一种恒流恒频感应耦合传输系统及其设计方法【
技术领域：
】[0001]本发明属于无线电能传输领域，具体涉及一种恒流恒频感应耦合传输系统及其设计方法。【
背景技术：
】[0002]近年来，无线电能传输技术得到了飞速发展，应用此技术的产品不断增多。其中，感应耦合电能传输（ICPT)技术是基于电磁感应原理的一种灵活、实用和新型的无线电能传输技术，在医疗、交通、机器人和石油开采等领域得到了广泛应用。在工业应用中，恒流源常被应用于电池充电、自动化仪表与传感器供电及LED驱动等。[0003]在ICPT系统设计中，为了提高系统带负载能力，在负载切入、切出及变化时，通常要求系统输出给负载的电流近似恒定；而为了提高系统带多个拾取负载的能力，通常要求系统原边谐振电流及系统谐振工作频率近似恒定。为了实现上述目标，目前的研究主要集中在针对不同的控制目标分别引入闭环负反馈控制。如为了保证系统输出给负载的电流恒定，文献《非接触感应耦合电能传输与控制技术及其应用研究》提出在整流环节后串接DC-DC变换器，实现对输出电流的恒定控制。为了保证系统原边谐振电流恒定，文献《感应电能传输系统能量注入控制方法研究》提出能量注入的控制方法，通过控制注入谐振网络能量的多少来控制原边谐振电流的幅值大小；文献《感应电能传输系统参数辨识与恒流控制》通过在逆变器的输入端串入DC-DC环节，调节逆变器母线电压，改变原边谐振电流；文献《非接触电能传输系统恒流控制策略》提出采用移相控制策略，通过检测实际谐振电流有效值与参考电流有效值之间的偏差，调节开关管脉冲移相角来控制原边谐振电流。为了保证系统始终工作于完全谐振状态，文献《Afrequencycontrolmethodforregulatingwirelesspowertoimplantabledevices》提出基于开关电容的谐振参数在线调整方法，通过控制电容的导通时间，以实现系统谐振工作频率恒定；与此类似，文献《非接触电能传输系统的频率稳定性研究》提出了基于相控电感的谐振参数在线调整策略，通过实时调整相控电感的导通角，改变并联在谐振网络上等效电感值，从而维持系统谐振工作频率的恒定。[0004]上述控制方法虽然实现了其控制目标，提高了系统控制精度，但同时增加了系统成本，使系统结构较复杂，势必会降低系统的安全性以及可靠性。【
发明内容】[0005]针对目前ICPT系统设计中，为了使负载输出电流恒定、原边谐振电流恒定以及系统谐振工作频率稳定，引入针对不同控制目标的闭环负反馈控制，从而导致系统结构复杂，成本高，安全性低及可靠性差的问题，本发明提出了一种新型复合谐振型感应耦合电能传输系统，通过系统结构设计与参数设计来自然满足上述各控制目标，既简化了系统结构，节约了系统成本，又提高了系统的安全性与可靠性。[0006]本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：该系统包括直流电源、高频逆变装置、原边无功补偿机构、互感耦合机构、副边无功补偿机构、整流滤波装置以及可变负载。[0007]直流电源经高频逆变装置产生高频方波交流电，高频方波交流电经原边无功补偿机构、互感耦合机构以及副边无功补偿机构传输到负载侧，经整流滤波装置后给电流型可变负载提供恒定直流电。[0008]所述原边无功补偿机构采用电感、电容串并联补偿方式，其中，原边无功补偿机构中的电容Cp与互感耦合机构中的原边漏感L。i发生并联谐振，且与原边无功补偿机构中的电感L1也发生并联谐振。[0009]所述副边无功补偿机构采用电容、电容串并联补偿方式，其中，互感耦合机构中的副边漏感U2与副边无功补偿机构中的串联补偿电容Cs发生串联谐振，互感耦合机构中的励磁电感Lni与副边无功补偿机构中的并联补偿电容C生并联谐振。[0010]有益效果，由于采用了上述方案，相较于目前存在的分别采用闭环负反馈控制来实现负载输出电流恒定、原边谐振电流恒定以及系统谐振工作频率恒定的无线电能传输系统，此系统仅通过原、副边无功补偿机构拓扑设计与系统参数设计就可实现上述控制目标，从而简化了系统结构，节约了系统成本，提高了系统的安全性与可靠性。【附图说明】[0011]图1是本发明的结构示意图。[0012]图中：1、直流电源；2、高频逆变装置；3、原边无功补偿机构；4、互感耦合机构；5、副边无功补偿机构；6、整流滤波装置；7、可变负载。[0013]图2是互感耦合机构的漏感等效模型与互感等效模型。[0014]图3是图1系统初步简化图。[0015]图4是图1系统最终简化图。[0016]图5是图1系统的负载输出电流仿真结果示意图。[0017]图6是图1系统的原边谐振电流仿真结果示意图。[0018]图7是图1系统的输入有功功率与无功功率仿真结果示意图。【具体实施方式】[0019]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：[0020]如图1所示：一种恒流恒频感应耦合电能传输系统主要由直流电源1、高频逆变装置2、原边无功补偿机构3、互感耦合机构4、副边无功补偿机构5、整流滤波装置6、可变负载7构成。[0021]所述直流电源1经高频逆变装置2产生高频方波交流电，其中，高频逆变装置2采用电压型全桥逆变方式，四个功率开关管采用180°互补导通方式。[0022]所述高频逆变装置2产生的高频方波交流电经原边无功补偿机构3变为高频正弦交流电，通过互感親合机构4传输到副边无功补偿机构5侦1|。[0023]所述原边无功补偿机构3采用电感、电容串并联补偿方式，其中，原边无功补偿机构3中的电容Cp与互感耦合机构4中的原边漏感L。i发生并联谐振，且与原边无功补偿机构3中的电感L1*发生并联谐振。即系统工作频率ω。满足下式：[0025]所述互感耦合机构4的原副边相互隔离、互不接触，从而实现能量的无线传输。互感耦合机构4的漏感等效模型与互感等效模型如图2所示，其中，两种等效模型之间的参数转换关系如下：[0027]本发明中，理论分析采用互感耦合机构漏感等效模型，仿真实验采用互感耦合机构互感等效模型。[0028]所述副边无功补偿机构5采用电容、电容串并联补偿方式，其中，互感耦合机构4中的副边漏感U2与副边无功补偿机构5中的串联补偿电容Cs发生串联谐振，互感耦合机构4中的励磁电感Lni与副边无功补偿机构5中的并联补偿电容Ci发生并联谐振。即此时系统工作频率ω。满足下式：[0030]结合式（1)、式（3)可知：系统工作频率满足下式[0032]由式⑶可知，图1中系统可简化成图3所示。其中，Uin、Iin分别为逆变器输出电压、电流；IP为原边线圈谐振电流；N1:N2S原副边线圈匝数比；Req为交流等效电阻；1]。、1。分别为系统输出交流等效电压、交流等效电流。[0033]由图3可知：[0035]根据诺顿等效原理和变压器的阻抗变换原理，图3可以简化成图4。其中艮与Req的关系如下：[0037]由⑴式可知，在系统谐振工作频率下山与Cp发生并联谐振，于是，由图4可知：[0038][0039]将（7)式代入（5)式可得：[0041]由式（7)、式⑶可知，若系统工作在谐振频率ω。处，则系统原边谐振电流恒定，不会受变负载的影响，有利于产生稳定的能量传输场；且系统输出电流也将保持恒定，不会随负载的改变而改变，即系统具有电流源特性。[0042]由图（3)可知，系统输入总阻抗Zin为：[0044]将⑴式代入（9)式[0046]由（10)式可以看出，系统输入总阻抗虚部为零，系统谐振工作频率与可变负载大小无关，即系统具有稳频特性。[0047]所述整流滤波装置6对进入到副边无功补偿机构5中的高频正弦交流电进行整流、滤波，从而为电流型可变负载7提供恒定直流电。其中，整流滤波装置6采用桥式不可控整流电路和LC滤波器。[0048]在上述理论分析的基础上，基于Matlab/Simulink软件对上述系统进行仿真分析。在仿真过程中，为了模拟可变负载对系统输出电流、原边谐振电流以及系统谐振工作频率的影响，假设负载在〇.7s时发生突变，由5Ω突变为10Ω，在此条件下观察上述三个系统参数的变化，得到的仿真结果分别如图5、图6、图7所示。[0049]由图5、图6仿真结果可知，在可变负载变化前后，系统输出电流以及原边谐振电流都可以很好地保持恒定状态，即此系统具有稳流输出能力。由图7仿真结果可知，在可变负载变化前后，系统输入无功功率始终为零，不会随负载的改变而改变，即系统具有很好地稳频特性。[0050]通过以上分析可知，本发明中的互感耦合机构电能传输系统及其参数设计方法可以很好地实现系统输出电流恒定、原边谐振电流恒定以及系统谐振工作频率稳定。相较于采用多个闭环负反馈控制的系统，此系统结构简单，成本低，安全性与可靠性高。【主权项】1.一种恒流恒频感应耦合传输系统，该系统包括直流电源、高频逆变装置、原边无功补偿机构、互感耦合机构、副边无功补偿机构、整流滤波装置以及可变负载；所述的原边无功补偿机构采用电感、电容串并联补偿方式；所述的副边无功补偿机构采用电容、电容串并联补偿方式。2.如权利要求1所述的一种恒流恒频感应耦合传输系统及其设计方法，其特征在于：原边无功补偿机构中的电容Cp与互感耦合机构中的原边漏感A1发生并联谐振，且与原边无功补偿机构中的电感A发生并联谐振；副边无功补偿机构中的电容G与互感耦合机构中的副边漏感2。2发生串联谐振；副边无功补偿机构中的电容C1与互感耦合机构中的励磁电感4发生并联谐振。【专利摘要】本发明公开了一种恒流恒频感应耦合传输系统及其设计方法，该系统包括直流电源、高频逆变装置、原边无功补偿机构、互感耦合机构、副边无功补偿机构、整流滤波装置以及可变负载。其特征在于：通过互感耦合机构实现了原、副边电能的无线传输，互感耦合机构副边拾取到的高频正弦交流电通过整流滤波装置进行整流滤波后，输出电流恒定且系统整体工作于完全谐振状态，不会随负载的改变而改变，满足电流型可变负载的供电需求。其显著效果为：通过一定的原、副边无功补偿机构拓扑设计与系统参数设计，实现了系统在变负载条件下的负载电流与原边谐振电流的恒定输出，并保证了系统工作频率的稳定性，系统整体结构简单，工作安全可靠。【IPC分类】H02M3/335,H02M1/42【公开号】CN105226952【申请号】CN201510593237【发明人】夏晨阳,陈国平,张杨,柳玉玲,王卫,任思源,谷志鹏,赖娜,王恩同,刘海伟【申请人】中国矿业大学【公开日】2016年1月6日【申请日】2015年9月18日