无线充电轨道供电式电动汽车模型

摘 要新型无接触电能传输系统利用电磁感应耦合技术与电力电子技术相结合,实现电能的无接触传输,消除了传统的电能传输方式带来的电击、短路和发生火花的危险.本文初步建立了新型无接触电能传输系统的无线小车模型,并在其基础上加装了无线模块,以达到自动巡视机器人的功能.研究结果表明初级和次级补偿必不可少,可以大大提高系统的功率传输能力,而初级补偿则显著减小了对初级供电系统视在功率的要求,降低了系统成本.

关 键 词新型无接触电能传输系统；无线小车模型；初/次级补偿；无线模块

中图分类号U469文献标识码A文章编号1674-6708（2014）119-0208-02

1新型无接触传输系统理论分析

目前新型无接触电能传输系统采用电磁感应原理,简单来说就是将变压器线圈中心的铁芯截断.初、次级绕组分别绕在不同的磁性结构上,实现了电源和负载单元之间不需要物理连接就可以进行能量耦合.从而实现了电能的无接触传输.

新型无接触能量传递系统的基本构成框图如下图所示,可知初、次级子系统之间不存在物理连接.

无接触能量传递系统主要包括以下几个部分：

1）在输入端将工频交流电压经过功率放大器转换成高频交流电压供给变压器初级绕组.因为电压的频率提高很多,在空间辐射的电磁长减少,则系统的感应耦合能力就大大增强,因此损失的能量会大大减少.

输入能量经过变压器感应耦合后,次级端口输出的是高频电压,利用功率放大器可以使得传输的功率能够达到要求；

2）对次级线圈进行补偿：由于新型无接触电能传输系统属于疏松耦合式结构,系统的功率传输能力较差.同时系统输出电流和电压的大小在很大程度上依赖于负载阻抗的大小,输出功率受到很大限制.采用次级补偿技术可以有效地改善这种情况.次级补偿有两种基本的拓扑结构――串联/并联补偿结构.在谐振频率下,采用串联补偿时,次级补偿电容压降和次级感抗压降相抵消；采用并联补偿时,流入次级补偿电容中的电流与次级导纳中电流的无功分量相抵消.在两种补偿拓扑下,反应阻抗对于运行频率和负载变化比较敏感,可能会增加对初级供电系统的视在功率要求,引起电能传输问题；

（3）为了改善初级功率因数,减小对初级电源的视在功率要求,需要采取初级补偿技术.最基本的初级补偿拓扑也有两种――串联/并联补偿.串联补偿时,串联电容上的电压降与初级端的感抗压降相抵消,降低了电压要求；并联补偿时,流过并联电容的电流补偿了初级绕组中电流的无功分量,从而降低了对供电系统的电流要求.在谐振频率下,电源端的视在功率最小,等于系统中输入的有功功率的数值.而当运行频率偏离谐振频率时,电源端的视在功率都急剧上升.当运行频率小于谐振频率时,并联补偿初级视在功率上升较慢；而当运行频率大于谐振频率时,串联补偿初级视在功率增加较慢.在实际应用中,可以使用串、并联补偿相结合的方式,通过选择适当的补偿电容来提高系统的稳定性和功率因数.

4）在次级端通过整流原件将输出电流的高频交流电压转化成直流电压,以达到为电动汽车模型马达供电的目的.

2模型构建

电动汽车模型的设计有两种方案.方案一：电动汽车模型的主骨架为铁磁材料,其上绕有线圈.这样设计其既起到了支撑小车,又可以增加初级绕组和次级绕组的耦合程度,减轻了小车的重量.

电动汽车模型的侧面：铁芯两端有向地面的突起,这样设计的目的是可以增加磁的耦合程度.电动汽车模型行驶的木板内部有很多方向与车身平行的原边线圈,所有的线圈都并联在初级变换器的输出端口上,以在线圈两端加上高频电压.

不同于方案一,方案二的线圈是绕在轮轴上的.

3模型实验过程

在实验过程中,使用指定型号功率放大器.其能够将工频电压转变为高频电压,并能够以一定的功率传输出来.但由示波器测得功率放大器所输出的波形并不是标准的高频正弦电压波形,其中含有大量的谐波电压.为了方便分析,本文认为输出的为正弦高频电压.并在此基础上,利用matlab进行仿真,确定了整流桥并联的电容的值得大小.

并根据我们所确定的值得做出了整流电路,如图1所示：

但是在实验过程中,我们发现由于电压的频率过高,功率会发生反射现象,不能传输给小车供电.因此,需要对初级和次级的电感进行电容补偿.补偿的具体的电路图如图2所示.关于补偿的C1,C2的值现在正在进行中.

为使小车能够实现无人值守变电站中的巡守机器人的作用,小组给小车加装了一个无线收发模块,其构成为：无线摄像头,电脑,软件,USB接收器,原理是无线摄像头负责拍照并且通过内部集成发射模块经2.4G频率的无线发送,USB接收器负责接收信号并且传输到电脑,而电脑安装相应软件后采集信号并在可视化窗口上显示摄像头所拍摄的照片.经测试,该模块可实现图片的实时传输.

4结论

本文初步建立了新型无接触电能传输系统的无线小车模型,并在其基础上加装了无线模块,以达到自动巡视机器人的功能.研究结果表明初级和次级补偿必不可少,可以大大提高系统的功率传输能力,而初级补偿则显著减小了对初级供电系统视在功率的要求,降低了系统成本.