專利名稱：基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)及其移相控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力電子技術領域，涉及到非接觸電能傳輸系統(tǒng)，特別涉及一種基于阻抗源 逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)及其移相控制方法。
背景技術：
目前為止，非接觸電能傳輸系統(tǒng)的主電路拓撲結(jié)構(gòu)主要是電壓源逆變和電流源逆變兩種 ，還沒有出現(xiàn)基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的研究。另外，在非接觸電能傳輸系 統(tǒng)工作過程中，由于負載變化等因素會導致系統(tǒng)輸入功率以及負載電壓發(fā)生改變，使負載無 法在額定狀態(tài)下工作，產(chǎn)生資源浪費，國內(nèi)外對該方面的研究也很少。
文獻《小型非接觸電能傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)》(《電力電子技術》，2009年第1期，趙彪 等)采用電壓源逆變器進行非接觸電能傳輸系統(tǒng)的設計，全橋逆變器的控制方法是對角線上 的兩對功率開關管互補導通，在逆變電路輸入電壓及耦合參數(shù)一定得情況下，這種控制方式 無法實現(xiàn)對輸出功率的調(diào)節(jié)，必須在逆變器前串聯(lián)一個DC/DC環(huán)節(jié)來調(diào)節(jié)逆變器輸入電壓， 從而改變輸出功率，這樣既增加了系統(tǒng)的成本及控制難度，又降低了系統(tǒng)的效率及可靠性。
文獻《非接觸供電移相控制系統(tǒng)建模研究》(《電工技術學報》，2008年第7期，蘇玉剛 ，王智慧)提出了電流型非接觸電能傳輸系統(tǒng)的移相控制策略，通過調(diào)整全橋逆變器的橋壁 直通時間來控制系統(tǒng)的傳輸功率。但由于電流源逆變器的負載只能是電容性，而非接觸電能 傳輸系統(tǒng)的等效負載為阻感性，導致文中系統(tǒng)只能在全諧振或準諧振的狀態(tài)下工作；另外， 電流源逆變器的交流輸出電壓只能高于輸入直流電壓，故文中設計的系統(tǒng)只能對傳輸功率進 行提升，無法在需要雙向調(diào)功的場合應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提出一種基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)及其 移相控制方法，實現(xiàn)非接觸電能傳輸系統(tǒng)傳輸功率和負載電壓的雙向調(diào)節(jié)，解決非接觸電能 傳輸系統(tǒng)中因負載變化等因素使負載無法在額定狀態(tài)下工作的問題。 本發(fā)明采取的技術方案如下
該系統(tǒng)以耦合器為界將電路分為發(fā)送和接收兩部分。發(fā)送部分包括輸入直流電源、 阻抗源網(wǎng)絡、逆變電路和感應耦合器原邊繞組，輸入的直流電信號經(jīng)阻抗源網(wǎng)絡后，傳送給 逆變電路，逆變電路將接收的電信號變換為高頻信號供給感應耦合器原邊繞組；其中為了防 止電流回流，必須在直流電源后串聯(lián)二極管；接收部分包括感應耦合器副邊繞組和整流濾波電路，感應耦合器副邊繞組將從感應耦合器原邊繞組耦合得到的電信號送給整流濾波電路得 到直流信號提供給負載。
上述基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的移相控制方法是通過驅(qū)動脈沖中移相角 的設定來減小系統(tǒng)的傳輸功率和負載電壓，同時通過在移相角中加入直通時間來增大系統(tǒng)的 傳輸功率和負載電壓，實現(xiàn)傳輸功率和負載電壓的雙向調(diào)節(jié)。具體步驟如下
根據(jù)降壓要求確定移相角度，所述的移相角度小于180度。 (2)根據(jù)升壓要求和步驟l的移相角度確定每半個周期的直通角度。所述的直通零矢量 狀態(tài)在移相死區(qū)狀態(tài)中注入，此時4個開關管均導通或同一橋臂的2個開關管導通，每半個周 期的直通角度小于一個周期的移相角度。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明所述的阻抗源逆變器的移相控制策略對應用到全橋、半橋逆 變電路的阻感系統(tǒng)都適用，有較強的工程意義。該系統(tǒng)使逆變橋臂能夠承受瞬時的短路和開 路，增加了系統(tǒng)的可靠性；為阻抗源逆變器找到了新的應用領域，也為非接觸電能傳輸系統(tǒng) 的研究開辟了新的思路。通過驅(qū)動脈沖中移相角的設定來減小系統(tǒng)的傳輸功率和負載電壓， 同時通過在移相角中加入直通時間來增大系統(tǒng)的傳輸功率和負載電壓，實現(xiàn)了傳輸功率和負 載電壓的雙向調(diào)節(jié)，解決了非接觸電能傳輸系統(tǒng)中因負載變化等因素使負載無法在額定狀態(tài) 下工作的問題，將大大推動非接觸電能傳輸技術的實用化進程。


圖l是基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖。 圖2是基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的移相控制脈沖及工作波形圖。 圖3是移相角和直通角均為0時，開關管控制脈沖、逆變輸出電壓和耦合器原邊電流波形圖。
圖4是移相角為54度、直通角為O時，開關管移相控制脈沖、逆變器輸出電壓和耦合器原 邊電流波形圖。
圖5是移相角為54度、直通角為45度時，開關管控制脈沖。圖6是移相角為54度、直通角 為45度時，逆變器輸入、輸出電壓及耦合器原邊電流波形。
具體實施例方式
下面結(jié)合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施例。
如圖1所示，該圖為基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖。在此電路 圖中，以耦合器為界將電路分為發(fā)送和接收兩部分。發(fā)送部分包括輸入直流電源，它可以通 過對交流電網(wǎng)整流濾波得到；阻抗源網(wǎng)絡，使逆變橋臂能夠承受瞬時的短路和開路，增加系統(tǒng)可靠性，并且通過特殊的控制方式引入直通零矢量和開路零矢量，從而給逆變器提供升壓 和降壓的可能性，另外，為了防止電流的回流，必須在電壓源后串聯(lián)二極管；高頻逆變電路 ，用于給耦合器原邊繞組提供高頻交流電流。接收部分包括整流濾波電路，用于將耦合器輸 出的交流電壓變換成直流電壓，供直流負載使用。
如圖2所示，為基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)在移相控制下各開關管的控制 脈沖、直通零矢量的注入脈沖及逆變器的輸入、輸出波形。在時間間隔[^'^與[￡^4]中，基 于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的逆變橋臂短路，阻抗源網(wǎng)絡的直流電感一和^被充 電儲能；在時間間隔^^與^'g中，充電后的電感A和^通過原邊諧振回路釋放能量，從 而使系統(tǒng)的輸出功率得到增強；在時間間隔[￡^3]與[^^]中，基于阻抗源逆變器的非接觸電 能傳輸系統(tǒng)的逆變橋臂開路，逆變輸出電壓為零，使系統(tǒng)輸出功率降低。為了使移相控制的 逆變輸出電壓不發(fā)生變化，這里選擇了在移相死區(qū)時間里加入直通零矢量。
根據(jù)上述分析，搭建了基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)及其移相控制方法的實 驗平臺。阻抗源網(wǎng)絡電感一^均為20mH，電容^^均為220^;感應耦合器采用自制的罐狀 鐵氧體鐵心，其原邊自感為300，副邊自感為300^，在氣隙為6mm時，互感為134.2^;感 應耦合器原邊串聯(lián)電容為0.047^;開關頻率為50kHz，輸入電壓有效值為20V，負載為1()G 電阻，為了避免諧振時電流過大，在原邊串聯(lián)50^電阻。
圖3為移相角和直通角均為0時，開關管\、、控制脈沖、逆變輸出電壓和耦合器原邊 電流波形圖(Y和、、V^和、的控制脈沖相同)；圖4為移相角為54度、直通角為O時，開 關管Vi、、移相控制脈沖、逆變器輸出電壓和耦合器原邊電流波形圖(、和、、^和、的 控制脈沖互補)；圖5為移相角為54度、直通角為45度時，開關管控制脈沖圖；圖6為移相角 為54度、直通角為45度時，逆變器輸入、輸出電壓及耦合器原邊電流波形圖。從圖中可以看 出通過移相角和直通角的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了原邊電流減小和增大的調(diào)節(jié)功能，進而完成了傳輸功 率和負載電壓的雙向調(diào)節(jié)。
權利要求
1.一種基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)以耦合器為界將電路分為發(fā)送和接收兩部分；發(fā)送部分包括輸入直流電源、阻抗源網(wǎng)絡、逆變電路和感應耦合器原邊繞組，輸入的直流電信號經(jīng)阻抗源網(wǎng)絡后，傳送給逆變電路，逆變電路將接收的電信號變換為高頻信號供給感應耦合器原邊繞組，直流電源后串聯(lián)二極管；接收部分包括感應耦合器副邊繞組和整流濾波電路，感應耦合器副邊繞組將從感應耦合器原邊繞組耦合得到的電信號送給整流濾波電路得到直流信號提供給負載。
2.權利要求l所述基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的移相控 制方法，其特征在于上述基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的移相控制是通過驅(qū)動 脈沖中移相角的設定來減小系統(tǒng)的傳輸功率和負載電壓，同時通過在移相角中加入直通時間 來增大系統(tǒng)的傳輸功率和負載電壓，實現(xiàn)傳輸功率和負載電壓的雙向調(diào)節(jié)；具體步驟如下(1) 根據(jù)降壓要求確定移相角度；所述的移相角度小于180度；(2) 根據(jù)升壓要求和步驟1的移相角度確定每半個周期的直通角度；所述的直通零矢量狀 態(tài)在移相死區(qū)狀態(tài)中注入，此時4個開關管均導通或同一橋臂的2個開關管導通，每半個周期 的直通角度小于一個周期的移相角度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)及其移相控制方法。以耦合器為界將電路分為發(fā)送和接收兩部分發(fā)送部分包括輸入直流電源、阻抗源網(wǎng)絡、逆變電路和感應耦合器原邊繞組，其中為了防止電流回流，必須在電壓源后串聯(lián)二極管；接收部分包括感應耦合器副邊繞組和整流濾波電路。在該系統(tǒng)中，通過驅(qū)動脈沖中移相角的設定來減小系統(tǒng)的傳輸功率和負載電壓，同時通過在移相角中加入直通時間來增大系統(tǒng)的傳輸功率和負載電壓，實現(xiàn)傳輸功率和負載電壓的雙向調(diào)節(jié)。本發(fā)明解決非接觸電能傳輸系統(tǒng)中因負載變化等因素使負載無法在額定狀態(tài)下工作的問題，推動非接觸電能傳輸技術的實用化進程。
文檔編號H02J17/00GK101540554SQ20091030223
公開日2009年9月23日 申請日期2009年5月12日 優(yōu)先權日2009年5月12日
發(fā)明者冷志偉, 彪 趙, 陳希有 申請人:大連理工大學