[發明專利]一種特定諧波消除無線電能傳輸系統及其設計方法

有效

• 申請號: 201610180611.8
• 申請日: 2016-03-25
• 公開（公告）號: CN105720582B
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發明（設計）人: 夏晨陽;王延熇;雷軻;王衛;張楊;鄭凱;馬念;朱文婷
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: H02J3/01
• 分類號: H02J3/01;H02J50/12
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及一種無線電能傳輸系統及其設計方法，特別是一種特定諧波消除無線電能傳輸系統及其設計方法。

背景技術

傳統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，傳統的接觸式供電弊端越來越明顯，如容易產生磨損、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生。目前無線電能傳輸系統將原邊發射端接于高頻逆變器之后，通過高頻逆變器產生方波交流電，由傅里葉級數展開式可知，高頻逆變器輸出之后的方波交流電中含有大量的三、五、七次等奇數次諧波，大量的諧波容易導致無線電能傳輸系統中的磁路機構飽和發熱、系統整體損耗大，壽命縮短，過載能力和效率降低，嚴重時會使得系統設備損壞，無法正常工作。

為解決諧波對系統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節，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在負載或者系統結構變化下的系統頻率穩定性較差，濾波效果一般。例如，文獻《一種采用級聯型多電平技術的IPT系統諧波消除與功率調節方法》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電磁機構進行建模分析，提出一種設計帶通濾波器參數的方法，該方法雖然可以提高系統濾波特性，但是無法做到諧波的完全消除。

發明內容

本發明的目的是要提供一種特定諧波消除無線電能傳輸系統及其設計方法，解決傳統無線電能傳輸系統采用諧振補償環節構成基波通道，以濾除三次及以上高次諧波含量，但在負載或者系統結構變化下的系統頻率穩定性較差的問題。

本發明的目的是這樣實現的：該系統包括直流電源、高頻逆變器、原邊能量變換發射環節、副邊能量接收變換環節、原邊諧波能量反向注入環節和負載；直流電源與高頻逆變器連接，高頻逆變器與并聯輸入端的原邊能量變換發射環節和原邊諧波能量反向注入環節連接；原邊能量變換發射環節通過緊耦合變壓器與原邊諧波能量反向注入環節連接；原邊能量變換發射環節通過原邊磁能發射機構及副邊磁能拾取機構與副邊能量接收變換環節形成電能無線傳輸通道，實現電能的無線傳輸。

原邊能量變換發射環節與原邊諧波能量反向注入環節分別構成基波通道和三次諧波提取通道反并聯于高頻逆變器之后，原邊諧波能量反向注入環節提取的三次諧波信號經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射環節中，傳至原邊能量變換發射環節的三次諧波信號與直流電源通過高頻逆變器產生的高頻交流信號進行疊加作用，實現了基波通道三次諧波的完全濾除；經過疊加之后的信號經過原邊諧振補償電容傳至原邊磁能發射機構，副邊磁能拾取機構基于電磁感應原理拾取原邊磁能發射機構上的能量，經過副邊諧振補償電容和整流濾波電路為負載供電。

所述的高頻逆變器為四個場效應管構成全橋逆變結構。

所述的原邊能量變換發射環節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射機構；原邊諧振補償電容、原邊磁能發射機構及緊耦合變壓器原邊端串聯。

所述的副邊能量接收變換環節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，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有電容C₁；并且原邊能量變換發射環節和副邊能量接收變換環節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。

所述的原邊諧波能量反向注入環節包括選頻網絡、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，然后整體并連于選頻網絡，從而構成三次諧波提取通道，用于傳輸電能；選頻網絡為選頻電容C₀和選頻電感L₀構成的LC選頻網絡；原邊諧波能量反向注入環節與原邊能量變換發射環節反并聯于高頻逆變器之后，原邊諧波能量反向注入環節提取的三次諧波能量經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射環節中，傳至原邊能量變換發射環節的三次諧波信號與直流電源通過高頻逆變器產生的高頻交流信號進行疊加作用，實現基波通道的三次諧波的完全濾除。

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。