CN103944280B - 一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置及其调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置及其调谐方法，其装置的组成是：在无线电能传输设备发送端中的逆变器(N)的两输入端上并联电压传感器(US)，且在逆变器(N)与发送线圈（Ls）的电流传感器(IS)之间依次串接相控电感电容并联电路和补偿电容(Cs)；所述的相控电感电容并联电路的组成是：电感(L_p)与双向晶闸管(Tx)串联后再与电容(C_p)并联；双向晶闸管(Tx)的控制端、电流传感器(IS)的输出端和电压传感器(US)的输出端均与发送端控制器(KS)相连。该调谐装置及其相应的调谐方法能使升降压直-直变换器(BB)输出端保持在最小电压有效值下运行，即发送端电路更接近完全谐振状态，以提高发送端的有功功率，进而提高无线电能传输设备的传输功率和效率。

Description

一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置及其调谐方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，尤其属于感应耦合无线电能传输设备中的动态调谐装置及其调谐方法。

背景技术

无线电能传输技术，是一种新兴的电能传输与技术，它的应用广泛，特别是一些特殊的场合，如钻井、工矿、水下探测等等。而且无线电能传输技术，是一个极具潜力的技术领域，有着十分重要的应用价值，引起了众多国内外学者和工业界的密切关注。

感应耦合无线电能传输方式以其独特的优势，较其它无线电能传输技术，能够容易的将电能在短距离下进行大功率传输，有着较好的发展和应用前景，其传输装置由发送侧和接收侧两部分组成。

第一部分是感应耦合无线电能传输装置的发送侧，其组成和功能主要是：工频交流电输入端将电网的工频电，经过整流器整流为直流，再通过升降压直-直变换器变换成所需的电压，随后由逆变器逆变成高频交流电，最后高频交流电在发送线圈中流动产生高频交变磁场。为了使发送线圈中的高频交变磁场恒定，通常在发送线圈与逆变器间串接电流传感器，电流传感器将检测出的发送线圈的电流值送发送端控制器，由控制器据以对升降压直-直变换器的输出电压进行控制实现发送线圈的电流值的反馈控制，使发送线圈中的高频交变磁场保持恒定。

第二部分是感应耦合无线电能传输装置的接收端，其组成原理是：接收端的接收线圈感应到发送线圈产生的高频交变的磁场，在接收线圈中感生出高频的交流电，接收线圈中的高频交流电经过整流器整流成直流电，再逆变为负载所需（通常为工频）交流电，从而完成电能的无线传输。

感应耦合无线电能传输装置的核心问题是接收线圈和发送线圈之间的能量传输。最理想的情况下，感应耦合无线电能传输装置发送端和接收端均处于同一谐振频率下谐振时，装置的传输功率和传输效率达到最大。然而接收线圈和发送线圈之间存在较大的气隙，使得发送线圈和接收线圈的漏感很大，加之，负载、温湿度等因素均会导致线路的阻抗发生变化；从而使发送线圈的无功功率增加，接收线圈的电压降低，降低了电能的传输功率与传输效率。为了提高电能的传输功率与效率，一般由调谐装置通过投切电容来对发送线圈或接收线圈的漏感等进行调谐，即电容与发送线圈或接收线圈线圈组成LC谐振振荡电路，提高发送线圈和接收线圈的有功功率。

然而，现有发送端调谐装置大多是基于阻抗测量而改变投切电容数量进行动态补偿，实现对无线传能系统发送端线圈漏感的调谐；但由于发送端线圈漏感变化等因素导致其阻抗难以实时、精确测量，使得无线传能系统参数发生变化，进而导致发送端与接收端的谐振频率发生变化时，调谐装置不能实时、精确调谐，系统没有处于谐振的状态，降低了无线传能系统传输功率和效率。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置，该动态调谐装置能使升降压直-直变换器输出端保持在最小电压有效值下运行，即发送端电路更接近完全谐振状态，以提高发送端的有功功率，进而提高无线电能传输设备的传输功率和效率。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置，其特征在于：

在无线电能传输设备发送端中的逆变器的两输入端上并联电压传感器，且在逆变器与发送线圈的电流传感器之间依次串接相控电感电容并联电路和补偿电容；所述的相控电感电容并联电路的组成是：电感与双向晶闸管串联后再与电容并联；双向晶闸管的控制端、电流传感器的输出端和电压传感器的输出端均与发送端控制器相连。

本发明的第二目的是提供一种使用上述的动态调谐装置进行调谐的方法，该方法更快捷、更简单地实现接收端的调谐，提高发送端的有功功率，进而提高无线电能传输设备的传输功率和效率。

本发明实现其第二发明目的所采用的技术方案是，一种使用上述的动态调谐装置对无线电能传输设备进行调谐的方法，其步骤是：

A、初始时，双向晶闸管的当前触发角α₀设为π,即双向晶闸管设为断开状态；发送线圈的电流有效值的控制值设定为I_p。

B、发送端控制器控制双向晶闸管使其触发角为当前触发角α₀，同时，发送端控制器接收电流传感器传来的发送线圈的电流有效值的检测值I_s，并据以调节发送端升降压直-直变换器的输出电压，使发送线圈电流有效值向电流控制值I_p逼近，直至电流有效值的检测值I_s与电流有效值的控制值I_p相等时，发送端控制器记录电压传感器测出的升降压直-直变换器输出端的电压有效值为当前电压有效值U₀；

C、发送端控制器将B步的当前触发角α₀代入下式（1）中的触发角α，计算出相控电感电容并联电路的当前等效阻抗Z₀

$Z=\frac{{\mathrm{j\ω}}_0\mathrm{\π}{L}_p}{2\mathrm{\π}-2\mathrm{\α}+\sin 2\mathrm{\α}-{\mathrm{\π\ω}}_0^2{C}_p{l}_P}---\left(1\right)$

式中ω₀为逆变器输出高频交流电的基波角频率，L_p为电感的电感值，C_p为电容的电容值；

然后，发送端控制器根据设定的等效阻抗Z的调节量△Z，得到一个小等效阻抗Z₁，Z₁=Z₀-△Z和一个大等效阻抗Z₂，Z₂=Z₀+△Z；并根据上式（1）求出一个小等效阻抗Z₁对应的双向晶闸管的小等效阻抗触发角α₁和大等效阻抗Z₂对应的双向晶闸管的大等效阻抗触发角α₂；

D、发送端控制器控制双向晶闸管使其触发角为小等效阻抗触发角α₁；同时，发送端控制器接收电流传感器传来的发送线圈的电流有效值的检测值I_s；并据以调节发送端升降压直-直变换器的输出电压，使发送线圈电流有效值向电流控制值I_p逼近，直至电流有效值的检测值Is与电流有效值的控制值I_p相等时，发送端控制器记录电压传感器测出的升降压直-直变换器输出端的电压有效值为小等效阻抗电压有效值U₁；

随后，发送端控制器控制双向晶闸管使其触发角为大等效阻抗触发角α₂；同时，发送端控制器接收电流传感器传来的发送线圈的电流有效值的检测值I_s；并据以调节发送端升降压直-直变换器的输出电压，使发送线圈电流有效值向电流控制值I_p逼近，直至电流有效值的检测值I_s与电流有效值的控制值I_p相等时，发送端控制器记录电压传感器测出的升降压直-直变换器输出端的电压有效值为大等效阻抗电压有效值U₂；

E、发送端控制器比较当前电压有效值U₀、小等效阻抗电压有效值U₁、大等效阻抗电压有效值U₂的大小：如果其中的最小值为小等效阻抗电压有效值U₁，则令当前触发角α₀=α₁，转B步；如果其中的最小值为大等效阻抗电压有效值U₂，则令当前触发角α₀=α₂，转B步；如果其中的最小值为当前电压有效值U₀，直接转B步。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、由于负载通常呈感性，本发明采用静态的补偿电容进行初步的静态调谐补偿，再采用相控电感电容并联电路进行动态调谐；大幅降低了动态调谐的调谐变化范围，提高了调谐精度；由双向晶闸管控制相控电感电容并联电路中的电感的通断时间实现相控电感电容并联电路从全感性至全容性的无级调节，较之离散电容阵列的有级调节，其连续性好、调谐精度高；从而本发明能实现更高精度的调谐，使发送端更接近理想的谐振状态，其有功功率更高，从而进一步提高无线电能传输设备的传输功率和效率。

同时，双向晶闸管控制相控电感电容并联电路较之离散的电容阵列，其体积小、性能稳定、价格低廉、电路简单、便于集成、易于推广。

升降压直-直变换器输出端电压有效值的最小时，即电路发生谐振时；提高了发送端的有功功率，进而提高了无线电能传输设备的传输功率和效率。

二、本发明通过记录双向晶闸管的当前触发角及其对应的相控电感电容并联电路两端的等效阻抗值的计算值及其测试出的升降压直-直变换器输出端的电压有效值；再将相控电感电容并联电路两端的等效阻抗分别向小、向大偏移设定的调节量，带入计算式求出调节后的等效阻抗对应的双向晶闸管的大等效阻抗触发角和小等效阻抗触发角，再由该两个触发角来作为双向晶闸管的测试触发角，并实际测出大等效阻抗触发角和小等效阻抗触发角对应的电压有效值；最后找出大、小等效阻抗触发角和当前触发角对应的电压有效值中的最小值，再以最小电压有效值对应的触发角作为双向晶闸管的当前触发角以控制相控电感电容并联电路。通过这样的一次或多次逼近即可使升降压直-直变换器输出端的电压有效值处于最小化，从而使发送端电路实时、动态地处于谐振状态或者谐振状态附近。

本发明利用恒流控制条件下电路谐振时，升降压直-直变换器输出端的电压最小的原理来动态补偿谐振回路的电抗，不仅补偿了接收端的反射阻抗，也补偿了线路中不可测量的阻抗（比如发送端线圈的漏感和温度、湿度变化导致的阻抗漂移）所造成的谐振回路参数漂移。其调谐更精确、可靠，也即本发明的方法能实现更高精度的调谐，使发送端更接近理想的谐振状态，其有功功率更高，更好的提高无线电能传输设备的传输功率和效率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明实施例的无线电能传输设备发送端动态调谐装置的电路结构示意图。

图1中编号为Z的是整流器、编号为D的是负载、编号为Lr的是接收端线圈。

具体实施方式

实施例一

图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种基于最小电压跟踪无线电能传输设备中的动态调谐装置，其特征在于：

在无线电能传输设备发送端中的逆变器N的两输入端上并联电压传感器US，且在逆变器N与发送线圈Ls的电流传感器IS之间依次串接相控电感电容并联电路和补偿电容Cs；所述的相控电感电容并联电路的组成是：电感L_p与双向晶闸管Tx串联后再与电容C_p并联；双向晶闸管Tx的控制端、电流传感器IS的输出端和电压传感器US的输出端均与发送端控制器KS相连。

使用本例的动态调谐装置对无线电能传输设备进行调谐的方法，其步骤是：

A、初始时，双向晶闸管Tx的当前触发角α₀设为π,即双向晶闸管Tx设为断开状态；发送线圈的电流有效值的控制值设定为I_p。

B、发送端控制器KS控制双向晶闸管Tx使其触发角为当前触发角α₀，同时，发送端控制器KS接收电流传感器IS传来的发送线圈Ls的电流有效值的检测值I_s，并据以调节发送端升降压直-直变换器BB的输出电压，使发送线圈电流有效值向电流控制值I_p逼近，直至电流有效值的检测值I_s与电流有效值的控制值I_p相等时，发送端控制器KS记录电压传感器US测出的升降压直-直变换器BB输出端的电压有效值为当前电压有效值U₀；

C、发送端控制器KS将B步的当前触发角α₀代入下式（1）中的触发角α，计算出相控电感电容并联电路的当前等效阻抗Z₀

$Z=\frac{{\mathrm{j\ω}}_0\mathrm{\π}{L}_p}{2\mathrm{\π}-2\mathrm{\α}+\sin 2\mathrm{\α}-{\mathrm{\π\ω}}_0^2{C}_p{l}_P}---\left(1\right)$

式中ω₀为逆变器输出高频交流电的基波角频率，L_p为电感Lp的电感值，C_p为电容Cp的电容值；

然后，发送端控制器KS根据设定的等效阻抗Z的调节量△Z，得到一个小等效阻抗Z₁，Z₁=Z₀-△Z和一个大等效阻抗Z₂，Z₂=Z₀+△Z；并根据上式（1）求出一个小等效阻抗Z₁对应的双向晶闸管Tx的小等效阻抗触发角α₁和大等效阻抗Z₂对应的双向晶闸管Tx的大等效阻抗触发角α₂；

D、发送端控制器KS控制双向晶闸管Tx使其触发角为小等效阻抗触发角α₁；同时，发送端控制器KS接收电流传感器IS传来的发送线圈Ls的电流有效值的检测值I_s；并据以调节发送端升降压直-直变换器BB的输出电压，使发送线圈电流有效值向电流控制值I_p逼近，直至电流有效值的检测值I_s与电流有效值的控制值I_p相等时，发送端控制器KS记录电压传感器US测出的升降压直-直变换器BB输出端的电压有效值为小等效阻抗电压有效值U₁；

随后，发送端控制器KS控制双向晶闸管Tx使其触发角为大等效阻抗触发角α₂；同时，发送端控制器KS接收电流传感器IS传来的发送线圈Ls的电流有效值的检测值I_s；并据以调节发送端升降压直-直变换器BB的输出电压，使发送线圈电流有效值向电流控制值I_p逼近，直至电流有效值的检测值I_s与电流有效值的控制值I_p相等时，发送端控制器KS记录电压传感器US测出的升降压直-直变换器BB输出端的电压有效值为大等效阻抗电压有效值U₂；

E、发送端控制器KS比较当前电压有效值U₀、小等效阻抗电压有效值U₁、大等效阻抗电压有效值U₂的大小：如果其中的最小值为小等效阻抗电压有效值U₁，则令当前触发角α₀=α₁，转B步；如果其中的最小值为大等效阻抗电压有效值U₂，则令当前触发角α₀=α₂，转B步；如果其中的最小值为当前电压有效值U₀，直接转B步。

Claims (1)

1.一种使用无线电能传输设备发送端动态调谐装置对无线电能传输设备进行调谐的方法，

所述的无线电能传输设备发送端动态调谐装置的组成是：在无线电能传输设备发送端中的逆变器(N)的两输入端上并联电压传感器(US)，且在逆变器(N)与发送线圈(Ls)的电流传感器(IS)之间依次串接相控电感电容并联电路和补偿电容(Cs)；所述的相控电感电容并联电路的组成是：电感(Lp)与双向晶闸管(Tx)串联后再与电容(Cp)并联；双向晶闸管(Tx)的控制端、电流传感器(IS)的输出端和电压传感器(US)的输出端均与发送端控制器(KS)相连；

使用所述的无线电能传输设备发送端动态调谐装置对无线电能传输设备进行调谐的方法，其步骤是：

A、初始时，双向晶闸管(Tx)的当前触发角α₀设为π,即双向晶闸管(Tx)设为断开状态；发送线圈的电流有效值的控制值设定为I_p；

B、发送端控制器(KS)控制双向晶闸管(Tx)使其触发角为当前触发角α₀，同时，发送端控制器(KS)接收电流传感器(IS)传来的发送线圈(Ls)的电流有效值的检测值I_s，并据以调节发送端升降压直-直变换器(BB)的输出电压，使发送线圈电流有效值向电流控制值I_p逼近，直至电流有效值的检测值I_s与电流有效值的控制值I_p相等时，发送端控制器(KS)记录电压传感器(US)测出的升降压直-直变换器(BB)输出端的电压有效值为当前电压有效值U₀；

C、发送端控制器(KS)将B步的当前触发角α₀代入下式(1)中的触发角α，计算出相控电感电容并联电路的当前等效阻抗Z₀

$Z=\frac{{\mathrm{j\ω}}_0{\mathrm{\πL}}_p}{2\mathrm{\π}-2\mathrm{\α}+sin2\mathrm{\α}-{\mathrm{\π\ω}}_0^2{C}_p{L}_p}---\left(1\right)$

式中ω₀为逆变器输出高频交流电的基波角频率，L_p为电感(Lp)的电感值，C_p为电容(Cp)的电容值；

然后，发送端控制器(KS)根据设定的等效阻抗Z的调节量ΔZ，得到一个小等效阻抗Z₁，Z₁＝Z₀-ΔZ和一个大等效阻抗Z₂，Z₂＝Z₀+ΔZ；并根据上式(1)求出一个小等效阻抗Z₁对应的双向晶闸管(Tx)的小等效阻抗触发角α₁和大等效阻抗Z₂对应的双向晶闸管(Tx)的大等效阻抗触发角α₂；

D、发送端控制器(KS)控制双向晶闸管(Tx)使其触发角为小等效阻抗触发角α₁；同时，发送端控制器(KS)接收电流传感器(IS)传来的发送线圈(Ls)的电流有效值的检测值I_s；并据以调节发送端升降压直-直变换器(BB)的输出电压，使发送线圈电流有效值向电流控制值I_p逼近，直至电流有效值的检测值I_s与电流有效值的控制值I_p相等时，发送端控制器(KS)记录电压传感器(US)测出的升降压直-直变换器(BB)输出端的电压有效值为小等效阻抗电压有效值U₁；

随后，发送端控制器(KS)控制双向晶闸管(Tx)使其触发角为大等效阻抗触发角α₂；同时，发送端控制器(KS)接收电流传感器(IS)传来的发送线圈(Ls)的电流有效值的检测值I_s；并据以调节发送端升降压直-直变换器(BB)的输出电压，使发送线圈电流有效值向电流控制值I_p逼近，直至电流有效值的检测值I_s与电流有效值的控制值I_p相等时，发送端控制器(KS)记录电压传感器(US)测出的升降压直-直变换器(BB)输出端的电压有效值为大等效阻抗电压有效值U₂；

E、发送端控制器(KS)比较当前电压有效值U₀、小等效阻抗电压有效值U₁、大等效阻抗电压有效值U₂的大小：如果其中的最小值为小等效阻抗电压有效值U₁，则令当前触发角α₀＝α₁，转B步；如果其中的最小值为大等效阻抗电压有效值U₂，则令当前触发角α₀＝α₂，转B步；如果其中的最小值为当前电压有效值U₀，直接转B步。