CN102005930A

CN102005930A - 非接触电能传输系统

Info

Publication number: CN102005930A
Application number: CN2009100703326A
Authority: CN
Inventors: 李彬
Original assignee: TIANJIN ENGINEERING NORMAL COLLEGE
Current assignee: TIANJIN ENGINEERING NORMAL COLLEGE; Tianjin University of Technology
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-04-06

Abstract

本发明公开了一种非接触电能传输系统，该系统以感应耦合器为界分为发送和接收部分。发送部分包括输入滤波器、单相矩阵变换器和感应耦合器原边绕组，其中单相矩阵变换器的双向开关由一个IGBT与四个二极管组合而成；接收部分包括感应耦合器副边绕组和整流滤波电路。本发明直接将电网输出的工频交流信号转变为高频交流信号提供给感应耦合器原边绕组，不需要整流器及大容量滤波电容等非线性元件和直流储能环节。

Description

非接触电能传输系统

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。

背景技术

国内对非接触电能传输系统拓扑结构的研究主要集中在全桥逆变、半桥逆变等基于交-直-交变换原理的电路结构方面。由于该系统中整流器及电容滤波器等非线性元件和储能元件的组合，导致其输入电流发生严重的畸变，产生大量的谐波，对电网造成“污染”。另外，基于大容量滤波电容的直流储能环节的存在，还导致集成度低、可靠性低等问题。

国外目前也只有德国应用研究大学(University of Applied Studies andResearch)自动化与计算机学院的Rudolf Mecke等发表了两篇关于三相-单相矩阵变换器应用于非接触式电能传输系统的论文《Bidirectional switches formatrix converter in contactless energy transmission systems》和《Matrixconverter with advanced control for contactless energy transmission》。文中探讨了三相-单相矩阵变换器在非接触式电能传输系统中的优越性，研究了三相-单相高频矩阵变换器与非接触式电能传输相结合的特别之处，但没有给出实验结果，也没有对系统中电能传输情况给出分析。另外，三相-单相矩阵变换器的电路结构复杂，控制方法繁琐，且无法在单相供电的领域进行应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种基于交-交变换原理的非接触电能传输系统，解决基于交-直-交变换原理的非接触电能传输系统中输入电流发生严重畸变、对电网造成污染和输入功率因数低等问题。

为了实现上述任务，本发明采取的技术方案如下：

一种基于单相矩阵变换器的非接触电能传输系统，包括输入滤波器、单相矩阵变换器、感应耦合器和整流滤波电路；该系统以感应耦合器为界分为发送部分和接收部分。发送部分包括输入滤波器、单相矩阵变换器和感应耦合器原边绕组，输入的电信号经输入滤波器后，传送给单相矩阵变换器，单相矩阵变换器直接将接收到的工频信号变换为高频信号供给感应耦合器原边绕组。其中单相矩阵变换器的双向开关由一个开关管(IGBT)与四个二极管组合而成；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。感应耦合器副边绕组的电感大于等于感应耦合器原边绕组的电感。

为了防止桥臂同侧的两个开关管同时导通造成短路，应在驱动信号中设置适当的死区时间。

附图

图1是基于单相矩阵变换器的非接触电能传输系统的拓扑结构图。

图2是系统的工作波形图。

图3(a)、(b)、(c)和(d)是系统的4种换流模式图。

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，该图为基于单相矩阵变换器的非接触式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两部分：发送部分和接收部分。发送部分的输入滤波器，用于尽可能多地滤除输入电流中由开关动作产生的高频谐波成分，减小对电源侧的高频谐波污染，并提高功率因素；发送部分的单相矩阵变换器，用于给耦合器原边绕组提供高频交流电流，在此单相矩阵变换器中采用基于单管的双向开关，以简化控制。接收部分的整流滤波电路，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。

针对非接触电能传输系统中对原边信号的特殊要求，有必要对单相矩阵变换器应用在非接触电能传输系统中的工作情况进行分析。基于单管桥式双向开关的矩阵变换器工作波形如图2所示(其中驱动波形是经过放大了的，以便图示清晰)。

在一个周期内，可将系统分为四种工作模式1-模式4，每种模式的电流流向如图3(a)-(d)，具体工作过程如下：

模式1[t₀，t₁]：开关管S₁₁、S₂₂导通，S₁₂、S₂₁关断；A点电压高于B点电压，所以电流以A→D₁₂→S₁₁→D₁₃→a→Z_in→b→D₄₂→S₂₂→D₄₃→B的路径导通。忽略管压降后，V_ab与C_AB幅值相等，方向相同。

模式2[t₂，t₃]：开关管S₁₂、S₂₁导通，S₁₁、S₂₂关断；A点电压高于B点电压，所以电流以A→D₃₂→S₁₂→D₃₃→b→Z_in→a→D₂₂→S₂₁→D₂₃→B的路径导通。忽略管压降后，V_ab与V_AB幅值相等，方向相反。

模式3[t₄，t₅]：开关管S₁₁、S₂₂导通，S₁₂、S₂₁关断；但A点电压低于B点电压，所以电流以B→D₄₄→S₂₂→D₄₁→b→Z_in→a→D₁₄→S₁₁→D₁₁→A的路径导通。V_ab与V_AB幅值相等，方向相同，但与模式1的电压相反了。

模式4[t₆，t₇]：开关管S₁₂、S₂₁导通，S₁₁、S₂₂关断；但A点电压低于B点电压，所以电流以B→D₂₄→S₁₁→D₂₁→a→Z_in→b→D₃₄→S₁₂→D₃₁→A的路径导通。V_ab与V_AB幅值相等，方向相反，但与模式2的电压相反了。

死区模式中([t₁，t₂]、[t₅，t₆])，如图2所示，输出电压为0。

Claims

1.一种基于单相矩阵变换器的非接触电能传输系统，包括输入滤波器、单相矩阵变换器、感应耦合器和整流滤波电路；其特征在于：该系统以感应耦合器为界分为发送部分和接收部分，发送部分包括输入滤波器、单相矩阵变换器和感应耦合器原边绕组，接收部分包括感应耦合器副边绕组和整流滤波电路，其中单相矩阵变换器的双向开关由一个IGBT与四个二极管组合而成，感应耦合器副边绕组的电感大于等于感应耦合器原边绕组的电感。