CN105720582B - 一种特定谐波消除无线电能传输系统及其设计方法 - Google Patents

一种特定谐波消除无线电能传输系统及其设计方法 Download PDF

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Abstract

一种特定谐波消除无线电能传输系统及其设计方法，属于无线电能传输系统及设计方法。该系统包括直流电源、高频逆变器、原边能量变换发射环节、副边能量接收变换环节、原边谐波能量反向注入环节和负载，原边能量变换发射环节与原边谐波能量反向注入环节分别构成基波通道和三次谐波提取通道反并联于高频逆变器之后，原边谐波能量反向注入环节提取的三次谐波能量通过紧耦合变压器反向注入到原边能量变换发射环节中，与直流电源通过高频逆变器产生的高频交流信号进行叠加作用。该系统输入到基波通道的交流电源中消除了三次谐波含量，对基波谐振网络的设计更加简单，减少了由于负载或系统结构改变引起的系统频率稳定性及波形畸变影响。

Description

一种特定谐波消除无线电能传输系统及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输系统及其设计方法，特别是一种特定谐波消除无线电能传输系统及其设计方法。
背景技术
传统有线电能传输技术通过导体之间相连的形式传送电能，但随着科学技术的不断进步，人们对用电设备安全性，可靠性等的要求越来越高，传统的接触式供电弊端越来越明显，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技术应运产生。目前无线电能传输系统将原边发射端接于高频逆变器之后，通过高频逆变器产生方波交流电，由傅里叶级数展开式可知，高频逆变器输出之后的方波交流电中含有大量的三、五、七次等奇数次谐波，大量的谐波容易导致无线电能传输系统中的磁路机构饱和发热、系统整体损耗大，寿命缩短，过载能力和效率降低，严重时会使得系统设备损坏，无法正常工作。
为解决谐波对系统功率传输带来的影响，目前采用的方法多是在高频逆变器之后加入谐振补偿环节，即设计一种无源滤波器吸收高次谐波，从而满足基波的可靠传输，采用该方法对于一般无线电能传输系统取得了良好的效果，然而由于没有从根本上消除高频逆变器产生方波电压中的高频谐波分量，特别是三次谐波分量，使得无线电能传输系统在负载或者系统结构变化下的系统频率稳定性较差，滤波效果一般。例如，文献《一种采用级联型多电平技术的IPT系统谐波消除与功率调节方法》利用阶梯波移相叠加合成方法消除输出电压的特定次谐波，但其所需控制算法复杂；文献《感应式电能传输系统电磁机构带通滤波特性建模分析》通过对感应式电能传输系统电磁机构进行建模分析，提出一种设计带通滤波器参数的方法，该方法虽然可以提高系统滤波特性，但是无法做到谐波的完全消除。
发明内容
本发明的目的是要提供一种特定谐波消除无线电能传输系统及其设计方法，解决传统无线电能传输系统采用谐振补偿环节构成基波通道，以滤除三次及以上高次谐波含量，但在负载或者系统结构变化下的系统频率稳定性较差的问题。
本发明的目的是这样实现的：该系统包括直流电源、高频逆变器、原边能量变换发射环节、副边能量接收变换环节、原边谐波能量反向注入环节和负载；直流电源与高频逆变器连接，高频逆变器与并联输入端的原边能量变换发射环节和原边谐波能量反向注入环节连接；原边能量变换发射环节通过紧耦合变压器与原边谐波能量反向注入环节连接；原边能量变换发射环节通过原边磁能发射机构及副边磁能拾取机构与副边能量接收变换环节形成电能无线传输通道，实现电能的无线传输。
原边能量变换发射环节与原边谐波能量反向注入环节分别构成基波通道和三次谐波提取通道反并联于高频逆变器之后，原边谐波能量反向注入环节提取的三次谐波信号经过补偿阻抗调整相位后通过紧耦合变压器反向注入到原边能量变换发射环节中，传至原边能量变换发射环节的三次谐波信号与直流电源通过高频逆变器产生的高频交流信号进行叠加作用，实现了基波通道三次谐波的完全滤除；经过叠加之后的信号经过原边谐振补偿电容传至原边磁能发射机构，副边磁能拾取机构基于电磁感应原理拾取原边磁能发射机构上的能量，经过副边谐振补偿电容和整流滤波电路为负载供电。
所述的高频逆变器为四个场效应管构成全桥逆变结构。
所述的原边能量变换发射环节包括原边谐振补偿电容、紧耦合变压器原边端和原边磁能发射机构；原边谐振补偿电容、原边磁能发射机构及紧耦合变压器原边端串联。
所述的副边能量接收变换环节包括副边磁能拾取机构、副边谐振补偿电容和整流滤波电路；副边磁能拾取机构与副边谐振补偿电容串联，然后与整流滤波电路输入端连接；整流滤波电路的输出端并联有电容C1；并且原边能量变换发射环节和副边能量接收变换环节的固有谐振频率均为高频逆变器的开关频率，从而构成基波通道，用于传输电能。
所述的原边谐波能量反向注入环节包括选频网络、紧耦合变压器选频端、补偿阻抗；紧耦合变压器选频端与补偿阻抗串联，然后整体并连于选频网络，从而构成三次谐波提取通道，用于传输电能；选频网络为选频电容C0和选频电感L0构成的LC选频网络；原边谐波能量反向注入环节与原边能量变换发射环节反并联于高频逆变器之后，原边谐波能量反向注入环节提取的三次谐波能量经过补偿阻抗调整相位后通过紧耦合变压器反向注入到原边能量变换发射环节中，传至原边能量变换发射环节的三次谐波信号与直流电源通过高频逆变器产生的高频交流信号进行叠加作用，实现基波通道的三次谐波的完全滤除。
紧耦合变压器原边端与紧耦合变压器选频端绕制于同一“回”型锰锌铁氧体磁芯组成紧耦合变压器。
无线电能传输系统的设计方法，具体步骤如下：
1)副边磁能拾取机构电感值Ls计算表达式为
Req是从整流滤波电路输入端看进去的等效电阻，其阻值为
副边谐振补偿电容与副边磁能拾取机构串联谐振在高频逆变器的工作频率下，所以，副边谐振补偿电容值Cs计算表达式为
其中，ω是高频逆变器的工作角频率，Q是副边谐振补偿品质因数，RL是负载电阻值；
2)根据系统设计需求，设原边磁能发射机构的电感值Lp为一固定值，原边谐振补偿电容与原边磁能发射机构及紧耦合变压器原边端串联谐振于高频逆变器的工作频率下，则原边谐振补偿电容的电容值Cp计算表达式为
其中L0是紧耦合变压器原边端的电感值。
3)根据选频网络特性，设紧耦合变压器选频端电感值为L1,，则选频网络中的选频电感L2的电感值计算表达式为
L2＝L1(5)
同时，选频网络中选频电容C0的电容值的计算表达式为
4)根据选频网络特性，RL是负载阻值，M1是原边磁能发射机构与副边磁能拾取机构的互感值，M2紧耦合变压器两端的互感值，则补偿阻抗的阻抗值Zw计算表达式为
有益效果，由于采用了上述方案，相比于传统含有谐波滤除装置的无线电能传输系统，高频交流电信号先经过选频网络得到三次谐波信号，再经紧耦合变压器将反向三次谐波信号传至基波通道抵消基波通道内的三次谐波信号，使得该系统输入到基波通道的交流电源中消除了三次谐波含量，从而使得对谐振网络的设计更加简单，并有效减少了由于负载或系统结构改变引起的系统频率稳定性及波形畸变影响。解决了传统无线电能传输系统采用谐振补偿环节构成基波通道，以滤除三次及以上高次谐波含量，但在负载或者系统结构变化下的系统频率稳定性较差的问题，达到了本发明的目的。
优点：切实提高了无线电能传输系统的频率稳定性，减小系统中的谐波含量。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的原边磁能发射机构电流波形和选频网络电流波形图
图3是本发明的基波通道输入电压图。
图4是本发明的未加添三次谐波提取通道的无线电能传输系统原边电压FFT分析图。
图5是本发明的添加三次谐波提取通道后的无线电能传输系统原边电压FFT分析图。
图中，1、直流电源；2、高频逆变器；3、原边能量变换发射环节；4、副边能量接收变换环节；5、原边谐波能量反向注入环节；6、负载；7、原边谐振补偿电容；8、紧耦合变压器原边端；9、原边磁能发射机构；10、副边磁能拾取机构；11、副边谐振补偿电容；12、整流滤波电路；13、选频网络；14、紧耦合变压器选频端；15、补偿阻抗。
具体实施方式
该系统包括直流电源1、高频逆变器2、原边能量变换发射环节3、副边能量接收变换环节4、原边谐波能量反向注入环节5和负载6；直流电源1与高频逆变器2连接，高频逆变器2与并联输入端的原边能量变换发射环节3和原边谐波能量反向注入环节5连接；原边能量变换发射环节3通过紧耦合变压器与原边谐波能量反向注入环节5连接；原边能量变换发射环节3通过原边磁能发射机构9及副边磁能拾取机构10与副边能量接收变换环节4形成电能无线传输通道，实现电能的无线传输。
原边能量变换发射环节3与原边谐波能量反向注入环节5分别构成基波通道和三次谐波提取通道反并联于高频逆变器2之后，原边谐波能量反向注入环节5提取的三次谐波信号经过补偿阻抗15调整相位后通过紧耦合变压器反向注入到原边能量变换发射环节3中，传至原边能量变换发射环节3的三次谐波信号与直流电源1通过高频逆变器产生的高频交流信号进行叠加作用，实现了基波通道三次谐波的完全滤除；经过叠加之后的信号经过原边谐振补偿电容7传至原边磁能发射机构9，副边磁能拾取机构10基于电磁感应原理拾取原边磁能发射机构9上的能量，经过副边谐振补偿电容11和整流滤波电路12为负载6供电。
所述的高频逆变器2为四个场效应管构成全桥逆变结构。
所述的原边能量变换发射环节3包括原边谐振补偿电容7、紧耦合变压器原边端8和原边磁能发射机构9；原边谐振补偿电容7、原边磁能发射机构9及紧耦合变压器原边端8串联。
所述的副边能量接收变换环节4包括副边磁能拾取机构10、副边谐振补偿电容11和整流滤波电路12；副边磁能拾取机构10与副边谐振补偿电容11串联，然后与整流滤波电路12输入端连接；整流滤波电路12的输出端并联有电容C1。并且原边能量变换发射环节3和副边能量接收变换环节4的固有谐振频率均为高频逆变器的开关频率，从而构成基波通道，用于传输电能。
所述的原边谐波能量反向注入环节5包括选频网络13、紧耦合变压器选频端14、补偿阻抗15；紧耦合变压器选频端14与补偿阻抗15串联，然后整体并连于选频网络13，从而构成三次谐波提取通道，用于传输电能；选频网络13为选频电容C0和选频电感L0构成的LC选频网络；原边谐波能量反向注入环节5与原边能量变换发射环节3反并联于高频逆变器2之后，原边谐波能量反向注入环节5提取的三次谐波能量经过补偿阻抗15调整相位后通过紧耦合变压器反向注入到原边能量变换发射环节3中，传至原边能量变换发射环节3的三次谐波信号与直流电源1通过高频逆变器2产生的高频交流信号进行叠加作用，实现基波通道的三次谐波的完全滤除。
紧耦合变压器原边端8与紧耦合变压器选频端14绕制于同一“回”型锰锌铁氧体磁芯组成紧耦合变压器。
无线电能传输系统的设计方法，具体步骤如下：
1)副边磁能拾取机构电感值Ls计算表达式为
Req是从整流滤波电路输入端看进去的等效电阻，其阻值为
副边谐振补偿电容与副边磁能拾取机构串联谐振在高频逆变器的工作频率下，所以，副边谐振补偿电容值Cs计算表达式为
其中，ω是高频逆变器的工作角频率，Q是副边谐振补偿品质因数，RL是负载电阻值。
2)根据系统设计需求，设原边磁能发射机构的电感值Lp为一固定值，原边谐振补偿电容与原边磁能发射机构及紧耦合变压器原边端串联谐振于高频逆变器的工作频率下，则原边谐振补偿电容的电容值Cp计算表达式为
其中L0是紧耦合变压器原边端的电感值。
3)根据选频网络特性，设紧耦合变压器选频端电感值为L1,，则选频网络中的选频电感L2的电感值计算表达式为
L2＝L1(5)
同时，选频网络中选频电容C0的电容值的计算表达式为
4)根据选频网络特性，RL是负载阻值，M1是原边磁能发射机构与副边磁能拾取机构的互感值，M2紧耦合变压器两端的互感值，则补偿阻抗的阻抗值Zw计算表达式为
实施例1：如图1，一种特定谐波消除无线电能传输系统及其设计方法，该系统包括直流电源1、高频逆变器2、原边能量变换发射环节3、副边能量接收变换环节4、原边谐波能量反向注入环节5、负载6共6个环节。
其中，原边能量变及发射环节3包括原边谐振补偿电容7、紧耦合变压器原边端8、原边磁能发射机构9；副边能量接收变换环节4包括副边磁能拾取机构10、副边谐振补偿电容11、整流滤波电路12；原边谐波能量反向注入环节5包括选频网络13、紧耦合变压器选频端14、补偿阻抗15。
所述系统以原边磁能发射机构9和副边磁能拾取机构10为界，两者之间互不接触，实现了电能从原边到副边的无线传输。
所述的原边磁能发射机构9和副边磁能拾取机构10材料相同。
所述的高频逆变器2是电压型全桥型逆变器，四个功率管采用180°互补导通模式。
所述的原边谐振补偿电容7，原边磁能发射机构9，副边磁能拾取机构10，副边谐振补偿电容11组成了系统的S-S补偿结构。
所述的紧耦合变压器原边端8与紧耦合变压器选频端14绕制于同一“回”型锰锌铁氧体磁芯组成紧耦合变压器。
所述的选频网络13为LC选频网络，其输入与原边能量变换发射环节3反并联于高频逆变器2之后。
所述的原边能量变换发射环节3中的原边谐振补偿电容7、原边磁能发射机构9及紧耦合变压器原边端8串联，副边能量接收变换环节4中副边磁能拾取机构10与副边谐振补偿电容11串联；原边能量变换发射环节3和副边能量接收变换环节4的固有谐振频率均为高频逆变器2的开关频率，从而构成基波通道，用于传输电能。根据系统设计需求，设原边磁能发射机构9电感值Lp为一固定值，则原边能量变换发射环节3和副边能量接收变换环节4的参数设计满足
其中，ω是高频逆变器2的开关角频率，Req是从整流滤波电路12输入端看进去的等效电阻，RL是负载的阻值，Ls是副边磁能拾取机构的电感值，Q是副边谐振补偿品质因数，Cs是副边谐振补偿电容的电容值，Cp是原边谐振补偿电容的电容值，L0是紧耦合变压器原边端8的电感值。
所述的原边谐波能量反向注入环节5的紧耦合变压器选频端14与补偿阻抗15串联，二者整体并连于选频网络13，从而构成三次谐波提取通道，用于传输电能。原边谐波能量反向注入环节5与原边能量变换发射环节3反并联于高频逆变器2之后，原边谐波能量反向注入环节5提取的三次谐波能量经过补偿阻抗15调整相位后通过紧耦合变压器反向注入到原边能量变换发射环节3中，传至原边能量变换发射环节3的三次谐波信号与直流电源1通过高频逆变器2产生的高频交流信号进行叠加作用，实现基波通道的三次谐波的完全滤除，则原边谐波能量反向注入环节5的参数设计满足
L1＝L2 (6)
其中，C0是选频网络中的选频电容的电容值，L1是紧耦合变压器选频端的电感值，L2是选频网络中的选频电感的电感值，Zw是补偿阻抗15的阻抗值，RL是负载6的阻值，M1是原边磁能发射机构9与副边磁能拾取机构10的互感值，M2是紧耦合变压器两端的互感值。
所述的原边能量变换发射环节3与原边谐波能量反向注入环节5分别构成基波通道和三次谐波提取通道反并联于高频逆变器2之后，原边谐波能量反向注入环节5提取的三次谐波能量经过补偿阻抗15调整相位后通过紧耦合变压器反向注入到原边能量变换发射环节3中(如图2，当系统添加三次谐波提取通道后，流过选频网络13的电流频率是流过原边磁能发射机构9电流频率的三倍，即选频网络13能够很好地筛选出系统中的三次谐波)，传至原边能量变换发射环节3的三次谐波信号与直流电源1通过高频逆变器2产生的高频交流信号进行叠加作用(如图3，基波通道的原边磁能发射机构9和原边谐振补偿电容7两端电压波形为一个方波电压和一个反相位的三次谐波电压的叠加，即反向三次谐波信号通过紧耦合变压器传入基波通道，并与高频逆变器2产生的方波信号进行叠加)，实现了基波通道三次谐波的完全滤除。当高频逆变器2的工作频率是20kHz时，三次谐波信号即为60kHz的交流信号，如图4和图5，在未添加三次谐波提取通道时，三次谐波信号能量占高频交流信号能量的2.27％，添加高次谐波提取通道后，三次谐波信号能量占高频交流信号的0.48％，系统添加三次谐波提取通道后，三次谐波含量大大减小，滤波效果明显。经过叠加之后的信号经过原边谐振补偿电容7传至原边磁能发射机构9，副边磁能拾取机构10基于电磁感应原理拾取原边磁能发射机构9上的能量，经过副边谐振补偿电容11和整流滤波电路12为负载6供电。

Claims (6)

1.一种特定谐波消除无线电能传输系统，其特征是：该系统包括直流电源、高频逆变器、原边能量变换发射环节、副边能量接收变换环节、原边谐波能量反向注入环节和负载；直流电源与高频逆变器连接，高频逆变器与并联输入端的原边能量变换发射环节和原边谐波能量反向注入环节连接；原边能量变换发射环节通过紧耦合变压器与原边谐波能量反向注入环节连接；原边能量变换发射环节通过原边磁能发射机构及副边磁能拾取机构与副边能量接收变换环节形成电能无线传输通道，实现电能的无线传输；
原边能量变换发射环节与原边谐波能量反向注入环节分别构成基波通道和三次谐波提取通道反并联于高频逆变器之后，原边谐波能量反向注入环节提取的三次谐波信号经过补偿阻抗调整相位后通过紧耦合变压器反向注入到原边能量变换发射环节中，传至原边能量变换发射环节的三次谐波信号与直流电源通过高频逆变器产生的高频交流信号进行叠加作用，实现基波通道三次谐波的完全滤除；经过叠加之后的信号经过原边谐振补偿电容传至原边磁能发射机构，副边磁能拾取机构基于电磁感应原理拾取原边磁能发射机构上的能量，经过副边谐振补偿电容和整流滤波电路为负载供电。
2.根据权利要求1所述的一种特定谐波消除无线电能传输系统，其特征是：所述的原边能量变换发射环节包括原边谐振补偿电容、紧耦合变压器原边端和原边磁能发射机构；原边谐振补偿电容、原边磁能发射机构及紧耦合变压器原边端串联。
3.根据权利要求1所述的一种特定谐波消除无线电能传输系统，其特征是：所述的副边能量接收变换环节包括副边磁能拾取机构、副边谐振补偿电容和整流滤波电路；副边磁能拾取机构与副边谐振补偿电容串联，然后与整流滤波电路输入端连接；整流滤波电路的输出端并联有电容C1；并且原边能量变换发射环节和副边能量接收变换环节的固有谐振频率均为高频逆变器的开关频率，从而构成基波通道，用于传输电能。
4.根据权利要求1所述的一种特定谐波消除无线电能传输系统，其特征是：所述的原边谐波能量反向注入环节包括选频网络、紧耦合变压器选频端、补偿阻抗；紧耦合变压器选频端与补偿阻抗串联，然后整体并连于选频网络，从而构成三次谐波提取通道，用于传输电能；选频网络为选频电容C0和选频电感L0构成的LC选频网络；原边谐波能量反向注入环节与原边能量变换发射环节反并联于高频逆变器之后，原边谐波能量反向注入环节提取的三次谐波能量经过补偿阻抗调整相位后通过紧耦合变压器反向注入到原边能量变换发射环节中，传至原边能量变换发射环节的三次谐波信号与直流电源通过高频逆变器产生的高频交流信号进行叠加作用，实现基波通道的三次谐波的完全滤除。
5.根据权利要求2所述的一种特定谐波消除无线电能传输系统，其特征是：紧耦合变压器原边端与紧耦合变压器选频端绕制于同一“回”型锰锌铁氧体磁芯组成紧耦合变压器。
6.权利要求1所述的一种特定谐波消除无线电能传输系统的设计方法，其特征是：无线电能传输系统的设计方法，具体步骤如下：
1)副边磁能拾取机构的电感值Ls计算表达式为
Req是从整流滤波电路输入端看进去的等效电阻，其阻值为
副边谐振补偿电容与副边磁能拾取机构串联谐振在高频逆变器的工作频率下，所以，副边谐振补偿电容Cs计算表达式为
其中，ω是高频逆变器的工作角频率，Q是副边谐振补偿品质因数，RL是负载电阻值；
2)根据系统设计需求，设原边磁能发射机构的电感值Lp为一固定值，原边谐振补偿电容与原边磁能发射机构及紧耦合变压器原边端串联谐振于高频逆变器的工作频率下，则原边谐振补偿电容的电容值Cp计算表达式为
其中L0是紧耦合变压器原边端的电感值；
3)根据选频网络特性，设紧耦合变压器选频端电感值为L1，则选频网络中的选频电感L2的电感值计算表达式为
L2=L1(5)
同时，选频网络中选频电容C0的电容值的计算表达式为
4）根据选频网络特性，RL是负载阻值，M1是原边磁能发射机构与副边磁能拾取机构的互感值，M2紧耦合变压器两端的互感值，则补偿阻抗的阻抗值Zw计算表达式为
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