一種特定諧波消除無線電能傳輸系統(tǒng)及其設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無線電能傳輸系統(tǒng)及其設計方法，特別是一種特定諧波消除無線 電能傳輸系統(tǒng)及其設計方法。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)有線電能傳輸技術通過導體之間相連的形式傳送電能，但隨著科學技術的不 斷進步，人們對用電設備安全性，可靠性等的要求越來越高，傳統(tǒng)的接觸式供電弊端越來越 明顯，如容易產(chǎn)生磨損、插電火花、不易維護等。因此，基于感應耦合原理的無線電能傳輸技 術應運產(chǎn)生。目前無線電能傳輸系統(tǒng)將原邊發(fā)射端接于高頻逆變器之后，通過高頻逆變器 產(chǎn)生方波交流電，由傅里葉級數(shù)展開式可知，高頻逆變器輸出之后的方波交流電中含有大 量的三、五、七次等奇數(shù)次諧波，大量的諧波容易導致無線電能傳輸系統(tǒng)中的磁路機構飽和 發(fā)熱、系統(tǒng)整體損耗大，壽命縮短，過載能力和效率降低，嚴重時會使得系統(tǒng)設備損壞，無法 正常工作。
[0003] 為解決諧波對系統(tǒng)功率傳輸帶來的影響，目前采用的方法多是在高頻逆變器之后 加入諧振補償環(huán)節(jié)，即設計一種無源濾波器吸收高次諧波，從而滿足基波的可靠傳輸，采用 該方法對于一般無線電能傳輸系統(tǒng)取得了良好的效果，然而由于沒有從根本上消除高頻逆 變器產(chǎn)生方波電壓中的高頻諧波分量，特別是三次諧波分量，使得無線電能傳輸系統(tǒng)在負 載或者系統(tǒng)結構變化下的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性較差，濾波效果一般。例如，文獻《一種采用級聯(lián) 型多電平技術的IPT系統(tǒng)諧波消除與功率調節(jié)方法》利用階梯波移相疊加合成方法消除輸 出電壓的特定次諧波，但其所需控制算法復雜;文獻《感應式電能傳輸系統(tǒng)電磁機構帶通濾 波特性建模分析》通過對感應式電能傳輸系統(tǒng)電磁機構進行建模分析，提出一種設計帶通 濾波器參數(shù)的方法，該方法雖然可以提高系統(tǒng)濾波特性，但是無法做到諧波的完全消除。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是要提供一種特定諧波消除無線電能傳輸系統(tǒng)及其設計方法，解決 傳統(tǒng)無線電能傳輸系統(tǒng)采用諧振補償環(huán)節(jié)構成基波通道，以濾除三次及以上高次諧波含 量，但在負載或者系統(tǒng)結構變化下的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性較差的問題。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：該系統(tǒng)包括直流電源、高頻逆變器、原邊能量變換發(fā) 射環(huán)節(jié)、副邊能量接收變換環(huán)節(jié)、原邊諧波能量反向注入環(huán)節(jié)和負載;直流電源與高頻逆變 器連接，高頻逆變器與并聯(lián)輸入端的原邊能量變換發(fā)射環(huán)節(jié)和原邊諧波能量反向注入環(huán)節(jié) 連接;原邊能量變換發(fā)射環(huán)節(jié)通過緊耦合變壓器與原邊諧波能量反向注入環(huán)節(jié)連接;原邊 能量變換發(fā)射環(huán)節(jié)通過原邊磁能發(fā)射機構及副邊磁能拾取機構與副邊能量接收變換環(huán)節(jié) 形成電能無線傳輸通道，實現(xiàn)電能的無線傳輸。
[0006] 原邊能量變換發(fā)射環(huán)節(jié)與原邊諧波能量反向注入環(huán)節(jié)分別構成基波通道和三次 諧波提取通道反并聯(lián)于高頻逆變器之后，原邊諧波能量反向注入環(huán)節(jié)提取的三次諧波信號 經(jīng)過補償阻抗調整相位后通過緊耦合變壓器反向注入到原邊能量變換發(fā)射環(huán)節(jié)中，傳至原 邊能量變換發(fā)射環(huán)節(jié)的三次諧波信號與直流電源通過高頻逆變器產(chǎn)生的高頻交流信號進 行疊加作用，實現(xiàn)了基波通道三次諧波的完全濾除；經(jīng)過疊加之后的信號經(jīng)過原邊諧振補 償電容傳至原邊磁能發(fā)射機構，副邊磁能拾取機構基于電磁感應原理拾取原邊磁能發(fā)射機 構上的能量，經(jīng)過副邊諧振補償電容和整流濾波電路為負載供電。
[0007] 所述的高頻逆變器為四個場效應管構成全橋逆變結構。
[0008] 所述的原邊能量變換發(fā)射環(huán)節(jié)包括原邊諧振補償電容、緊耦合變壓器原邊端和原 邊磁能發(fā)射機構;原邊諧振補償電容、原邊磁能發(fā)射機構及緊耦合變壓器原邊端串聯(lián)。
[0009] 所述的副邊能量接收變換環(huán)節(jié)包括副邊磁能拾取機構、副邊諧振補償電容和整流 濾波電路;副邊磁能拾取機構與副邊諧振補償電容串聯(lián)，然后與整流濾波電路輸入端連接； 整流濾波電路的輸出端并聯(lián)有電容C 1;并且原邊能量變換發(fā)射環(huán)節(jié)和副邊能量接收變換環(huán) 節(jié)的固有諧振頻率均為高頻逆變器的開關頻率，從而構成基波通道，用于傳輸電能。
[0010] 所述的原邊諧波能量反向注入環(huán)節(jié)包括選頻網(wǎng)絡、緊耦合變壓器選頻端、補償阻 抗;緊耦合變壓器選頻端與補償阻抗串聯(lián)，然后整體并連于選頻網(wǎng)絡，從而構成三次諧波提 取通道，用于傳輸電能;選頻網(wǎng)絡為選頻電容Co和選頻電感Lo構成的LC選頻網(wǎng)絡;原邊諧波 能量反向注入環(huán)節(jié)與原邊能量變換發(fā)射環(huán)節(jié)反并聯(lián)于高頻逆變器之后，原邊諧波能量反向 注入環(huán)節(jié)提取的三次諧波能量經(jīng)過補償阻抗調整相位后通過緊耦合變壓器反向注入到原 邊能量變換發(fā)射環(huán)節(jié)中，傳至原邊能量變換發(fā)射環(huán)節(jié)的三次諧波信號與直流電源通過高頻 逆變器產(chǎn)生的高頻交流信號進行疊加作用，實現(xiàn)基波通道的三次諧波的完全濾除。
[0011] 緊耦合變壓器原邊端與緊耦合變壓器選頻端繞制于同一"回"型錳鋅鐵氧體磁芯 組成緊耦合變壓器。
[0012] 無線電能傳輸系統(tǒng)的設計方法，具體步驟如下：
[0013] 1)副邊磁能拾取機構電感值Ls計算表達式為
[0015] Req是從整流濾波電路輸入端看進去的等效電阻，其阻值為
(2)
[0017]副邊諧振補償電容與副邊磁能拾取機構串聯(lián)諧振在高頻逆變器的工作頻率下，所 以，副邊諧振補償電容值匕計算表達式為
[0019] 其中，co是高頻逆變器的工作角頻率，Q是副邊諧振補償品質因數(shù)，RL是負載電阻 值；
[0020] 2)根據(jù)系統(tǒng)設計需求，設原邊磁能發(fā)射機構的電感值LP為一固定值，原邊諧振補 償電容與原邊磁能發(fā)射機構及緊耦合變壓器原邊端串聯(lián)諧振于高頻逆變器的工作頻率下， 則原邊諧振補償電容的電容值心計算表達式為
[0022]其中Lo是緊耦合變壓器原邊端的電感值。
[0023] 3)根據(jù)選頻網(wǎng)絡特性，設緊耦合變壓器選頻端電感值為L1;，則選頻網(wǎng)絡中的選頻 電感1^的電感值計算表達式為
[0024] L2 = Li(5)
[0025] 同時，選頻網(wǎng)絡中選頻電容Co的電容值的計算表達式為
[0027] 4)根據(jù)選頻網(wǎng)絡特性，Rl是負載阻值，Mi是原邊磁能發(fā)射機構與副邊磁能拾取機構 的互感值，M2緊耦合變壓器兩端的互感值，則補償阻抗的阻抗值Zw計算表達式為
[0029] 有益效果，由于采用了上述方案，相比于傳統(tǒng)含有諧波濾除裝置的無線電能傳輸 系統(tǒng)，高頻交流電信號先經(jīng)過選頻網(wǎng)絡得到三次諧波信號，再經(jīng)緊耦合變壓器將反向三次 諧波信號傳至基波通道抵消基波通道內的三次諧波信號，使得該系統(tǒng)輸入到基波通道的交 流電源中消除了三次諧波含量，從而使得對諧振網(wǎng)絡的設計更加簡單，并有效減少了由于 負載或系統(tǒng)結構改變引起的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性及波形畸變影響。解決了傳統(tǒng)無線電能傳輸系 統(tǒng)采用諧振補償環(huán)節(jié)構成基波通道，以濾除三次及以上高次諧波含量，但在負載或者系統(tǒng) 結構變化下的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性較差的問題，達到了本發(fā)明的目的。
[0030] 優(yōu)點:切實提高了無線電能傳輸系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，減小系統(tǒng)中的諧波含量。
【附圖說明】：
[0031] 圖1是本發(fā)明的結構示意圖。
[0032] 圖2是本發(fā)明的原邊磁能發(fā)射機構電流波形和選頻網(wǎng)絡電流波形圖 [0033]圖3是本發(fā)明的基波通道輸入電壓圖。
[0034]圖4是本發(fā)明的未加添三次諧波提取通道的無線電能傳輸系統(tǒng)原邊電壓FFT分析 圖。
[0035]圖