提出一種適用于軌道交通無(wú)接觸供電（WPT）系統的新型松耦合變壓器結構，沿軌道敷設的一次側發(fā)射線(xiàn)圈是一種三相Z型結構，首先分析了一次側和二次側線(xiàn)圈的電磁耦合作用，得到一次側和二次側線(xiàn)圈的等效互感，計算了互感模型下二次側線(xiàn)圈映射到一次側的等效阻抗。
在Maxwell中搭建了三相松耦合變壓器模型，得到了一次側線(xiàn)圈的電磁參數，利用PSIM分析了系統功率輸出特性。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阻抗對稱(chēng)的特點(diǎn)。
無(wú)接觸供電（Wireless Power Transfer, WPT）系統以無(wú)接觸形式實(shí)現電能的傳輸，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(zhù)電力電子技術(shù)、磁性材料研究和控制技術(shù)的進(jìn)步，感應耦合電能傳輸技術(shù)得以迅速發(fā)展，在手持式設備、醫療器械、電動(dòng)汽車(chē)，特別是軌道交通領(lǐng)域有較好的應用前景[1-4]。
WPT系統頻率一般為幾十kHz，由于高頻下線(xiàn)圈電流的趨膚效應和臨近效應，導線(xiàn)阻抗不可忽略。在動(dòng)態(tài)移動(dòng)式WPT應用中，需要敷設線(xiàn)圈的道路長(cháng)度以km計，單根導線(xiàn)不可能完成整個(gè)系統一次側線(xiàn)圈敷設。為提高系統效率，采用線(xiàn)圈分段形式以減小線(xiàn)圈阻抗[5]，或優(yōu)化變流器控制策略，實(shí)現高頻逆變器的軟開(kāi)關(guān)運行[6-8]。
電動(dòng)汽車(chē)沿道路動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電必須考慮由于一次側、二次側線(xiàn)圈之間位置偏移以及運行至線(xiàn)圈分段處互感的變化對系統的影響[9]；應用于軌道交通的WPT系統具有一次側發(fā)射線(xiàn)圈沿軌道敷設的特點(diǎn)，其二次側接收線(xiàn)圈安裝在列車(chē)底部，運行時(shí)不需要考慮一次、二次側線(xiàn)圈之間的位置偏移，但系統傳輸功率等級較高[10]。
韓國鐵道科學(xué)研究院（KAIST）研制的應用于驅動(dòng)高鐵的1 MW無(wú)接觸電能傳輸系統，一次側線(xiàn)圈分段處理，單段一次側線(xiàn)圈長(cháng)度128m，二次側采用4個(gè)并聯(lián)接收線(xiàn)圈向負載供電[11]。中國科學(xué)院電工研究所（IEECAS）研制的200kV?A無(wú)接觸供電樣機，一次側線(xiàn)圈做分段處理，兩個(gè)二次側接收線(xiàn)圈輸出串聯(lián)，當二次側接收線(xiàn)圈運行至一次側線(xiàn)圈分段處時(shí)，一次、二次側線(xiàn)圈間均有互感，此時(shí)與二次側接收線(xiàn)圈相對應的兩個(gè)一次側發(fā)射線(xiàn)圈同時(shí)供電，滿(mǎn)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、二次側線(xiàn)圈互感波動(dòng)較大的問(wèn)題，導致輸出電壓紋波大，控制效果差，且系統效率較低。
文獻[13]一次側采用三相結構形式，一次側線(xiàn)圈面積較大，以提高一次、二次側線(xiàn)圈互感，減弱了電動(dòng)汽車(chē)運動(dòng)過(guò)程中一次、二次側線(xiàn)圈位置偏移對輸出的影響。該結構一次側線(xiàn)圈按照三相電機繞線(xiàn)排布方法，在空間中建立高頻行波磁場(chǎng)，接收線(xiàn)圈切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生感應電壓。文獻[14]提出了緊湊型一次、二次側三相無(wú)接觸供電系統，一次、二次側線(xiàn)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(xiàn)和磁心材料，不適用于軌道交通長(cháng)距離供電場(chǎng)合。
相對于單相松耦合變壓器，三相結構形式具有一次、二次側線(xiàn)圈耦合系數更高、空間容錯性更強、傳輸功率等級更高的優(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，三相一次側線(xiàn)圈在空間相差120°電角度、每個(gè)三相一次側線(xiàn)圈非閉合，二次側接收線(xiàn)圈三個(gè)一組有序排列。提出了“線(xiàn)感”概念，衡量有限長(cháng)導線(xiàn)與閉合線(xiàn)圈的磁耦合，分析了不同位置下一次、二次側線(xiàn)圈等效互感與線(xiàn)感的關(guān)系，采用互感耦合模型分析了三相WPT系統的阻抗特性，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(lǐng)域的Z型三相松耦合變壓器結構，分析了一次、二次側線(xiàn)圈之間的磁耦合作用，得到了一次、二次側線(xiàn)圈的等效互感，并推導了三相WPT系統阻抗特性。結論如下：
1）不同位置下三相松耦合變壓器一次、二次側線(xiàn)圈線(xiàn)感波形為梯形波，在非階躍區線(xiàn)感幅值不變，階躍區內線(xiàn)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系統每相等效阻抗相等，保證了三相系統的對稱(chēng)性。仿真結果證明了三相系統的可行性和分析方法的有效性。
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