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中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院電工研究所）、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的研究人員張發(fā)聰、史黎明等，在2018年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1上撰文，提出一種適用于軌道交通無(wú)接觸供電（WPT）系統(tǒng)的新型松耦合變壓器結(jié)構(gòu)，沿軌道敷設(shè)的一次側(cè)發(fā)射線圈是一種三相Z型結(jié)構(gòu)，首先分析了一次側(cè)和二次側(cè)線圈的電磁耦合作用，得到一次側(cè)和二次側(cè)線圈的等效互感，計(jì)算了互感模型下二次側(cè)線圈映射到一次側(cè)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(cè)線圈的電磁參數(shù)，利用PSIM分析了系統(tǒng)功率輸出特性。結(jié)果表明提出的Z型三相松耦合變壓器結(jié)構(gòu)具有電磁耦合性能好、空間容錯(cuò)性強(qiáng)和系統(tǒng)阻抗對(duì)稱的特點(diǎn)。

無(wú)接觸供電（Wireless Power Transfer, WPT）系統(tǒng)以無(wú)接觸形式實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，擺脫了接觸式電能傳輸帶來(lái)的摩擦、電火花等一系列問(wèn)題。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、磁性材料研究和控制技術(shù)的進(jìn)步，感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)得以迅速發(fā)展，在手持式設(shè)備、醫(yī)療器械、電動(dòng)汽車，特別是軌道交通領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景[1-4]。

WPT系統(tǒng)頻率一般為幾十kHz，由于高頻下線圈電流的趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)，導(dǎo)線阻抗不可忽略。在動(dòng)態(tài)移動(dòng)式WPT應(yīng)用中，需要敷設(shè)線圈的道路長(zhǎng)度以km計(jì)，單根導(dǎo)線不可能完成整個(gè)系統(tǒng)一次側(cè)線圈敷設(shè)。為提高系統(tǒng)效率，采用線圈分段形式以減小線圈阻抗[5]，或優(yōu)化變流器控制策略，實(shí)現(xiàn)高頻逆變器的軟開關(guān)運(yùn)行[6-8]。

電動(dòng)汽車沿道路動(dòng)態(tài)無(wú)線充電必須考慮由于一次側(cè)、二次側(cè)線圈之間位置偏移以及運(yùn)行至線圈分段處互感的變化對(duì)系統(tǒng)的影響[9]；應(yīng)用于軌道交通的WPT系統(tǒng)具有一次側(cè)發(fā)射線圈沿軌道敷設(shè)的特點(diǎn)，其二次側(cè)接收線圈安裝在列車底部，運(yùn)行時(shí)不需要考慮一次、二次側(cè)線圈之間的位置偏移，但系統(tǒng)傳輸功率等級(jí)較高[10]。

韓國(guó)鐵道科學(xué)研究院（KAIST）研制的應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)高鐵的1 MW無(wú)接觸電能傳輸系統(tǒng)，一次側(cè)線圈分段處理，單段一次側(cè)線圈長(zhǎng)度128m，二次側(cè)采用4個(gè)并聯(lián)接收線圈向負(fù)載供電[11]。中國(guó)科學(xué)院電工研究所（IEECAS）研制的200kV?A無(wú)接觸供電樣機(jī)，一次側(cè)線圈做分段處理，兩個(gè)二次側(cè)接收線圈輸出串聯(lián)，當(dāng)二次側(cè)接收線圈運(yùn)行至一次側(cè)線圈分段處時(shí)，一次、二次側(cè)線圈間均有互感，此時(shí)與二次側(cè)接收線圈相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)一次側(cè)發(fā)射線圈同時(shí)供電，滿足后級(jí)負(fù)載需要[12]。

上述兩種情況都是采用單相結(jié)構(gòu)，存在分段處一次、二次側(cè)線圈互感波動(dòng)較大的問(wèn)題，導(dǎo)致輸出電壓紋波大，控制效果差，且系統(tǒng)效率較低。

文獻(xiàn)[13]一次側(cè)采用三相結(jié)構(gòu)形式，一次側(cè)線圈面積較大，以提高一次、二次側(cè)線圈互感，減弱了電動(dòng)汽車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一次、二次側(cè)線圈位置偏移對(duì)輸出的影響。該結(jié)構(gòu)一次側(cè)線圈按照三相電機(jī)繞線排布方法，在空間中建立高頻行波磁場(chǎng)，接收線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電壓。文獻(xiàn)[14]提出了緊湊型一次、二次側(cè)三相無(wú)接觸供電系統(tǒng)，一次、二次側(cè)線圈尺寸一致，緊密排列，且均安裝磁心。上述兩種結(jié)構(gòu)需要消耗大量的導(dǎo)線和磁心材料，不適用于軌道交通長(zhǎng)距離供電場(chǎng)合。

相對(duì)于單相松耦合變壓器，三相結(jié)構(gòu)形式具有一次、二次側(cè)線圈耦合系數(shù)更高、空間容錯(cuò)性更強(qiáng)、傳輸功率等級(jí)更高的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于軌道交通。因三相松耦合變壓器及三相WPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度高、控制方法復(fù)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(jié)構(gòu)，三相一次側(cè)線圈在空間相差120°電角度、每個(gè)三相一次側(cè)線圈非閉合，二次側(cè)接收線圈三個(gè)一組有序排列。提出了“線感”概念，衡量有限長(zhǎng)導(dǎo)線與閉合線圈的磁耦合，分析了不同位置下一次、二次側(cè)線圈等效互感與線感的關(guān)系，采用互感耦合模型分析了三相WPT系統(tǒng)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(shù)在已搭建的PSIM仿真平臺(tái)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖1 Z型三相松耦合變壓器結(jié)構(gòu)

結(jié)論

本文提出了一種適用于軌道交通領(lǐng)域的Z型三相松耦合變壓器結(jié)構(gòu)，分析了一次、二次側(cè)線圈之間的磁耦合作用，得到了一次、二次側(cè)線圈的等效互感，并推導(dǎo)了三相WPT系統(tǒng)阻抗特性。結(jié)論如下：

1）不同位置下三相松耦合變壓器一次、二次側(cè)線圈線感波形為梯形波，在非階躍區(qū)線感幅值不變，階躍區(qū)內(nèi)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(tǒng)每相等效阻抗相等，保證了三相系統(tǒng)的對(duì)稱性。仿真結(jié)果證明了三相系統(tǒng)的可行性和分析方法的有效性。