CN107769397A - 一种输出电压恒定的三相动态无线电能传输系统 - Google Patents

一种输出电压恒定的三相动态无线电能传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种输出电压恒定的三相动态无线电能传输系统，发送部分包括依次连接的直流电源、高频三相逆变器、谐振电感、谐振电容、补偿电容和初级线圈，接收部分包括依次连接的次级线圈、次级补偿电容、整流滤波电路和负载；每相的初级线圈包括并联的多个发射线圈，发射线圈按每相交替顺序排列在一个平板磁芯的上方；接收线圈放置在另一个平板磁芯下方，并按发射线圈排列的方向前后运动。本发明的有益效果是：通过相邻两发射线圈的重叠，使得所有发射线圈与接收线圈的互感和的波动最小，系统输出电压的波动也最小，系统输出电压恒定；结构简单，只需优化设计发射线圈的结构，无需控制电路和复杂的控制策略，系统方便实施且可靠性高。

Description

一种输出电压恒定的三相动态无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及感应电能传输技术领域，特别是一种输出电压恒定的三相动态无线电能传输系统。
背景技术
感应电能传输技术已应用于轨道交通列车、电动汽车等大功率设备供电中。与传统通过导线直接物理接触的电能传输技术相比，感应电能传输技术工作过程中不存在接触火花、漏电、受雨雪尘土影响等问题，有效提高了供电安全性和可靠性，该技术已经广泛运用于内置式医疗装置、消费电子产品、照明和电动汽车等领域。
感应电能传输系统的结构和工作过程为：工频交流电经过整流器整流成直流电，直流电在高频逆变器作用下变换成高频的交流电；高频的交流电在初级线圈上激发高频磁场；与初级线圈并不直接接触的次级能量拾取线圈耦合高频磁场感应出同频交变电压，经过次级电路的电能变换装置变换成负载所需的电能形式供给负载，实现能量的非接触式传输。
近年来，在公共交通等领域感应电能传输系统的应用越来越广泛。然而大多数的研究主要集中在静态感应电能传输系统，与动态感应电能传输系统相比较，静态感应电能传输系统需要较长的充电时间，并且对发射机构和接收机构的相对位置要求很高；应用静态感应电能传输方法的设备，必须带有电池等储能设备，频繁的充、放电将大大减少电池的使用寿命，从而增加了设备的制造成本。动态感应电能传输系统可以很好的解决上述问题，但是在现有的动态供电系统中，系统输出功率会随着接收设备的位置变化产生很大的波动，从而造成系统的不稳定。为了减小这个波动，有的方法是采用控制电路来稳定系统的输出，这种方法成本较高，装置复杂，且系统可靠性较低；本方法通过对发射机构结构的优化从而实现了系统输出电压的稳定，结构简单，系统可靠性高，整体成本低，易于实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种输出电压恒定的三相动态无线电能传输系统，该装置结构简单、操作方便，可以有效地降低系统输出电压的波动，使输出电压恒定，从而确保感应电能传输系统的稳定工作、高效运行。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种输出电压恒定的三相动态无线电能传输系统，包括：
高频三相逆变器H的A相输出端依次通过谐振电感LPA、补偿电容CTA连接到初级线圈LTA的一端，初级线圈LTA的另一端连接到直流电源E的负极；谐振电容CPA的一端连接到谐振电感LPA和补偿电容CTA之间，另一端连接到直流电源E的负极；
高频三相逆变器H的B相输出端依次通过谐振电感LPB、补偿电容CTB连接到初级线圈LTB的一端，初级线圈LTB的另一端连接到直流电源E的负极；谐振电容CPB的一端连接到谐振电感LPB和补偿电容CTB之间，另一端连接到直流电源E的负极；
高频三相逆变器H的C相输出端依次通过谐振电感LPC、补偿电容CTC连接到初级线圈LTC的一端，初级线圈LTC的另一端连接到直流电源E的负极；谐振电容CPC的一端连接到谐振电感LPC和补偿电容CTC之间，另一端连接到直流电源E的负极；
还包括：次级线圈LS的一端通过次级补偿电容CS连接到整流滤波电路K的一个输入端相连，次级线圈LS的另一端连接到整流滤波电路K的另一个输入端，整流滤波电路K的输出端连接到负载R；
所述初级线圈LTA包括并联的发射线圈A1、A2、…、An，初级线圈LTB包括并联的发射线圈B1、B2、…、Bn，初级线圈LTC包括并联的发射线圈C1、C2、…、Cn；还包括平板磁芯F，所有的发射线圈按照A1、B1、C1、A2、B2、C2、…、An、Bn、Cn的顺序依次放置在平板磁芯F上方，相邻两发射线圈互相重叠；所述级次线圈LS包括接收线圈S，还包括平板磁芯G，接收线圈S放置在平板磁芯G下方；接收线圈S和平板磁芯G位于发射线圈A1、B1、C1、A2、B2、C2、…、An、Bn、Cn的上方，接收线圈S和平板磁芯G沿发射线圈A1、B1、C1、A2、B2、C2、…、An、Bn、Cn排列的方向前后运动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过相邻两发射线圈的重叠，使得所有发射线圈与接收线圈的互感和的波动达到最小，系统输出电压的波动也会达到最小，系统输出电压恒定。本发明结构简单，只需优化设计发射线圈的结构，无需控制电路，没有复杂的控制策略，系统方便实施并且可靠性高。该系统不受接收线圈位置的影响，在轨道任意位置都能够输出相同的电压，可以实现动态感应电能传输。
附图说明
图1是本发明的电路结构示意图。
图2是本发明发射线圈和接收线圈的立体结构示意图。
图3是本发明的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1示出，一种输出电压恒定的三相动态无线电能传输系统，由发送部分和接收部分组成；发送部分的组成是：依次连接的直流电源(E)、高频三相逆变器(H)、谐振电感(LP)、谐振电容(CP)、补偿电容(CT)和初级线圈(LT)；具体如下：
高频三相逆变器(H)的A相输出端依次通过谐振电感(LPA)、补偿电容(CTA)与初级线圈(LTA)相连，初级线圈(LTA)另一端与直流电源(E)负极相连，谐振电容(CPA)并联在补偿电容(CTA)和初级线圈(LTA)两端；
高频三相逆变器(H)的B相输出端依次通过谐振电感(LPB)、补偿电容(CTB)与初级线圈(LTB)相连，初级线圈(LTB)另一端与直流电源(E)负极相连，谐振电容(CPB)并联在补偿电容(CTB)和初级线圈(LTB)两端；
高频三相逆变器(H)的C相输出端依次通过谐振电感(LPC)、补偿电容(CTC)与初级线圈(LTC)相连，初级线圈(LTC)另一端与直流电源(E)负极相连，谐振电容(CPC)并联在补偿电容(CTC)和初级线圈(LTC)两端；
接收部分的组成是：依次连接的次级线圈(LS)、次级补偿电容(CS)、整流滤波电路(K)和负载(R)；接收部分的具体结构：
次级线圈(LS)通过次级补偿电容(CS)与整流滤波电路(K)一输入端相连，次级线圈(LS)另一端与整流滤波电路(K)另一输入端相连，整流滤波电路(K)输出端连接负载(R)。
谐振电容(CP)的电容值由式(1)确定：
补偿电容(CT)的电容值由式(2)确定：
次级补偿电容(CS)的电容值由式(3)确定：
式(1)、(2)和(3)中，ω为系统工作角频率，和分别为初级线圈(LT)、谐振电感(LP)和次级线圈(LS)的电感值。
电容CD是滤波电容，作用是保持输出电压的平稳。
图2示出，一种输出电压恒定的三相动态无线电能传输系统，其电磁耦合机构由发送机构和接收机构组成；发送机构的组成是：平板磁芯(F)、发射线圈(A1、B1、C1、A2、B2、C2……)；具体为：
发射线圈(A1、B1、C1、A2、B2、C2……)均放置在平板磁芯(F)上，发射线圈(A1)接入三相电压A相；发射线圈(B1)接入三相电压B相；发射线圈(C1)接入三相电压C相……，相邻两发射线圈互相重叠。
接收机构的组成是：平板磁芯(G)、接收线圈(S)；具体为：
接收线圈(S)放置在平板磁芯(G)下方；接收线圈(S)和平板磁芯(G)位于发射线圈(A1、B1、C1、A2、B2、C2……)的上方，接收线圈(S)和平板磁芯(G)沿发射线圈(A1、B1、C1、A2、B2、C2……)排列的方向前后运动。
相邻两发射线圈互相重叠使得所有发射线圈与接收线圈的互感和(FM)的方差(D(FM))最小。
互感和(FM)的方差(D(FM))由式(4)确定；
式(4)中，为互感和(FM)的平均值，n为数据个数。
所有发射线圈与接收线圈的互感和(FM)的值由式(5)确定：
式(5)中，MAS、MBS、MCS分别为发射线圈(A)与接收线圈(S)的互感值，发射线圈(B)与接收线圈(S)的互感值，发射线圈(C)与接收线圈(S)的互感值。

Claims (1)

1.一种输出电压恒定的三相动态无线电能传输系统，其特征在于，包括：
高频三相逆变器H的A相输出端依次通过谐振电感LPA、补偿电容CTA连接到初级线圈LTA的一端，初级线圈LTA的另一端连接到直流电源E的负极；
谐振电容CPA的一端连接到谐振电感LPA和补偿电容CTA之间，另一端连接到直流电源E的负极；
高频三相逆变器H的B相输出端依次通过谐振电感LPB、补偿电容CTB连接到初级线圈LTB的一端，初级线圈LTB的另一端连接到直流电源E的负极；
谐振电容CPB的一端连接到谐振电感LPB和补偿电容CTB之间，另一端连接到直流电源E的负极；
高频三相逆变器H的C相输出端依次通过谐振电感LPC、补偿电容CTC连接到初级线圈LTC的一端，初级线圈LTC的另一端连接到直流电源E的负极；
谐振电容CPC的一端连接到谐振电感LPC和补偿电容CTC之间，另一端连接到直流电源E的负极；
还包括：次级线圈LS的一端通过次级补偿电容CS连接到整流滤波电路K的一个输入端相连，次级线圈LS的另一端连接到整流滤波电路K的另一个输入端，整流滤波电路K的输出端连接到负载R；
所述初级线圈LTA包括并联的发射线圈A1、A2、…、An，初级线圈LTB包括并联的发射线圈B1、B2、…、Bn，初级线圈LTC包括并联的发射线圈C1、C2、…、Cn；还包括平板磁芯F，所有的发射线圈按照A1、B1、C1、A2、B2、C2、…、An、Bn、Cn的顺序依次放置在平板磁芯F上方，相邻两发射线圈互相重叠；所述级次线圈LS包括接收线圈S，还包括平板磁芯G，接收线圈S放置在平板磁芯G下方；接收线圈S和平板磁芯G位于发射线圈A1、B1、C1、A2、B2、C2、…、An、Bn、Cn的上方，接收线圈S和平板磁芯G沿发射线圈A1、B1、C1、A2、B2、C2、…、An、Bn、Cn排列的方向前后运动。
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