CN105790452B - 能补偿互感的多接收装置并联的无线电能传输系统的补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了能补偿互感的多接收装置并联的无线电能传输系统及补偿方法。无线电能传输系统包括发送端和接收端，接收端的第k个接收线圈(Lk)上串接有第k个电流传感器(Ik)，所有的整流桥(Pk)的控制端均与控制器(KS)的输出端相连，所有的电流传感器(Ik)的信号输出端均与控制器(KS)的输入端相连；所述的第k个接收线圈(Lk)上还串接有第k个接收端补偿电容(Ck)，所述的第k个接收端补偿电容(Ck)的电容值其中，ω表示系统的角速度，表示第k个接收线圈的自感值，表示第k个接收线圈与其他接收线圈的互感之和。该系统及其补偿方法的成本低，传输效率高，传输功率高，尤其能显著提高重载时系统的传输功率和工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种多接收装置并联的无线电能传输系统补偿装置及补偿方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展及半导体器件制作工艺的成熟，无线电能传输技术将逐渐拓展应用到轨道交通等大功率移动负载领域，可以取代牵引供电系统中的受电弓和接触网，这样可以有效应对大风、冰冻等恶劣环境，且不存在碳积、摩擦损耗等弊端，避免了因摩擦老化导致的停电停车风险；另外还具有维护成本低，安全可靠，实用性高的优点。
无线电能传输系统由发送装置和接收装置两部分组成。其中能量发送装置的工作原理为：通过电网取电，将电网中的工频电经过整流器整流成直流电，经过高频逆变器后会在发送线圈中产生高频的交流电，发送线圈产生的高频交变电流会在空间中产生高频交变磁场。能量接收装置的工作原理为：接收线圈在空气中的高频交变磁场中会感应出高频的交流电，接收线圈中的高频交流电经过整流器整流成直流电，然后经调节电路后给直流负载供电或逆变为交流负载所需(通常为工频)交流电，这样利用能量在磁场中的空间转移，实现能量的非接触(无线)传输。
然而受半导体器件容量、价格等因素限制，单个接收线圈拾取的能量难以满足轨道机车等大功率移动设备的供电需求。由于向轨道机车供电的无线传能系统的发送线圈为长直轨道，因此可以利用多个接收线圈同时为单个大功率负载提供能量，这样既可以满足半导体管容量限制又可以实现大功率传输。但是，同时拾取电能的多个接收线圈之间距离较近，相互之间存在互感，导致接收装置的工作频率偏离谐振状态，降低了接收装置的输出功率和效率。利用接收线圈相互重叠、重叠面积为精确的预设值，可以相互抵消掉互感值，工作频率回归谐振状态。但是存在加工、安装精度高，装配困难的问题，同时接收线圈重叠导致接收线圈与发射线圈距离加大，使得接收装置的输出功率和效率的提高受到限制。考虑到发射线圈和接收线圈间互感差异，使得接收线圈的感应电压不等，直接利用补偿电容补偿使得系统谐振时，其补偿电容与负载有关，实用性差。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种能补偿互感的多接收装置并联的无线电能传输系统，该系统成本低，传输效率高，传输功率高，稳定性好，可显著提高重载时系统的传输功率和工作效率。
本发明实现其第一目的所采用的技术方案是，一种能补偿互感的多接收装置并联的无线电能传输系统，包括发送端和接收端，所述的发送端的组成是：直流电源与逆变器、发送线圈依次相连，发送线圈与逆变器之间串接有自感补偿电容；所述的接收端的组成是：第k个接收线圈与第k个整流桥的输入端相连，所有的整流桥的输出端并联于对应的输出母线上，两输出母线间串接负载，k为接收线圈或整流桥的序号，k＝1,2,3…K；其特征在于：
所述的第k个接收线圈上串接有第k个电流传感器，所有的整流桥的控制端均与控制器的输出端相连，所有的电流传感器的信号输出端均与控制器的输入端相连；所述的第k个接收线圈上还串接有第k个接收端补偿电容，所述的第k个接收端补偿电容的电容值由下式确定：
其中，ω表示系统的角速度，表示第k个接收线圈的自感值，表示第k个接收线圈与其他接收线圈的互感之和。
本发明的第二目的是提供一种上述的能补偿互感的多接收装置并联的无线电能传输系统的补偿控制方法，该方法能在负载阻抗变化的状况下，使系统始终处于谐振状态，对电能的传输效率高，传输功率高，可显著提高重载时系统的传输功率和工作效率。
本发明实现其第二目的所采用的技术方案是，一种上述的能补偿互感的多接收装置并联的无线电能传输系统的电感补偿控制方法，其作法是：
其作法是：
A、控制器接收第k个电流传感器传来的第k个接收线圈的电流值得到所有接收线圈的电流值的集合如所有接收线圈的电流值均相等；则至下一补偿控制周期，再重复本步的操作；否则，进行B步的操作；
B、找出其中的最大电流值k1为该最大电流值对应的接收线圈的序号：如对应的第k1个整流桥的输出脉宽为180°，则控制器使除第k1个整流桥外的其它整流桥的输出脉宽均减小一个步长、进而使其它整流桥的输出电流均增大，转A步；如对应的第k1个整流桥的输出脉宽为不等于180°，则控制器使第k1个整流桥的输出脉宽增大一个步长，进而第k1个整流桥的输出电流减小，转A步。
理论分析计算可以证明：当本发明装置中第k个接收端补偿电容的电容值时，只要所有接收线圈的电流大小相等，则所有接收线圈的幅值、相位均相等；也即本发明只需所有接收线圈的电流大小相等，就能使系统的发射线圈和所有接收线圈均处于谐振状态。
与现有技术相比，本发明系统的有益效果是：
一、由于本发明装置中第k个接收端补偿电容的电容值只要所有线圈电流大小相等，系统的发射线圈和所有接收线圈就均处于谐振状态，从而本发明在任意负载下或者说在负载改变时，不需改变补偿电容，而通过改变整流桥的导通角以改变接收线圈的电流，利用控制器不断调节使得所有线圈电流大小相等，即能实现所有接收线圈的幅值、相位相等，从而实时动态进行系统的电感补偿，使系统动态的处于谐振状态，实现系统的动态调谐；进而有效提高了系统的输出功率和工作效率；尤其能显著提高重载时系统的传输功率和工作效率。
二、操作简单，安装精度不高，对接收线圈的安装位置没有要求；固定接收线圈后，只需要测量出各个接收线圈之间的互感值，即可得到配置的补偿电容的值，进而实现发射线圈和各个接收线圈分别谐振，其实施成本低。
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为本发明的无线电能传输系统的电流原理图。
具体实施方式
实施例
图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种能补偿互感的多接收装置并联的无线电能传输系统，包括发送端和接收端，所述的发送端的组成是：直流电源E与逆变器H、发送线圈L依次相连，发送线圈L与逆变器H之间串接有自感补偿电容C；所述的接收端的组成是：第k个接收线圈Lk与第k个整流桥Pk的输入端相连，所有的整流桥Pk的输出端并联于对应的输出母线上，两输出母线间串接负载R，k为接收线圈或整流桥的序号，k＝1,2,3…K；其特征在于：
所述的第k个接收线圈Lk上串接有第k个电流传感器Ik，所有的整流桥Pk的控制端均与控制器KS的输出端相连，所有的电流传感器Ik的信号输出端均与控制器KS的输入端相连。所述的第k个接收线圈Lk上还串接有第k个接收端补偿电容Ck，所述的第k个接收端补偿电容Ck的电容值由下式确定：
其中，ω表示系统的角速度，表示第k个接收线圈的自感值，表示第k个接收线圈与其他接收线圈的互感之和。
本例的能补偿互感的多接收装置并联的无线电能传输系统的电感补偿控制方法，其作法是：
A、控制器KS接收第k个电流传感器Ik传来的第k个接收线圈Lk的电流值得到所有接收线圈Lk的电流值的集合如所有接收线圈Lk的电流值均相等；则至下一补偿控制周期，再重复本步的操作；否则，进行B步的操作；
B、找出其中的最大电流值k1为该最大电流值对应的接收线圈Lk1的序号：如对应的第k1个整流桥Pk1的输出脉宽为180°，则控制器KS使除第k1个整流桥Pk1外的其它整流桥Pk的输出脉宽均减小一个步长、进而使其它整流桥Pk的输出电流均增大，转A步；如对应的第k1个整流桥Pk1的输出脉宽为不等于180°，则控制器KS使第k1个整流桥Pk1的输出脉宽增大一个步长，进而第k1个整流桥Pk的输出电流减小，转A步。
Claims (1)
1.一种能补偿互感的多接收装置并联的无线电能传输系统的补偿方法，
所述的多接收装置并联的无线电能传输系统，包括发送端和接收端，所述的发送端的组成是：直流电源(E)与逆变器(H)、发送线圈(L)依次相连，发送线圈(L)与逆变器(H)之间串接有自感补偿电容(C)；所述的接收端的组成是：第k个接收线圈(Lk)与第k个整流桥(Pk)的输入端相连，所有的整流桥(Pk)的输出端并联于对应的输出母线上，两输出母线间串接负载(R)，k为接收线圈或整流桥的序号，k＝1,2,3…K，K为接收线圈或整流桥的个数；
所述的第k个接收线圈(Lk)上串接有第k个电流传感器(Ik)，所有的整流桥(Pk)的控制端均与控制器(KS)的输出端相连，所有的电流传感器(Ik)的信号输出端均与控制器(KS)的输入端相连； 所述的第k个接收线圈(Lk)上还串接有第k个接收端补偿电容(Ck)，所述的第k个接收端补偿电容(Ck)的电容值由下式确定：
其中，ω表示系统的角速度，表示第k个接收线圈的自感值，表示第k个接收线圈与其他接收线圈的互感之和；
所述的能补偿互感的多接收装置并联的无线电能传输系统的补偿方法，其作法是：
A、控制器(KS)接收第k个电流传感器(Ik)传来的第k个接收线圈(Lk)的电流值得到所有接收线圈(Lk)的电流值的集合如所有接收线圈(Lk)的电流值均相等；则至下一补偿控制周期，再重复本步的操作；否则，进行B步的操作；
B、找出其中的最大电流值k1为该最大电流值对应的接收线圈(Lk1)的序号：如对应的第k1个整流桥(Pk1)的输出脉宽为180°，则控制器(KS) 使除第k1个整流桥(Pk1)外的其它整流桥(Pk)的输出脉宽均减小一个步长、进而使其它整流桥(Pk)的输出电流均增大，转A步；如对应的第k1个整流桥(Pk1)的输出脉宽为不等于180°，则控制器(KS)使第k1个整流桥(Pk1)的输出脉宽增大一个步长，进而第k1个整流桥(Pk)的输出电流减小，转A步。
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