福州大学陈庆彬等：结合变压器 T 网络模型的具有可变恒压增益特性的补偿网络参数确定新方法

Posted 2021-04-07 中国电机工程学报

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结合变压器 T 网络模型的具有可变恒压增益特性的补偿网络参数确定新方法

陈庆彬，张伟豪，叶逢春，陈为

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.170622

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项目背景

　　无线电能传输技术是目前市场和科研的热点技术之一，谐振补偿网络作为无线电能传输系统中的重要环节，对整个无线电能传输系统的整体性能起着至关重要作用。 现有的谐振补偿网络参数确定方法大都认为磁耦合系统的变比应该等于物理匝比，但对于一个松耦合的磁耦合系统而言，该结论还需进一步验证。本文通过对无线电能传输系统磁耦合系统和补偿网络的深入分析，指出磁耦合系统的变比不一定得是物理匝比，而是具有多解性。根据磁耦合系统的变压器T网络模型等效参数的多解性，提出了一种基于等效漏感补偿的补偿网络参数确定的新方法。该方法理论上可以使系统获得任意的电压增益特性，有效拓宽了系统的增益范围。在输入、输出及开关频率不变的情况下，通过谐振补偿参数的设计，可实现磁耦合系统线圈匝数及尺寸的减小。　　

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论文所解决的问题及意义

　　图1所示为典型无线电能传输系统结构图，包括：功率因数校正电路、高频逆变电路、发射侧补偿网络、磁耦合系统、接收侧补偿网络、高频整流电路及功率电压调节电路。

图1  典型无线电能传输结构框图

　　本文通过综合分析磁耦合系统耦合电感模型和变压器T网络模型指出了变压器T网络模型的各参数（包括变比）具有多解性。基于变压器T网络模型的多解性和漏感补偿的原理，如图2所示，提出了可以实现任意给定恒压输出的无线电能传输的S/S型、P/S型的补偿网络结构及参数确定的一般性方法。图3给出了同一给定的磁耦合系统通过谐振补偿参数的设计获得不同的电压增益特性的实验结果（物理匝比为：34/27）。理论上可以通过补偿网络参数设计，实现任意恒压输出。尤其是当所设计的电压增益高于磁耦合系统的物理匝比时，在系统的输入、输出及工作频率不变的情况下，有助于减小磁耦合系统的匝数及尺寸，充分发挥了磁耦合系统的性能。同时该方法不局限于仅使用电容元件补偿，在计算得到的补偿电容参数为负值的情况下，也可利用电感元件进行替代来达到相应的输出效果，在特定的情况下还可以仅使用单电容补偿的方式达到恒压输出的目的。

图2  S/S型漏感补偿原理

图3 不同等效变比下的电压增益测试结果

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论文重点内容

　　论文分析和探讨了以下5方面问题：

　　（1）传统S/S和S/P型补偿结构特性分析；

　　（2）无线电能传输磁耦合系统模型分析；

　　（3）S/S和P/S补偿网络结构参数确定新方法；

　　（4）PS/S和S/SP补偿网络结构及参数确定新方法 ；

　　（5）实验验证。　

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结论

　　论文通过磁耦合系统变压器T等效模型分析了同一磁耦合结构可以获得不同等效变比的原因。利用变压器T网络模型的多解性，将原边等效漏感、副边等效漏感及等效激磁电感视为等效变比的函数，加深了对现有的磁耦合结构等效模型及其物理意义的理解。提出了可以实现任意给定恒压输出(恒电压增益)无线电能传输的S/S型、P/S型、S/SP型、PS/S型的磁耦合系统的补偿网络结构及参数确定的一般性通用方法，模型简单明了，物理概念清晰。对一个给定的磁耦合系统，理论上可以通过补偿网络参数设计，实现任意恒压输出。　

引文信息

陈庆彬，张伟豪，叶逢春, 等. 结合变压器T网络模型的具有可变恒压增益特性的补偿网络参数确定新方法[J]. 中国电机工程学报, 2017, 37(15): 4483-4494. 

Chen Qingbin, Zhang Weihao, Ye Fengchun, et al. A new compensation network parameters design method with variable constant voltage gain characteristics based on transformer T model[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(15): 4483-4494(in Chinese).

团队介绍

　　福州大学功率变换电磁技术实验室团队现有高级职称教师5人，在学博士生6人，硕士生近30人，已先后发表了包括IEEE学刊、中国电机工程学报、电工技术学报等高级别刊物以及IEEE国际学术会议等论文100多篇，授权专利27项（其中美国授权专利11项，中国授权发明专利16项）。承担国家自然科学基金5项，著名企业技术开发项目30多项。承担了IEC/TC 51国际标准和国内标准的制定工作。

　　团队在陈为教授的带领下将电磁技术与电力电子功率变换技术结合，在国内率先开拓了电力电子高频磁技术的研究方向，长期坚持不懈开展了大量系统的基础和应用基础研究以及与国内外企业界的广泛技术合作，建立了具有年富力强研发团队和完整系统测试仪器的实验室，研究内容涉及与电力电子、电力系统、电器等领域相关的功率电磁技术的各个方面，包括高频功率磁元件、高频磁元件特性测试、电力电子功率变换、无线电能传输技术，电磁兼容预测、诊断与抑制技术等。

　　陈庆彬（1985），博士，讲师，硕士生导师。主要从事无线电能传输技术和电磁兼容诊断与抑制方面的研究工作。于2007、2012年分别在福州大学获得学士和博士学位。作为团队的核心成员，目前已经主持国家自然科学基金（青年）项目1项，教育部博士点基金项目（新教师类）1项，福建省教育厅项目1项和福州大学基金项目3项；主持著名企业技术开发项目7项；在国内外著名学术刊物和国际会议发表论文12篇，申请中国发明专利20余项，获授权国家发明专利5项；兼任中国电源学会无线电能传输技术与装置专业委员会委员、中国电源学会电磁兼容专业委员会委员、全国磁性元件与铁氧体材料标准化技术委员会委员及中国电源学会磁技术专委会和广东省电子变压器电感器行业协会“磁元件技术服务专家组成员”。

　　张伟豪（1992），男，于2015年在福州大学电气工程与自动化学院获学士学位，目前在福州大学电气工程学院攻读硕士学位，研究方向为无线电能传输技术。

　　叶逢春（1993），男，2014年6月毕业于青岛滨海学院机电工程学院，获得工学学士学位。2014年9月进入福州大学电气工程学院电气工程专业攻读硕士学位，研究方向为无线电能传输技术。

　　陈为（1958），博士，教授（团队负责人）。主要从事电力电子功率变换、无线电能传输技术、电磁兼容诊断与抑制、电力电子高频磁技术及电磁场分析与应用方面的研究工作。

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