CN110971011A - 一种无线能量传输装置 - Google Patents

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李芳义
肖智仁
邓占锋
赵国亮
李卫国
石秋雨
刘海军
徐云飞
乔光尧
康伟
袁婷婷
卜宪德
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Abstract

本发明提供一种无线能量传输装置，包括依次布置的发送模块、中继模块和接收模块；发送模块、中继模块和接收模块均包括线圈；中继模块和接收模块连接有负载；无线能量传输装置通过线圈实现无线能量传输的同时对所有负载同时供电，发送模块、中继模块和接收模块之间通过线圈实现磁耦合，提高了绝缘水平，减少了局部放电的情况，无线送能装置连接的负载之间相互独立，不容易导致供电故障；本发明通过线圈之间磁耦合的非接触方式实现能量传输，传输效率高，体积小，结构紧凑，且电磁兼容性和绝缘性均较好；本发明中中继模块采用恒流和恒压相结合的方式，使得整个装置同时输出恒定电流和恒定电压，负载功率可以灵活地控制，且不会相互影响。

Description

一种无线能量传输装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种无线能量传输装置。
背景技术
面向电网应用的高压电力电子换流阀中，电压等级可以高达数百甚至数千千伏。为了提升电力电子装置电压等级，需要多个功率半导体器件采用串联方式应用。器件串联应用中，每个器件均需要配置一个门极驱动电路负责器件的控制和保护，因为串联的器件均处于不同电位，相应的门极驱动电路也在不同电位，因此，门极驱动电路的隔离供电是目前需要亟待解决的问题，需要保证驱动电路可靠隔离供电的同时，以低成本的方式达到高压绝缘要求。
现有技术一般采用带铁芯的变压器实现门极驱动电路的隔离供电和能量传输，各个变压器之间通过级联方式连接，绝缘水平低，局部放电情况严重，且不同负载之间不相互独立，某级变压器功率突然变化会影响功率的整体传输，容易导致供电故障。
发明内容
为了克服上述现有技术中绝缘水平低、局部放电情况严重和容易导致供电故障的不足，本发明提供一种无线能量传输装置，包括依次布置的发送模块、中继模块和接收模块；发送模块、中继模块和接收模块均包括线圈；中继模块和接收模块连接有负载；无线能量传输装置通过线圈实现无线能量传输的同时对所有负载同时供电，发送模块、中继模块和接收模块之间通过线圈实现磁耦合，提高了绝缘水平，减少了局部放电的情况，无线送能装置连接的负载之间相互独立，不容易导致供电故障。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种无线能量传输装置，包括依次布置的发送模块、中继模块和接收模块；所述发送模块、中继模块和接收模块均包括线圈；
所述中继模块和接收模块连接有负载；
所述无线能量传输装置通过线圈实现无线能量传输的同时对所有负载同时供电。
所述中继模块还包括用于补偿线圈感性无功的补偿电容；
所述线圈和补偿电容各有两个，其中一个线圈和其中一个电容串联，构成接收单元，另一个电容和另一个线圈串联，构成发送单元。
所述中继模块中的接收单元、发送单元和负载串联，所述负载为恒流负载；或
所述中继模块中的接收单元、发送单元和负载并联，所述负载为恒压负载。
所述中继模块有一个或多个；当所述中继模块为多个时，具有恒流负载和恒压负载的中继模块交替排列。
所述恒压负载的电压基于交流电源的输出电压确定。
所述恒压负载的电压按下式确定：
VL_m＝(-1)m/2·V0,m＝2,4,6,...
式中，VL_m为恒压负载的电压，V0为交流电源的输出电压，m为具有恒压负载的中继模块的编号；
所述恒流负载的电流基于交流电源的输出电压、角频率和相邻线圈之间的互感确定。
所述恒流负载的电流按下式确定：
Figure BDA0002335842840000021
式中，IL_n为恒流负载的电流，ω0为交流电源的角频率，M为相邻线圈之间的互感，j为虚数单位，n为具有恒流负载的中继模块的编号。
所述发送模块包括发送线圈交流电源和用于补偿发送线圈感性无功的补偿电容，所述发送线圈与补偿电容串联后，连接到交流电源两端。
所述接收模块还包括接收线圈和用于补偿接收线圈感性无功的补偿电容，所述接收线圈和补偿电容串联后，连接到负载两端。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的无线能量传输装置包括依次布置的发送模块、中继模块和接收模块；发送模块、中继模块和接收模块均包括线圈；中继模块和接收模块连接有负载；无线能量传输装置通过线圈实现无线能量传输的同时对所有负载同时供电，发送模块、中继模块和接收模块之间通过线圈实现磁耦合，提高了绝缘水平，减少了局部放电的情况，无线送能装置连接的负载之间相互独立，不容易导致供电故障；
本发明的发送模块、中继模块和接收模块之间通过线圈之间磁耦合的非接触方式实现能量传输，传输效率高，体积小，结构紧凑，且电磁兼容性和绝缘性均较好；
本发明各个中继模块之间的能量传递过程中通过补偿电容提高整个装置的功率因数，实现各级负载互相独立，负载之间互不影响，保证各级负载功率灵活条件而不影响送能装置整体性能；
本发明在给电力电子设备中的门极驱动电路提供可靠供电的同时，利用空气绝缘的方式实现低成本的高压绝缘；
本发明中的补偿电容用于补偿线圈的感性无功，提升系统整体的功率因数，且提升整个装置的容量和能量传输输出能力；
本发明中中继模块采用恒流和恒压相结合的方式，使得整个装置同时输出恒定电流和恒定电压，负载功率可以灵活地控制，且不会相互影响。
附图说明
图1是本发明实施例中无线能量传输装置拓扑图；
图2是本发明实施例中无线能量传输装置电路等效图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
无线输电技术更加成熟，体积和效率指标较好。在磁感应式无线输电系统中，空气的击穿电压为3kV/mm，当传输距离达到几百毫米时，可以实现数百千伏的电压隔离能力。本发明实施例提供了一种无线能量传输装置，如图1所示，下标中的r表示接收，t表示发送，R1、R2、R3、R4等为中继模块中的负载，RN为接收模块中的负载，V0为交流电源，L0_t为发送模块中线圈的电感，L1_r、L1_t分别为第一个具有恒流负载的中继模块中两个线圈的电感，即第一个具有恒流负载的中继模块中接收线圈和发送线圈的电感，L3_r、L3_t分别为第二个具有恒流负载的中继模块中两个线圈的电感，即第二个具有恒流负载的中继模块中接收线圈和发送线圈的电感，L2_r、L2_t分别为第一个具有恒压负载的中继模块中两个线圈的电感，即第一个具有恒压负载的中继模块中接收线圈和发送线圈的电感，L4_r、L4_t分别为第二个具有恒压负载的中继模块中两个线圈的电感，即第二个具有恒压负载的中继模块中接收线圈和发送线圈的电感，LN_r为接收模块中线圈的电感；C0_t为发送模块中补偿电容的容值，C1_r、C1_t分别为第一个具有恒流负载的中继模块内部接收单元和发送单元各自的补偿电容的容值，C2_r、C2_t分别为第一个具有恒压负载的中继模块内部接收单元和发送单元各自的补偿电容的容值，C3_r、C3_t分别为第二个具有恒流负载的中继模块内部接收单元和发送单元各自的补偿电容的容值，C4_r、C4_t分别为第二个具有恒压负载的中继模块内部接收单元和发送单元各自的补偿电容的容值，CN_r为接收模块中补偿电容的容值；I0_t为流过发送模块中线圈的电流，I1_r、I1_t分别为流过第一个具有恒流负载的中继模块中两个线圈的电流，I2_r、I2_t分别为流过第一个具有恒压负载的中继模块中两个线圈的电流，I3_r、I3_t分别为流过第二个具有恒流负载的中继模块中两个线圈的电流，I4_r、I4_t分别为流过第二个具有恒压负载的中继模块中两个线圈的电流，IN_r为流过接收模块中线圈的电流，上述电流以流入线圈的点端时为正向；M1、M2、M3、M4、……、MN为相邻线圈之间的互感，M1为发送模块的线圈和第一个具有恒流负载的中继模块中接收单元的线圈之间的互感，M2为第一个具有恒流负载的中继模块中发送单元的线圈与第一个具有恒压负载的中继模块的线圈之间的互感，MN为最后一个中继模块中的发送单元的线圈与接收模块的线圈之间的互感。能量从发送模块开始，依次向右传递给各个中继模块，最后传递给接收模块。各个模块中均需要配置补偿电容，用以补偿线圈的感性无功，从而保证装置整体的功率因数和效率足够高，各级的负载代表门极驱动电路。
本发明实施例提供的无线能量传输装置包括依次布置的发送模块、中继模块和接收模块；发送模块、中继模块和接收模块均包括线圈；中继模块和接收模块连接有负载；无线能量传输装置通过线圈实现无线能量传输的同时对所有负载同时供电。
当需要给多个负载供电时，负载可以连接至中继模块，中继模块为负载供电的同时，实现电能的传输；本领域技术人员应当理解，中继模块也可以不接负载，此时中继模块仍用于实现电能的传输，而无需对负载供电。
中继模块还包括用于补偿线圈感性无功的补偿电容；
中继模块中的线圈和补偿电容各有两个，其中一个线圈和其中一个电容串联，构成接收单元，另一个电容和另一个线圈串联，构成发送单元。
中继模块中的接收单元、发送单元和负载串联，负载为恒流负载；或
中继模块中的接收单元、发送单元和负载并联，负载为恒压负载。
中继模块有一个或多个；当中继模块为多个时，具有恒流负载和恒压负载的中继模块交替排列。
当具有恒压负载的中继模块和具有恒流负载的中继模块均为一个时，发送模块的发送线圈与具有恒流负载的中继模块中接收单元的线圈相邻，具有恒流负载的中继模块中发送单元的线圈与具有恒压负载的中继模块的接收线圈相邻，具有恒压负载的中继模块的发送线圈则和接收模块的线圈相邻。
当具有恒压负载的中继模块和具有恒流负载的中继模块均为多个时，多个具有恒流负载的中继模块和多个具有恒压负载的中继模块交替排列，且具有恒压负载的中继模块和具有恒流负载的中继模块个数相等，发送模块的线圈与第一个具有恒流负载的中继模块中接收单元的线圈相邻，第一个具有恒流负载的中继模块中发送单元的线圈与第一个具有恒压负载的中继模块中接收单元的线圈相邻，第一个具有恒压负载的中继模块中发送单元的线圈与第二个具有恒流负载的中继模块中接收单元的线圈相邻，第二个具有恒流负载的中继模块中发送单元的线圈与第二个具有恒压负载的中继模块中接收单元的线圈相邻，以此类推，最后一个具有恒压负载的中继模块中发送单元的线圈与接收模块的接收线圈相邻。
无线能量传输装置电路等效图如图2所示，图2中，r0_t为发送模块中发送线圈的电阻，r1_r、r1_t分别为第一个具有恒流负载的中继模块中接收单元的线圈(即接收线圈)和发送单元的线圈(即发送线圈)各自的电阻，r2_r、r2_t分别为第一个具有恒压负载的中继模块中接收单元的线圈(即接收线圈)和发送单元的线圈(即发送线圈)各自的电阻，r3_r、r3_t分别为第二个具有恒流负载的中继模块中接收单元的线圈(即接收线圈)和发送单元的线圈(即发送线圈)各自的电阻，r4_r、r4_t分别为第二个具有恒压负载的中继模块中接收单元的线圈(即接收线圈)和发送单元的线圈(即发送线圈)各自的电阻，rN_r为接收模块中接收线圈的电阻。根据基尔霍夫电压定律，可以得到各回路的电压方程：
Figure BDA0002335842840000051
式中，V为电压，I为电流，Z0_t发射模块的阻抗，Z1_r为第一个具有恒流负载的中继模块中接收单元的阻抗，Z1_t为第一个具有恒流负载的中继模块中发送单元的阻抗，Z2_r为第一个具有恒压负载的中继模块中接收单元的阻抗，Z2_t为第一个具有恒压负载的中继模块中发送单元的阻抗，ω0为交流电源的角频率，且
Figure BDA0002335842840000052
在理想条件下，线圈自身阻抗很小，可以忽略不计，于是可得：
Figure BDA0002335842840000061
可以看出，横流负载电流和恒压负载电压的振幅是恒定的，与负载电阻无关。这样，负载功率可以灵活地控制，而不会相互影响，大大简化了功率控制设计。相邻线圈之间的互感和耦合系数均相同，即M1＝M2＝...＝MN＝M，k1＝k2＝...＝kN＝k，M为相邻线圈之间的互感，k为相邻线圈之间的耦合系数，本发明实施例中共有N-1个中继模块，相邻两个线圈之间的耦合系数
Figure BDA0002335842840000062
其中，n＝1,2,...,N，Ln-1_t为第n-1个中继模块中发送单元的线圈的电感，Ln_r为第n个中继模块中接收单元的线圈电感。不相邻线圈间的互感和耦合系数非常小，本发明实施例中忽略不计。
综上可得，恒压负载的电压基于交流电源的输出电压确定；具体的，恒压负载的电压按下式确定：
VL_m＝(-1)m/2·V0,m＝2,4,6,...
式中，VL_m为恒压负载的电压，V0为交流电源的输出电压，m为具有恒压负载的中继模块的编号；
恒流负载的电流基于交流电源的输出电压、角频率和相邻线圈之间的互感确定。具体的，恒流负载的电流按下式确定：
Figure BDA0002335842840000063
式中，IL_n为恒压负载的电流，ω0为交流电源的角频率，M为相邻线圈之间的互感，j为虚数单位，n为具有恒流负载的中继模块的编号。
发送模块包括发送线圈交流电源和用于补偿发送线圈感性无功的补偿电容，发送线圈与补偿电容串联后，连接到交流电源两端。
接收模块还包括接收线圈和用于补偿接收线圈感性无功的补偿电容，接收线圈和补偿电容串联后，连接到负载两端。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线能量传输装置，其特征在于，包括依次布置的发送模块、中继模块和接收模块；所述发送模块、中继模块和接收模块均包括线圈；
所述中继模块和接收模块连接有负载；
所述无线能量传输装置通过线圈实现无线能量传输的同时对所有负载同时供电。
2.根据权利要求1所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述中继模块还包括用于补偿线圈感性无功的补偿电容；
所述线圈和补偿电容各有两个，其中一个线圈和其中一个电容串联，构成接收单元，另一个电容和另一个线圈串联，构成发送单元。
3.根据权利要求2所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述中继模块中的接收单元、发送单元和负载串联，所述负载为恒流负载；或
所述中继模块中的接收单元、发送单元和负载并联，所述负载为恒压负载。
4.根据权利要求3所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述中继模块有一个或多个；当所述中继模块为多个时，具有恒流负载和恒压负载的中继模块交替排列。
5.根据权利要求3所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述恒压负载的电压基于交流电源的输出电压确定。
6.根据权利要求5所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述恒压负载的电压按下式确定：
VL_m＝(-1)m/2·V0,m＝2,4,6,...
式中，VL_m为恒压负载的电压，V0为交流电源的输出电压，m为具有恒压负载的中继模块的编号。
7.根据权利要求3所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述恒流负载的电流基于交流电源的输出电压、角频率和相邻线圈之间的互感确定。
8.根据权利要求7所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述恒流负载的电流按下式确定：
Figure FDA0002335842830000011
式中，IL_n为恒流负载的电流，ω0为交流电源的角频率，M为相邻线圈之间的互感，j为虚数单位，n为具有恒流负载的中继模块的编号。
9.根据权利要求1所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述发送模块包括发送线圈交流电源和用于补偿发送线圈感性无功的补偿电容，所述发送线圈与补偿电容串联后，连接到交流电源两端。
10.根据权利要求1所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述接收模块还包括接收线圈和用于补偿接收线圈感性无功的补偿电容，所述接收线圈和补偿电容串联后，连接到负载两端。
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