CN101789637B - 感应耦合式电能传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种感应耦合式电能传输装置，由逆变器串接可分离变压器或弱耦合变压器构成，所述可分离变压器或弱耦合变压器的原边及副边的一端分别串接谐振电容，使得可分离变压器或弱耦合变压器的原边及副边谐振，其中Lk1，Lk2分别表示所述可分离变压器或弱耦合变压器的原边及副边漏感的感量，Cr2，Cr1分别表示所述可分离变压器或弱耦合变压器的原边及副边谐振电容的电容值。本发明通过加入谐振电容，使得在谐振频率时原副边的漏感与谐振电容的串联阻抗为零，因而非接触电能传输效率高。本发明还具备结构简单。实现方便，易于推广的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种感应耦合式电能传输装置，属于无线电能传输装置的技术领域。
背景技术
现有电能传输包括导线直接接触进行电能传输和非接触电能传输。
自从1831年法拉第揭示电磁感应现象以来，电能的传输主要是由导线直接接触进行的，电气设备一般通过插头和插座等电连接器的接触进行供电。这种传输方式由于存在摩擦、磨损和导线的裸露，很容易产生接触火花，影响了供电的安全性和可靠性，缩短了电气设备的使用寿命。在矿井、油田钻采等场合，采用传统的导线直接接触供电方式，因接触摩擦产生的微小电火花，很容易引起爆炸，造成重大事故。在水下场合，导线直接接触供电存在电击的潜在危险。在给运动设备进行供电时，一般采用滑动接触供电的方式，存在滑动磨损，接触火花，碳积和不安全裸露导线等缺点。此外在航空航天、机器人、医疗器械、照明、便携式电子产品等场合，非接触电能传输技术也有广泛的应用前景，它解决了传统导线直接接触供电的缺陷，是一种有效、安全的电能传输方法。
在我国，非接触电能传输技术的研究刚开始起步，非接触电能传输系统利用电磁感应理论实现电能的传输，能量传输框图如图1所示，以可分离变压器为分界点，能量传输框图由两大部分组成，变压器原边由交流电网输入，整流滤波成直流电，并经过功率因数校正，通过高频逆变给变压器原边能量发射线圈提供高频交变电流。通过原边能量发射线圈与副边能量接收线圈的感应电磁耦合将电能经过整流滤波和功率调节后提供给用电设备。变压器原、副边之间采用无线通讯的方式对能量变换进行检测和控制。如2006年12月8日公开号为CN1996711A的发明申请以及2007年10月28日公开号为CN101202570A的发明申请，其中可分离变压器的原边磁芯和副边磁芯是可分离的，这和传统开关电源中的变压器有很大的不同，原副边之间有较大气隙所以有较大的漏感，由于较大的漏感的存在使得非接触电能传输效率低，大大限制了这种技术的发展。
发明内容
本发明目的是针对背景技术中提及的现有有线、无线电能传输技术存在的缺陷提供一种感应耦合式电能传输装置。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明感应耦合式电能传输装置，由逆变器串接可分离变压器构成，其特征在于所述可分离变压器的原边及副边的一端分别串接谐振电容，使得可分离变压器的原边及副边谐振，其中
Lk1，Lk2分别表示所述可分离变压器的原边及副边漏电感的电感量，Cr2，Cr1分别表示所述可分离变压器的原边及副边谐振电容的电容值。
当所述可分离变压器的原边绕组和副边绕组的匝比是1∶1，且结构、绕制方法完全相同时，所述原边及副边漏电感具有如下关系：LK1＝LK2。
所述原边及副边谐振电容具有如下关系：Cr2＝Cr1。
所述逆变器与感应耦合式电能传输装置的输出端之间串接控制电路。所述控制电路由误差补偿放大器串接移相控制器构成，其中误差补偿放大器的一个输入端接副边谐振电容的输出端即所述感应耦合式电能传输装置的输出端，用于检测负载的输入电压，误差补偿放大器的另一个输入端接外部基准电压；移相控制器的输出端提供逆变器的开关信号，调节逆变器的输出电压基波的幅值。
所述控制电路由误差补偿放大器串接电压控制振荡器构成，其中误差补偿放大器的一个输入端接副边谐振电容的输出端即所述感应耦合式电能传输装置的输出端，用于检测负载的输入电压，误差补偿放大器的另一个输入端接外部基准电压；电压控制振荡器的输出端接逆变器的输入端，通过变频控制实现输出电压的调节。
所述控制电路由前级调压电路、误差补偿放大器、驱动器及数字控制器构成，前级调压电路的输出端接逆变器的输入端，逆变器的开关频率被固定工作在可分离变压器或弱耦合变压器的原边及副边的漏感与谐振电容谐振频率点上；误差补偿放大器的一个输入端接副边谐振电容的输出端即所述感应耦合式电能传输装置的输出端，用于检测负载的输入电压；误差补偿放大器的另一个输入端接外部基准电压，误差补偿放大器的输出串接驱动器后接前级调压电路的输入端，提供信号给前级调压电路用于控制逆变器的输出电压幅值，数字控制器连接在可分离变压器副边谐振电容的输出端与逆变器输入端之间。本发明通过加入谐振电容，使得在谐振频率时原副边的漏感与谐振电容的串联阻抗为零，因而非接触电能传输效率高。本发明还具备结构简单。实现方便，易于推广的优点。
附图说明
图1：现有技术电能传输原理图。
图2：本发明电能传输装置原理图。
图3：本发明电能传输装置结合控制电路的原理图。
图4：本发明定频变电压控制的原理图。
图5：本发明变频控制的原理图。
图6：本发明输入为直流时的控制原理图。
图中标号：VAcin---交流输入电源，VDcin---直流输入电源，Ve---负载输入电压，Vref---基准电压，fs---数字控制器输出的开关频率信号。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
如图2所示，感应耦合式电能无线传输装置，由逆变器串接可分离变压器构成，其特征在于所述可分离变压器的原边及副边的一端分别串接谐振电容，使得可分离变压器的原边及副边谐振，其中Lk1，Lk2分别表示所述可分离变压器的原边及副边漏电感的电感量，Cr2，Cr1分别表示所述可分离变压器的原边及副边谐振电容的电容值。
当所述可分离变压器的原边绕组和副边绕组的匝比是1∶1，且结构、绕制方法完全相同时，所述原边及副边漏电感具有如下关系：LK1＝LK2。
所述原边及副边谐振电容具有如下关系：Cr2＝Cr1。
如图3所示，所述逆变器与感应耦合式电能传输装置的输出端之间串接控制电路。
如图4所示，所述控制电路针对逆变器的输出电压频率已定的情况，此时可以通过移相控制调节输出电压基波的幅值，从而控制输出幅值。此时所述控制电路由误差补偿放大器串接移相控制器构成，其中误差补偿放大器一个输入端接副边谐振电容的输出端即所述感应耦合式电能无线传输装置的输出端，用于检测负载的输入电压，误差补偿放大器的另一个输入端接外部基准电压；移相控制器的输出端接逆变器的输入端，调节逆变器输出电压基波的幅值。
如图5所示，所述控制电路通过电压振荡器使得逆变器是变频控制，输出电压的频率在谐振频率点周围变化。所述控制电路由误差补偿放大器串接电压控制振荡器构成，其误差补偿放大器的一个输入端接副边谐振电容的输出端即所述感应耦合式电能无线传输装置的输出端，用于检测负载的输入电压，误差补偿放大器的另一个输入端接外部基准电压；电压控制振荡器的输出端接逆变器的输入端，通过变频控制实现输出电压调节。
如图6所示，所述控制电路加入前级调压电路，前级调压电路的输出接逆变器的输入端，通过感应耦合式电能传输装置的输出电压反馈环路控制逆变器电路的输入电压，从而控制输出幅值。同时检测负载电流，并通过数字控制电路扫频，确定谐振频率，使得电路工作在谐振频率附近。所述控制电路由前级调压电路，误差补偿放大器、驱动器及数字控制器构成，其中数字控制器的输入端接副边谐振电容的输出端即所述感应耦合式电能传输装置的输出端，用于检测负载的输入电流；误差补偿放大器的一个输入端接副边谐振电容的输出端即所述感应耦合式电能传输装置的输出端，用于经检测负载的输入电压；误差补偿放大器的另一个输入端接外部基准电压，误差补偿放大器的输出串接驱动器后接逆变器的前级Buck电路(即前级调压电路)的输出端，提供信号给Buck电路用于控制逆变器的输出电压幅值；数字控制器的输出端接逆变器的输入端，提供开关频率信号给逆变器控制逆变器的输出电压频率在所述谐振频率点。
Claims (1)
1.一种感应耦合式电能传输装置，包括逆变器、可分离变压器或弱耦合变压器、控制电路，其中逆变器串接可分离变压器或弱耦合变压器，所述可分离变压器或弱耦合变压器的原边及副边的一端分别串接谐振电容，使得可分离变压器或弱耦合变压器的原边及副边的漏感分别与谐振电容谐振，其中
Lk1，Lk2分别表示所述可分离变压器或弱耦合变压器的原边及副边漏感，Cr1，Cr2分别表示所述可分离变压器或弱耦合变压器的原边及副边谐振电容的容值；当所述可分离变压器或弱耦合变压器的原边绕组和副边绕组的匝比是1∶1，且结构、绕制方法完全相同时，所述原边及副边漏感具有如下关系：Lk1＝Lk2；所述原边及副边谐振电容具有如下关系：Cr2＝Cr1；所述逆变器与感应耦合式电能传输装置的输出端之间串接控制电路，其特征在于所述控制电路由前级调压电路、误差补偿放大器、驱动器及数字控制器构成，前级调压电路的输出端接逆变器的输入端，逆变器的开关频率被固定工作在可分离变压器或弱耦合变压器的原边及副边的漏感与谐振电容谐振频率点上；误差补偿放大器的一个输入端接副边谐振电容的输出端即所述感应耦合式电能传输装置的输出端，用于检测负载的输入电压；误差补偿放大器的另一个输入端接外部基准电压Vret，误差补偿放大器的输出串接驱动器后接前级调压电路的输入端，提供开关管的开关信号给前级调压电路用于控制逆变器的输出电压幅值；数字控制器连接在可分离变压器或弱耦合变压器副边谐振电容的输出端与逆变器输入端之间。
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