CN101540554A - 基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统及其移相控制方法 - Google Patents

基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统及其移相控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统及其移相控制方法。以耦合器为界将电路分为发送和接收两部分：发送部分包括输入直流电源、阻抗源网络、逆变电路和感应耦合器原边绕组，其中为了防止电流回流，必须在电压源后串联二极管；接收部分包括感应耦合器副边绕组和整流滤波电路。在该系统中，通过驱动脉冲中移相角的设定来减小系统的传输功率和负载电压，同时通过在移相角中加入直通时间来增大系统的传输功率和负载电压，实现传输功率和负载电压的双向调节。本发明解决非接触电能传输系统中因负载变化等因素使负载无法在额定状态下工作的问题，推动非接触电能传输技术的实用化进程。

Description

基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统及其移相控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及到非接触电能传输系统，特别涉及一种基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统及其移相控制方法。
背景技术
目前为止，非接触电能传输系统的主电路拓扑结构主要是电压源逆变和电流源逆变两种，还没有出现基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统的研究。另外，在非接触电能传输系统工作过程中，由于负载变化等因素会导致系统输入功率以及负载电压发生改变，使负载无法在额定状态下工作，产生资源浪费，国内外对该方面的研究也很少。
文献《小型非接触电能传输系统的设计与实现》(《电力电子技术》，2009年第1期，赵彪等)采用电压源逆变器进行非接触电能传输系统的设计，全桥逆变器的控制方法是对角线上的两对功率开关管互补导通，在逆变电路输入电压及耦合参数一定得情况下，这种控制方式无法实现对输出功率的调节，必须在逆变器前串联一个DC/DC环节来调节逆变器输入电压，从而改变输出功率，这样既增加了系统的成本及控制难度，又降低了系统的效率及可靠性。
文献《非接触供电移相控制系统建模研究》(《电工技术学报》，2008年第7期，苏玉刚，王智慧)提出了电流型非接触电能传输系统的移相控制策略，通过调整全桥逆变器的桥壁直通时间来控制系统的传输功率。但由于电流源逆变器的负载只能是电容性，而非接触电能传输系统的等效负载为阻感性，导致文中系统只能在全谐振或准谐振的状态下工作；另外，电流源逆变器的交流输出电压只能高于输入直流电压，故文中设计的系统只能对传输功率进行提升，无法在需要双向调功的场合应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统及其移相控制方法，实现非接触电能传输系统传输功率和负载电压的双向调节，解决非接触电能传输系统中因负载变化等因素使负载无法在额定状态下工作的问题。
本发明采取的技术方案如下：
该系统以耦合器为界将电路分为发送和接收两部分。发送部分包括输入直流电源、阻抗源网络、逆变电路和感应耦合器原边绕组，输入的直流电信号经阻抗源网络后，传送给逆变电路，逆变电路将接收的电信号变换为高频信号供给感应耦合器原边绕组；其中为了防止电流回流，必须在直流电源后串联二极管；接收部分包括感应耦合器副边绕组和整流滤波电路，感应耦合器副边绕组将从感应耦合器原边绕组耦合得到的电信号送给整流滤波电路得到直流信号提供给负载。
上述基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统的移相控制方法是通过驱动脉冲中移相角的设定来减小系统的传输功率和负载电压，同时通过在移相角中加入直通时间来增大系统的传输功率和负载电压，实现传输功率和负载电压的双向调节。具体步骤如下：
根据降压要求确定移相角度，所述的移相角度小于180度。
(2)根据升压要求和步骤1的移相角度确定每半个周期的直通角度。所述的直通零矢量状态在移相死区状态中注入，此时4个开关管均导通或同一桥臂的2个开关管导通，每半个周期的直通角度小于一个周期的移相角度。
本发明的有益效果是本发明所述的阻抗源逆变器的移相控制策略对应用到全桥、半桥逆变电路的阻感系统都适用，有较强的工程意义。该系统使逆变桥臂能够承受瞬时的短路和开路，增加了系统的可靠性；为阻抗源逆变器找到了新的应用领域，也为非接触电能传输系统的研究开辟了新的思路。通过驱动脉冲中移相角的设定来减小系统的传输功率和负载电压，同时通过在移相角中加入直通时间来增大系统的传输功率和负载电压，实现了传输功率和负载电压的双向调节，解决了非接触电能传输系统中因负载变化等因素使负载无法在额定状态下工作的问题，将大大推动非接触电能传输技术的实用化进程。
附图说明
图1是基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统的拓扑结构图。
图2是基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统的移相控制脉冲及工作波形图。
图3是移相角和直通角均为0时，开关管控制脉冲、逆变输出电压和耦合器原边电流波形图。
图4是移相角为54度、直通角为0时，开关管移相控制脉冲、逆变器输出电压和耦合器原边电流波形图。
图5是移相角为54度、直通角为45度时，开关管控制脉冲。图6是移相角为54度、直通角为45度时，逆变器输入、输出电压及耦合器原边电流波形。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
如图1所示，该图为基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统的拓扑结构图。在此电路图中，以耦合器为界将电路分为发送和接收两部分。发送部分包括输入直流电源，它可以通过对交流电网整流滤波得到；阻抗源网络，使逆变桥臂能够承受瞬时的短路和开路，增加系统可靠性，并且通过特殊的控制方式引入直通零矢量和开路零矢量，从而给逆变器提供升压和降压的可能性，另外，为了防止电流的回流，必须在电压源后串联二极管；高频逆变电路，用于给耦合器原边绕组提供高频交流电流。接收部分包括整流滤波电路，用于将耦合器输出的交流电压变换成直流电压，供直流负载使用。
如图2所示，为基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统在移相控制下各开关管的控制脉冲、直通零矢量的注入脉冲及逆变器的输入、输出波形。在时间间隔[t0，t1]与[t3，t4]中，基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统的逆变桥臂短路，阻抗源网络的直流电感L1和L2被充电储能；在时间间隔[t1，t2]与[t4，t5]中，充电后的电感L1和L2通过原边谐振回路释放能量，从而使系统的输出功率得到增强；在时间间隔[t2，t3]与[t5，t6]中，基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统的逆变桥臂开路，逆变输出电压为零，使系统输出功率降低。为了使移相控制的逆变输出电压不发生变化，这里选择了在移相死区时间里加入直通零矢量。
根据上述分析，搭建了基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统及其移相控制方法的实验平台。阻抗源网络电感L1L2均为20mH，电容C1C2均为220μF；感应耦合器采用自制的罐状铁氧体铁心，其原边自感为300，副边自感为300μH，在气隙为6mm时，互感为134.2μH；感应耦合器原边串联电容为0.047μF；开关频率为50kHz，输入电压有效值为20V，负载为10Ω电阻，为了避免谐振时电流过大，在原边串联50Ω电阻。
图3为移相角和直通角均为0时，开关管V1、V3控制脉冲、逆变输出电压和耦合器原边电流波形图(V4和V1、V2和V3的控制脉冲相同)；图4为移相角为54度、直通角为0时，开关管V1、V3移相控制脉冲、逆变器输出电压和耦合器原边电流波形图(V2和V1、V4和V3的控制脉冲互补)；图5为移相角为54度、直通角为45度时，开关管控制脉冲图；图6为移相角为54度、直通角为45度时，逆变器输入、输出电压及耦合器原边电流波形图。从图中可以看出通过移相角和直通角的调节，实现了原边电流减小和增大的调节功能，进而完成了传输功率和负载电压的双向调节。

Claims (2)

1.一种基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统，其特征在于：该系统以耦合器为界将电路分为发送和接收两部分；发送部分包括输入直流电源、阻抗源网络、逆变电路和感应耦合器原边绕组，输入的直流电信号经阻抗源网络后，传送给逆变电路，逆变电路将接收的电信号变换为高频信号供给感应耦合器原边绕组，直流电源后串联二极管；接收部分包括感应耦合器副边绕组和整流滤波电路，感应耦合器副边绕组将从感应耦合器原边绕组耦合得到的电信号送给整流滤波电路得到直流信号提供给负载。
2.权利要求1所述基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统的移相控制方法，其特征在于：上述基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统的移相控制是通过驱动脉冲中移相角的设定来减小系统的传输功率和负载电压，同时通过在移相角中加入直通时间来增大系统的传输功率和负载电压，实现传输功率和负载电压的双向调节；具体步骤如下：
(1)根据降压要求确定移相角度；所述的移相角度小于180度；
(2)根据升压要求和步骤1的移相角度确定每半个周期的直通角度；所述的直通零矢量状态在移相死区状态中注入，此时4个开关管均导通或同一桥臂的2个开关管导通，每半个周期的直通角度小于一个周期的移相角度。
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