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中國科學院電力電子與電氣驅(qū)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(fā)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(tǒng)的新型松耦合變壓器結構，沿軌道敷設的一次側(cè)發(fā)射線圈是一種三相Z型結構，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(tǒng)阻抗對稱的特點。

無接觸供電（Wireless Power Transfer, WPT）系統(tǒng)以無接觸形式實現(xiàn)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(fā)展，在手持式設備、醫(yī)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(tǒng)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(tài)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(tǒng)一次側(cè)線圈敷設。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，實現(xiàn)高頻逆變器的軟開關運行[6-8]。

電動汽車沿道路動態(tài)無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行至線圈分段處互感的變化對系統(tǒng)的影響[9]；應用于軌道交通的WPT系統(tǒng)具有一次側(cè)發(fā)射線圈沿軌道敷設的特點，其二次側(cè)接收線圈安裝在列車底部，運行時不需要考慮一次、二次側(cè)線圈之間的位置偏移，但系統(tǒng)傳輸功率等級較高[10]。

韓國鐵道科學研究院（KAIST）研制的應用于驅(qū)動高鐵的1 MW無接觸電能傳輸系統(tǒng)，一次側(cè)線圈分段處理，單段一次側(cè)線圈長度128m，二次側(cè)采用4個并聯(lián)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(cè)線圈做分段處理，兩個二次側(cè)接收線圈輸出串聯(lián)，當二次側(cè)接收線圈運行至一次側(cè)線圈分段處時，一次、二次側(cè)線圈間均有互感，此時與二次側(cè)接收線圈相對應的兩個一次側(cè)發(fā)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(cè)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(tǒng)效率較低。

文獻[13]一次側(cè)采用三相結構形式，一次側(cè)線圈面積較大，以提高一次、二次側(cè)線圈互感，減弱了電動汽車運動過程中一次、二次側(cè)線圈位置偏移對輸出的影響。該結構一次側(cè)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(chǎn)生感應電壓。文獻[14]提出了緊湊型一次、二次側(cè)三相無接觸供電系統(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(cè)線圈耦合系數(shù)更高、空間容錯性更強、傳輸功率等級更高的優(yōu)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(tǒng)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(cè)線圈在空間相差120°電角度、每個三相一次側(cè)線圈非閉合，二次側(cè)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(cè)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(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(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，并推導了三相WPT系統(tǒng)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(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)的對稱性。仿真結果證明了三相系統(tǒng)的可行性和分析方法的有效性。