CN107026482A - 单相电流型多电平磁耦合无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单相电流型多电平磁耦合无线电能传输系统，整流侧采用二极管整流电路加电感滤波方式，在整流侧避免使用电解电容，大大提高了无线电能传输装置的寿命；整流侧采用电感滤波，无需增加额外的PFC电路，即可获得电网侧的高功率因数。高频逆变环节采用单相电流型多电平逆变电路，可在常规功率器件通流基础上获得更多级的输出电流，在减轻开关器件电流应力同时，使逆变电流波形更加接近正弦。功率发送端控制单元调制的多电平电流波形具有较低的波形畸变度，有助于减小电磁场激励线圈损耗及对环境的电磁干扰。
Description
技术领域
本发明涉及电能传输技术领域，更确切地说涉及一种单相电流型多电平磁耦合无线电能传输系统。
背景技术
无线电能传输是一种通过空间电磁场耦合进行电能传输的技术，其主要优点是不需要插拔，使用简单方便；不会产生电火花，可以在易燃易爆的工业环境中使用；可以在水中进行能量传输，也可以应用到海洋装备等水下应用中。无线电能传输系统的发射端和无线电能接收端通过磁场来传递能量，两者之间不需要导线连接。
感应耦合电能传输系统的基本工作原理为：工频交流电源经过整流滤波环节和高频逆变环节变成高频交流，高频交流通过原边一次侧线圈，向外界发射电磁能量，能量接收装置中的副边线圈在电磁感应耦合原理作用下将电源侧转换的磁场能量重新转换为电能，该电能通过系统电路装置再转换成系统负载能够直接使用的电能形式。
高频逆变环节是感应耦合电能传输系统的核心，根据主电路电源的输入类型可分为电压型和电流型逆变。目前研究最多的还是电压型逆变电路，但是电压型逆变电路整流侧需接电解电容滤波，在降低网侧功率因数的同时也降低了传输系统的整体寿命。另外当发生短路故障时，由于电压型串联谐振逆变器前端的大电容只能保证电压不能突变，电流则会迅速增大，不容易实现短路保护。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种单相电流型多电平磁耦合无线电能传输系统，该无线电能传输系统能获得电网侧的高功率因数，提高无线电能传输装置的寿命，还更容易实现短路保护。
本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的单相电流型多电平磁耦合无线电能传输系统，包括整流电路、平波电感、单相电流型多电平逆变电路、第一补偿电容、耦合线圈、第二补偿电容、高频整流电路及功率发送端控制单元；所述的平波电感连接在整流电路和单相电流型多电平逆变电路之间；所述的单相电流型多电平逆变电路与第一补偿电容连接，所述的第一补偿电容与耦合线圈的原边侧线圈连接；所述的耦合线圈的副边侧线圈与第二补偿电容连接；所述的第二补偿电容与高频整流电路连接；所述的功率发送端控制单元用于驱动所述的单相电流型多电平逆变电路工作；所述的高频整流电路用于与功率接收端电源电路连接。
采用以上结构后，本发明的单相电流型多电平磁耦合无线电能传输系统，与现有技术相比，具有以下优点：
本发明的单相电流型多电平磁耦合无线电能传输系统整流侧采用二极管整流电路加电感滤波方式，在整流侧避免使用电解电容，大大提高了无线电能传输装置的寿命；整流侧采用电感滤波，无需增加额外的PFC电路，即可获得电网侧的高功率因数。高频逆变环节采用单相电流型多电平逆变电路，可在常规功率器件通流基础上获得更多级的输出电流，在减轻开关器件电流应力同时，使逆变电流波形更加接近正弦。功率发送端控制单元调制的多电平电流波形具有较低的波形畸变度，有助于减小电磁场激励线圈损耗及对环境的电磁干扰。
作为改进，所述的单相电流型多电平逆变电路为单相电流型五电平逆变电路。采用此种结构后，设计较合理。
作为改进，所述的单相电流型五电平逆变电路包括分流电感和八个开关电路；第一开关电路的一端、第四开关电路的一端及分流电感的一端与所述的平波电感的一端连接；所述的分流电感的另一端与第二开关电路的一端和第三开关电路的一端连接；所述的第一开关电路的另一端和第二开关开路的另一端均与所述的补偿电容的一端连接；所述的第三开关电路的另一端和第四开关电路的另一端均与所述的补偿电容的另一端连接；所述的第五开关电路的一端与第一开关电路的另一端连接，所述的第六开关电路的一端与第二开关电路的另一端连接，所述的第七开关电路的一端与第三开关电路的另一端连接，所述的第八开关电路的一端与第四开关电路的另一端连接；所述的第五开关电路的另一端、第六开关电路的另一端、第七开关电路的另一端和第八开关电路的另一端均与所述的整流电路连接。采用此种结构后，单相电流型多电平逆变电路采用单相电流型五电平逆变电路，采用五电平PWM调制技术，使得输入电流为五电平PWM波形，谐波含量低，波形更接近正弦。
作为改进，所述的开关电路包括二极管及三极管，所述的二极管的阴极与所述的三极管的集电极连接；所述的二极管的阳极为所述的开关电路的一端，所述的三极管的发射极为所述的开关电路的另一端。采用此种结构后，电路结构较简单。
作为改进，所述的功率发送端控制单元包括方波整形电路、数字信号处理器及驱动电路；所述的方波整形电路采集所述的耦合线圈原边线圈侧的电压和电流信号，经方波整形电路整形后输入数字信号处理器，经数字信号处理器相位比较、放大以及锁相电路与谐振电压相位经比较后，产生控制电压脉冲信号传输给驱动电路；驱动电路将电压脉冲信号经过滤波、放大电路后形成驱动信号并将驱动信号传输给单相电流型五电平逆变电路。采用此种结构后，采用PWM调制的五电平电流波形具有较低的波形畸变度，有助于减小电磁场激励线圈损耗及对环境的电磁干扰。
附图说明
图1是本发明的单相电流型多电平磁耦合无线电能传输系统的电路原理图。
图2为电网侧的电压和电流波形。
图3为单相电流型五电平逆变电路的输出电流波形
图4为耦合线圈原边侧线圈获得正弦电流ip的波形。
图5为副边侧线圈接收到了正弦电流is的波形。
图中所示：1、整流电路，2、平波电感，3、单相电流型五电平逆变电路，4、第一补偿电容，5、耦合线圈，6、第二补偿电容，7、高频整流电路，8、功率发送端控制单元，9、功率接收端控制单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参阅图1所示，本发明的单相电流型多电平磁耦合无线电能传输系统，包括整流电路1、平波电感2、单相电流型多电平逆变电路3、第一补偿电容4、耦合线圈5、第二补偿电容6、高频整流电路7及功率发送端控制单元8；所述的平波电感2连接在整流电路1和单相电流型多电平逆变电路3之间；所述的单相电流型多电平逆变电路3与第一补偿电容4连接，所述的第一补偿电容4与耦合线圈5的原边侧线圈连接；所述的耦合线圈5的副边侧线圈与第二补偿电容6连接；所述的第二补偿电容6与高频整流电路7 连接；所述的功率发送端控制单元8用于驱动所述的单相电流型多电平逆变电路3工作；所述的高频整流电路7用于与功率接收端电源电路连接。
所述的整流电路1为二极管桥式整流电路，结构简单，成本低，后级无需并接电解电容滤波。所述的平波电感2串接在二极管整流电路之后，用于平滑电流波形，获得近似恒流电流。同时，在电网侧可直接获得较高的功率因数。所述的第一补偿电容4并联在耦合线圈5的原边侧线圈的两端之间，用于构造原边侧线圈并联谐振补偿网络。所述的耦合线圈5包括原边侧线圈和副边侧线圈，所述的原边侧线圈用于发射功率，所述的副边侧线圈永不接收功率。所述的第二补偿电容6并联在耦合线圈的副边侧线圈的两端之间，用于构造副边侧线圈并联谐振补偿网络。所述的高频整流电路7在功率接收端，将副边线圈接收的高频交流电重新转换成直流电，给后级的直流负载供电，如用于电池充电。
所述的高频整流电路7与电源电路连接，功率接收端控制单元9与所述的电源电路连接。所述的功率接收端控制单元9采集电池侧的电压和电流信号，经过MCU算法处理后，产生合适的PWM驱动信号去控制电源电路中的DC/DC电路的开关管的导通与断开，从而对电池进行充电。
所述的单相电流型多电平逆变电路3为单相电流型五电平逆变电路。所述的单相电流型五电平逆变电路包括分流电感和八个开关电路；第一开关电路的一端、第四开关电路的一端及分流电感的一端与所述的平波电感的一端连接；所述的分流电感的另一端与第二开关电路的一端和第三开关电路的一端连接；所述的第一开关电路的另一端和第二开关开路的另一端均与所述的补偿电容的一端连接；所述的第三开关电路的另一端和第四开关电路的另一端均与所述的补偿电容的另一端连接；所述的第五开关电路的一端与第一开关电路的另一端连接，所述的第六开关电路的一端与第二开关电路的另一端连接，所述的第七开关电路的一端与第三开关电路的另一端连接，所述的第八开关电路的一端与第四开关电路的另一端连接；所述的第五开关电路的另一端、第六开关电路的另一端、第七开关电路的另一端和第八开关电路的另一端均与所述的整流电路连接。所述的开关电路包括二极管及三极管，所述的二极管的阴极与所述的三极管的集电极连接；所述的二极管的阳极为所述的开关电路的一端，所述的三极管的发射极为所述的开关电路的另一端。
所述的功率发送端控制单元8包括方波整形电路、数字信号处理器及驱动电路；所述的方波整形电路采集所述的耦合线圈原边线圈侧的电压和电流信号，经方波整形电路整形后输入数字信号处理器，经数字信号处理器相位比较、放大以及锁相电路与谐振电压相位经比较后，产生控制电压脉冲信号传输给驱动电路；驱动电路将电压脉冲信号经过滤波、放大电路后形成驱动信号并将驱动信号传输给单相电流型五电平逆变电路，进而控制单相电流型五电平逆变电路的开关管的导通与关断。
本发明单相电流型多电平磁耦合无线电能传输系统的工作原理如下：
单相交流电经二极管整流+电感滤波后，产生一个直流电流源，此时电网侧的电流波形近似为方波，电流畸变小并且几乎与电网电压同相位，即无需额外增加PFC电路即可获得较高的功率因数，波形如图2所示。直流电流源给单相电流型五电平逆变电路供电，经五电平PWM调制后，输出高频的五电平PWM电流波形，波形如图3所示，此时的电流波形更接近正弦，谐波含量低。该五电平PWM电流波形经并联谐振补偿后，在耦合线圈原边侧线圈获得正弦电流ip，如图4所示。经过磁耦合后，在副边侧线圈接收到了正弦电流is，波形如图5所示。因此，基于单相电流型五电平逆变电路实现了电能的无线传输。
Claims (5)
1.一种单相电流型多电平磁耦合无线电能传输系统，其特征在于：包括整流电路、平波电感、单相电流型多电平逆变电路、第一补偿电容、耦合线圈、第二补偿电容、高频整流电路及功率发送端控制单元；所述的平波电感连接在整流电路和单相电流型多电平逆变电路之间；所述的单相电流型多电平逆变电路与第一补偿电容连接，所述的第一补偿电容与耦合线圈的原边侧线圈连接；所述的耦合线圈的副边侧线圈与第二补偿电容连接；所述的第二补偿电容与高频整流电路连接；所述的功率发送端控制单元用于驱动所述的单相电流型多电平逆变电路工作；所述的高频整流电路用于与功率接收端电源电路连接。
2.根据权利要求1所述的单相电流型多电平磁耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述的单相电流型多电平逆变电路为单相电流型五电平逆变电路。
3.根据权利要求2所述的单相电流型多电平磁耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述的单相电流型五电平逆变电路包括分流电感和八个开关电路；第一开关电路的一端、第四开关电路的一端及分流电感的一端与所述的平波电感的一端连接；所述的分流电感的另一端与第二开关电路的一端和第三开关电路的一端连接；所述的第一开关电路的另一端和第二开关开路的另一端均与所述的补偿电容的一端连接；所述的第三开关电路的另一端和第四开关电路的另一端均与所述的补偿电容的另一端连接；所述的第五开关电路的一端与第一开关电路的另一端连接，所述的第六开关电路的一端与第二开关电路的另一端连接，所述的第七开关电路的一端与第三开关电路的另一端连接，所述的第八开关电路的一端与第四开关电路的另一端连接；所述的第五开关电路的另一端、第六开关电路的另一端、第七开关电路的另一端和第八开关电路的另一端均与所述的整流电路连接。
4.根据权利要求3所述的单相电流型多电平磁耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述的开关电路包括二极管及三极管，所述的二极管的阴极与所述的三极管的集电极连接；所述的二极管的阳极为所述的开关电路的一端，所述的三极管的发射极为所述的开关电路的另一端。
5.根据权利要求3所述的单相电流型多电平磁耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述的功率发送端控制单元包括方波整形电路、数字信号处理器及驱动电路；所述的方波整形电路采集所述的耦合线圈原边线圈侧的电压和电流信号，经方波整形电路整形后输入数字信号处理器，经数字信号处理器相位比较、放大以及锁相电路与谐振电压相位经比较后，产生控制电压脉冲信号传输给驱动电路；驱动电路将电压脉冲信号经过滤波、放大电路后形成驱动信号并将驱动信号传输给单相电流型五电平逆变电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 315175 No. 899, Haishu, Ningbo District, Zhejiang, Xueyuan Road Applicant after: Ningbo Institute of Finance and Economics Address before: 315175 No. 899, Yinzhou District, Ningbo, Zhejiang, Xueyuan Road Applicant before: Ningbo Dahongying University |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20191225 Address after: 315211, Fenghua Road, Jiangbei District, Zhejiang, Ningbo 201 Applicant after: Ningbo University of Technology Address before: 315175 No. 899, Haishu, Ningbo District, Zhejiang, Xueyuan Road Applicant before: Ningbo Institute of Finance and Economics |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170808 |