- 頭條一種應用于軌道交通的Z型三相結構無接觸供電系統2019-04-29 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語Z型三相松耦合變壓器結構具有電磁耦合性能好、空間容錯性強和系統阻抗對稱的特點。
中國科學院電力電子與電氣驅動重點實驗室（中國科學院電工研究所）、中國科學院大學的研究人員張發聰、史黎明等，在2018年《電工技術學報》增刊1上撰文，提出一種適用于軌道交通無接觸供電（WPT）系統的新型松耦合變壓器結構，沿軌道敷設的一次側發射線圈是一種三相Z型結構，首先分析了一次側和二次側線圈的電磁耦合作用，得到一次側和二次側線圈的等效互感，計算了互感模型下二次側線圈映射到一次側的等效阻抗。
在Maxwell中搭建了三相松耦合變壓器模型，得到了一次側線圈的電磁參數，利用PSIM分析了系統功率輸出特性。結果表明提出的Z型三相松耦合變壓器結構具有電磁耦合性能好、空間容錯性強和系統阻抗對稱的特點。
無接觸供電（Wireless Power Transfer, WPT）系統以無接觸形式實現電能的傳輸，擺脫了接觸式電能傳輸帶來的摩擦、電火花等一系列問題。近年來，隨著電力電子技術、磁性材料研究和控制技術的進步，感應耦合電能傳輸技術得以迅速發展，在手持式設備、醫療器械、電動汽車，特別是軌道交通領域有較好的應用前景[1-4]。
WPT系統頻率一般為幾十kHz，由于高頻下線圈電流的趨膚效應和臨近效應，導線阻抗不可忽略。在動態移動式WPT應用中，需要敷設線圈的道路長度以km計，單根導線不可能完成整個系統一次側線圈敷設。為提高系統效率，采用線圈分段形式以減小線圈阻抗[5]，或優化變流器控制策略，實現高頻逆變器的軟開關運行[6-8]。
電動汽車沿道路動態無線充電必須考慮由于一次側、二次側線圈之間位置偏移以及運行至線圈分段處互感的變化對系統的影響[9]；應用于軌道交通的WPT系統具有一次側發射線圈沿軌道敷設的特點，其二次側接收線圈安裝在列車底部，運行時不需要考慮一次、二次側線圈之間的位置偏移，但系統傳輸功率等級較高[10]。
韓國鐵道科學研究院（KAIST）研制的應用于驅動高鐵的1 MW無接觸電能傳輸系統，一次側線圈分段處理，單段一次側線圈長度128m，二次側采用4個并聯接收線圈向負載供電[11]。中國科學院電工研究所（IEECAS）研制的200kV?A無接觸供電樣機，一次側線圈做分段處理，兩個二次側接收線圈輸出串聯，當二次側接收線圈運行至一次側線圈分段處時，一次、二次側線圈間均有互感，此時與二次側接收線圈相對應的兩個一次側發射線圈同時供電，滿足后級負載需要[12]。
上述兩種情況都是采用單相結構，存在分段處一次、二次側線圈互感波動較大的問題，導致輸出電壓紋波大，控制效果差，且系統效率較低。
文獻[13]一次側采用三相結構形式，一次側線圈面積較大，以提高一次、二次側線圈互感，減弱了電動汽車運動過程中一次、二次側線圈位置偏移對輸出的影響。該結構一次側線圈按照三相電機繞線排布方法，在空間中建立高頻行波磁場，接收線圈切割磁感線產生感應電壓。文獻[14]提出了緊湊型一次、二次側三相無接觸供電系統，一次、二次側線圈尺寸一致，緊密排列，且均安裝磁心。上述兩種結構需要消耗大量的導線和磁心材料，不適用于軌道交通長距離供電場合。
相對于單相松耦合變壓器，三相結構形式具有一次、二次側線圈耦合系數更高、空間容錯性更強、傳輸功率等級更高的優點，非常適用于軌道交通。因三相松耦合變壓器及三相WPT系統設計難度高、控制方法復雜等原因，缺乏深入、廣泛研究。
本文提出一種Z型三相松耦合變壓器結構，三相一次側線圈在空間相差120°電角度、每個三相一次側線圈非閉合，二次側接收線圈三個一組有序排列。提出了“線感”概念，衡量有限長導線與閉合線圈的磁耦合，分析了不同位置下一次、二次側線圈等效互感與線感的關系，采用互感耦合模型分析了三相WPT系統的阻抗特性，在 Maxwell軟件中搭建了三相松耦合變壓器仿真模型，并利用得到的仿真參數在已搭建的PSIM仿真平臺驗證了理論分析的正確性。
圖1 Z型三相松耦合變壓器結構
結論
本文提出了一種適用于軌道交通領域的Z型三相松耦合變壓器結構，分析了一次、二次側線圈之間的磁耦合作用，得到了一次、二次側線圈的等效互感，并推導了三相WPT系統阻抗特性。結論如下：
1）不同位置下三相松耦合變壓器一次、二次側線圈線感波形為梯形波，在非階躍區線感幅值不變，階躍區內線感以一定斜率變化。
2）參照單相松耦合變壓器阻抗分析方法，三相WPT系統每相等效阻抗相等，保證了三相系統的對稱性。仿真結果證明了三相系統的可行性和分析方法的有效性。
