CN115021425A - 一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电气工程领域技术领域，具体为一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统，一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统，包括采用磁耦合谐振方式进行无线电传输，利用锁相环控制系统实现频率跟踪和通过电阻采样系统对桥臂功率进行检测，所述锁相环控制系统包括锁相环模块、控制电路模块、高频逆变器和谐振网络，本发明通过闭环控制可实现频率跟踪，始终保持高效传输；通过对谐振网络的电流检测也可以获得电流峰值信息，以此调整高频逆变器的输出功率，防止开关管过热损坏；采用锁相环电路进行频率跟踪可以降低相位检测电路和控制电路的成本。
Description
技术领域
本发明涉及电气工程领域技术领域，具体为一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统。
背景技术
近年来无线电能传输技术兴起，在民用领域的应用非常广泛，尤其是便携式电子设备的无线充电方案，无线电能传输的方式含电磁感应式、磁耦合谐振式以及无线电波式，前两者的基本原理为利用电能与磁能相互转换实现能量传输，现有较成熟的方案基本是小功率、近距离的无线充电，有效传输距离只有几厘米甚至更短，例如常见的手机无线充电，传输效率、传输距离是无线电能传输技术两个较大的瓶颈问题，尤其是大功率无线充电场合，效率变得尤为重要。传输效率与激励频率以及初级线圈和次级线圈的距离密切相关。对于磁耦合谐振式无线电能传输系统，若高频电源的频率与谐振网络的固有频率不匹配，传输效率会大打折扣，故让两者频率匹配十分重要。频率跟踪技术需要获取谐振网络的电压和电流相位，目前的研究中，电流的相位检测有多种方式，包括利用霍尔电流传感器和电流互感器捕获电路的电流信号两种方式；但两者共同的缺点是带宽较低，不能用于高频电流相位检测，其次霍尔传感器容易受周围磁场影响，在无线电能传输系统中很难反应正确的电流相位和幅值；利用电磁感应的电流互感器虽然无需接入电路中，但只能测量交流信号，且测量精度较低，输出与真实电流波形有一定相位差，很难胜任要求较高的电流检测场合；其次相位差的检测与输出控制多采用DSP方案，DSP芯片较为昂贵且需要软件开发，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统，包括采用磁耦合谐振方式进行无线电传输，利用锁相环控制系统实现频率跟踪和通过电阻采样系统对桥臂功率进行检测，所述锁相环控制系统包括锁相环模块、控制电路模块、高频逆变器和谐振网络。
优选的，锁相环包括基准信号端、反馈信号端、鉴频鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和分频器，鉴频鉴相器的输出端连接有低通滤波器，低通滤波器的输出端链接有压控振荡器，压控振荡器的输出端连接有分频器，分频器的输出端与鉴频鉴相器相连接实现闭环控制。
优选的，锁相环的基准信号端与反馈信号端分别接入有从谐振网络采集到的电压信号和电流信号，反馈信号端输出将调解后的信号输入控制电路模块，控制电路模块控制高频逆变器的输出频率，通过控制高频逆变器的输出频率改变谐振网络的激励频率。
优选的，鉴频鉴相器用于接收基频率和在频率发生变化时产生直流电压信号。
优选的，低通滤波器用于滤除直流电压信号的杂波和噪声。
优选的，压控振荡器用于根据输入的直流信号大小输出相应频率的信号。
优选的，电阻采样系统包括桥臂电路模块、电阻模块和电流检测模块，所述电阻模块串联入桥臂电路谐振网络中，所述电流检测模块与电阻模块并联。
优选的，电流检测模块中通过精密高速电压放大器对采样的信号进行放大，通过检测电阻模块两端的电压间接得到流过电阻的电流。
优选的，精密高速电压放大器的输出信号接入锁相环模块，经幅值检测并将信号传送给控制电路模块，控制电路模块以此信号改变驱动高频逆变器开关管PWM波的占空比。
优选的，电阻模块为毫欧级电阻。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过闭环控制可实现频率跟踪，始终保持高效传输；通过对谐振网络的电流检测也可以获得电流峰值信息，以此调整高频逆变器的输出功率，防止开关管过热损坏；采用锁相环电路进行频率跟踪可以降低相位检测电路和控制电路的成本。
(2)本发明利用电阻对电流进行采样精度较高，既可用于交流电流也可用于直流电流检测；可在频率较高的场合使用，毫欧级电阻对电路的影响也较小。
(3)本发明实用性强，应用范围广，在利用涡流效应进行金属加热的领域也会用到高频逆变电路和谐振线圈，被加热物体与线圈构成含磁芯的电感，其电感值会随磁芯的变化而变化，因此高频感应加热系统中的谐振网络固有频率也是动态变化的，系统的高效工作也需要高频逆变器和谐振网络的配合，同时也需要对工作的电流监测，防止过流。
(4)本发明应用可在系统运行条件变化时动态调节高频电源输出频率，实时保持高效传输，其次通过高精度电流检测监控谐振回路电流，准确判断电路工作状态，避免输出过流导致器件损坏
附图说明
图1为本发明的磁耦合谐振原理框图；
图2为本发明的锁相环模块结构原理框图；
图3为本发明的全桥桥臂电流采样示意图；
图4为本发明的频率调谐控制方式原理框图；
图5为本发明的电流采样放大电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1-5，一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统，包括采用磁耦合谐振方式进行无线电传输，利用锁相环控制系统实现频率跟踪和通过电阻采样系统对桥臂功率进行检测，所述锁相环控制系统包括锁相环模块、控制电路模块、高频逆变器和谐振网络，如图2所示，通过锁相环原理实现高频逆变器输出频率对谐振频率的跟踪，锁相环是一种负反馈调节系统，可以通过反馈调节输出频率，达到所需要的控制效果。
锁相环模块利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，其结构主要包含鉴频鉴相器、低通滤波器、压控振荡器以及分频器。假设系统初始给定一个基准频率，在未变化的情况下锁相环会输出一个跟输入信号频率和相位都相同的信号，一旦基准频率产生变化，此时的输入信号和之前的输出信号将会存在一定相位差，两信号通过鉴频鉴相器会输出一个直流电压信号，然后低通滤波器将滤除杂波和噪声的直流信号传至下一级，压控振荡器会根据输入的直流信号大小输出相应频率的信号，完成信号的跟踪。
如图3所示电阻采样系统包括桥臂电路模块、电阻模块和电流检测模块，电阻模块串联入桥臂电路谐振网络中，电流检测模块与电阻模块并联；在半桥逆变器和全桥逆变器中，控制开关管导通时间就能控制输出功率，工作时流过桥臂的电流就是流过开关管的电流。若不对电流进行限制，开关管很容易因为过流导致发热严重而损坏，引起桥臂短路或开路，欧姆定律表明电阻两端的电压和流过的电流呈正比，两者为线性关系，不存在相位差的问题。在半桥电路和全桥电路中，将毫欧级电阻串入桥臂中(谐振网络)，对电阻两端电压进行采样即可实时检测流经谐振网络的电流波形及相位，并且能应用于较高频率场合。
如图4所示，将从谐振网络采集到的电压信号和电流信号进行特殊处理，分别接入锁相环的基准信号和反馈信号，根据锁相环电路的功能特性，锁相环会输出一个调节后的信号，接着此信号将控制高频逆变器的输出频率，即改变谐振网络的激励频率。只要谐振网络的电压和电流信号存在相位差，锁相环的输出就会变化，直到电路谐振时，两者同相，则输出保持不变，以此达到频率跟踪的目的。
精密高速电压放大器的输出信号接入锁相环模块，经幅值检测并将信号传送给控制电路模块，控制电路模块以此信号改变驱动高频逆变器开关管PWM波的占空比，如图5所示的电流采样放大电路示意图占空比越大开关管的导通时间越长，高频逆变器输出的功率就越大，流过谐振网络的电流峰值也会越大，当控制器检测到幅值超过某设定阈值，则减小PWM波占空比，直到输出不再超过阈值，此时停止对占空比的调制并保持；若检测到较高且长时间(数秒)的直流信号，可以判断谐振网络或高频逆变器内出现短路现象，控制器可发出命令停止对高频电源的供电，以防更多器件损坏。
通过闭环控制可实现频率跟踪，始终保持高效传输；通过对谐振网络的电流检测也可以获得电流峰值信息，以此调整高频逆变器的输出功率，利用电阻对桥臂高频交流电进行采样，精度高，响应快。
以上所述仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，但凡熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，所作的等效修饰或变换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统，包括采用磁耦合谐振方式进行无线电传输，其特征在于：利用锁相环控制系统实现频率跟踪和通过电阻采样系统对桥臂功率进行检测，所述锁相环控制系统包括锁相环模块、控制电路模块、高频逆变器和谐振网络。
2.根据权利要求1中所述的一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统，其特征在于：所述锁相环包括基准信号端、反馈信号端、鉴频鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和分频器，所述鉴频鉴相器的输出端连接有低通滤波器，低通滤波器的输出端链接有压控振荡器，压控振荡器的输出端连接有分频器，分频器的输出端与鉴频鉴相器相连接实现闭环控制。
3.根据权利要求2中所述的一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统，其特征在于：所述锁相环的基准信号端与反馈信号端分别接入有从谐振网络采集到的电压信号和电流信号，反馈信号端输出将调解后的信号输入控制电路模块，控制电路模块控制高频逆变器的输出频率，通过控制高频逆变器的输出频率改变谐振网络的激励频率。
4.根据权利要求2中所述的一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统，其特征在于：所述鉴频鉴相器用于接收基频率和在频率发生变化时产生直流电压信号。
5.根据权利要求2中所述的一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统，其特征在于：所述低通滤波器用于滤除直流电压信号的杂波和噪声。
6.根据权利要求2中所述的一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统，其特征在于：所述压控振荡器用于根据输入的直流信号大小输出相应频率的信号。
7.根据权利要求1中所述的一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统，其特征在于：所述电阻采样系统包括桥臂电路模块、电阻模块和电流检测模块，所述电阻模块串联入桥臂电路谐振网络中，所述电流检测模块与电阻模块并联。
8.根据权利要求7中所述的一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统，其特征在于：所述电流检测模块中通过精密高速电压放大器对采样的信号进行放大，通过检测电阻模块两端的电压间接得到流过电阻的电流。
9.根据权利要求8中所述的一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统，其特征在于：所述精密高速电压放大器的输出信号接入锁相环模块，经幅值检测并将信号传送给控制电路模块，控制电路模块以此信号改变驱动高频逆变器开关管PWM波的占空比。
10.根据权利要求7或8中所述的一种具有频率跟踪和桥臂功率检测的无线电能传输系统，其特征在于：所述电阻模块为毫欧级电阻。
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| CN115833413A (zh) * | 2023-02-20 | 2023-03-21 | 广东电网有限责任公司湛江供电局 | 一种高压输电线路监测设备的供电方法和系统 |
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2022
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