單端補(bǔ)償?shù)男滦蜔o線電能傳輸系統(tǒng)研究

陳 月，沈錦飛

（江南大學(xué)，江蘇無錫214122）

0 引言

近年來，諧振式無線電能傳輸（Wireless Power Transmission，WPT）越來越受到關(guān)注，因?yàn)樗〉粲秒娫O(shè)備錯(cuò)綜復(fù)雜的電線連接，給人們生活帶來很大的方便［1］。最廣泛的諧振式WPT系統(tǒng)由兩個(gè)線圈組成：能量的發(fā)射端和能量的接收端。在發(fā)射和接受線圈兩端分別串聯(lián)或者并聯(lián)上一個(gè)電容器，補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率，并與線圈等效電感發(fā)生諧振，通過電磁場(chǎng)連接兩個(gè)耦合線圈能實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)母咝裕?］。本文提出單端補(bǔ)償WPT系統(tǒng)，系統(tǒng)只有發(fā)射線圈兩端串有補(bǔ)償電容，而接受端諧振電路的主要作用有：（1）補(bǔ)償接收端的無功功率；（2）通過移相控制調(diào)節(jié)輸出功率；（3）實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)諧以保證系統(tǒng)的傳輸效率。本文對(duì)系統(tǒng)的等效電路模型進(jìn)行了理論分析，PSpice仿真和5 kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)果都驗(yàn)證了理論分析的正確性和控制方案的可行性。

1 新型WPT系統(tǒng)的提出

如圖1所示，H橋逆變器作為AC源，VT1～VT4是逆變器的開關(guān)管，Cp是發(fā)射端并聯(lián)補(bǔ)償電容，Rp和Rs是線圈Lp和Ls的寄生電阻，Cs是接收端補(bǔ)償電容并聯(lián)在線圈Ls兩端，二極管不控整流器平行接在Cs兩端，線圈Lp和Ls是通過互感M發(fā)生磁耦合。

圖1 兩種串并式WPT系統(tǒng)

本文提出的新型WPT系統(tǒng)，補(bǔ)償電容Cp仍然串聯(lián)在發(fā)射端，與傳統(tǒng)SP補(bǔ)償系統(tǒng)不同的是舍去了接收端的補(bǔ)償電容，如圖1（b）所示，且接受線圈Ls直接與全橋可控整流器相連，MOSFET管VT5-8是逆變器的開關(guān)管。該系統(tǒng)中，直流電容Co有兩個(gè)作用：（1）濾波作用；（2）對(duì)接收端無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，相當(dāng)于并聯(lián)補(bǔ)償電容。當(dāng)輸入電壓Up和輸出電壓Us的頻率與系統(tǒng)的本征頻率相等時(shí)系統(tǒng)發(fā)生諧振，此時(shí)系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。記Up和Us的相位差為φ，通過移相控制調(diào)節(jié)該WPT系統(tǒng)的輸出功率。

2 新型WPT系統(tǒng)的特性分析

2.1 輸出功率分析

系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，逆變器輸出電壓近似正弦波。寄生電阻很小，為計(jì)算方便，忽略不計(jì)，等效電路如圖2所示。Up是逆變器端電壓，是角頻率ω的方波，ip是發(fā)射線圈中的正弦電流，Us是PWM整流器端電壓，is是接受線圈中的諧振電流，Up、Us之間相位差為φ。

圖2 傳輸系統(tǒng)的等效電路

根據(jù)網(wǎng)孔電流法：

其中L＝Lp＝Ls，諧振角頻率ωo為：

當(dāng)ω＝ωo時(shí)系統(tǒng)發(fā)生諧振。根據(jù)公式（1）可得發(fā)射回路和接受回路的諧振電流Ip和Is分別為：

假設(shè)輸出電壓只有基波分量而沒有高次諧波，則逆變器及整流器端電壓正弦分量Upsin、Ussin分別為：

根據(jù)公式（3）、（4）、（5）可得傳輸功率Ps為：

整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率為：

如果接收端連接的是電阻性負(fù)載則電壓源Us上消耗的功率為

2.2 控制策略

在一個(gè)輸入端和接收端都有電壓源的雙向WPT系統(tǒng)中，通過改變相位角φ，既能改變輸出功率的大小，還能調(diào)節(jié)功率流向［3，4］。本文中只有接收端有電壓源Udc，因此，電能只能從發(fā)射端流向負(fù)載，通過對(duì)發(fā)射端逆變器和接收端整流器觸發(fā)脈沖的控制，來調(diào)節(jié)逆變器端電壓和整流器端電壓的相位差從而控制輸出功率。

簡(jiǎn)單的控制過程如圖3所示。前五條波形是發(fā)射端逆變器開關(guān)管VT1-4的觸發(fā)信號(hào)和輸入電壓波形與正弦分量，后五條是接收端可控整流器開關(guān)管VT5-8的觸發(fā)信號(hào)及輸出電壓和正弦分量。由圖3可知，VT1-4的延遲時(shí)間決定著Up的相位，通過改變VT1、4促發(fā)脈沖的延遲時(shí)間差t來改變輸入電壓Us的相位，而VT5-8的延遲時(shí)間決定Up的相位，改變VT5、8觸發(fā)脈沖的延遲時(shí)間差t來改變輸出電壓Us的相位，實(shí)際上滿足t／T＝φ／2π。

圖3 開關(guān)管的觸發(fā)信號(hào)及相關(guān)電壓波形

開關(guān)管的延遲時(shí)間和相位的關(guān)系如表1。

表1 延遲時(shí)間與相位

因此，可以通過改變延遲時(shí)間t來改變Us和Up的相位差，調(diào)節(jié)輸出電流is的幅值。理想狀態(tài)下當(dāng)輸入端與輸出端相位差恒定在90°時(shí)，輸出功率最大。

3 仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述理論，應(yīng)用電力電子專用仿真軟件包Pspice，分別對(duì)φ＝30°、φ＝60°、φ＝90°時(shí)的 WPT系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)見表2，仿真結(jié)果如圖4。

表2 仿真參數(shù)

圖4 仿真波形

Us超前Up0°到180°之間時(shí)，電能從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮芏耍雎约纳娮瑁眨?0°時(shí)輸出功率最大［5］。忽略寄生電阻的功率損耗、開關(guān)管的開關(guān)損耗和電容器的ESR，WPT系統(tǒng)的傳輸效率應(yīng)為100%，也就是說輸入功率電阻負(fù)載接收的實(shí)際功率等于Pp，但實(shí)際操作不可能達(dá)到絕對(duì)理想的狀態(tài)。由仿真結(jié)果知，系統(tǒng)諧振時(shí)，輸出電流近似于正弦波，其頻率為系統(tǒng)的開關(guān)頻率66.7 k Hz，當(dāng)φ＝90°、30°時(shí)副邊諧振電流峰值is分別為25 A、27 A，而當(dāng)φ＝60°時(shí)is的峰值高達(dá)29 A，輸出功率最大達(dá)5 k W。

本文建立了5 kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，由上文可知當(dāng)移相角為60°時(shí)輸出電流幅值最大，輸出功率最大為5 kW。輸出電壓Us和輸出電流is的波形如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié) 論

與常規(guī)系統(tǒng)相比，本文提出的有源諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，用可控整流器取代了常規(guī)系統(tǒng)的二極管整流橋，且系統(tǒng)中只有一個(gè)補(bǔ)償電容，從而降低了接受回路失諧的可能性。此外，可以通過對(duì)發(fā)射端的逆變器和接收端的可控整流器的相移控制調(diào)節(jié)輸出功率。本文給出了傳輸系統(tǒng)的等效電路，考慮寄生電阻對(duì)系統(tǒng)的影響分別對(duì)相角為90°、60°、30°的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得知在60°時(shí)系統(tǒng)的傳輸功率最大化。相移控制策略可以用來減小寄生電阻對(duì)系統(tǒng)造成的負(fù)面影響，保證系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)功率最大限度的傳輸。5 kW試驗(yàn)樣機(jī)的建立驗(yàn)證了理論分析的正確性和移相控制的可行性。

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