CN102130515A - 带自适应功率因数校正的非接触电能传输装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种带自适应功率因数校正的非接触电能传输装置及控制方法，该装置采用AC/DC/AC的能量转换形式，以二极管整流桥加半桥双开关的结构实现有源功率因数校正和谐振逆变的功能，并以三阶谐振网络结构实现了无功补偿和负载自适应的功能。装置的控制方法简单，仅需要在半桥双开关上施加频率恒定、占空比恒定的驱动信号。本发明解决了非接触电能传输技术中输出功率小、谐波污染大、负载适应性差等问题，可广泛用于工厂移动吊装设备、矿井采掘与运输设备、电力和地铁机车、易燃易爆气体的厂矿等各种场合。

Description

带自适应功率因数校正的非接触电能传输装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种非接触电能传输装置及其控制方法，尤其涉及一种能够实现谐振逆变、提升输出功率、进行有源功率因数校正、可适应不同负载情况而保持系统稳定的非接触电能传输装置及其控制方法。

背景技术

当前，在给移动的用电设备（如工厂移动吊装设备，矿井采掘与运输设备，电力和地铁机车，无轨电车、轻轨等城市载客交通工具）供电系统中，一般采用接触式电能直接传导方式（包括直接导线传输方式、滑动接触方式和滚动接触方式）。这种电能传输模式存在多种问题，譬如导线裸露、机构磨损、接触火花等，给安全供电带来很大的问题，尤其是在一些比较特殊的场合（譬如含有各种各样易燃易爆气体的厂矿、生产车间等），接触电火花的存在可能给生产活动带来重大灾难。因此，随着人们生活以及生产活动范围的扩大，传统的导线直接接触式电能传输方式已经不能满足生产和生活的要求，人们迫切需要一种新型的电能传输形式来满足新型电气设备及各种特殊条件下的供电需求。

非接触电能传输技术可以克服传统供电方法存在的诸如滑动磨损、接触火花、机构磨损和不安全裸露导体等局限。该技术将传统变压器的感应耦合磁路分开，实现供电电源与负载单元之间无物理连接的能量耦合，目前已发展出三大类非接触电能传输系统：①应用电磁感应原理，将两个线圈放置于临近位置，利用磁通量形成的媒介，在耦合线圈中产生电动势进行能量传输；②直接应用电波能量可以通过天线发送和接受的原理，在整流电路中将接收到的电波波形加以变换处理后利用；③利用电磁场的谐振方法（两个振动频率相同的物体能高效传输能量），制作电磁共振器，一团线圈附在传送电力方，另一团在接受电力方，当传送方发出某特定频率的电磁波后，经过电磁场扩散到接受方，电力就实现了无线传导。

非接触电能传输技术可被运用到多种工业场合中，但是开关频率的限制制约了非接触电能传输技术的进一步发展。这是因为将电能发射到空中，获得较高的耦合效率，要求较高的发射频率，而一般的IGBT等开关管频率上限也仅在几十kHz。开关管的使用频率提高到一定程度会引起系统效率的急剧下降，并有可能导致开关管烧毁。这样必须采用谐振变换器的方法，以最大程度的提高逆变后发射线圈中的电流频率。

另外，在机械传动、轨道交通等场合中，用于驱动所需功率较高。要实现非接触电能传输技术在这些场合的运用，一个具有高功率输出的逆变器是必要的。有一些方法使逆变器功率大，其中最直接的较好办法是将系统输入电压提升。然而，一般情况下，单纯改变电能变换器上的输入电压在很大程度上会遇到成本和空间等实际使用条件多方面的困难。

在非接触电能传输系统中需要有直流电压输入到逆变器，以产生高频发射电流从而进行非接触电能传输。但在实际使用中，通常难以找到直接的直流电源，在工业中使用的直流电压都由工频交流电整流而来。这样就带来了谐波的问题，特别是当非接触电能传输运用于大功率的场合时，引起的大电流谐波问题尤其明显。因此限制谐波危害程度，使其满足相关部门作出的相应的规定，也是非接触电能传输技术需要解决的问题。

在固定频率的非接触电能传输系统中，运行频率为额定频率。要功率传输达到最大，次级补偿电容必须与该频率下的谐振补偿电容相等。但如果由于温升而引起电容下降，传输功率必然会下降。为了保证输出功率，需要增大初级供电电流或电压，从而使视在功率增大。若采用变频控制器则可以使系统一直运行在电源端负载阻抗的零相角频率点。系统电源只需要提供系统中消耗的有功功率，降低了对电源的视在功率。但此时，出现的另一个问题是如果在频谱范围内，有多个零相角点存在时，那么就难以确定理想的控制点。

当非接触电能传输系统的负载发生变化时，会直接导致其谐振频率的改变，这时系统的频率控制会发生混乱，导致系统不稳定。而当电源的运行频率偏离理想值到一定程度时，可能致使系统的功率传输能力大为下降。要保证系统的稳定性和增大功率传输能力，就必须保证在各种负载情况下，系统仍能够自适应谐振。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服现有非接触电能传输技术实现方案的不足，提出一种能够实现谐振逆变、提升输出功率、进行有源功率因数校正、可适应不同负载情况而保持系统稳定的非接触电能传输装置及控制方法。

技术方案：本发明的带自适应功率因数校正的非接触电能传输装置包括四个整流二极管即第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管组成第一不可控整流桥，第一不可控整流桥的输入端的一极通过输入电感连接到输入电源一极上，第一不可控整流桥输入端的另一极直接连接到输入电源另一极上，第一不可控整流桥的输出端并联稳压电容；两个逆变功率管即第一逆变功率管、第二逆变功率管串联组成逆变半桥，逆变半桥的两端为输入端且分别连接到稳压电容的两端，第一逆变功率管的两端并联第一缓冲电容，第二逆变功率管的两端并联第二缓冲电容；第二逆变功率管的两端为逆变半桥的输出端；两个滤波电容即第一滤波电容、第二滤波电容相串联接在第一不可控整流桥输入端，其公共点通过升压电感与逆变半桥的中点相连。

补偿元件即电容或电感与松耦合变压器一次侧串联，并连接在第二逆变功率管的两端；谐振电容与松耦合变压器一次侧并联。

松耦合变压器二次侧与整流负载相连，也即四个整流二极管为第五整流二极管、第六整流二极管、第七整流二极管、第八整流二极管组成第二不可控整流桥，松耦合变压器二次侧与第二不可控整流桥的输入端相连；滤波电感和第三滤波电容串联后连接到第二不可控整流桥的输出端；负载与第三滤波电容并联。

松耦合变压二次侧与非整流负载相连，也即松耦合变压二次侧与第三滤波电容相连，负载与第三滤波电容并联。

本发明的带自适应功率因数校正的非接触电能传输装置的控制方法为：第一逆变功率管、第二逆变功率管上分别施加相同周期T的第一驱动信号、第二驱动信号，而且两个驱动信号频率恒定、占空比恒定；第一驱动信号、第二驱动信号不能同时施加；在每个驱动信号周期内T内，第一驱动信号施加的时间Ton1、第二驱动信号施加的时间Ton2、两信号之间死区时间Td之间满足关系Ton1+Ton2+2Td=T；调节施加时间Ton1、Ton2的长短来调节装置的输出电压和输出功率，通过增大施加时间比值Ton1/Ton2来升高输出电压和输出功率、减小施加时间比值Ton1/Ton2来降低输出电压和输出功率。

有益效果：

（1）系统谐振逆变，开关管在开通和关断的过程中消耗的功率近似为零，也即开关损耗近似为零，实现了软开关的功能；

（2）本装置电路具有boost变换器的功能，升高了直流母线电压从而提升了系统的输出功率；

（3）输入电流很好的跟踪了输入电压，即电压与电流同相位，实现了功率因数校正的目的；

（4）本装置对负载变化有一定的适应性，当负载为纯阻性、阻感性、阻容性、整流负载等情况时都能保持稳定的谐振逆变；

（5）整个装置系统的结构比较简单，并且控制方便。

附图说明

图1  非接触电能传输系统的原理示意图，

图2  本发明的结构示意图，

图3  本发明另一种实施方案的结构示意图，

图4  本发明的功率管驱动波形示意图

图5  本发明电路在输入电压为正半周时的工作过程示意图，

图6  本发明电路在输入电压为负半周时的工作过程示意图。

图中有：输入电源1、输入电感2、第一滤波电容3、第二滤波电容4、第一整流二极管5、第二整流二极管6、第三整流二极管7、第四整流二极管8、升压电感9、稳压电容10、第一逆变功率管11、第二逆变功率管12、第一缓冲电容13、第二缓冲电容14、谐振电容15、松耦合变压器一次侧16、松耦合变压器二次侧17、第五整流二极管18、第六整流二极管19、第七整流二极管20、第八整流二极管21、滤波电感22、第三滤波电容23、负载24、逆变半桥的中点25、补偿元件26。

具体实施方式

如图1所示为非接触电能传输系统的原理示意图，由图可知，非接触电能传输系统可以分为初级回路以及次级回路两大部分，并且分别与供电电源系统和负载设备相连接，初、次两个回路级通过空间耦合的磁场实现非接触电能传输。初级回路的作用是将供电电源经高频逆变变换后产生高频电流，在发射线圈中发射出去，次级回路中的拾取线圈在初级回路发射线圈附近的较小的空气间隙的变化磁场中拾取能量，经过能量变换器将高频电能转化为负载设备需要的能量形式，这就完成了整个非接触能量传输过程。

如图2所示为本发明的结构示意图，四个整流二极管5～8组成不可控整流桥，其输入端通过输入电感2与工频电源相连，其输出端连接到稳压电容10的正、负极上。第一逆变功率管11、第二逆变功率管12组成逆变半桥，每个功率管都并联了缓冲电容，逆变半桥的输入端连接到稳压电容10的正、负极上，功率管12的两端为逆变半桥的输出端。两个滤波电容、升压电感9连接成星形结构，电容端与不可控整流桥输入端相连，电感端与逆变半桥的中点25相连。补偿元件26与松耦合变压器一次侧16的等效电感、谐振电容15组成LCL（补偿元件26为电感）或CCL（补偿元件26为电容）形式的三阶谐振网络，补偿元件26选择电容或是电感取决于后级的参数。松耦合变压二次侧17与整流负载相连。

三阶谐振网络具有松耦合变压器漏感的补偿作用，使装置工作在谐振逆变状态，第一缓冲电容13、第二缓冲电容14则使装置能够实现软开关。升压电感9和第一逆变功率管11、第二逆变功率管12配合完成boost斩波器的功能，相当于升高了直流母线稳压电容10的电压，提升了输出功率。第一滤波电容3、第二滤波电容4、输入电感2组成低通滤波器，同时也为boost斩波器提供了中点（第一滤波电容3、第二滤波电容4的公共点）。

而且升压电感9、第一逆变功率管11、第二逆变功率管12、稳压电容10构成的斩波电路，能够控制整流桥（第一整流二极管5、第二整流二极管6、第三整流二极管7、第四整流二极管8）输出的电流，使其跟踪正弦电压，最终使系统的输入电流跟踪输入电压，实现有源功率因数校正（APFC）的功能。

而三阶谐振网络（LCL型或CCL型）实现的变换器具有串联谐振和并联谐振的双重优点：稳压特性相比于串联谐振要好，而稳流特性相比于并联谐振也要好，所以负载适应能力强。所以除整流负载外，如图3所示改变负载形式，当负载为纯阻性、阻感性、阻容性时都能保持系统稳定，实现谐振。

本电路控制简单，仅需要频率恒定、占空比恒定的驱动型号，如4所示，Ton1、Ton2为开关管驱动信号在每个开关周期T内施加的时间，Td为驱动信号之间的死区时间。实际上，两个开关可以采用不对称的驱动序列，即Ton1和Ton2不相等。调节施加时间Ton1、Ton2的长短即可调节装置的输出电压和输出功率，当增大施加时间比值Ton1/Ton2时输出电压、输出功率即升高，反之减小施加时间比值Ton1/Ton2时输出电压、输出功率即降低。

用Cs、Lp、RLeq分别代替后级等效电容、电感、电阻，在输入电压为正半周时电路工作模式和开关切换模态如图5所示。稳态情况下，变换器在输入电压为正半周的谐振过程要经过以下的模态变化：模态1：开关管S1中的IGBT导通即进入模态1。该模态下，Ds1是整流桥中唯一导通的二极管。

模态2：当开关管S1实现零电压关断，电路即进入模态2。在此模态下，整流桥中仍然仅有Ds1导通，上桥臂开关管S1的缓冲电容Cs1被充电故其电压上升，下桥臂开关管S2的缓冲电容Cs2从被抬高后的电压VCb放电故其电压下降。

模态3：当缓冲电容Cs1和Cs2分别完成充电、放电过程后，电路进入模态3。此时二极管Ds1继续保持导通，且开关管S2中的反并联二极管D2也开通了。

模态4：开关管S2得到驱动信号，电路即进入模态4。此阶段Ds1保持导通，而开关管S2也实现零电压开通了。

模态5：当二极管Ds1实现零电流关断，电流切换到Ds4时即进入模态5。此时电感Lb和S2配合构成boost升压电路的功能。

模态6：此模式开始于S2零电压关断。整流桥仅二极管Ds4导通，上桥臂开关管S1的缓冲电容Cs1被谐振电流充电其电压上升，同时Cs2放电电压下降。

模态7：一旦缓冲电容Cs1、Cs2分别完成放电、充电过程，模态7开始。电流通路从Cs1切换到开关管S1反并联的D1，Ds4继续保持导通。

模态8：当Ds4零电流关断、Ds1零电压开通时电路进入模态8。该模态结束于开关管S1软开关导通。至此，电路完成一个完整周期的工作过程。

在输入电压为负半周时电路工作模式和开关切换模态如图6所示，其各个模态与输入电压为正半周时的类似，也呈现对偶的关系，对应每个模态二极管导通开关由Ds1、Ds4分别对应到Ds3、Ds2。

Claims (5)

1.一种带自适应功率因数校正的非接触电能传输装置，其特征在于四个整流二极管即第一整流二极管（5）、第二整流二极管（6）、第三整流二极管（7）、第四整流二极管（8）组成第一不可控整流桥，第一不可控整流桥的输入端的一极通过输入电感（2）连接到输入电源（1）一极上，第一不可控整流桥输入端的另一极直接连接到输入电源（1）另一极上，第一不可控整流桥的输出端并联稳压电容（10）；两个逆变功率管即第一逆变功率管（11）、第二逆变功率管（12）串联组成逆变半桥，逆变半桥的两端为输入端且分别连接到稳压电容（10）的两端，第一逆变功率管（11）的两端并联第一缓冲电容（13），第二逆变功率管（12）的两端并联第二缓冲电容（14）；第二逆变功率管（12）的两端为逆变半桥的输出端；两个滤波电容即第一滤波电容（3）、第二滤波电容（4）相串联接在第一不可控整流桥输入端，其公共点通过升压电感（9）与逆变半桥的中点（25）相连。

2.根据权利要求1所述的带自适应功率因数校正的非接触电能传输装置，其特征在于补偿元件（26）即电容或电感与松耦合变压器一次侧（16）串联，并连接在第二逆变功率管（12）的两端；谐振电容（15）与松耦合变压器一次侧（16）并联。

3.根据权利要求1所述的带自适应功率因数校正的非接触电能传输装置，其特征在于松耦合变压器二次侧（17）与整流负载相连，也即四个整流二极管为第五整流二极管（18）、第六整流二极管（19）、第七整流二极管（20）、第八整流二极管（21）组成第二不可控整流桥，松耦合变压器二次侧（17）与第二不可控整流桥的输入端相连；滤波电感（22）和第三滤波电容（23）串联后连接到第二不可控整流桥的输出端；负载（24）与第三滤波电容（23）并联。

4.根据权利要求1所述的带自适应功率因数校正的非接触电能传输装置，其特征在于松耦合变压二次侧（17）与非整流负载相连，也即松耦合变压二次侧（17）与第三滤波电容（23）相连，负载（24）与第三滤波电容（23）并联。

5.一种用于权利要求1所述的带自适应功率因数校正的非接触电能传输装置的控制方法，其特征在于第一逆变功率管（11）、第二逆变功率管（12）上分别施加相同周期T的第一驱动信号（Vg1）、第二驱动信号（Vg2），而且两个驱动信号频率恒定、占空比恒定；第一驱动信号（Vg1）、第二驱动信号（Vg2）不能同时施加；在每个驱动信号周期内T内，第一驱动信号（Vg1）施加的时间Ton1、第二驱动信号（Vg2）施加的时间Ton2、两信号之间死区时间Td之间满足关系Ton1+Ton2+2Td=T；调节施加时间Ton1、Ton2的长短来调节装置的输出电压和输出功率，通过增大施加时间比值Ton1/Ton2来升高输出电压和输出功率、减小施加时间比值Ton1/Ton2来降低输出电压和输出功率。

Images