旋轉(zhuǎn)變壓器在開關(guān)電源上的應(yīng)用

1、旋轉(zhuǎn)變壓器在開關(guān)電源上的應(yīng)用裴文星 200800384208(中原工學(xué)院,鄭州 450007)摘要：介紹了非接觸式旋轉(zhuǎn)高頻鏈變壓器（Contactless Rotary high Frequency Link Transformer，簡(jiǎn)稱CRFT）在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電源上的應(yīng)用，CRFT 的使用代替了傳統(tǒng)的電能傳遞方式，即電刷電能傳遞方式，大大延長(zhǎng)了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電源系統(tǒng)的使用壽命和使用可靠性。采用軟開關(guān)技術(shù)，減少了電能在磁場(chǎng)中傳遞而進(jìn)行變換產(chǎn)生的電磁干擾，解決了與靜止供電完全沒有物理接觸的旋轉(zhuǎn)電路的供電問題。實(shí)驗(yàn)證明，CRFT 完全可以在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)供電場(chǎng)合代替電刷及滑環(huán)。關(guān)鍵詞：電源/ 非接觸式旋轉(zhuǎn)高頻鏈變

2、壓器；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)-引言任何電子設(shè)備都需要電源，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)也是如此，如石油鉆井、造紙機(jī)械、直升機(jī)旋翼等機(jī)構(gòu)上的傳感器及測(cè)試設(shè)備的供電，衛(wèi)星、雷達(dá)等需要將電能傳遞到旋轉(zhuǎn)用電設(shè)備的場(chǎng)合等。以衛(wèi)星電源為例，衛(wèi)星在繞地球軌道運(yùn)行的過程中，自身始終以一定的角速率旋轉(zhuǎn)。而衛(wèi)星的太陽能電池板為了最大限度地利用太陽能，必須始終正對(duì)太陽照射的向。隨著衛(wèi)星在軌道上位置的變化，伺服機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)太陽能電池板的朝向。太陽能電池板和衛(wèi)星星體之間的電能傳遞傳統(tǒng)上是通過石墨電刷與銅制滑環(huán)之間的接觸實(shí)現(xiàn)的。石墨電刷因相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磨損，從而導(dǎo)致碳粉的掉落、接觸的松動(dòng)、供電不穩(wěn)以及產(chǎn)生電火花等不良影響，最終導(dǎo)致電刷與滑環(huán)脫離接觸，無

3、法完成供電，成為該類旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電源壽命延長(zhǎng)的瓶頸。而使用非接觸式旋轉(zhuǎn)高頻鏈變壓器，則可以從根本上解決接觸磨損的問題。美國(guó)在1996 年成功研制出傳遞功率達(dá)400 W 的非接觸式旋轉(zhuǎn)變壓器電源，但使用的是400 Hz 的中頻硅鋼片變壓器，重量較大。2002 年，歐洲和法國(guó)瑪特拉宇航系統(tǒng)公司聯(lián)合研制出了傳遞功率達(dá)到100 W 的旋轉(zhuǎn)高頻鏈開關(guān)電源，該電源系統(tǒng)不僅可以傳遞電能，還可以傳遞19.2 k/s 的信息數(shù)據(jù)1。非接觸式旋轉(zhuǎn)高頻鏈逆變器可用于所有需向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提供電能的領(lǐng)域。1 CRFT 的結(jié)構(gòu)和基本原理CRFT 的工作頻率為100 kHz 左右，因此，變壓器所使用的磁性材料為錳鋅鐵氧體，它具有磁

4、導(dǎo)率和電阻率較高，矯頑力較低的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，使繞組產(chǎn)生激磁電流就能產(chǎn)生較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，傳遞較大的功率，同時(shí)具有較小的鐵耗和渦流損耗。 圖1 示出在CRFT 內(nèi)部繞組放置的位置系。為防止意外的摩擦，繞組之間相互留有間隙。磁心之間也留有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的間隙。旋轉(zhuǎn)部分的繞組輸出穿過旋轉(zhuǎn)主軸連接著旋轉(zhuǎn)電路。靜止繞組的輸出需要經(jīng)過磁心上的留孔引出。磁心外部包裹的金屬護(hù)罩，既可防止灰塵落入氣隙，影響變壓器工作；又可抑制由氣隙和輸入輸出導(dǎo)線帶來的電磁干擾，還能增加旋轉(zhuǎn)高頻鏈變壓器的機(jī)械強(qiáng)度。圖1 旋轉(zhuǎn)高頻鏈變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)CRFT 的初級(jí)因?yàn)橹苯优c輸入相連，故初級(jí)為靜止?fàn)顟B(tài)；次級(jí)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連，故次級(jí)為旋

5、轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因?yàn)橹绷鬏斎朐陟o止端，所以DC/DC 全橋變換器及其相關(guān)的控制、驅(qū)動(dòng)電路在靜止端，反饋通過反饋繞組來實(shí)現(xiàn)；在旋轉(zhuǎn)次級(jí)有整流濾波電路、SPWM 逆變控制電路和輸出逆變電路，相關(guān)電路的供電由另一路次級(jí)的輸出繞組提供。值得一提的是，CRFT 的磁心形狀為罐形，罐形磁芯是磁芯在外，銅線在內(nèi)的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有專門與罐形磁芯匹配的塑料骨架供繞組纏繞。罐形磁芯可以大大減小EMI 的產(chǎn)生，在相同的體積和重量?jī)?nèi)增加磁芯的有效橫截面積，即傳遞較多的功率。缺點(diǎn)是內(nèi)部線圈散熱不良，溫升容易過高。在初級(jí)繞組中通入交變電流，交變電流通過初級(jí)繞組在變壓器中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)在變壓器的次級(jí)感應(yīng)出感生電流，能量便由

6、初級(jí)傳遞到了次級(jí)。2 CRFT 的應(yīng)用電路圖2 示出CRFT 的應(yīng)用主電路結(jié)構(gòu)，它由DC/DC全橋變換器、非接觸式旋轉(zhuǎn)高頻變壓器、SPWM 逆變器和輸出濾波器組成2。逆變器的主要結(jié)構(gòu)為單向電壓型高頻鏈逆變器，其直流變換和逆變部分的控制相對(duì)獨(dú)立，不需要同步。這在初次級(jí)繞組沒有任何物理接觸的場(chǎng)合無疑是一個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)。圖2 主電路結(jié)構(gòu)圖單向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變器具有單向功率流、三級(jí)功率變換（DC-HFAC-DC-LFAC）的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是：功率變換環(huán)節(jié)較多，導(dǎo)致變換效率不高，特別是HFAC-DC 這一級(jí)需要的濾波電容和整流二極管隨著輸出功增大體積明顯增大，由于整流二極管需要緩沖電路，導(dǎo)致部分能量損失

7、，使感性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)不佳。逆變器采用SPWM 控制策略，具有電路拓?fù)浜?jiǎn)潔、所需濾波元件小等特點(diǎn)3。整個(gè)電源系統(tǒng)的直流輸入電壓為（28.5±3）V，交流輸出為單相115 V/400 Hz。圖3 示出電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖輸入的28.5 V 直流經(jīng)過移相全橋DC/DC 變換之后，被升壓到182 V，為下一級(jí)SPWM 逆變提供直流電壓。經(jīng)過單相橋式逆變電路進(jìn)行SPWM 逆變，以及輸出LC 濾波，升壓之后的直流電壓被逆變?yōu)?15 V/400 Hz 的單相交流電輸出。為了提高效率，減小電源在空間的電磁干擾輻射，移相全橋DC/DC 變換器采用了軟開關(guān)技術(shù)4。在增大開關(guān)頻率、減小磁性元件

8、重量和體積的同時(shí)，保證了效率和電磁兼容性的穩(wěn)定。旋轉(zhuǎn)電路包括移相全橋DC/DC 變換器的整流電路、SPWM 逆變控制電路及逆變主電路、交流輸出濾波電路和旋轉(zhuǎn)部分的輔助電源電路。其中，SPWM 逆變控制電路采用了數(shù)字控制方式，利用查表的方式來實(shí)現(xiàn)SPWM 觸發(fā)脈沖的生成。該電路具有獨(dú)立的振蕩源使得SPWM 的開關(guān)頻率與DC/DC 變換的開關(guān)頻率獨(dú)立，容易實(shí)現(xiàn)載波比控制的輸出諧波消去。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析采用上述主電路結(jié)構(gòu)和控制方式，研制了輸出功率350 W，輸出頻率400 Hz，輸出單相電壓115 V，開關(guān)工作頻率120 kHz 的原理樣機(jī)。該電源輸出頻率穩(wěn)定、輸出諧波含量少、輸出額定功率下無明顯

9、發(fā)熱。旋轉(zhuǎn)工況下電源輸出有輕微抖動(dòng)，電壓調(diào)整率離設(shè)計(jì)要求有一定偏差，在改善初次級(jí)耦合狀況后，問題得到了解決。圖4 示出電源各工作點(diǎn)的主要波形。圖4 實(shí)驗(yàn)波形4 結(jié)論實(shí)驗(yàn)表明，CRFT 應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電源中，除實(shí)現(xiàn)了機(jī)械上的無磨損、免維護(hù)以外，在電氣性能上也繼承了開關(guān)電源體積小、重量輕、功率密度大、效率高的優(yōu)點(diǎn)。可以預(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，基于旋轉(zhuǎn)變壓器的各種開關(guān)電源必將在各個(gè)領(lǐng)域嶄露頭角。-The Application of Rotary Transformer in the Power SupplyPei Wen-xing(Zhongyuan University Of Technology,

10、Zhengzhou 450007)Abstract:A detailed introduction of the application of contactless rotary high frequency link transformer in the rotarymechanism power supply is given.To use the contactless rotary high frequency link transformer instead of carbon brushes which is traditionally and widely used，a lon

11、ger life-span and higher reliability are achieved.The resonant technique is includedin order to eliminating the EMI due to power conversion，and the power supply to the rotary circuits is realized by a creative method.The practical test demonstrates its superiority to carbon brushes and slip rings.Keywords: power supply / contactless rotary high frequency link transformer；rotary mechanism參考文獻(xiàn):1 Thierry Bieler,Marc Perrottet,Valerie Nguyen,et al.ContactlessPower and Information TransmissionJ.IEEE Transon Industry Application