一種非接觸電能與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】一種非接觸電能與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)及其控制方法，屬于同步傳輸系統(tǒng)及其控制方法。該系統(tǒng)包括直流電壓環(huán)節(jié)、高頻逆變環(huán)節(jié)、原邊能量變換環(huán)節(jié)、副邊能量變換環(huán)節(jié)、原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)、副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)及負(fù)載；高頻逆變環(huán)節(jié)后并聯(lián)連接有原邊能量變換環(huán)節(jié)及原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)，分別構(gòu)成基波和三次諧波提取通道；通過(guò)控制原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)中開關(guān)器件的通斷將信號(hào)加載到三次諧波通道電路中，經(jīng)過(guò)全耦合變壓器將信號(hào)電流耦合到原邊能量變換環(huán)節(jié)；再將能量電流與信號(hào)電流由同一松耦合磁路機(jī)構(gòu)同時(shí)傳送到副邊后，經(jīng)副邊能量變換環(huán)節(jié)與副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)將能量電流與信號(hào)電流分離，實(shí)現(xiàn)電能與信號(hào)同步傳輸。輸出功率穩(wěn)定、信號(hào)傳輸速率快、體積小、效率高。
【專利說(shuō)明】
-種非接觸電能與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種同步傳輸系統(tǒng)及其控制方法，特別是一種非接觸電能與信號(hào)同步 傳輸系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 非接觸電能傳輸技術(shù)的出現(xiàn)很好的解決了移動(dòng)設(shè)備、礦井等某些特定環(huán)境下電能 安全可靠傳輸?shù)膯?wèn)題。在目前非接觸電能傳輸技術(shù)廣泛應(yīng)用的有軌電車、手機(jī)無(wú)線充電等 領(lǐng)域，不僅需要能量的傳遞為系統(tǒng)提供運(yùn)行動(dòng)力，還需要信號(hào)的同步傳輸來(lái)傳輸控制指令、 反饋系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。目前廣泛研究的非接觸電能與信號(hào)同步傳輸技術(shù)主要有W下幾種：
[0003] (1)增設(shè)信號(hào)禪合線圈，使電能與信號(hào)分別通過(guò)不同通道進(jìn)行傳輸。該方法使系統(tǒng) 的不穩(wěn)定性增加，多個(gè)線圈之間的相互禪合影響了電能輸出并使信號(hào)傳輸?shù)恼`碼率升高。
[0004] (2)調(diào)幅調(diào)制。通過(guò)改變逆變環(huán)節(jié)前的直流變換環(huán)節(jié)(Buck或Boost電路）中開關(guān)管 的導(dǎo)通占空比調(diào)節(jié)系統(tǒng)的能量輸入，然后從副邊的能量信息流中提取出數(shù)字信號(hào)。該方法 中的直流變換環(huán)節(jié)使系統(tǒng)階數(shù)增加，增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，且通過(guò)直接改變能量回路的 電壓幅值來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳遞影響了整個(gè)系統(tǒng)能量輸出的穩(wěn)定性。
[0005] (3)注入式調(diào)幅調(diào)制。通過(guò)禪合線圈將頻率是主電路工作頻率20倍的正弦波禪合 在逆變電壓的同向電平上進(jìn)行能量信號(hào)的同步傳輸。該方法只在方波電壓的單向電平上進(jìn) 行信號(hào)加載，信號(hào)傳輸速率較低。而且由于IX諧振網(wǎng)絡(luò)良好的濾波特性，信號(hào)波與能量波頻 率相差太大而無(wú)法通過(guò)同一參數(shù)的IX諧振網(wǎng)絡(luò)，所W副邊需增設(shè)額外的信號(hào)松禪合線圈。
[0006] (4)調(diào)頻調(diào)制。通過(guò)切換高頻逆變環(huán)節(jié)的逆變周期來(lái)進(jìn)行能量與信號(hào)的傳遞。該方 法在系統(tǒng)諧振頻率與載波頻率相差較大時(shí)，電能輸出效率嚴(yán)重降低。
[0007] 對(duì)于方式(2)、（3)、（4)，受限于信號(hào)的傳輸方式，信號(hào)的傳輸速率一般都比較低， 而且在傳輸信號(hào)的同時(shí)，電能傳輸功率受到了影響。
【發(fā)明內(nèi)容】
[000引本發(fā)明的目的是要提供一種非接觸電能與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)及其控制方法，實(shí)現(xiàn) 電能與信號(hào)的同步傳輸，并不增設(shè)額外的松禪合磁路機(jī)構(gòu)，減少線圈之間的互感禪合，提高 系統(tǒng)能量輸出的穩(wěn)定性、有效提高信號(hào)傳輸?shù)乃俾省?br>[0009]本發(fā)明的目的是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：同步傳輸系統(tǒng)包括:直流電壓環(huán)節(jié)、高頻逆變環(huán)節(jié)、 原邊能量變換環(huán)節(jié)、副邊能量變換環(huán)節(jié)、原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)、副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)及負(fù)載;高 頻逆變環(huán)節(jié)的輸入端連接有直流電壓環(huán)節(jié);高頻逆變環(huán)節(jié)的輸出端并聯(lián)連接有原邊能量變 換環(huán)節(jié)及原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)，分別構(gòu)成基波和=次諧波提取通道;原邊能量變換環(huán)節(jié)與副 邊能量變換環(huán)節(jié)通過(guò)原邊磁能發(fā)射線圈和副邊磁能拾取線圈禪合連接;原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié) 與原邊能量變換環(huán)節(jié)通過(guò)原邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈與原邊信號(hào)拾取禪合線圈禪合連接;副邊 能量變換環(huán)節(jié)與副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)通過(guò)副邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈與副邊信號(hào)拾取禪合線圈 禪合連接;副邊能量變換環(huán)節(jié)的輸出端連接有負(fù)載。
[0010] 所述的直流電壓環(huán)節(jié)為直流電壓源。
[0011] 所述的高頻逆變環(huán)節(jié)為四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成全橋逆變結(jié)構(gòu)。
[0012] 所述的原邊能量變換環(huán)節(jié)，原邊信號(hào)拾取禪合線圈與原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)的原邊信 號(hào)發(fā)射禪合線圈繞制于同一"回"型儘鋒鐵氧體磁忍組成全禪合變壓器;原邊磁能發(fā)射線圈 與副邊能量變換環(huán)節(jié)的副邊磁能拾取線圈呈非接觸狀態(tài)組成松禪合磁路機(jī)構(gòu);原邊信號(hào)拾 取禪合線圈、原邊磁能發(fā)射線圈及原邊能量諧振補(bǔ)償電容串聯(lián)。
[0013] 所述的副邊能量變換環(huán)節(jié)，副邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈與副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)的副邊信 號(hào)拾取禪合線圈繞制于同一"回"型儘鋒鐵氧體磁忍組成全禪合變壓器；副邊磁能拾取線 圈、副邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈、副邊能量諧振補(bǔ)償電容串聯(lián)，原邊能量變換環(huán)節(jié)和副邊能量變 換環(huán)節(jié)的固有諧振頻率均為高頻逆變環(huán)節(jié)輸出方波電壓中基波的頻率，構(gòu)成基波提取通 道，用于傳輸電能。
[0014] 所述的原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)的原邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈、原邊信號(hào)諧振補(bǔ)償電容、調(diào) 諧電感與信號(hào)控制環(huán)節(jié)串聯(lián);原邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈與原邊信號(hào)諧振補(bǔ)償電容的固有諧振 頻率為逆變環(huán)節(jié)輸出方波電壓中=次諧波的頻率;調(diào)諧電感使整個(gè)回路工作在諧振狀態(tài)， 即方波電壓、基波能量電流、諧波信號(hào)電流擁有相同的過(guò)零點(diǎn)。
[001引所述的信號(hào)控制環(huán)節(jié)包括電路電阻Rp21、信號(hào)電阻Rp22、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器和雙向開 關(guān)。
[0016] 信號(hào)電阻Rp22與雙向開關(guān)串聯(lián)，二者同時(shí)與電路電阻化21并聯(lián)；由數(shù)字信號(hào)發(fā)生器 發(fā)出信號(hào)控制雙向開關(guān)的通斷，控制信號(hào)電阻化22的切入、切出將數(shù)字信號(hào)信息加載到原邊 信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié);所述的雙向開關(guān)包括開關(guān)管VI、開關(guān)管V2、二極管化和二極管化，開關(guān)管Vl與 二極管化、開關(guān)管V2與二極管化均反并聯(lián)，同時(shí)，二極管化與二極管化的陰極相串聯(lián)，從而使 開關(guān)管Vl與二極管化、開關(guān)管V2與二極管化構(gòu)成兩個(gè)橋臂，使系統(tǒng)無(wú)論處于交流電流的正向 還是負(fù)向，控制信號(hào)為1時(shí)，電路都可導(dǎo)通。
[0017] 所述的副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)，副邊信號(hào)拾取禪合線圈、副邊信號(hào)諧振補(bǔ)償電容串聯(lián)， 然后與包絡(luò)檢波電路連接;副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)的固有諧振頻率也為逆變環(huán)節(jié)輸出方波電壓 中=次諧波的頻率，構(gòu)成=次諧波提取通道，用于傳輸信號(hào)。所述的包絡(luò)檢波電路包括電阻 R、二極管D、電容Co和信號(hào)負(fù)載電阻Ro;電阻R與二極管D串聯(lián)，然后與并聯(lián)的電容Co和信號(hào)負(fù) 載電阻Ro再并聯(lián)。
[001引所述的負(fù)載為電阻化。
[0019] 傳輸系統(tǒng)的傳輸方法，通過(guò)雙向開關(guān)控制原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)中信號(hào)電阻化22的切 入、切出將數(shù)字信號(hào)信息W電流幅值大小的形式加載到電路中，然后通過(guò)全禪合變壓器將 原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)的電流信息禪合到原邊能量變換環(huán)節(jié)，使原邊能量變換環(huán)節(jié)中的電流為 既攜帶了電能又加載了信號(hào)信息的基波與諧波的合成波，二者通過(guò)同一松禪合磁路機(jī)構(gòu)禪 合到副邊后，由諧振頻率不同的LC串聯(lián)諧振電路組成副邊能量變換環(huán)節(jié)及副邊信號(hào)解調(diào)環(huán) 節(jié)將能量信號(hào)分離提取后利用;非接觸電能傳輸系統(tǒng)原邊能量變換環(huán)節(jié)與副邊能量變換環(huán) 節(jié)的磁路機(jī)構(gòu)均為兩個(gè)線圈串聯(lián)而成;信號(hào)電流磁場(chǎng)與能量電流磁場(chǎng)的禪合由全禪合變壓 器實(shí)現(xiàn);原邊能量變換環(huán)節(jié)的磁能發(fā)射機(jī)構(gòu)與副邊能量變換環(huán)節(jié)的磁能拾取機(jī)構(gòu)之間通過(guò) 互感禪合，實(shí)現(xiàn)電能與信號(hào)從原邊到副邊的非接觸傳輸；
[0020] 具體控制方法步驟如下：
[0021] (I)通過(guò)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器發(fā)出控制信號(hào)改變雙向開關(guān)的導(dǎo)通關(guān)斷從而控制信號(hào)電 阻Rp22的切入切出；當(dāng)傳輸信號(hào)為"r時(shí)，信號(hào)電阻Rp2徹入；當(dāng)傳輸信號(hào)為"0"時(shí)，信號(hào)電阻 化22切除；W此改變?cè)呅盘?hào)調(diào)制環(huán)節(jié)的電流幅值，將數(shù)字信號(hào)信息加載到原邊信號(hào)調(diào)制環(huán) -H- T ;
[0022] (2)通過(guò)原邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈與原邊信號(hào)拾取禪合線圈組成的全禪合變壓器將 帶有信號(hào)信息的=次諧波電流加載到原邊能量變換環(huán)節(jié)；
[0023] (3)將基波能量電流與諧波信號(hào)電流通過(guò)原邊磁能發(fā)射線圈與副邊磁能拾取線圈 組成的松禪合磁路機(jī)構(gòu)同時(shí)傳送到副邊。
[0024] 有益效果及優(yōu)點(diǎn)，由于采用了上述方案，是利用系統(tǒng)諧波傳輸信號(hào)的非接觸電能 傳輸系統(tǒng)信號(hào)傳輸方法;原邊能量電流與信號(hào)電流、副邊能量電流與信號(hào)電流之間由全禪 合變壓器進(jìn)行禪合，電路體積小、效率高、電磁隔離易實(shí)現(xiàn)；電能與信號(hào)從原邊到副邊的非 接觸傳輸通過(guò)同一對(duì)磁路機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，減少了電路中各線圈之間的互感禪合，提高了系統(tǒng)穩(wěn) 定性，使信號(hào)傳輸?shù)恼`碼率降低;利用電阻的切換調(diào)節(jié)電流幅值來(lái)表示數(shù)字信號(hào)信息，使電 路工作在諧振狀態(tài)，系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定；同時(shí)，利用諧波傳遞信號(hào)，由于諧波頻率較高，系統(tǒng) 信號(hào)傳輸速率較快。
[0025] 此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電能與信號(hào)的同步傳輸，并不增設(shè)額外的松禪合磁路機(jī)構(gòu)，減少了 線圈之間的互感禪合，提高了系統(tǒng)能量輸出的穩(wěn)定性，同時(shí)還有效提高了信號(hào)傳輸?shù)乃俾剩?達(dá)到了本發(fā)明的目的。
【附圖說(shuō)明】：
[0026] 圖1是本發(fā)明的電路原理圖。
[0027] 圖2是本發(fā)明的控制信號(hào)為1時(shí)電路原理圖。
[0028] 圖3是本發(fā)明的控制信號(hào)為加寸電路原理圖。
[0029] 圖4(a)是本發(fā)明的信號(hào)傳輸速率化化、控制信號(hào)為1時(shí)原邊相關(guān)參數(shù)波形圖。
[0030] 圖4(b)是本發(fā)明的信號(hào)傳輸速率化化、控制信號(hào)為加寸原邊相關(guān)參數(shù)波形圖。
[0031] 圖5是本發(fā)明的信號(hào)傳輸速率化化時(shí)系統(tǒng)輸出電壓波形圖。
[0032] 圖6是本發(fā)明的信號(hào)傳輸速率化化時(shí)系統(tǒng)輸入及輸出信號(hào)波形圖。
[0033] 圖7是本發(fā)明的信號(hào)傳輸速率化化時(shí)系統(tǒng)解調(diào)后輸出信號(hào)波形圖。
[0034] 圖8是本發(fā)明的信號(hào)傳輸速率4k化時(shí)系統(tǒng)輸出電壓波形圖。
[0035] 圖9是本發(fā)明的信號(hào)傳輸速率4k化時(shí)系統(tǒng)輸入及輸出信號(hào)波形圖。
[0036] 圖10是本發(fā)明的信號(hào)傳輸速率4k化時(shí)系統(tǒng)解調(diào)后輸出信號(hào)波形圖。
[0037] 圖中，1、直流電壓環(huán)節(jié);2、高頻逆變環(huán)節(jié);3、原邊能量變換環(huán)節(jié);4、副邊能量變換 環(huán)節(jié);5、原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié);6、副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié);7、負(fù)載;8、原邊信號(hào)拾取禪合線圈；9、原 邊磁能發(fā)射線圈；10、原邊能量諧振補(bǔ)償電容；11、原邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈；12、調(diào)諧電感； 13、副邊信號(hào)諧振補(bǔ)償電容；14、信號(hào)控制環(huán)節(jié)；15、副邊磁能拾取線圈；16、副邊信號(hào)發(fā)射禪 合線圈；17、副邊能量諧振補(bǔ)償電容；18整流濾波環(huán)節(jié)；19、副邊信號(hào)拾取禪合線圈；20、副邊 信號(hào)諧振補(bǔ)償電容;21、包絡(luò)檢波電路。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 同步傳輸系統(tǒng)包括:直流電壓環(huán)節(jié)I、高頻逆變環(huán)節(jié)2、原邊能量變換環(huán)節(jié)3、副邊能 量變換環(huán)節(jié)4、原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5、副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)6及負(fù)載7;高頻逆變環(huán)節(jié)2的輸入端 連接有直流電壓環(huán)節(jié)1;高頻逆變環(huán)節(jié)2的輸出端并聯(lián)連接有原邊能量變換環(huán)節(jié)3及原邊信 號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5,分別構(gòu)成基波和=次諧波提取通道;原邊能量變換環(huán)節(jié)3與副邊能量變換環(huán) 節(jié)4通過(guò)原邊磁能發(fā)射線圈9和副邊磁能拾取線圈15禪合連接;原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5與原邊 能量變換環(huán)節(jié)3通過(guò)原邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈11與原邊信號(hào)拾取禪合線圈8禪合連接;副邊能 量變換環(huán)節(jié)4與副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)6通過(guò)副邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈16與副邊信號(hào)拾取禪合線 圈19禪合連接;副邊能量變換環(huán)節(jié)4的輸出端連接有負(fù)載7。所述的直流電壓環(huán)節(jié)1為直流電 壓源。
[0039] 所述的高頻逆變環(huán)節(jié)2為四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成全橋逆變結(jié)構(gòu)。
[0040] 所述的原邊能量變換環(huán)節(jié)3,原邊信號(hào)拾取禪合線圈化P22與原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5的 原邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈11LP21繞制于同一"回"型儘鋒鐵氧體磁忍組成全禪合變壓器;原邊 磁能發(fā)射線圈化Pi與副邊磁能拾取線圈15LS1呈非接觸狀態(tài)組成松禪合磁路機(jī)構(gòu);原邊信號(hào) 拾取禪合線圈8LP22、原邊磁能發(fā)射線圈9Lp成原邊能量諧振補(bǔ)償電容IOCpi串聯(lián)。
[0041] 所述的副邊能量變換環(huán)節(jié)4,副邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈16LS21與副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)6 的副邊信號(hào)拾取禪合線圈19LS22繞制于同一"回"型儘鋒鐵氧體磁忍組成全禪合變壓器;畐山 邊磁能拾取線圈15LS1、副邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈16LS21、副邊能量諧振補(bǔ)償電容17CS1串聯(lián)，原 邊能量變換環(huán)節(jié)3和副邊能量變換環(huán)節(jié)4的固有諧振頻率均為高頻逆變環(huán)節(jié)輸出方波電壓 中基波的頻率，構(gòu)成基波提取通道，用于傳輸電能。
[0042] 所述的原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5的原邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈11LP21、調(diào)諧電感12 k、原邊 信號(hào)諧振補(bǔ)償電容13CP2與信號(hào)控制環(huán)節(jié)14串聯(lián);原邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈11LP21與原邊信號(hào) 諧振補(bǔ)償電容13CP2的固有諧振頻率為逆變環(huán)節(jié)輸出方波電壓中=次諧波的頻率;調(diào)諧電感 12U使整個(gè)回路工作在諧振狀態(tài)，即方波電壓、基波能量電流、諧波信號(hào)電流擁有相同的過(guò) 零占. y ?、、，
[0043] 所述的信號(hào)控制環(huán)節(jié)14包括電路電阻Rp21、信號(hào)電阻Rp22、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器和雙向 開關(guān)；
[0044] 信號(hào)電阻Rp22與雙向開關(guān)串聯(lián)，二者同時(shí)與電路電阻化21并聯(lián)；由數(shù)字信號(hào)發(fā)生器 發(fā)出信號(hào)控制雙向開關(guān)的通斷，控制信號(hào)電阻化22的切入、切出將數(shù)字信號(hào)信息加載到原邊 信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5;所述的雙向開關(guān)包括開關(guān)管VI、開關(guān)管V2、二極管化和二極管〇6,開關(guān)管Vl與 二極管化、開關(guān)管V2與二極管化均反并聯(lián)，同時(shí)，二極管化與二極管化的陰極相串聯(lián)，從而使 開關(guān)管Vl與二極管化、開關(guān)管V2與二極管化構(gòu)成兩個(gè)橋臂，使系統(tǒng)無(wú)論處于交流電流的正向 還是負(fù)向，控制信號(hào)為1時(shí)，電路都可導(dǎo)通。
[0045] 所述的副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)6,副邊信號(hào)拾取禪合線圈19LS22、副邊信號(hào)諧振補(bǔ)償電 容20CS2串聯(lián)，副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)6的固有諧振頻率也為逆變環(huán)節(jié)輸出方波電壓中=次諧波 的頻率，構(gòu)成=次諧波提取通道，用于傳輸信號(hào)。
[0046] 所述的負(fù)載7為電阻化。
[0047] 傳輸系統(tǒng)的傳輸方法，通過(guò)雙向開關(guān)控制原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5中信號(hào)電阻化22的切 入、切出將數(shù)字信號(hào)信息W電流幅值大小的形式加載到電路中，然后通過(guò)全禪合變壓器將 原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5的電流信息禪合到原邊能量變換環(huán)節(jié)3,使原邊能量變換環(huán)節(jié)3中的電 流為既攜帶了電能又加載了信號(hào)信息的基波與諧波的合成波，二者通過(guò)同一松禪合磁路機(jī) 構(gòu)禪合到副邊后，由諧振頻率不同的LC串聯(lián)諧振電路組成副邊能量變換環(huán)節(jié)4及副邊信號(hào) 解調(diào)環(huán)節(jié)則尋能量信號(hào)分離提取后利用;非接觸電能傳輸系統(tǒng)原邊能量變換環(huán)節(jié)3與副邊能 量變換環(huán)節(jié)4的磁路機(jī)構(gòu)均為兩個(gè)線圈串聯(lián)而成;信號(hào)電流磁場(chǎng)與能量電流磁場(chǎng)的禪合由 全禪合變壓器實(shí)現(xiàn);原邊能量變換環(huán)節(jié)3的磁能發(fā)射線圈化Pi與副邊能量變換環(huán)節(jié)4的磁能 拾取線圈15LS1之間通過(guò)互感禪合，實(shí)現(xiàn)電能與信號(hào)從原邊到副邊的非接觸傳輸。
[0048] 實(shí)施例1:本發(fā)明一種非接觸電能與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)，其具體實(shí)施方案如下。
[0049] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施時(shí)，直流電壓環(huán)節(jié)1經(jīng)高頻逆變環(huán)節(jié)2逆變成高頻交流方波 電壓，在導(dǎo)通占空比為50%的情況下，高頻逆變器輸出方波電壓傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為
[(K)加]
(1)
[0051] 其中，Ud為直流電壓環(huán)節(jié)的電壓幅值。
[0052] 從式（1)可看出，高頻逆變環(huán)節(jié)后輸出的矩形波可W展開成基波和幅值不同的各 奇次諧波的疊加。然后，經(jīng)過(guò)固有諧振頻率為基波頻率的原邊能量變換環(huán)節(jié)3與固有諧振頻 率為=次諧波頻率的原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5分別構(gòu)成基波通道和=次諧波通道，其中，基波進(jìn) 行能量傳遞，諧波進(jìn)行信號(hào)傳遞。兩個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)計(jì)滿足
[005：3] 〇2cpi(Lpi+Lp22) = 1(原邊能量變換環(huán)節(jié) 3) (2)
[0054] n2〇2Cp2Lp2i = l(原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié) 5) (3)
[0055] 其中，《為方波頻率即基波角頻率;n為諧波次數(shù)，此專利中n = 3。
[0056] 信號(hào)控制環(huán)節(jié)14中的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)控制雙向開關(guān)的通斷來(lái)控制信號(hào) 電阻化22的切入切出來(lái)W此改變?cè)呅盘?hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5的電阻阻值，從而改變電路中的電流幅 值，分別將數(shù)字信號(hào)信息"r、"0"加載到原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5中。其中，信號(hào)控制環(huán)節(jié)14中的 電路電阻化21阻值是信號(hào)電阻化22阻值的5倍及其W上。
[0057] 當(dāng)數(shù)字信號(hào)控制器發(fā)送信號(hào)T'時(shí)，信號(hào)電阻化22切入電路(如圖2所示），此時(shí)原邊 信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5的電阻阻值3
與傳輸信號(hào)為"0"時(shí)相比，阻值相對(duì)較小，原邊信 號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5中的電流較大，此時(shí)原邊能量變換環(huán)節(jié)3中的電流就為基波電流與=次諧波電 流的合成電流(如圖4(a)所示）；當(dāng)數(shù)字信號(hào)控制器發(fā)送信號(hào)"0"時(shí)，信號(hào)電阻化22切出電路 (如圖3所示），此時(shí)原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5的電阻阻值為rp2i，與傳輸信號(hào)為"r時(shí)相比，阻值相 對(duì)較大，原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5中的電流較小，此時(shí)原邊能量變換環(huán)節(jié)3中的電流=次諧波含 量較少(如圖4(b)所示）。通過(guò)運(yùn)種方法，可W將信號(hào)信息W電流幅值大小的形式加載到原 邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5中。
[0化引在原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5中，開關(guān)管Vi與二極管化、開關(guān)管V2與二極管化均反并聯(lián)，同 時(shí)，二極管化與二極管化的陰極相串聯(lián)，從而使開關(guān)管Vi與二極管化、開關(guān)管V2與二極管化構(gòu) 成兩個(gè)橋臂，使系統(tǒng)無(wú)論處于交流電流的正向還是負(fù)向，控制信號(hào)為1時(shí)，電路都可導(dǎo)通。
[0059] 原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5經(jīng)過(guò)原邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈11、原邊信號(hào)諧振補(bǔ)償電容13后， 產(chǎn)生頻率為=次諧波頻率的高頻磁場(chǎng)，原邊能量變換環(huán)節(jié)3的原邊信號(hào)拾取禪合線圈8獲得 能量，在原邊能量變換環(huán)節(jié)3中產(chǎn)生了在基波電流上疊加了諧波電流的高頻交流電流。
[0060] 原邊能量變換環(huán)節(jié)3經(jīng)過(guò)原邊磁能發(fā)射線圈9后產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，通過(guò)互感禪合，相 應(yīng)的副邊磁能拾取線圈15獲得能量。副邊能量變換環(huán)節(jié)4的各參數(shù)滿足 [006。 《 化 Si 化 si+Ls21) = 1 (4)
[0062] 從式(4)可看出，副邊能量變換環(huán)節(jié)4的諧振頻率為基波角頻率CO,對(duì)基波電流呈 低阻狀態(tài)而對(duì)諧波電流呈高阻狀態(tài)，可為基波電流提供通道，所W基波電流經(jīng)過(guò)副邊能量 諧振補(bǔ)償電容17及整流濾波環(huán)節(jié)18后直接供給負(fù)載7,輸出電壓如圖5所示，由于副邊能量 變換環(huán)節(jié)4的諧振頻率為基波角頻率，故輸出電壓不受信號(hào)調(diào)制與解調(diào)環(huán)節(jié)的影響，從而保 證了電能傳輸功率的穩(wěn)定性。
[0063] 同時(shí)，副邊能量變換環(huán)節(jié)4的高頻電流也會(huì)在副邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈16中產(chǎn)生高 頻磁場(chǎng)，而副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)6各參數(shù)滿足
[0064] " 2〔礎(chǔ)班2= 1 巧）
[0065] 從式(5)可看出，此環(huán)節(jié)諧振頻率為諧波頻率，對(duì)基波電流呈高阻狀態(tài)而對(duì)諧波電 流呈低阻狀態(tài)，可為諧波電流提供通道。因此副邊信號(hào)拾取禪合線圈19只獲得諧波能量，經(jīng) 包絡(luò)檢波電路21后得到調(diào)幅波的包絡(luò)線(如圖6所示），實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)提取與復(fù)原，再經(jīng)過(guò)比 較器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（如圖7所示），從而在副邊將能量和信號(hào)進(jìn)行了分離與利 用。
[0066] 通過(guò)系統(tǒng)調(diào)諧電感12使整個(gè)系統(tǒng)原邊處于諧振狀態(tài)，此電感滿足公式
[0067]
[0068] 其中，Mi為原邊磁能發(fā)射線圈9和副邊磁能拾取線圈15之間的互感;M2為原邊信號(hào) 發(fā)射禪合線圈11與原邊信號(hào)拾取禪合線圈8之間的互感;M3為副邊信號(hào)發(fā)射禪合線圈16與 副邊信號(hào)拾取禪合線圈19之間的互感。
[0069] 由于公式計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，因此調(diào)諧電感12可使用可調(diào)電感，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)使電路 原邊處于整體諧振狀態(tài)。
[0070] 由圖4(a)可看出，此時(shí)原邊能量變換環(huán)節(jié)3和原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)5中的電流有相同 的過(guò)零點(diǎn)，原邊能量變換環(huán)節(jié)3中的電流頻率為基波頻率。因此能量與信號(hào)可通過(guò)由原邊磁 能發(fā)射線圈9與副邊磁能拾取線圈15組成的同一磁路機(jī)構(gòu)傳輸?shù)礁边?，且不?huì)產(chǎn)生很大的 失真和相位延遲。并且，由于諧波頻率較高，此電路利用諧波進(jìn)行信號(hào)傳輸，與利用基波進(jìn) 行信號(hào)傳輸相比，提高了信號(hào)傳輸速率。在利用基波進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，信號(hào)傳輸頻率fs最快 為基波頻率的十分之一，即
[0071]
[0072] 其中，f為基波頻率即電路逆變頻率；O為基波角頻率。
[0073] 利用諧波進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)的信號(hào)傳輸速率fs'為
[0074]
[0075] 其中，n為系統(tǒng)利用的諧波次數(shù)。
[0076] 由式7和8可看出，利用諧波進(jìn)行信號(hào)傳輸，信號(hào)傳輸速率fs'最高可提升為利用基 波進(jìn)行傳輸時(shí)的n倍，極大的提高了信號(hào)傳輸速率。本專利系統(tǒng)功率頻率為20曲Z，傳統(tǒng)信號(hào) 傳輸方式最大信號(hào)傳輸速率為化化，本文W信號(hào)傳輸速率為Ik化和4k化為例進(jìn)行比較。圖 5-7為信號(hào)傳輸速率為Ik化時(shí)系統(tǒng)相關(guān)輸出波形，圖8-10為信號(hào)傳輸速率為4k化時(shí)系統(tǒng)相 關(guān)輸出波形。由圖6與圖9、圖7與圖10對(duì)比可看出，利用諧波進(jìn)行信號(hào)傳遞，可有效提高信號(hào) 傳輸速率；由圖5與圖8對(duì)比看出，利用諧波進(jìn)行信號(hào)傳遞，在有效提高信號(hào)傳輸速率的基礎(chǔ) 上最大程度的保持了基波的穩(wěn)定性，在電能信號(hào)同步傳輸?shù)幕A(chǔ)上將二者進(jìn)行了很好的隔 離，負(fù)載輸出電壓平穩(wěn)。此電路可有效實(shí)現(xiàn)能量信號(hào)的同步傳輸、保持輸出電壓的穩(wěn)定性和 信號(hào)信息的準(zhǔn)確性并提高信號(hào)傳輸速率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種非接觸電能與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)，其特征是：同步傳輸系統(tǒng)包括:直流電壓環(huán) 節(jié)、高頻逆變環(huán)節(jié)、原邊能量變換環(huán)節(jié)、副邊能量變換環(huán)節(jié)、原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)、副邊信號(hào)解 調(diào)環(huán)節(jié)及負(fù)載;高頻逆變環(huán)節(jié)的輸入端連接有直流電壓環(huán)節(jié);高頻逆變環(huán)節(jié)的輸出端并聯(lián) 連接有原邊能量變換環(huán)節(jié)及原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)，分別構(gòu)成基波和三次諧波提取通道;原邊 能量變換環(huán)節(jié)與副邊能量變換環(huán)節(jié)通過(guò)原邊磁能發(fā)射線圈和副邊磁能拾取線圈耦合連接； 原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)與原邊能量變換環(huán)節(jié)通過(guò)原邊信號(hào)發(fā)射耦合線圈與原邊信號(hào)拾取耦合 線圈耦合連接;副邊能量變換環(huán)節(jié)與副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)通過(guò)副邊信號(hào)發(fā)射耦合線圈與副邊 信號(hào)拾取耦合線圈耦合連接;副邊能量變換環(huán)節(jié)的輸出端連接有負(fù)載。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸電能與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)，其特征是:所述的高頻 逆變環(huán)節(jié)為四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成全橋逆變結(jié)構(gòu)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸電能與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)，其特征是:所述的原邊 能量變換環(huán)節(jié)，原邊信號(hào)拾取耦合線圈與原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)的原邊信號(hào)發(fā)射耦合線圈繞制 于同一"回"型錳鋅鐵氧體磁芯組成全耦合變壓器;原邊磁能發(fā)射線圈與副邊磁能拾取線圈 呈非接觸狀態(tài)組成松耦合磁路機(jī)構(gòu)；原邊信號(hào)拾取耦合線圈、原邊磁能發(fā)射線圈及原邊能 量諧振補(bǔ)償電容串聯(lián)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸電能與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)，其特征是:所述的副邊 能量變換環(huán)節(jié)，副邊信號(hào)發(fā)射耦合線圈與副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)的副邊信號(hào)拾取耦合線圈繞制 于同一"回"型錳鋅鐵氧體磁芯組成全耦合變壓器;副邊磁能拾取線圈、副邊信號(hào)發(fā)射耦合 線圈、副邊能量諧振補(bǔ)償電容串聯(lián)，原邊能量變換環(huán)節(jié)和副邊能量變換環(huán)節(jié)的固有諧振頻 率均為高頻逆變環(huán)節(jié)輸出方波電壓中基波的頻率，構(gòu)成基波提取通道，用于傳輸電能。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸電能與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)，其特征是:所述的原邊 信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)的原邊信號(hào)發(fā)射耦合線圈、原邊信號(hào)諧振補(bǔ)償電容、調(diào)諧電感與信號(hào)控制環(huán) 節(jié)串聯(lián);原邊信號(hào)發(fā)射耦合線圈與原邊信號(hào)諧振補(bǔ)償電容的固有諧振頻率為逆變環(huán)節(jié)輸出 方波電壓中三次諧波的頻率;調(diào)諧電感使整個(gè)回路工作在諧振狀態(tài)，即方波電壓、基波能量 電流、諧波信號(hào)電流擁有相同的過(guò)零點(diǎn)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸電能與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)，其特征是:所述的信號(hào) 控制環(huán)節(jié)包括電路電阻RP21、信號(hào)電阻RP22、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器和雙向開關(guān);信號(hào)電阻RP22與雙 向開關(guān)串聯(lián)，二者同時(shí)與電路電阻Rm并聯(lián)；由數(shù)字信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)控制雙向開關(guān)的通 斷，控制信號(hào)電阻R P22的切入、切出將數(shù)字信號(hào)信息加載到原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié);所述的雙向 開關(guān)包括開關(guān)管Vl、開關(guān)管V2、二極管D5和二極管D6,開關(guān)管Vl與二極管D5、開關(guān)管V2與二極 管D6均反并聯(lián)，同時(shí)，二極管D5與二極管D6的陰極相串聯(lián)，從而使開關(guān)管Vl與二極管D6、開關(guān) 管v 2與二極管他構(gòu)成兩個(gè)橋臂，使系統(tǒng)無(wú)論處于交流電流的正向還是負(fù)向，控制信號(hào)為1時(shí)， 電路都可導(dǎo)通。7. 權(quán)利要求1所述的一種非接觸電能與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)，其特征是:所述的副邊信號(hào) 解調(diào)環(huán)節(jié)，副邊信號(hào)拾取耦合線圈與副邊信號(hào)諧振補(bǔ)償電容串聯(lián)，然后與包絡(luò)檢波電路連 接;副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)的固有諧振頻率也為逆變環(huán)節(jié)輸出方波電壓中三次諧波的頻率，構(gòu) 成三次諧波提取通道，用于傳輸信號(hào)。所述的包絡(luò)檢波電路包括電阻R、二極管D、電容Co和 信號(hào)負(fù)載電阻R〇;電阻R與二極管D串聯(lián)，然后與并聯(lián)的電容Co和信號(hào)負(fù)載電阻R〇再并聯(lián)。8. 權(quán)利要求1所述的一種非接觸電能與信號(hào)同步傳輸系統(tǒng)的控制方法，其特征是:傳輸 系統(tǒng)的傳輸方法，通過(guò)雙向開關(guān)控制原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)中信號(hào)電阻RP22的切入、切出將數(shù)字 信號(hào)信息以電流幅值大小的形式加載到原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)中，然后通過(guò)全耦合變壓器將原 邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)的電流信息耦合到原邊能量變換環(huán)節(jié)，使原邊能量變換環(huán)節(jié)中的電流為既 攜帶了電能又加載了信號(hào)信息的基波與諧波的合成波，二者通過(guò)同一松耦合磁路機(jī)構(gòu)耦合 到副邊后，由諧振頻率不同的LC串聯(lián)諧振電路組成副邊能量變換環(huán)節(jié)及副邊信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié) 將能量信號(hào)分離提取后利用;非接觸電能傳輸系統(tǒng)原邊能量變換環(huán)節(jié)與副邊能量變換環(huán)節(jié) 的磁路機(jī)構(gòu)均為兩個(gè)線圈串聯(lián)而成;信號(hào)電流磁場(chǎng)與能量電流磁場(chǎng)的耦合由全耦合變壓器 實(shí)現(xiàn);原邊能量變換環(huán)節(jié)的磁能發(fā)射線圈與副邊能量變換環(huán)節(jié)的磁能拾取線圈之間通過(guò)互 感耦合，實(shí)現(xiàn)電能與信號(hào)從原邊到副邊的非接觸傳輸； 具體控制方法步驟如下： (1) 通過(guò)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器發(fā)出控制信號(hào)改變雙向開關(guān)的導(dǎo)通關(guān)斷從而控制信號(hào)電阻 如2的切入切出；當(dāng)傳輸信號(hào)為"Γ時(shí)，信號(hào)電阻R P22切入；當(dāng)傳輸信號(hào)為"0"時(shí)，信號(hào)電阻RP22 切除；以此改變?cè)呅盘?hào)調(diào)制環(huán)節(jié)的電流幅值，將數(shù)字信號(hào)信息加載到原邊信號(hào)調(diào)制環(huán)節(jié)； (2) 通過(guò)原邊信號(hào)發(fā)射耦合線圈與原邊信號(hào)拾取耦合線圈組成的全耦合變壓器將帶有 信號(hào)信息的三次諧波電流加載到原邊能量變換環(huán)節(jié)； (3) 將基波能量電流與諧波信號(hào)電流通過(guò)原邊磁能發(fā)射線圈與副邊磁能拾取線圈組成 的松耦合磁路機(jī)構(gòu)同時(shí)傳送到副邊。
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK105846684SQ201610173064
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月23日
【發(fā)明人】夏晨陽(yáng), 柳玉玲, 李玉華, 陳國(guó)平, 賴娜, 谷志鵬, 劉海偉
【申請(qǐng)人】中國(guó)礦業(yè)大學(xué)