以电动机为负载的非接触供电技术

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大连理工大学电气工程学院、中电投吉林核电有限公司的研究人员潘振方、陈希有、牟宪民、周宇翔、吴茂鹏，在《电工技术学报》2016年增刊1上撰文指出，自2007年以来非接触供电技术得到了迅速发展，但以电动机为负载的非接触供电技术研究较少。电动机是强冲击、大范围功率变化的机电负载。因此，在用非接触方式为电动机供电时，供电电压易随电动机运行状态的变化而明显波动。

针对这一问题，本文在发射端采用LC补偿、在接收端采用串联补偿的方式，以实现发射线圈恒流特性、接收端稳压特性。介绍了LC/S补偿参数的设计方法，搭建了仿真和实验平台。分别利用LC/S和SS两种补偿方式对电动机直接起动和软起动过程进行了对比实验。

结果表明，电动机起动前后，SS补偿方式发射线圈电流相对减小了6.03%，输出电压相对减小了22.48%；而LC/S补偿方式发射线圈电流相对减小了3.85%，输出电压相对减小了12.9%。由此表明，LC/S补偿方式具有更好的稳压和抗冲击特性，适于电动机类负载的非接触供电。

非接触供电以其无拖尾、非接触、安全、便捷等特点越来越引起人们的关注，并逐渐被应用到日常生活中，如无线充电牙刷、无尾厨房、无尾电视、无线充电汽车等[1-4]。在未来的几十年内，非接触供电技术会有更大的发展空间，将会像射频技术那样为人类的生活带来更多的便利[5]。

在自动化生产线和厂矿等场所，广泛使用轨道运输设备。为该设备电动机的供电通常有以下三种方式：蓄电池供电、牵引电缆线供电和滑动接触供电[6-8]。蓄电池供电以其无电线拖尾被广泛使用。但蓄电池存在体积大、笨重、容量有限、需及时充电和更换等问题。

牵引电缆线供电和滑动接触供电是以有线的方式为电动机提供电能，主要缺点是存在电线拖尾，导致行动不便，且需要支架支撑电线，电线处于摩擦或拉伸状态[9]，易发生损坏或漏电事故。因此迫切需要一种更有利的导轨运输设备电动机的供电方法。

非接触电能传输利用电磁感应原理传输电能，主要优点是避免了电线拖尾的问题，尤其适于导轨运输设备电动机的供电。目前，移动电动机采用的供电方式是先给蓄电池充电，再由蓄电池为电动机提供电力[10-13]，而用非接触方式直接带动电动机的研究比较少。

蓄电池充电需要稳定的电流，一般采用的补偿方式是发射端串联、接收端并联，即SP补偿[14,15]。由于蓄电池供电存在上述问题，因此本文以核电厂小型起重运输设备为背景，提出一种用非接触方式直接为电动机供电的方法。

与蓄电池或恒阻抗负载相比，电动机的特点是起动电流远大于正常运行电流，即电动机在起动过程是一个冲击性负载，会使端电压出现跌落[12]趋势，导致起动失败。因此，在起动过程中必须为电动机提供相对稳定的电压，才能使电动机正常起动。

文献[16]采用发射端LCC补偿、接收端串联即T/S补偿网络，通过设计该补偿网络参数实现输出电压近似与负载无关的特性。文献[17]从相量角度分析了LC补偿方式适用于大功率非接触供电系统。

文献[18]讲述了LC补偿参数计算方法，按此方法匹配的各补偿元器件电压和电流含有较少的谐波成分，但是补偿电感和电容上的电流过大，对补偿器件的电流应力要求高，大电流还会导致发热严重和系统效率低。为了达到稳压输出的目的，文献[18-20]在发射端采用LC补偿、接收端采用串联补偿，称为LC/S补偿。

本文以电动机为LC/S补偿的负载，介绍了LC/S补偿参数的设计方法，并对LC/S和SS补偿方式进行了仿真和对比实验，验证了在电动机起动过程中非接触供电系统的稳压输出特性。得出LC/S补偿方式具有更好的稳压和抗冲击特性，有利于应用于广泛的电动机类负载的非接触供电。

图2  电动机为负载的非接触供电电路

图9  发射线圈和接收线圈实物和模型

结论

本文分别对LC/S和SS两种补偿方式在电动机起动过程中输出电压特性进行了研究，结论如下。

1）在电动机起动过程中，SS补偿方式电压跌落20%左右，LC/S补偿方式仅跌落10%，因此LC/S补偿表现出更好的稳压输出特性。

2）LC/S补偿具有匹配参数简单、稳压特性好，且可以通过调节互感M的值达到不同输出电压的目的。

3）LC/L补偿流过功率开关管的电流小，有利于减少器件开关损耗，提高系统效率。

为了使稳压效果更好，后续工作是直接将三相交流市电作为主电路的输入电源，降低因负载变化导致的输入电压变化；在输出端加入闭环反馈控制部分，使稳压输出效果更好。