CN206077079U - 一种恒流输出的无线电能传输装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种恒流输出的无线电能传输装置，该装置包括直流电源、高频逆变模块、松耦合变压器、副边补偿机构、整流滤波模块、可变阻性负载。特征在于：基于松耦合变压器的漏感模型，通过副边补偿机构参数的合理设计可以实现负载侧输出恒流，实现了电压源到电流源的转换。优点在于：当负载发生动态变化时可以保证输出电流不变，实现了单位功率因数输入特性，降低了***功率容量，同时本实用新型补偿元件数量少，降低了***设计成本，适用于LED等需要恒流供电场合。
Description
技术领域
本实用新型属于无线电能传输领域，具体涉及一种恒流输出的无线电能传输装置。
背景技术
无线电能传输技术实现了用电设备与电源之间非直接电气连接，避免了“有线”电能传输中存在的摩损，老化等问题，是一种安全、可靠、灵活的新型电能传输技术，其中感应耦合电能传输技术因其实现方式简单被广泛应用到矿井、水下等特殊场合。
在感应耦合电能传输***中，能量经松耦合变压器从原边传递到副边，由于松耦合变压器耦合系数较低，所以***能量传输效率不高，通常在原边与副边电路中增加补偿环节来实现谐振以提高***传输性能。基本补偿方式有串串(SS)、串并(SP)、并串(PS)和并并(PP)四种，但是当负载动态变化时，简单的原副边串联或者并联补偿并不能实现***的恒流输出以及单位功率因数输入特性，对于LED等需要恒流驱动的器件，无线电能传输***具有较大的局限性。
为实现在动态负载模式下***的恒流输出，文献《非接触电能传输***恒流技术研究》提出在逆变电路之前串入一个DC-DC环节，通过调节DC-DC的输出电压来控制输出电流恒定；文献《非接触电能传输***恒流充电控制方法研究》通过动态调节不同负载条件下原边注入能量实现输出电流控制；文献《非接触电能传输***恒流控制策略》通过检测原边电路电流，利用移相控制技术调节移相角的大小实现输出电流控制；文献《导抗变换器在感应耦合电能传输中的应用》通过在原边加入LCL补偿拓扑实现原边电流恒定，在副边并联补偿的情况下实现恒流输出；文献《基于LCL补偿的多负载移动式感应非接触电能传输***》通过在原边加入LC元件，与松耦合变压器原边构成LCL补偿，通过电感的合理配置可以实现恒压或者恒流输出；文献《用于磁耦合谐振式无线电能传输***的新型恒流补偿网络》通过在原副边电路引入T型补偿网络实现恒流输出的负载无关性以及单位功率因数输入特性。
以上控制算法及补偿拓扑都可以实现输出电流的负载无关性，但是过多补偿元件的引入增加了电路体积，同时控制算法复杂，***稳定性降低。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种恒流输出的无线电能传输装置，通过参数的合理设计可以实现输出恒流，同时使***处于完全谐振状态，降低***功率容量，减少***设计成本，避免复杂控制算法的引入，提高了***的安全性与可靠性。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种恒流输出的无线电能传输装置由直流电源、高频逆变模块、松耦合变压器、副边补偿机构、整流滤波模块、可变阻性负载依次串联组成，其特征在于：在松耦合变压器与整流滤波之间加入T型补偿机构，该补偿机构由电容C1、电容C2、电感L1组成，其中，电容C1、电容C2的一端与电感L1的一端相连，同时电容C1和C2的另一端组成补偿机构的输入端，C2的另一端和电感L1的另一端组成补偿机构的输出端。
直流电源经过高频逆变模块转变成高频的方波交流电，该交流电经过松耦合变压器以及副边补偿机构传递到整流滤波模块并转变成不随负载而变的直流电。
所述松耦合变压器的理论分析采用漏感模型，由原边漏感Lδ1、励磁电感Lm、理想变压器、副边漏感Lδ2组成。
所述副边补偿机构由电容C1、电容C2、电感L1组成，其中松耦合变压器副边漏感Lδ2与补偿电容C1发生串联谐振，副边补偿电容C2与原边励磁电感Lm等效为电容C2＇，副边补偿电感L1折算到原边为L1＇，电容C2＇与松耦合变压器原边漏感Lδ1发生并联谐振，并且与副边补偿电感L1折算到原边的电感L1＇发生并联谐振。
由于采用上述技术方案，本实用新型具有如下优点：实现了单位功率因数输入特性，降低***功率容量；无需采用复杂控制算法来实现输出恒流，提高了***的稳定性。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图中：1、直流电源；2、高频逆变模块；3、松耦合变压器；4、副边补偿机构；5、整流滤波模块；6、可变阻性负载。
图2为松耦合变压器的漏感模型。
图3为图1***初步简化图。
图4为图1***最终简化图。
图5为图1***的负载输出电流仿真结果示意图。
图6为图1***的高频逆变模块输出电压、电流仿真结果示意图。
其中图(a)为负载等于50Ω时高频逆变模块输出电压、电流波形；图(b)为负载等于100Ω时高频逆变模块输出电压、电流波形。
具体实施方式
为了使本实用新型目的、内容和有益效果更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述。
如图1所示，一种恒流输出的无线电能传输装置由直流电源1、高频逆变模块2、松耦合变压器3、副边补偿机构4、整流滤波模块5、可变阻性负载6组成。
所述直流电源1可以由市电经整流滤波获得，也可以由直流电压源直接供电。
所述高频逆变模块2可以由半桥、全桥、E类放大器组成，本实用新型采用全桥逆变电路，对4个开关管的控制采用180°互补导通方式。
所述松耦合变压器3由原边漏感Lδ1、励磁电感Lm、理想变压器、副边漏感Lδ2组成，如图2所示。
所述整流滤波模块由四只快恢复二极管与滤波电容组成。
所述副边补偿机构由电容C1、电容C2、电感L1组成T型补偿网络，其中电容C1与松耦合变压器副边漏感Lδ2串联谐振。即***工作频率ωo满足下式：
所述副边补偿机构中补偿电容C2折算到原边电路与松耦合变压器励磁电感Lm并联，等效为电容C2＇，C2＇可以表示为：
其中n＝N2/N1。
所述副边补偿机构中补偿电感L1折算到原边电路，等效为电感L1＇，L1＇可以表示为：
所述等效电容C2＇与松耦合变压器原边漏感Lδ1并联谐振，并且与副边补偿机构中电感L1的折算值L1＇也发生并联谐振。即***工作频率ωo满足下式：
由式(1)、(2)及(3)可知，图1中的***结构示意图可以简化为图3所示。其中Uin、Iin为高频逆变模块输出电压、电流；Ip为流过理想变压器原边的电流；N1：N2为理想变压器原副边线圈匝比；Req为整流滤波模块与可变阻性负载R的交流等效电阻；Io为***输出电流。
由图3可知：
根据诺顿等效原理与变压器阻抗变换关系，图3可以简化为图4所示，其中R＇可以表示为：
由式(4)可知，当电感Lδ1与电容C2＇发生并联谐振时，Ip可以表示为：
将式(7)代入式(5)可得：
由式(8)可知，当***工作在频率ωo时，***输出电流不随负载变化而发生变化，具有恒流源特性。
结合式(6)，由图3可知，***输入阻抗Zin可以表示为：
将式(4)代入式(9)可得：
由式(10)可知***输入阻抗为纯阻性，没有感性或者容性分量存在，实现了单位功率因数输入特性，***处于完全谐振状态。
在上述分析的基础上，用Matlab/Simulink***仿真软件对该***进行仿真分析，为了研究负载动态变化时***输出电流变化情况，在***仿真0.5s时将负载从50Ω切换到100Ω，***输出电流以及高频逆变模块输出电压、电流波形如图5、图6所示。
由图5可知，当负载在0.5s从50Ω切换到100Ω时，输出电流可以很好的保持恒定，输出电流与负载无关；由图6(a)、图6(b)可知，在0.5s前后，高频逆变模块输出电压、电流波形基本同相，说明了***的单位功率因数输入特性，即***处于完全谐振状态，***传输效率较高。
Claims (1)
1.一种恒流输出的无线电能传输装置，该装置由直流电源、高频逆变模块、松耦合变压器、副边补偿机构、整流滤波模块、可变阻性负载依次串联连接，其特征在于：在松耦合变压器与整流滤波模块之间加入T型补偿机构，该补偿机构由电容C1、电容C2、电感L1组成，其中，电容C1、电容C2的一端与电感L1的一端相连，同时电容C1和C2的另一端组成补偿机构的输入端，C2的另一端和电感L1的另一端组成补偿机构的输出端。
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