CN103259345B - 一种并联谐振串联补偿的移动小车的非接触供电*** - Google Patents

Abstract

一种并联谐振串联补偿的移动小车的非接触供电***，由软开关电源、非接触供电原边电路、副边拾电器电路组成。所述的开关电源为软开关电源，由整流桥，滤波电路、EMI电路、逆变桥、开关电源谐振电路和高频变压器等组成。非接触供电原边电路由滤波电感14，并联谐振电容16和非接触供电原边电路电缆4等组成；非接触副边拾电器电路，由拾电器和整流稳压电路等组成。本供电非接触***的优点是可以用小容量的IGBT通过并联谐振的作用，产生比软开关电源1的输出电路20大得多的原边电流22，降低了软开关电源的成本，提高了***的效率。采用软开关电源，使输出到高频变压器的电压接近正弦波，减少了滤波器的成本。<!--1-->

Description

一种并联谐振串联补偿的移动小车的非接触供电***

技术领域

本发明涉及一种采用串并联谐振方法构成的非接触供电***，属于非接触供电领域的移动小车供电、充电装置。

背景技术

为了使移动小车能使用在各种恶劣环境和特殊环境，摆脱使用充电器充电，更换电池以及移动设备拖带电源线等麻烦，非接触供电技术（CPS）的需求越来越多。目前，非接触供电装置已经逐步实用化并逐渐走进我们的日常生活。实现非接触电能传输技术主要包括三种形式：1、感应耦合型；2、无线电接受型；3、共振型。

移动小车供电电动小车***（EMS，Electrified Monorail System）也被称为电动单轨输送***，是具有输送、搬运货物的自动化***，与机械、电气、信息等技术相结合，被广泛应用于汽车、冶金、电子产品等大批量、多品种的流水生产线上，另外在大规模仓储过程中也发挥着重要作用。

移动小车目前有三种供电方式，滑动接触方式、电缆拖链方式、电池充电。这些方式具有的缺点是，需要维护，运行成本比较高，在清洁度高和易燃易爆环境下的可靠性、安全性不足。采用非接触供电方式可以效克服了上述三种供电方式的缺点。非接触供电的优点是：1）高移动性、灵活性，对电动小车的速度和运行距离无限制，同时适用于布局较复杂的电路。2）运行成本低，成本一次投入，可达到几乎免维护。3）安全性高：没有电接触及裸露导线，避免电火花和触电等安全隐患，可用于各种恶劣环境和特殊环境。4）环境友好：无噪声和粉尘释放，排除了电池相关环境污染，绿色安全。5）可靠性高：***无物理摩擦，免除了物理损耗和化学腐蚀，可靠运行有保证。

本发明的非接触供电属于感应耦合型，其原理主要是一次侧线圈和二次侧线圈相邻一定距离，在一次侧线圈中加高频交流大电流，以电磁场为媒介在二次侧线圈感应出电动势，经过整流、滤波、稳压，为移动终端供电或充电，从而实现电能传输。一次侧线圈可沿着移动小车的运行轨道铺设，或者铺设在移动小车的固定充电位置，二次线圈绕在一个E型或者U型等形状的铁氧体磁芯上，安装在移动小车上。为了降低成本和提高效率，本发明采用了并联谐振串联补偿的方法构成非接触供电***。

发明内容

为了发挥非接触供电的优越特性，扩展其使用范围，本发明要解决的问题是降低非接触供电***的成本，提高其电能传输效率。本发明的技术方案如下：

一种电动移动小车的非接触供电***，由软开关电源(包括可选的高频隔离变压器、非接触供电原边电路(由原边补偿电路和沿移动小车运行轨道或充电位置敷设的原边电路的电缆组成)、非接触供电副边电路组成。

本发明的软开关电源主要由整流桥、滤波电路、EMI电路、逆变桥、开关电源串联谐振电感、开关电源串联谐振电容和高频隔离变压器等组成，其作用是产生非接触供电原边电路所需的高频电源并起隔离作用。采用软开关电源，不仅提高了开关电源的效率，也使高频变压器的输入和输出电压接近正弦波，简化了非接触供电原边电路所需的滤波器的结构，降低了***成本，提高了***的效率。

高频隔离变压器的磁芯可考虑选用超微晶材料和铁氧体，线圈采用漆包绞合线(Litz-wire)，以克服集肤效应，减少损耗。

本***的非接触供电原边电路，原边电路的电缆是原边电路的负载，沿着移动小车的运行轨道敷设，或者敷设在移动小车的固定充电位置。并联谐振电容、限流小电感与附加电感/补偿电容和原边电路的电缆的串联构成并联谐振电路。其中附加电感/补偿电容为可选器件。当原边电路的电缆比较短时，其电感较小，则需要串联附加电感，使其与原边电缆串联的感抗与并联谐振电容16的容抗相等，满足并联谐振条件；当原边电路的电缆比较长时，其电感较大，则需要串联补偿电容，抵消一部分原边电缆的感抗，来满足并联谐振条件。当原边电路的电缆长度很长时，限于补偿电容的耐压和成本，可以采用串联多个补偿电容的方式，达到谐振条件。限流小电感是阻止高次谐波电流注入并联谐振电容，以保护并联谐振电容不过流。滤波电感的作用是滤除开关电源的谐波，减少加在并联谐振电容、限流小电感支路上的电压谐波。由负载带来的原边电路的电缆参数的变化，以及温度造成的并联谐振电容、补偿电容的电容量的变化等，使电路脱离谐振点，靠自动调节开关电源的频率解决。

由于非接触供电***的原边电路需要高频大电流，在***设计时采用了并联谐振，其目的是用并联谐振电容中的电容电流补偿原边电路的电缆中的电感电流，为并联谐振电路各电流的相位关系，电容电流与电感电流的相位相差接近180℃，在谐振的条件下，虽然原边电路的电缆和并联谐振电容中的电流比较大，开关电源的输出电流与开关电源的输出电压同相位，只是此***所消耗的有功电流，远远小于原边电路的电缆所需要的电流值。开关电源的容量可以按照负载及***所消耗的功率设计。使得开关管、高频隔离变压器和滤波电感等的容量大大减小，***成本大幅下降。调整设计参数，使并联谐振电容的电流、原边电路的电缆中的电感电流远大于开关电源的输出电流，就可以在开关电源输出比较小的电流时，产生很大的非接触供电***的原边电流，以感应出比较大的功率。

本***的非接触供电副边电路由拾电器和整流、滤波、稳压电路组成。拾电器线圈经过π型滤波器接到由超快恢复二极管构成的整流桥。π型滤波器由电感、电容和电容构成，以滤除高频谐波。从整流桥输出的直流电，经电感、电容滤波，再经过稳压电路得到质量较高的直流电压，供负载使用。

本发明通过并联谐振的作用，可产生比较大的非接触供电原边所需电流，甚至可以产生比软开关电源所用IGBT的标称电流大数倍的非接触供电原边电流，而软开关电源的输出电流仅为比较小的有功电流。有效地降低了软开关电源、高频隔离变压器和滤波电感的成本，提高了***的效率。由于采用软开关电源，使输出到高频变压器的电压接近正弦波，使滤波器的设计简化，甚至可以只用滤波电感就能得到很好的正弦波，降低了其成本和能量损耗。

附图说明

图1是本发明所述的移动小车非接触供电整体结构图

图2是软开关电源的结构简图。

图3是非接触供电原边电路图。

图4是说明非接触供电原边电路图并联谐振的向量图。

图5是非接触供电副边电路图。

图中：1软开关电源，2高频隔离变压器，3非接触供电原边补偿电路，4非接触供电原边电路电缆，5非接触供电副边电路，6市电电源，7整流桥，8滤波电路，9EMI电路,10逆变桥,11IGBT，12开关电源串联谐振电感,13开关电源串联谐振电容，14滤波电感，15限流小电感，16并联谐振电容，17附加电感，18补偿电容，19并联谐振电容的电流，20开关电源的输出电流，21开关电源的输出电压，22原边电路的电缆4中的电感电流，23 拾电器线圈，24，26π型滤波器电容，25π型滤波器电感，27副边电路整流桥，28副边电路滤波电感，29副边电路滤波电容，30稳压电路。

具体实施方式

以下通过技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

本实施例是一个10kW的移动小车非接触供电***，主要分为软开关电源、非接触供电原边电路、非接触供电副边电路。

软开关电源如附图1所示，电源采用三相380伏交流电源6，由整流桥7，滤波电路8、EMI电路9、逆变桥10、开关电源串联谐振电感12、开关电源串联谐振电容13和高频变压器2等组成，其作用是产生非接触供电原边电路所需的高频电源并起隔离作用。其中的开关电源串联谐振电感12、开关电源串联谐振电容13的谐振频率设计为20kHz，软开关电源的工作频率为30kHz可调，即采用开关电源的工作频率高于谐振频率的工作方式，是属于电流连续的工作方式，适合于非接触供电原边电路的需要。

非接触供电原边电路如附图3所示，本例中滤波电感14采用金属磁粉芯做磁芯，用Litz线做线圈绕制。本例中，非接触供电原边电路的电流设计为有效值100A，频率为30kHz。高频变压器二次侧的输出电压，经过滤波电感14滤波后，为有效值180V的正弦波。并联谐振电容16的容量选为3μF，与并联谐振电容串联的限流小电感15选为0.5μH。为了说明发明的有效性，非接触供电原边电路电缆4的长度选择了两种：20米和40米，布置在自行小车运行的轨道旁。长度为20米的实测电感为9.7μH，在开关电源的工作频率为29.5kHz时，达到了谐振状态。这种情况下，附图3中的附加电感17、补偿电容18都不用加。长度为40米的电缆实测电感为19.3μH，这时需要附图3中的补偿电容18加入，以使补偿电容18与原边电路电缆4的串联电感为9.7μH左右，在开关电源的工作频率为29.4kHz时，达到了谐振状态。在实际应用中，原边电路电缆4的电感、并联谐振电容16和附加电容18的电容量等受环境等的影响会有一定的改变，本例中的开关电源可以自动检测原边电路是否工作在谐振状态，并随时调整工作频率使电路工作在谐振状态。为了使接近谐振状态也可以工作，可以将开关电源的功率管IGBT选得大一些。

非接触供电副边电路如附图5所示，图中的电感23为拾电器线圈，由E型铁氧体磁芯和绕在E型磁芯中柱上的绕组构成。由于原边的电压波形较好，实测拾电器线圈23的感应电压波形为光滑的正弦波，所以拾电器线圈23的输出直接接由超快恢复二极管构成的整流桥27，经电感28、电容29滤波为直流，再经过稳压电路30输出恒定的直流电源供移动小车使用。

Claims (2)

1.一种并联谐振串联补偿的移动小车的非接触供电***，该非接触供电***包括高频软开关电源（1）、非接触供电原边电路（3）和非接触供电副边电路（5），其特征在于，

非接触供电原边电路为并联谐振电路，高频软开关电源作为电源通过一个高频电感滤波器加到该并联谐振电路，所述高频软开关电源采用三相380伏交流电源（6），包括整流桥（7），滤波电路(8)、EMI电路（9）、逆变桥（10）、开关电源串联谐振电感（12）、开关电源串联谐振电容（13）和高频变压器(2)；并联谐振电容（16）、限流小电感（15）与附加电感（17）/补偿电容（18）和原边电路电缆（4）的串联构成并联谐振电路；当非接触供电原边电路电缆比较长时，其电感较大，则至少串联一个补偿电容，抵消一部分电路电缆的感抗，来满足并联谐振条件；

非接触供电副边电路由拾电器线圈、整流桥、滤波电路、稳压电路组成；

拾电器线圈为电感，主要由E型铁氧体磁芯和绕在E型磁芯中柱上的绕组构成；所述拾电器线圈的输出直接接由超快恢复二极管构成的整流桥（27），经电感（28）、电容（29）滤波为直流，再经过稳压电路（30）输出恒定的直流电源供移动小车使用。

2.根据权利要求1所述的移动小车的非接触供电***，其特征在于，所述的软开关电源工作频率范围是10kHz—60kHz。