一种三相负载单相无线供电系统及其设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种三相负载单相无线供电系统及其设计方法。该系统包括单相交流电源、整流滤波电路、单相高频逆变电路、原边谐振补偿机构、原边磁能发射机构、副边磁能拾取机构、副边谐振补偿机构、单相/三相矩阵变换器、三相滤波电路及三相负载。通过原边磁能发射机构和副边磁能拾取机构的电磁感应耦合，实现电能从原边到副边的无线传输，副边拾取磁能经过磁电转换后，再经过单相/三相矩阵变换器，可实现单相高频交流电到任意频率三相交流电的转换，满足三相负载的供电需求。其显著效果为：相比于传统的原边三相供电、副边三相拾取的三相无线电能传输系统，该系统磁路机构结构设计简单，满足了单相交流电源为三相负载的无线供电需求。
【专利说明】一种三相负载单相无线供电系统及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线电能传输系统，具体涉及一种三相负载单相无线供电系统及 其设计方法。
【背景技术】
[0002] 传统有线电能传输模式是通过导体之间直接相连的形式传送电能的，但随着社 会的不断发展与进步，这种基于传统理论的接触式供电模式带来的弊端越来越明显，如容 易产生磨损、插电火花、不易维护等，因此，基于感应耦合原理的无线电能传输（Wireless Power Transfer,简称WPT)技术应运而生。
[0003] 目前无线电能传输技术主要是实现单相负载的无线供电，然而随着WPT技术研究 的不断深入，越来越多的场合需要满足三相负载的无线供电需求。针对三相负载的无线供 电需求，目前主要是采取原边三相磁能发射、副边三相磁能拾取的三相无线供电模式。
[0004] 然而，在原边三相磁能发射、副边三相磁能拾取的三相无线供电系统中，原边高频 逆变电路需要采用三相高频逆变电路机构，这就需要原边有三个磁能发射机构和三个谐振 补偿机构，同时副边有三个磁能拾取机构和三个谐振补偿机构，这样导致整体系统器件较 多，装置体积较大，系统较复杂；另外，由于各原边线圈与各副边线圈之间，各原边线圈之 间，各副边线圈之间的互感值相互影响，使得系统建模比较困难，原、副边参数控制比较复 杂；再者，该系统能量可双向流动，容易实现交流电机的四象限运行。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是针对现有的原边三相磁能发射、副边三相磁能拾取的三相无线 供电系统中存在的问题，提供一种三相负载单相无线供电系统及其设计方法。
[0006] 本发明的目的是这样实现的，三相负载单相无线供电系统和设计方法，具体方案 如下：
[0007] 三相负载单相无线供电系统，包括单相交流电源、整流滤波电路、单相高频逆变电 路、原边谐振补偿机构、原边磁能发射机构、副边磁能拾取机构、副边谐振补偿机构、单相/ 三相矩阵变换器、三相滤波电路、三相负载。
[0008] 单相交流电源经整流滤波电路整流成直流电，直流电通过单相高频逆变电路逆变 为高频交流电，再经原边谐振补偿机构后变为高频正弦交流进入原边磁能发射机构，通过 电磁感应，副边磁能拾取机构感应出同频率的交流电后，经副边谐振补偿机构、单相/三相 矩阵变换器及三相滤波电路滤波后为三相负载提供任意频率的三相交流电，从而满足了单 相交流电源为三相负载的无线供电需求。
[0009] 所述的系统以原边磁能发射机构和副边磁能拾取机构为界限，两者之间互不接 触，实现了电能从原边到副边的无线传输。
[0010] 所述的单相/三相矩阵变换器将副边磁能拾取机构及副边谐振补偿机构输出的 单相高频交流电转变为任意频率三相交流电，实现了单相高频交流电向三相负载供电的功 能。 toon] 所述的整流滤波电路采用带电容滤波的不控整流电路，单相高频逆变电路是电压 型单相全桥逆变电路，四个功率管采用180°互补导通模式。
[0012] 所述的原边谐振补偿机构和副边谐振补偿机构分别采用串联电容补偿和并联电 容补偿，目的在于提高三相负载的输出电压和负载波动条件下的系统频率稳定性。
[0013] 所述的原边磁能发射机构和副边磁能拾取机构是由原边磁能发射线圈和副边磁 能拾取线圈组成，且两个线圈材料相同。
[0014] 所述的单相/三相矩阵变换器是由六个双向开关组成，每个双向开关是由两个 IGBT管共射极串联组成，且整个逆变器相当于两个传统的三相逆变器反并联构成；为了 提高三相负载的输出电压和降低系统电流谐波总畸变率，该单相/三相矩阵变换器采用 SVPWM调制策略。
[0015] 所述的一种三相负载单相无线供电系统的设计方法：
[0016] (1)忽略双向开关管的损耗，根据功率守恒定律，单相/三相矩阵变换器及三相滤 波电路、三相负载可以等效为单相负载，从而使主电路等效为一个典型的原边串联补偿、副 边并联补偿的单相无线供电系统。
[0017] (2)由
【权利要求】
1. 一种三相负载单相无线供电系统，其特征在于：该系统包括单相交流电源、整流滤 波电路、单相高频逆变电路、原边谐振补偿机构、原边磁能发射机构、副边磁能拾取机构、副 边谐振补偿机构、单相/三相矩阵变换器、三相滤波电路及三相负载； 单相交流电源先经整流滤波电路整流成直流电，直流电通过单相高频逆变电路逆变成 高频交流电，再经原边谐振补偿机构后变为高频正弦交流电进入原边磁能发射机构，通过 电磁感应，副边磁能拾取机构感应出同频率的交流电后，经副边谐振补偿机构、单相/三相 矩阵变换器及三相滤波电路滤波后为三相负载提供任意频率的三相交流电，实现单相交流 电源到三相负载的无线供电； 所述的系统以原边磁能发射机构和副边磁能拾取机构为界限，两者之间互不接触，实 现了电能从原边到副边的无线传输； 所述的单相/三相矩阵变换器将副边磁能拾取机构及副边谐振补偿机构输出的单相 高频交流电转变为任意频率三相交流电，实现了单相高频交流电向三相负载供电的功能。
2. 根据权利要求1所述的一种三相负载单相无线供电系统，其特征在于：整流滤波电 路采用带电容滤波的不控整流电路，单相高频逆变电路是电压型全桥逆变电路，四个功率 管采用180°互补导通模式。
3. 根据权利要求1所述的一种三相负载单相无线供电系统，其特征在于：原边谐振补 偿机构和副边谐振补偿机构分别采用串联电容补偿和并联电容补偿。
4. 根据权利要求1所述的一种三相负载单相无线供电系统，其特征在于：原边磁能发 射机构和副边磁能拾取机构是由原边磁能发射线圈和副边磁能拾取线圈组成，且两个线圈 材料相同。
5. 根据权利要求1所述的一种三相负载单相无线供电系统，其特征在于：单相/三相 矩阵变换器是由六个双向开关管组成，每个双向开关是由两个IGBT共射极串联组成，且整 个逆变器相当于两个传统的三相逆变器反并联构成，该单相/三相矩阵变换器采用SVPWM 调制策略。
6. 根据权利要求1所述的一种三相负载单相无线供电系统的设计方法，其特征在于： 1) 忽略双向开关管的损耗，根据功率守恒定律，单相/三相矩阵变换器及三相滤波电 路、三相负载可以等效为单相负载，从而使主电路等效为一个典型的原边串联补偿、副边并 联补偿的单相无线供电系统； 2) 由
算出副边磁能拾取机构电感值1^，再由
算出副边谐振补偿机 构电容值Cs，其中Re(1是单相/三相矩阵变换器的单相端等效电阻；ω是系统单相高频逆变 电路工作角频率；QS是副边谐振补偿因数，Qs -般取2?10 ; 3) 根据系统设计需要，设原边磁能发射机构电感值Lp为一固定值，则原边谐振补偿机 构电容值
其中Μ是原边磁能发射线圈、副边磁能拾取线圈之间的互感 值； 4) 三相滤波电路采用巴特沃思二阶低通滤波电路，这是因为LC滤波电路的固有频率 是由LC同时决定的，而巴特沃思滤波电路是一种具有最大平坦响应的滤波电路。
【文档编号】H02J17/00GK104065178SQ201410280448
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】夏晨阳, 童为为, 解光庆, 王延熇, 邵祥, 伍小杰, 宗伟林, 庄裕海, 陈国平 申请人:中国矿业大学