,副邊電壓下降。在Multisim模型中減小變壓器的初、次級線圈漏感值,高頻段頻率響應(yīng)得到了改善。

        4 主電路設(shè)計(jì)

        在對最大傳輸 效率測試系統(tǒng)進(jìn)行理論分析后,需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主電路。對主電路系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)地仿真設(shè)計(jì),包括大功率可調(diào)穩(wěn)壓電路、功率放大電路和保護(hù)電路等。

        鑒于課題中大功率的要求,選取了基于LM317的可調(diào)直流穩(wěn)壓電路,并根據(jù)仿真結(jié)果改進(jìn)電路使其滿足課題的電壓、電流要求;其次,分別對功率放大電路的電流放大級和電壓放大級進(jìn)行設(shè)計(jì)和失真分析,確定利用BTL電路來為負(fù)載供電;然后,對主電路系統(tǒng)進(jìn)行了溫度掃描,并對非理想變壓器的頻率特性進(jìn)一步仿真分析;最后,針對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障狀況,確定設(shè)計(jì)了可靠性較高的保護(hù)電路。

        5 高頻變壓器設(shè)計(jì)

        利用Matlab繪制出四種材料的三維損耗曲面圖,并在不同工作頻率以及磁通密度下的磁芯損耗進(jìn)行分析對比。其中磁通密度范圍設(shè)為0~0.5 T,工作頻率范圍為0~100 kHz。

        在Matlab中的圖形,鐵氧體與非晶材料的磁芯損耗相差不大且遠(yuǎn)小于坡莫合金與硅鋼。進(jìn)一步對比,磁通密度較低時(shí)非晶材料的損耗增大速率小于鐵氧體。而當(dāng)頻率較高時(shí),磁芯不易飽和,此時(shí)工作磁通密度較小,總體來說鐵氧體損耗相對較小。另外,結(jié)合給出的典型工作頻率,考慮到成本和市場上成品的結(jié)構(gòu)型號選擇性,選擇鐵氧體作為磁芯材料。

        根據(jù)表1所示,以減小損耗、提高效率為目標(biāo)對多種磁芯的材料、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比選擇,然后基于AP法計(jì)算了磁芯的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo);接著,在COMSOL有限元分析軟件中建立變壓器模型,對其磁芯損耗以及磁飽和現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析,并以改善低頻特性為目標(biāo)對變壓器尺寸進(jìn)行了仿真優(yōu)化;最后確定優(yōu)化后的參數(shù)尺寸D=21.2 mm,F(xiàn)=22.6 mm。

        表1 常用磁芯材料的磁芯損失系數(shù)Tab.1 Core loss factor for commonly used core materials

        6 基于COMSOL的功率放大電路仿真

        上述仿真進(jìn)行的前提是功率放大電路輸出(變壓器輸入)電壓保持不變,否則高頻升壓變壓器的設(shè)計(jì)是沒有意義的。因此,需要驗(yàn)證功率放大電路與變壓器連接后能否在每個(gè)頻段內(nèi)都實(shí)現(xiàn)恒壓輸出。

        首先,在原模型的“電路”中添加NPN和PNP三極管,并確保其參數(shù)完全相同。然后,添加兩個(gè)直流電壓源,分別將電壓設(shè)置為±75 V。

        由于涉及的元件較多,一定要確保節(jié)點(diǎn)連接正確。輸入電壓設(shè)置為50 V,在四個(gè)頻率段中分別選擇頻率為5 kHz、15 kHz、50 kHz和95 kHz進(jìn)行仿真。對應(yīng)于每個(gè)頻率段設(shè)置為相應(yīng)匝數(shù)比,測量負(fù)載兩端的電壓值,如表2所示。

        表2 不同頻率對應(yīng)的輸出電壓Tab.2 Different frequencies corresponding output voltage

        顯然,功率放大電路與變壓器連接后,系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻率范圍內(nèi)的恒壓輸出。

        7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        基于松耦合變壓器頻率與傳輸效率的理論關(guān)系,僅僅通過公式不能得出最大效率對應(yīng)的頻率。因此,還需要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證功率放大電路以及整個(gè)系統(tǒng)是否滿足課題的指標(biāo)和需求。若滿足,則可以用于測試松耦合變壓器的傳輸效率;否則,則需要對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,直至滿足頻率范圍內(nèi)恒壓輸出的需求為止[15]。

        實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證主要分為三部分:功率放大電路性能測試;系統(tǒng)整體性能測試;松耦合變壓器的最佳工作頻率測試。

        7.1 功率放大電路測試

        功率放大電路由電壓放大級和電流放大級組成。其中,電壓放大級的功能由運(yùn)算放大器構(gòu)成的反饋電路來實(shí)現(xiàn),其通頻帶一般為幾赫茲到幾十兆赫茲,承擔(dān)電流放大作用的大功率NPN、PNP對管的頻率應(yīng)用范圍高達(dá)GHz,所以在課題要求的頻率范圍內(nèi)功率放大電路輸出電壓基本不變,也正是以此為前提來設(shè)計(jì)高頻升壓變壓器的。因此,必須要驗(yàn)證功率放大電路是否滿足恒壓輸出的要求。

        首先,需要對驅(qū)動(dòng)芯片(電壓放大級)和功率放大對管進(jìn)行選型。LM4702是美國國家半導(dǎo)體公司出產(chǎn)的一款大功率驅(qū)動(dòng)器,工作電壓為±20 V~±75 V,諧波失真THD只有0.001%,輸出功率可根據(jù)直流電壓和輸出設(shè)備的數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié);功率放大對管選用NJW1302G(PNP)與NJW3281G(NPN),其反向擊穿電壓UCEO為250 V,集電極電流ICM可以達(dá)到15 A,耗散功率200 W,通過多管并聯(lián)完全可以滿足功率要求。

        (1)功率放大板輸出性能測試

        對功率放大板的輸出性能進(jìn)行測試。設(shè)置負(fù)載為50 Ω,調(diào)節(jié)電壓增益使輸出電壓為50 V。選取單個(gè)頻率值,得到負(fù)載兩端的電壓波形如圖3所示。

        圖3 功率放大電路輸出電壓波形Fig.3 Output voltage waveform of power amplifier circuit

        通過觀察波形上升、下降時(shí)間,可以看出波形失真度很小,各個(gè)頻率對應(yīng)的電壓值波動(dòng)不大。這就證明所設(shè)計(jì)的功率放大電路可以在課題要求的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無失真恒壓輸出,同時(shí)也確保了輸入到高頻升壓變壓器的電壓恒定不變。

        (2)波形失真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        根據(jù)前面章節(jié)的仿真分析,若功率放大電路的輸出電壓超過了直流電壓,則輸出電壓波形會(huì)發(fā)生失真。設(shè)置輸入信號頻率為1 kHz,調(diào)節(jié)電壓增益使輸出電壓為80 V(大于直流供電電壓),得到負(fù)載波形。很明顯,波形出現(xiàn)了失真,這也證明了高頻升壓變壓器作為輸出的必要性。

        7.2 系統(tǒng)整體性能測試

        圖4為功率放大板,四對功率放大電路1、2、3、4分別對應(yīng)著四個(gè)頻段,分別連接為BTL電路,驅(qū)動(dòng)信號相位相差180°,每個(gè)輸入信號的頻率對應(yīng)一對功率放大電路工作。

        將四對功率放大板并聯(lián)后與高頻變壓器連接,對系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行測試。設(shè)置電壓增益為10,輸入信號幅值為5 V,從四個(gè)頻段中選擇四個(gè)頻率值,記錄負(fù)載電壓波形。

        圖4 對應(yīng)的輸出電壓波形圖Fig.4 Corresponding output voltage waveform diagram

        很明顯,對應(yīng)于不同頻段,在誤差允許的范圍內(nèi)系統(tǒng)可以做到恒壓無失真輸出,滿足課題要求,可用來測試松耦合變壓器的最佳工作頻率。

        7.3 松耦合變壓器最佳工作頻率測試

        圖5為松耦合變壓器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖,設(shè)置電壓為100 V,松耦合變壓器的負(fù)載為50 Ω。通過示波器來測量電壓電流相位差θ。如圖6所示,高波形為頻率測試系統(tǒng)兩端的電壓波形,低波形為R1兩端的電壓波形,與原邊電流同相位。

        圖5 松耦合變壓器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of experimental system of loose coupling transformer

        圖6 原邊電壓電流相位差Fig.6 The original voltage current phase difference

        示波器測得R1、R2上的電壓分別為U1、U2,其值為均方根值(有效值)。松耦合變壓器的傳輸效率計(jì)算過程如下:

        負(fù)載得到的有功功率:

        原邊串聯(lián)電阻R1消耗的有功功率:

        從圖中讀出電壓超前電流的時(shí)間為t,則角度θ:

        系統(tǒng)輸出的有功功率:

        松耦合變壓器輸入的有功功率:

        綜上,可以推導(dǎo)出松耦合變壓器的傳輸效率:

        根據(jù)松耦合變壓器的實(shí)驗(yàn)電路原理圖搭建實(shí)驗(yàn)平臺。

        改變輸入信號的頻率,通過上一小節(jié)給出的公式分別計(jì)算松耦合變壓器的輸入功率、輸出功率以及傳輸效率。由于松耦合變壓器的氣隙較小,頻率較低時(shí)勵(lì)磁電流大,原副邊容易因誤接觸而發(fā)出刺耳的噪聲,因此選擇大于5 kHz的頻率進(jìn)行測量。表3原邊電流這一列數(shù)據(jù)證明,隨著頻率上升,勵(lì)磁電流下降,與推導(dǎo)的公式相符。

        表3 不同頻率下的功率與效率Tab.3 Power and efficiency in different frequencies

        由表3可知,電流值和功率均在安全范圍之內(nèi)。將頻率變化范圍設(shè)置為5 kHz~100 kHz,步長為5 kHz,記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算傳輸效率,結(jié)果圖7所示。顯然,松耦合變壓器的傳輸效率隨頻率增大呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定、最后微弱下降的變化趨勢,最大傳輸效率為81.2%,對應(yīng)頻率值為35 kHz。選取頻率在35 kHz附近的頻率段(31 kHz~39 kHz)重新測量,最終得到該松耦合變壓器的最大傳輸效率為81.4%,對應(yīng)的最佳頻率為36 kHz。

        圖7 傳輸效率與頻率關(guān)系圖Fig.7 Transmission efficiency and frequency diagram

        8 結(jié)束語

        首先推導(dǎo)出了松耦合變壓器頻率與傳輸效率關(guān)系,之后對功率放大電路基本原理及高頻變壓器進(jìn)行頻率特性闡述。對于主電路以及高頻變壓器詳細(xì)計(jì)算,最終確認(rèn)每個(gè)部件的具體參數(shù)。在COMSOL有限元分析軟件中建立設(shè)計(jì)好的變壓器模型,對其磁芯損耗以及磁飽和現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析,并且以改善低頻特性為目標(biāo),對變壓器的尺寸進(jìn)行了仿真優(yōu)化。對于功率放大器以及高頻變壓器,采用基于COMSOL的功率放大電路仿真,連接后,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻率范圍內(nèi)的恒壓輸出。

        同時(shí)對于測試系統(tǒng),分別在四個(gè)頻率段選取四個(gè)頻率值,對系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的合理性和實(shí)用性,滿足課題指標(biāo)和要求。而后搭建了松耦合變壓器的最佳頻率測試實(shí)驗(yàn)平臺,對其傳輸效率進(jìn)行了測試,最終得到最高效率為 81.4%,對應(yīng)最佳工作頻率為36 kHz。最后,可以根據(jù)實(shí)際情況利用諧振變換方式或者SPWM控制方式將工作頻率設(shè)計(jì)為這個(gè)值,使松耦合變壓器處于最佳工作狀態(tài),整個(gè)非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率達(dá)到最高。

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