一種新型單相負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無線電能傳輸系統(tǒng)，具體涉及一種新型單相負(fù)載無線電能傳輸系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的供電方式是負(fù)載通過導(dǎo)線直接從電源取電。這種供電方式具有一定的弊 端，如不易維護(hù)、供電不靈活、容易產(chǎn)生磨損、產(chǎn)生插電火花以及存在觸電風(fēng)險(xiǎn)等。針對傳統(tǒng) 供電方式的不足，無線電能傳輸(Wireless Power Transfer，簡稱WPT)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
[0003] 目前無線電能傳輸技術(shù)主要是實(shí)現(xiàn)單相負(fù)載的無線供電，該系統(tǒng)矩陣變換器直接 進(jìn)行交-交變換，無需中間整流濾波環(huán)節(jié)，但由于采用雙向開關(guān)，也增加了矩陣變換器換流 的難度。在以往的調(diào)制策略中，雙向開關(guān)的兩個(gè)門極共用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號，當(dāng)同一個(gè)橋臂的 兩個(gè)雙向開關(guān)動(dòng)作不同步時(shí)會(huì)引起嚴(yán)重的電壓、電流浪涌，危害開關(guān)管安全。針對傳統(tǒng)調(diào)制 策略的不足，提出一種改進(jìn)的SPffM混合調(diào)制策略，采用解耦分時(shí)驅(qū)動(dòng)方法，可消除共用一個(gè) 驅(qū)動(dòng)信號引起的電壓電流過沖震蕩，且無需識別負(fù)載電流的極性即可實(shí)現(xiàn)一步自適應(yīng)換 流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對傳統(tǒng)的單相負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)存在的不足，提出了一種新型單相 負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)矩陣變換器直接進(jìn)行交-交變換，無需中間整流濾波環(huán)節(jié)； 再者，改進(jìn)的SPffM混合調(diào)制策略，成功解決了矩陣變換器雙向開關(guān)換流困難的問題。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種新型單相負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)，具體方案如 下： 一種新型單相負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)，以磁路機(jī)構(gòu)為界將主電路分為發(fā)送和接收兩部 分。發(fā)送部分包括直流電源、高頻逆變器、原邊串聯(lián)諧振補(bǔ)償電容、磁路機(jī)構(gòu)原邊線圈;接收 部分包括磁路機(jī)構(gòu)副邊線圈、副邊并聯(lián)諧振補(bǔ)償電容、矩陣變換器、濾波器及單相負(fù)載。
[0006] 直流電源通過高頻逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電，經(jīng)原邊串聯(lián)諧振補(bǔ)償后提供給磁路 機(jī)構(gòu)原邊線圈，磁路機(jī)構(gòu)副邊線圈基于電磁感應(yīng)原理拾取能量后再經(jīng)矩陣變換器及濾波器 為單相負(fù)載提供工頻交流電。
[0007] 所述的系統(tǒng)以磁路機(jī)構(gòu)為界，磁路機(jī)構(gòu)的原邊線圈和副邊線圈兩者之間互不接 觸，實(shí)現(xiàn)了電能從原邊到副邊的無線傳輸。
[0008] 所述的矩陣變換器直接進(jìn)行交-交變換，無需中間整流濾波環(huán)節(jié)；再者，改進(jìn)的 SPffM混合調(diào)制策略解決了矩陣變換器雙向開關(guān)換流困難的問題。
[0009] 所述的矩陣變換器是由四個(gè)雙向開關(guān)組成，每個(gè)雙向開關(guān)是由兩個(gè)IGBT共射極串 聯(lián)組成，矩陣變換器的控制方法采用改進(jìn)的SPffM混合調(diào)制策略。
[0010] 有益效果，由于采用了上述方案，相比于傳統(tǒng)的單相負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)，該系 統(tǒng)矩陣變換器直接進(jìn)行交-交變換，無需中間整流濾波環(huán)節(jié);再者，改進(jìn)的SPWM混合調(diào)制策 略，成功解決了矩陣變換器雙向開關(guān)換流困難的問題。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖2是傳統(tǒng)的單相負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)電路圖。
[0013]圖3是矩陣變換器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4是矩陣變換器工作原理圖。
[0015]圖5是一個(gè)橋臂的四路開關(guān)驅(qū)動(dòng)圖。
[0016] 圖6是SPffM混合調(diào)制組合邏輯圖。
[0017] 圖7是磁路機(jī)構(gòu)副邊線圈電壓電流仿真圖。
[0018] 圖8是單相負(fù)載輸出電壓仿真圖。
[0019] 圖9是單相負(fù)載輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形。
[0020] 圖中，1、直流電源;2、高頻逆變器;3、原邊串聯(lián)諧振補(bǔ)償電容;4、磁路機(jī)構(gòu)原邊線 圈；5、磁路機(jī)構(gòu)原副邊互感;6、磁路機(jī)構(gòu)副邊線圈；7、副邊并聯(lián)諧振補(bǔ)償電容;8、矩陣變換 器;9、濾波器;10、單相負(fù)載。 具體實(shí)施方案
[0021 ]實(shí)施例1: 一種新型的單相負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)，以磁路機(jī)構(gòu)為界將主電路分為 發(fā)送和接收兩部分。發(fā)送部分包括直流電源1、高頻逆變器2、原邊串聯(lián)諧振補(bǔ)償電容3、磁路 機(jī)構(gòu)原邊線圈4;接收部分包括磁路機(jī)構(gòu)副邊線圈6、副邊并聯(lián)諧振補(bǔ)償電容7、矩陣變換器 8、濾波器9及單相負(fù)載10。
[0022] 所述的系統(tǒng)以磁路機(jī)構(gòu)為界，磁路機(jī)構(gòu)原邊線圈4和磁路機(jī)構(gòu)副邊線圈6兩者之間 互不接觸，實(shí)現(xiàn)了電能從原邊到副邊的無線傳輸。
[0023] 所述的矩陣變換器8直接進(jìn)行交-交變換，無需中間整流濾波環(huán)節(jié);再者，改進(jìn)的 SPffM混合調(diào)制策略解決了矩陣變換器8雙向開關(guān)換流困難的問題。
[0024] 所述的原邊串聯(lián)諧振補(bǔ)償機(jī)構(gòu)3和副邊并聯(lián)諧振補(bǔ)償機(jī)構(gòu)7可以提高單相負(fù)載10 的輸出電壓和在單相負(fù)載10波動(dòng)條件下的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。
[0025] 所述矩陣變換器8是由四個(gè)雙向開關(guān)管組成，每個(gè)雙向開關(guān)是由兩個(gè)IGBT共射極 串聯(lián)組成，且矩陣變換器8的控制方法采用改進(jìn)的SPffM混合調(diào)制策略，解決了雙向開關(guān)換流 困難的問題。
[0026]所述的矩陣變換器8用解結(jié)耦的思想理解電路工作原理。解結(jié)耦是指將電源電壓 分解為大于零和小于零兩個(gè)電壓，在這兩個(gè)周期里分別對其進(jìn)行控制，最后把兩種情況組 合起來，得到完整的矩陣變換器8工作原理。當(dāng)矩陣變換器8輸入為正極性高頻正弦波時(shí)，將 正向工作的逆變器定義為正組逆變器。反之，將負(fù)向工作的逆變器定義為負(fù)組逆變器。 [0027]本發(fā)明提出的改進(jìn)的SPffM混合調(diào)制策略可以實(shí)現(xiàn)一步自適應(yīng)換流。以下是一相橋 臂邏輯實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)過程。
[0028] 1)當(dāng)矩陣變換器8輸入為正極性高頻正弦波時(shí)，觸發(fā)負(fù)組逆變器的所有開關(guān)，正 組逆變器按照常規(guī)SPffM調(diào)制方式正常工作。
[0029] 2)當(dāng)矩陣變換器8輸入為負(fù)極性高頻正弦波時(shí)，觸發(fā)正組逆變器的所有開關(guān)，負(fù) 組逆變器按照常規(guī)SPffM調(diào)制方式正常工作。
[0030]與常規(guī)SPWM調(diào)制策略的正、負(fù)組逆變器交替運(yùn)行相比，當(dāng)主電路按照以上控制原 則運(yùn)行時(shí)，正、負(fù)組逆變器是按照以下協(xié)調(diào)關(guān)系運(yùn)行：當(dāng)其中一組逆變器工作時(shí)，另一組逆 變器的所有開關(guān)管全部開通，充當(dāng)續(xù)流回路。這樣后級電路的換流問題就成為了普通逆變 器的換流問題，實(shí)現(xiàn)一步自適應(yīng)換流，有效降低了換流難度，減小開關(guān)管的電壓、電流浪涌。 矩陣變換器8工作原理圖如圖4所示。
[0031 ]以矩陣變換器8的一相橋臂為例，四路開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號的實(shí)現(xiàn)過程如下:利用正弦調(diào) 制波Ur和鋸齒波Uc比較得到兩路互補(bǔ)的常規(guī)SPffM信號即SPffMl，淨(jìng)免涵，然后將這兩路互補(bǔ) 的SPWM信號與相位互補(bǔ)、占空比為0.5的方波V 1，I進(jìn)行邏輯組合，方波V1，f與高頻逆變器 驅(qū)動(dòng)信號同頻率。這樣就能得到四路開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號，波形示意圖如圖5所示。另一橋臂的正 弦調(diào)制波相位相差180'以此類推不難得到另一橋臂的四路開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號。上述一個(gè)橋臂 四路開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號的控制規(guī)則圖如圖6所示。
[0032]定義電、SPffMl為T時(shí)呈高電平狀態(tài)，反之低電平。定義矩陣變換器8雙向開關(guān)函數(shù)Slj:
[C
由此不難得到陣變換器8另一相橋臂驅(qū)動(dòng)信號的控制規(guī)則。改進(jìn)的SPffM混合調(diào)制策略 簡單且易于實(shí)現(xiàn)，只需對普通的SPWM進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪壿嫿M合即可實(shí)現(xiàn)對矩陣變換器8解耦分 時(shí)驅(qū)動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)一步換流。
[0034]圖7是磁路機(jī)構(gòu)副邊線圈6電壓電流仿真圖，可以看出副邊線圈電壓電流近似于同 相位，實(shí)現(xiàn)了諧振，降低了雙向開關(guān)的過沖震蕩。圖8是單相負(fù)載10輸出電壓仿真圖，可見經(jīng) 過濾波器9濾波后單相負(fù)載10獲得工頻交流電。根據(jù)上述分析，搭建了圖1實(shí)驗(yàn)平臺，正弦調(diào) 制波的頻率是50Hz，高頻逆變器2的開關(guān)頻率是IOkHz，矩陣變換器7的開關(guān)頻率是20 kHz， 實(shí)驗(yàn)波形圖如圖9所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種新型單相負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)以磁路機(jī)構(gòu)為界將主電 路分為發(fā)送和接收兩部分，其中發(fā)送部分包括直流電源、高頻逆變器、原邊串聯(lián)諧振補(bǔ)償電 容、磁路機(jī)構(gòu)原邊線圈；接收部分包括磁路機(jī)構(gòu)副邊線圈、副邊并聯(lián)諧振補(bǔ)償電容、矩陣變 換器、濾波器及單相負(fù)載； 直流電源通過高頻逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電，經(jīng)原邊串聯(lián)諧振補(bǔ)償電容后提供給磁路 機(jī)構(gòu)原邊線圈，磁路機(jī)構(gòu)副邊線圈基于電磁感應(yīng)原理拾取能量后再經(jīng)矩陣變換器及濾波器 為單相負(fù)載提供工頻交流電； 所述的系統(tǒng)以磁路機(jī)構(gòu)為界，磁路機(jī)構(gòu)的原邊線圈和副邊線圈兩者之間互不接觸，實(shí) 現(xiàn)了電能從原邊到副邊的無線傳輸； 所述的矩陣變換器直接進(jìn)行交-交變換，無需中間整流濾波環(huán)節(jié)，再者，改進(jìn)的spmi混 合調(diào)制策略解決了矩陣變換器雙向開關(guān)換流困難的問題。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型單相負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于:矩陣變換 器是由四個(gè)雙向開關(guān)組成，每個(gè)雙向開關(guān)是由兩個(gè)IGBT共射極串聯(lián)組成，矩陣變換器的控 制方法采用改進(jìn)的SPWM混合調(diào)制策略。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型單相負(fù)載無線電能傳輸系統(tǒng)。以磁路機(jī)構(gòu)為界將主電路分為發(fā)送和接收兩部分。發(fā)送部分包括直流電源、高頻逆變器、原邊串聯(lián)諧振補(bǔ)償電容、磁路機(jī)構(gòu)原邊線圈；接收部分包括磁路機(jī)構(gòu)副邊線圈、副邊并聯(lián)諧振補(bǔ)償電容、矩陣變換器、濾波器及單相負(fù)載。直流電源通過高頻逆變器轉(zhuǎn)換為高頻交流電，經(jīng)原邊串聯(lián)諧振補(bǔ)償電容后提供給磁路機(jī)構(gòu)原邊線圈，磁路機(jī)構(gòu)副邊線圈基于電磁感應(yīng)原理拾取能量后再經(jīng)矩陣變換器及濾波器為單相負(fù)載提供工頻交流電。其顯著效果是：矩陣變換器直接進(jìn)行交-交變換，無需整流濾波環(huán)節(jié)，改進(jìn)的SPWM混合調(diào)制策略，成功解決了矩陣變換器換流困難的問題。
【IPC分類】H02M5/293, H02J50/12
【公開號】CN105680576
【申請?zhí)枴緾N201610174474
【發(fā)明人】年長春, 王永升, 田 浩, 孫寶征
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年3月25日