CN104065178A - 一种三相负载单相无线供电系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相负载单相无线供电系统及其设计方法。该系统包括单相交流电源、整流滤波电路、单相高频逆变电路、原边谐振补偿机构、原边磁能发射机构、副边磁能拾取机构、副边谐振补偿机构、单相/三相矩阵变换器、三相滤波电路及三相负载。通过原边磁能发射机构和副边磁能拾取机构的电磁感应耦合，实现电能从原边到副边的无线传输，副边拾取磁能经过磁电转换后，再经过单相/三相矩阵变换器，可实现单相高频交流电到任意频率三相交流电的转换，满足三相负载的供电需求。其显著效果为：相比于传统的原边三相供电、副边三相拾取的三相无线电能传输系统，该系统磁路机构结构设计简单，满足了单相交流电源为三相负载的无线供电需求。

Description

一种三相负载单相无线供电系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输系统，具体涉及一种三相负载单相无线供电系统及其设计方法。

背景技术

传统有线电能传输模式是通过导体之间直接相连的形式传送电能的，但随着社会的不断发展与进步，这种基于传统理论的接触式供电模式带来的弊端越来越明显，如容易产生磨损、插电火花、不易维护等，因此，基于感应耦合原理的无线电能传输(Wireless PowerTransfer，简称WPT)技术应运而生。

目前无线电能传输技术主要是实现单相负载的无线供电，然而随着WPT技术研究的不断深入，越来越多的场合需要满足三相负载的无线供电需求。针对三相负载的无线供电需求，目前主要是采取原边三相磁能发射、副边三相磁能拾取的三相无线供电模式。

然而，在原边三相磁能发射、副边三相磁能拾取的三相无线供电系统中，原边高频逆变电路需要采用三相高频逆变电路机构，这就需要原边有三个磁能发射机构和三个谐振补偿机构，同时副边有三个磁能拾取机构和三个谐振补偿机构，这样导致整体系统器件较多，装置体积较大，系统较复杂；另外，由于各原边线圈与各副边线圈之间，各原边线圈之间，各副边线圈之间的互感值相互影响，使得系统建模比较困难，原、副边参数控制比较复杂；再者，该系统能量可双向流动，容易实现交流电机的四象限运行。

发明内容

本发明的目的就是针对现有的原边三相磁能发射、副边三相磁能拾取的三相无线供电系统中存在的问题，提供一种三相负载单相无线供电系统及其设计方法。

本发明的目的是这样实现的，三相负载单相无线供电系统和设计方法，具体方案如下：

三相负载单相无线供电系统，包括单相交流电源、整流滤波电路、单相高频逆变电路、原边谐振补偿机构、原边磁能发射机构、副边磁能拾取机构、副边谐振补偿机构、单相/三相矩阵变换器、三相滤波电路、三相负载。

单相交流电源经整流滤波电路整流成直流电，直流电通过单相高频逆变电路逆变为高频交流电，再经原边谐振补偿机构后变为高频正弦交流进入原边磁能发射机构，通过电磁感应，副边磁能拾取机构感应出同频率的交流电后，经副边谐振补偿机构、单相/三相矩阵变换器及三相滤波电路滤波后为三相负载提供任意频率的三相交流电，从而满足了单相交流电源为三相负载的无线供电需求。

所述的系统以原边磁能发射机构和副边磁能拾取机构为界限，两者之间互不接触，实现了电能从原边到副边的无线传输。

所述的单相/三相矩阵变换器将副边磁能拾取机构及副边谐振补偿机构输出的单相高频交流电转变为任意频率三相交流电，实现了单相高频交流电向三相负载供电的功能。

所述的整流滤波电路采用带电容滤波的不控整流电路，单相高频逆变电路是电压型单相全桥逆变电路，四个功率管采用180°互补导通模式。

所述的原边谐振补偿机构和副边谐振补偿机构分别采用串联电容补偿和并联电容补偿，目的在于提高三相负载的输出电压和负载波动条件下的系统频率稳定性。

所述的原边磁能发射机构和副边磁能拾取机构是由原边磁能发射线圈和副边磁能拾取线圈组成，且两个线圈材料相同。

所述的单相/三相矩阵变换器是由六个双向开关组成，每个双向开关是由两个IGBT管共射极串联组成，且整个逆变器相当于两个传统的三相逆变器反并联构成；为了提高三相负载的输出电压和降低系统电流谐波总畸变率，该单相/三相矩阵变换器采用SVPWM调制策略。

所述的一种三相负载单相无线供电系统的设计方法：

(1)忽略双向开关管的损耗，根据功率守恒定律，单相/三相矩阵变换器及三相滤波电路、三相负载可以等效为单相负载，从而使主电路等效为一个典型的原边串联补偿、副边并联补偿的单相无线供电系统。

(2)由算出副边磁能拾取机构电感值L_s，再由算出副边谐振补偿机构电容值C_s，其中R_eq是单相/三相矩阵变换器的单相端等效电阻；ω是系统单相高频逆变电路工作角频率；Q_s是副边谐振补偿因数，Q_s一般取2～10。

(3)根据系统设计需要，设原边磁能发射机构电感值L_p为一固定值，则原边谐振补偿机构电容值其中M是原边磁能发射线圈、副边磁能拾取线圈之间的互感值。

(4)三相滤波电路采用巴特沃思二阶低通滤波电路，这是因为LC滤波电路的固有频率是由LC同时决定的，而巴特沃思滤波电路是一种具有最大平坦响应的滤波电路。

有益效果，由于采用了上述方案，相比于传统的原边三相磁能发射，副边三相磁能拾取的三相无线供电系统，该系统磁路机构结构设计简单，可满足单相交流电源为三相负载的无线供电需求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是传统的三相无线供电系统主电路图。

图3是单相/三相矩阵变换器的结构示意图。

图4是三相滤波电路等效的一相LC滤波电路图。

图5是原边磁能发射线圈上高频电压仿真图。

图6是副边磁能拾取线圈上高频电压仿真图。

图7是三相负载输出的工频电压仿真图。

图8是三相负载输出的工频电流仿真图。

图中，1、单相交流电源；2、整流滤波电路；3、单相高频逆变电路；4、原边谐振补偿机构；5、原边磁能发射机构；6、副边磁能拾取机构；7、副边谐振补偿机构；8、单相/三相矩阵变换器；9、三相滤波电路；10、三相负载。

具体实施方案

实施例1：一种三相负载单相无线供电系统，包括单相交流电源1、整流滤波电路2、单相高频逆变电路3、原边谐振补偿机构4、原边磁能发射机构5、副边磁能拾取机构6、副边谐振补偿机构7、单相/三相矩阵变换器8、三相滤波电路9、三相负载10。

所述的系统以原边磁能发射机构5和副边磁能拾取机构6为界限，两者之间互不接触，实现了电能从原边到副边的无线传输。

所述的单相/三相矩阵变换器8将副边磁能拾取机构6及副边谐振补偿机构7输出的单相高频交流电转变为任意频率三相交流电，实现了单相高频交流电向三相负载10供电的功能。

所述的整流滤波电路2采用带电容滤波的不控整流电路，单相高频逆变电路3是电压型全桥逆变电路，四个功率管采用180°互补导通模式。

所述的原边谐振补偿机构4和副边谐振补偿机构7分别采用串联电容补偿和并联电容补偿，目的在于提高三相负载10的输出电压和负载波动条件下的系统频率稳定性。

所述的原边磁能发射机构5和副边磁能拾取机构6是由原边磁能发射线圈和副边磁能拾取线圈组成，且两个线圈材料相同。

所述的单相/三相矩阵变换器8是由六个双向开关组成，每个双向开关是由两个IGBT管共射极串联组成，且整个逆变器相当于两个传统的三相逆变器反并联构成；为了提高三相负载10的输出电压和降低系统电流谐波总畸变率，该单相/三相矩阵变换器8采用SVPWM调制策略。

所述的单相/三相矩阵变换器8是由两个传统的反并联三相逆变器组成，用解结耦的思想理解电路工作原理。解结耦是指将电源电压分解为大于零和小于零两个电压；在这两个周期里分别对变换器进行控制，最后把两种情况组合起来，得到完整的矩阵变换器工作原理。当高频正弦电压处于正半周期时，电压大于零，S₁、S₁₁、S3、S₇、S₅、S₉六个IGBT管依次导通；当正弦电压处于负半周期时，电压小于零，S₈、S₆、S₁₀、S₂、S₁₂、S₄六个IGBT管依次导通。采用SVPWM调制策略，就可以把单相的高频交流电变换为任意频率的三相交流电，任意频率的三相交流电经过三相滤波电路9，就能为三相负载10提供输出电压电流均接近正弦波的交流电。表1为单相/三相矩阵变换器8工作状态表。

所述系统的工作原理是：单相交流电源1经整流滤波电路2整流成直流电，直流电通过单相高频逆变电路3逆变为高频交流电，再经原边谐振补偿机构4后变为高频正弦交流进入原边磁能发射机构5，通过电磁感应，副边磁能拾取机构6感应出同频率的交流电后，经副边谐振补偿机构7、单相/三相矩阵变换器8及三相滤波电路9滤波后为三相负载10提供任意频率的三相交流电，从而满足了单相交流电源1为三相负载10的无线供电需求。

对于图1系统参数的设计，采用对称电阻负载，已知一相电阻负载的电阻、输出电压、功率分别为R₀、U₀、P₀，设单相/三相矩阵变换器8的单相端的等效电阻、输入电压、功率分别为R_eq、U_i、P_i，其中单相/三相矩阵变换器8的输入输出电压均为有效值。忽略开关管的损耗，根据单相/三相矩阵变换器8输入输出端功率相等的原则，有P_i＝3P₀，即

$\frac{U_i^2}{R_{\mathrm{eq}}}=3\frac{U_0^2}{R_0}---\left(1\right)$

单相/三相矩阵变换器8电压传递系数为式中m为调制系数，且定义U_rm、U_cm分别是正弦调制波幅值、三角载波幅值。显然，m≤1。当m＝1时取得最大值，则单相/三相矩阵变换器8的输出电压与输入电压之间的关系为

$U_0=\frac{2}{\sqrt{3}\mathrm{\π}}{U}_i---\left(2\right)$

把(2)式代入(1)式得

$R_{\mathrm{eq}}=\frac{{\mathrm{\π}}^2}{4}{R}_0---\left(3\right)$

此时主电路就能等效为一个传统的原边串联补偿，副边并联补偿的单相无线供电系统。

由算出副边磁能拾取机构6电感值L_s如下：

$L_s=\frac{R_{\mathrm{eq}}}{{\mathrm{\ωQ}}_s}---\left(4\right)$

式中，ω是系统单相高频逆变电路3工作角频率；Q_s为副边谐振补偿因数，Q_s一般取2～10，否则会导致系统不稳定，出现多零相位解，也容易造成系统对电量参数的敏感。

由ω²L_sC_s＝1算出副边谐振补偿机构7电容值C_s如下：

$C_s=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{L}_s}---\left(5\right)$

根据系统设计需要，设原边磁能发射机构5电感值L_p为一固定值，则原边谐振补偿机构4电容值C_p如下：

$C_p=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{L}_p-\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2}{L_s}}---\left(6\right)$

式中M是原边磁能发射线圈、副边磁能拾取线圈之间的互感值。

对于所述的系统中三相滤波电路9的设计，其等效的一相滤波电路如图4所示。

如图4所示的低通二阶LC滤波电路，其传递函数为：

$\frac{U_0\left(S\right)}{U_1\left(S\right)}\frac{\frac{R_0\frac{1}{\mathrm{SC}}}{R_0+\frac{1}{\mathrm{SC}}}}{\mathrm{SL}+\frac{R_0\frac{1}{\mathrm{SC}}}{R_0+\frac{1}{\mathrm{SC}}}}=\frac{1}{\frac{S^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2}+2\mathrm{\ξ}\frac{S}{{\mathrm{\ω}}_0}+1}---\left(7\right)$

式中，U₁(S)为滤波电路的输入电压；S为复频率；为LC滤波器的固有角频率； $\mathrm{\ζ}=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\ω}}_{0}L}{R_0}=\frac{\sqrt{\mathrm{LC}}}{2R_0},$ 为阻尼系数。

为了使滤波电路输出电压接近正弦波，同时又不会引起谐振，LC滤波器的截止频率既要远大于调制波频率，又要小于载波的频率，必须满足下列公式

10f_r≤f₀≤f_c10 (8)式中，f_r为调制波频率；f_c为载波频率；f₀为固有频率。

LC滤波电路的固有频率是由LC同时决定的，由于巴特沃思滤波器是一种具有最大平坦响应的滤波器，因此采用巴特沃思二阶低通滤波器。

归一化巴特沃思二阶低通滤波器的参数计算公式如下：

滤波电路的电感值为

$L=\frac{\sqrt{2}}{H}\×Q---\left(11\right)$

滤波电路的电容值为

$C=\frac{\sqrt{2}}{H\×Q}---\left(12\right)$

从而求出滤波电路的电感电容参数。

图5、图6分别为原边磁能发射线圈上高频电压仿真图、副边磁能拾取线圈上高频电压仿真图，直流电逆变后经补偿为单相高频交流正弦波，副边感应出同频率的高频交流正弦波。图7、图8分别为三相负载10输出的工频电压仿真图、三相负载10输出的工频电流仿真图，副边磁能拾取机构6感应的单相高频正弦波经单相/三相矩阵变换器8、三相滤波电路9后为三相负载10提供接近于正弦的交流电压、交流电流，满足了单相交流电源1为三相负载10的无线供电需求。

表1是单相/三相矩阵变换器工作状态表。

表1

状态	导通开关
		+(100)	S1、S9、S11
+(011)	S3、S5、S7
		+(010)	S3、S7、S11
+(101)	S1、S5、S9
		+(001)	S5、S7、S9
+(110)	S1、S3、S11
		-(100)	S4、S6、S8
-(011)	S2、S10、S12
		-(010)	S2、S6、S10
-(101)	S4、S8、S12
		-(001)	S2、S4、S12
-(110)	S6、S8、S10

Claims (6)

1.一种三相负载单相无线供电系统，其特征在于：该系统包括单相交流电源、整流滤波电路、单相高频逆变电路、原边谐振补偿机构、原边磁能发射机构、副边磁能拾取机构、副边谐振补偿机构、单相/三相矩阵变换器、三相滤波电路及三相负载；

单相交流电源先经整流滤波电路整流成直流电，直流电通过单相高频逆变电路逆变成高频交流电，再经原边谐振补偿机构后变为高频正弦交流电进入原边磁能发射机构，通过电磁感应，副边磁能拾取机构感应出同频率的交流电后，经副边谐振补偿机构、单相/三相矩阵变换器及三相滤波电路滤波后为三相负载提供任意频率的三相交流电，实现单相交流电源到三相负载的无线供电；

所述的系统以原边磁能发射机构和副边磁能拾取机构为界限，两者之间互不接触，实现了电能从原边到副边的无线传输；

所述的单相/三相矩阵变换器将副边磁能拾取机构及副边谐振补偿机构输出的单相高频交流电转变为任意频率三相交流电，实现了单相高频交流电向三相负载供电的功能。

2.根据权利要求1所述的一种三相负载单相无线供电系统，其特征在于：整流滤波电路采用带电容滤波的不控整流电路，单相高频逆变电路是电压型全桥逆变电路，四个功率管采用180°互补导通模式。

3.根据权利要求1所述的一种三相负载单相无线供电系统，其特征在于：原边谐振补偿机构和副边谐振补偿机构分别采用串联电容补偿和并联电容补偿。

4.根据权利要求1所述的一种三相负载单相无线供电系统，其特征在于：原边磁能发射机构和副边磁能拾取机构是由原边磁能发射线圈和副边磁能拾取线圈组成，且两个线圈材料相同。

5.根据权利要求1所述的一种三相负载单相无线供电系统，其特征在于：单相/三相矩阵变换器是由六个双向开关管组成，每个双向开关是由两个IGBT共射极串联组成，且整个逆变器相当于两个传统的三相逆变器反并联构成，该单相/三相矩阵变换器采用SVPWM调制策略。

6.根据权利要求1所述的一种三相负载单相无线供电系统的设计方法，其特征在于：

1)忽略双向开关管的损耗，根据功率守恒定律，单相/三相矩阵变换器及三相滤波电路、三相负载可以等效为单相负载，从而使主电路等效为一个典型的原边串联补偿、副边并联补偿的单相无线供电系统；

2)由算出副边磁能拾取机构电感值L_s，再由算出副边谐振补偿机构电容值C_s，其中R_eq是单相/三相矩阵变换器的单相端等效电阻；ω是系统单相高频逆变电路工作角频率；Q_s是副边谐振补偿因数，Q_s一般取2～10；

3)根据系统设计需要，设原边磁能发射机构电感值L_p为一固定值，则原边谐振补偿机构电容值其中M是原边磁能发射线圈、副边磁能拾取线圈之间的互感值；

4)三相滤波电路采用巴特沃思二阶低通滤波电路，这是因为LC滤波电路的固有频率是由LC同时决定的，而巴特沃思滤波电路是一种具有最大平坦响应的滤波电路。