基于磁共振无线输电的固有频率调谐装置及控制方法与流程

本发明属于无线输电技术领域，尤其涉及基于磁共振无线输电的固有频率调谐装置及控制方法。

背景技术：

高压、超高压电网监测终端对保证电网稳定运行至关重要，是以信息化、自动化、互动化为特征的现代化电网不可或缺的一部分。然而，能源问题始终是限制智能电网监测与管理的关键问题。传统的解决方案大多使用风能、太阳能等分布式能源，而分布式能源固有的不稳定性使得终端设备无法得到可靠的能源保证，在南方阴雨天气较多的环境下问题更加严重。另一方面，高压输/配线路上有着充足的电能却由于绝缘的要求而无法直接从高压侧取电，从而形成了一个突出的矛盾。

近年来，无线输电技术的迅速发展使得从高压侧直接向低压侧输电成为可能，为解决智能电网终端设备的能源供应提供了新的可能，尤其是基于磁共振原理的无线输电技术，能够在较远距离内实现电能的高效率传输。

众所周知，在传统两线圈系统中，系统在两端固有频率一致的条件下能够具有较高的工作性能。然而磁共振式无线电能传输系统在实际运行时，由于制作工艺、安装条件的限制，并受到高频电路杂散电感、电容，环境变化等因素的影响，常会使传输线圈参数发生漂移，从而影响系统的传输效率和传输功率。同时还存在无线输电系统固有频率的改变值不能量化的问题。

技术实现要素：

本发明的一个目的是实现对磁共振无线输电系统谐振子固有频率的量化调节，大幅度提高传输效率。

另一个目的是解决加工工艺、杂散参数、寄生参数、参数漂移等情况下引起的固有频率漂移，降低系统对杂散电感、电容，环境变化等因素的敏感性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于磁共振无线输电的固有频率调谐装置，包括谐振线圈系统；还包括调谐电容阵列、调谐电感阵列和控制开关网络；调谐电容阵列、调谐电感阵列与谐振线圈系统串联连接，控制开关网络依次与调谐电容阵列、调谐电感阵列串联连接；通过控制字控制控制开关网络，实现调谐电容阵列或调谐电感阵列接入谐振线圈系统的控制。

在上述的基于磁共振无线输电的固有频率调谐装置中，调谐电容选用EACO公司生产的无感电容，无感电容容量0.001uF，0.01uF，0.0047uF，0.1uF；承受电压为1200V～2000V。

在上述的基于磁共振无线输电的固有频率调谐装置中，调谐电感采用利兹线绕制；谐振线圈系统电感采用多股利兹线绕制。

在上述的基于磁共振无线输电的固有频率调谐装置中，控制开关网络包括三极管和继电器；三极管为NPN型三极管；继电器选用G2R-2-5V继电器，其接触电阻为50mΩ，复位时间在20ms以下，额定电流为106mA，耐温可达-40℃至70℃之间，每小时工作频率可达18000次。

基于磁共振无线输电的固有频率调谐装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、控制开关网络的设计：

进行2进制换算；N组控制开关网络使谐振线圈系统固有频率调节范围覆盖0～(2^N-1)*K kHz，其中K为改变固有频率的最小值；1组控制开关网络控制调谐电感；则N+1组控制开关网络控制固有频率在-(2^N-1)*K～(2^N-1)*K kHz范围内按固定步长调节；

控制开关的常态为调谐电容或调谐电感不接入谐振线圈系统；当控制开关网络接收到控制字为0，控制开关网络不动作；控制字为1，控制开关网络动作，使对应的调谐电容或调谐电感接入谐振线圈系统中，从而改变谐振线圈系统的固有频率；

步骤2、谐调电容、调谐电感值配比：

采用调谐电容组合及调谐电感组合调节谐振线圈系统的固有频率，设谐振线圈系统固有频率为F_g，其中L_s为调谐电感值，C_s为调谐电容值；调谐电容串联使电容值降低，固有频率F_g增加；调谐电感串联使电感值增加，固有频率F_g降低；

电容串联计算公式为电感串联计算公式为L＝L_Ι+L_ΙΙ；由电容、电感串联计算公式和固有频率计算公式推算出使固有频率改变M kHz时所需要的电容值与电感值；计算出N组调谐电容值和改变-(2^N-1)*K kHz对应的调谐电感值，实现固有频率在-(2^N-1)*K～(2^N-1)*K kHz范围内按固定步长调节；

步骤3、覆盖精度与覆盖范围的实现：

控制开关网络分别用于控制调谐电容阵列和调谐电感阵列；N+1组控制开关网络共有2^N+1种开关状态，分别对应2^N+1种固有频率调节的结果，按固定的步长实现对较大调节范围的精准覆盖；每种开关状态相对于前一种开关状态改变K kHz的固有频率，K值的选取由谐振线圈系统固有频率漂移情况确定；

步骤4、调谐电容、电感阵列组合的选择：

采集两组控制字对应固有频率改变量的结果进行对比，判断相应阵列是否为最优解，若不是最优，则继续采集、比较，直到达到谐振线圈系统认知的最优解；通过检测对比确定最终调谐电容、电感阵列组合的选择。

上述的固有频率调谐装置通过构建一个电容-电感开关阵列，实现对磁共振无线输电系统谐振子固有频率的调节。该电容-电感阵列只利用少数电容、电感的组合，即可按固定的步长实现对较大调节范围的精准覆盖，且可对磁共振式无线输电系统的谐振子的固有频率进行正负两个方向的双向调节。能够以较小步长覆盖较大调谐范围，保证无线输电系统的发射端和接收端具有一致的固有频率，从而提高系统工作性能。

上述的固有频率调谐装置工作原理为当谐振线圈系统中串联电容时，谐振线圈系统固有频率增加；当串联电感时，谐振线圈系统固有频率降低。通过控制字控制继电器开关网络动作，从而控制电容或电感是否接入谐振线圈系统中，通过电容电感值配比对谐振线圈系统固有频率实现双向、按步长调节。

本发明的有益效果是：不影响谐振线圈系统的工作，仅靠串联接入电容组合和电感组合直接调节谐振线圈系统的固有频率，且能实现量化调节。很好地解决了加工工艺、杂散参数、寄生参数、参数漂移等情况下引起的固有频率漂移的问题，不仅可以大幅度提高传输效率，同时降低了谐振线圈系统对杂散电感、电容，环境变化等因素的敏感性。

附图说明

图1为本发明的一个实施例控制开关网络示意图；

图2为本发明的一个实施例工作流程图；

图3为本发明的一个实施例实现固有频率调谐电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例采用如下技术方案，基于磁共振无线输电的固有频率调谐装置，包括谐振线圈系统；还包括调谐电容阵列、调谐电感阵列和控制开关网络；调谐电容阵列、调谐电感阵列与谐振线圈系统串联连接，控制开关网络依次与调谐电容阵列、调谐电感阵列串联连接；通过控制字控制控制开关网络，实现调谐电容阵列或调谐电感阵列接入谐振线圈系统的控制。

在上述的基于磁共振无线输电的固有频率调谐装置中，调谐电容选用EACO公司生产的无感电容，无感电容容量0.001uF，0.01uF，0.0047uF，0.1uF；承受电压为1200V～2000V。

在上述的基于磁共振无线输电的固有频率调谐装置中，调谐电感采用利兹线绕制；谐振线圈系统电感采用多股利兹线绕制。

在上述的基于磁共振无线输电的固有频率调谐装置中，控制开关网络包括三极管和继电器；三极管为NPN型三极管；继电器选用G2R-2-5V继电器，其接触电阻为50mΩ，复位时间在20ms以下，额定电流为106mA，耐温可达-40℃至70℃之间，每小时工作频率可达18000次。

基于磁共振无线输电的固有频率调谐装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、控制开关网络的设计：

进行2进制换算；N组控制开关网络使谐振线圈系统固有频率调节范围覆盖0～(2^N-1)*K kHz，其中K为改变固有频率的最小值；1组控制开关网络控制调谐电感；则N+1组控制开关网络控制固有频率在-(2^N-1)*K～(2^N-1)*K kHz范围内按固定步长调节；

控制开关的常态为调谐电容或调谐电感不接入谐振线圈系统；当控制开关网络接收到控制字为0，控制开关网络不动作；控制字为1，控制开关网络动作，使对应的调谐电容或调谐电感接入谐振线圈系统中，从而改变谐振线圈系统的固有频率；

步骤2、谐调电容、调谐电感值配比：

采用调谐电容组合及调谐电感组合调节谐振线圈系统的固有频率，设谐振线圈系统固有频率为F_g，其中L_s为调谐电感值，C_s为调谐电容值；调谐电容串联使电容值降低，固有频率F_g增加；调谐电感串联使电感值增加，固有频率F_g降低；

电容串联计算公式为电感串联计算公式为L＝L_Ι+L_ΙΙ；由电容、电感串联计算公式和固有频率计算公式推算出使固有频率改变M kHz时所需要的电容值与电感值；计算出N组调谐电容值和改变-(2^N-1)*K kHz对应的调谐电感值，实现固有频率在-(2^N-1)*K～(2^N-1)*K kHz范围内按固定步长调节；

步骤3、覆盖精度与覆盖范围的实现：

控制开关网络分别用于控制调谐电容阵列和调谐电感阵列；N+1组控制开关网络共有2^N+1种开关状态，分别对应2^N+1种固有频率调节的结果，按固定的步长实现对较大调节范围的精准覆盖；每种开关状态相对于前一种开关状态改变K kHz的固有频率，K值的选取由谐振线圈系统固有频率漂移情况确定；

步骤4、调谐电容、电感阵列组合的选择：

采集两组控制字对应固有频率改变量的结果进行对比，判断相应阵列是否为最优解，若不是最优，则继续采集、比较，直到达到谐振线圈系统认知的最优解；通过检测对比确定最终调谐电容、电感阵列组合的选择。

以下为本实施例基于磁共振无线输电的固有频率调谐装置的具体实施，如图1所示，图中虚线部分是本实施例控制调谐电容-电感阵列的控制开关网络。控制开关网络中所有开关默认状态为连接开关2脚，即调谐电容-电感阵列不接入谐振线圈系统中，故不对谐振线圈系统固有频率产生影响；当某一组或某几组开关连接开关1脚，即在谐振线圈系统中增加这一组或这几组开关对应的调谐电容组合或调谐电感组合，从而改变谐振线圈系统的固有频率。

N+1组开关网络共2^N+1种状态，分别对应2^N+1种对所需谐振线圈系统固有频率调节的结果，可按照固定的步长实现对较大调节范围的精准覆盖。控制字为0，控制开关网络不动作；控制字为1，控制开关网络动作，使对应调谐电容、电感串联接入谐振线圈系统。

以下以四组调谐电容组合，一组调谐电感组合，五组控制开关网络为例，但不限于数字以上组合。固有频率改变量与控制字对应表如下(f为谐振线圈系统固有频率，p为0～9，A～F中偶数，q为0～9，A～F中奇数)：

采用0xqF与0xp0两组来判断调谐电容、电感阵列数值匹配精准度。0xp0与0xqF相比，仅使谐振线圈系统串联一个很小的内阻，使得系统电流发生改变，以此判断数值匹配精准度。

如图2所示，为实施例调节谐振线圈系统固有频率的工作流程。将两次采集的结果进行对比，通过对比来判断某一阵列是否为最优解，若不是最优，则继续采集、比较，直到达到谐振线圈系统认知的最优解。该实施例可实现检测－调节－再检测对比－再调节的过程，通过检测对比来确定最终调谐电容、电感阵列组合的选择。

本实施例包括调谐电容阵列，调谐电感阵列及控制开关网络三个主要部分。如图1所示，调谐电容、电感阵列与谐振线圈系统串联连接，控制开关网络依次与调谐电容、电感阵列串联连接。如图3所示。

电容、电感值的选取与组合是本实施例的关键。同时，本实施例所使用的开关器件、电容、电感的寄生内阻均较小，器件的串联内阻对磁共振系统效率的影响较小，也是本实施例的主要优点。

下面描述本实施例的控制方法：

步骤一、控制开关网络的设计：

任何16进制都可换算成2进制数。因此仅需N组控制开关网络就可使得固有频率调节范围覆盖0～(2^N-1)*K kHz，其中K为改变固有频率的最小值。一组控制开关控制调谐电感。因此本实施例包含N+1组控制开关的开关网络使得固有频率在-(2^N-1)*K～(2^N-1)*K kHz范围内按固定步长调节。

如图1所示，为控制开关网络的连接示意图。其中虚线表示的是控制开关网络。当谐振线圈系统需提高固有频率时，使调谐电容阵列串联接入谐振线圈系统；当谐振线圈系统需要降低固有频率时，使调谐电感组合串联接入谐振线圈系统，再依次串联接入调谐电容。因此每组调谐电容组合和调谐电感组合与控制开关依次串联连接，每组调谐组合依次串联连接接入谐振线圈系统。控制开关相当于单刀双掷开关，开关的常态为不将调谐电容或调谐电感接入谐振线圈系统。初始状态，调谐电容和电感都不接入谐振线圈系统，并不影响谐振线圈系统的工作；当控制开关网络接收到控制字控制作用时，对应控制开关跳变，使得调谐电容或调谐电感接入谐振线圈系统中，从而改变谐振线圈系统的固有频率。

步骤二、谐调电容、调谐电感值计算：

本实施例采用调谐电容组合及调谐电感组合来调节谐振线圈系统的固有频率。假设谐振线圈系统本身固有频率为F_g，其中L_s为线圈电感值，C_s为调谐电容值。电容串联使容值降低，使得谐振线圈系统固有频率增加；电感串联使电感值增加，致使谐振线圈系统固有频率降低。

电容串联计算公式：电感串联计算公式：L＝L_Ι+L_ΙΙ。由电容、电感计算公式和固有频率计算公式即可推算出使固有频率改变M kHz频率时所需要的容值与感值。根据上文可知，只需计算出N组调谐电容值和改变-(2^N-1)*K kHz对应的感值，就可实现固有频率在-(2^N-1)*K～(2^N-1)*K kHz范围内按固定步长调节。

步骤三、覆盖精度与覆盖范围的实现：

本实施例的控制开关网络包括依次连接的继电器开关网络，分别用于控制调谐电容组合阵列和调谐电感阵列。N+1组控制开关网络共有2^N+1种开关状态，分别对应2^N+1种对所需谐振线圈系统固有频率调节的结果，可按固定的步长实现对较大调节范围的精准覆盖。每种开关状态相对于前一种开关状态改变K kHz的固有频率，K值的选取应由谐振线圈系统固有频率漂移情况而定。

步骤四、器件类型的选取：

本实施例为了不影响谐振线圈系统工作，需使得增加的内阻很小，才不至于对磁共振系统效率的产生明显的影响。因此所使用的开关器件、电容、电感的寄生内阻均较小。

所以选取调谐电容为加拿大EACO无感电容公司生产的无感电容。无感电容是可以应用在高频电路中一种电容，且在工作时不产生“电感”效应。无感电容的电感很小，尤其在高频工作下，为了精准的控制固有频率调节，需要电感很小。EACO生产的无感电容容量0.001uF，0.01uF，0.0047uF，0.1uF。且EACO可承受电压为1200V～2000V，可以满足谐振线圈系统要求。通过计算得出，4种上文计算得到电容的容值可通过串、并联EACO无感电容来实现。

电感选用利兹线。由于工作频率为高频，所以电感材料选择利兹线。利兹线(litz)又称漆包线，为一根导体，是由多根独立绝缘的导体绞合或编织而成。典型应用有：高频电感器、变压器、变频、燃料电池、感应加热等。使用多股的利兹线来绕制的谐振线圈系统电感，能有效降低趋肤效应，减小谐振线圈系统系统等效阻抗。

选取的继电器为欧姆龙G2R-2-5V型号功率继电器，此种继电器有导通内阻小，复位时间短，额定电流低等优点。其接触电阻为50mΩ，复位时间在20ms以下，额定电流为106mA。此种继电器耐温可达-40℃至70℃之间正常工作，且耐冲击性和抗震性较好。每小时工作频率可达18000次。满足本发明要求内阻小的需求。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。