[發明專利]基于可調阻抗的高可靠性大工作范圍感應取能裝置及調控方法

有效

• 申請號: 201810750658.2
• 申請日: 2018-07-10
• 公開（公告）號: CN108899978B
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 辛帥魁;陳鋒;尹霖
• 申請（專利權）人: 楊勇
• 主分類號: H02J7/06
• 分類號: H02J7/06;H01F38/30
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

1.一種基于可調阻抗的高可靠性大工作范圍感應取能裝置，包括取能CT(1)，所述取能CT(1)的二次側通過AC/DC變換電路(2)連接用電負載(4)，在用電負載(4)側并聯能量管理模塊(3)，其特征在于：所述取能CT(1)采用拼接的單鐵芯結構；所述取能CT(1)二次側同時連接AC/DC變換電路(2)和可調阻抗電路(5)；所述取能CT(1)的二次側并聯阻抗值在容性到感性范圍內連續可調的阻抗電路(5)，實現取能CT(1)在一次側電流小于其閾值下限I_min時獲取更多有功功率，取能CT(1)在一次側電流大于取能CT鐵芯飽和點處對應的一次側電流閾值上限I_max，s且小于取能CT并聯可調阻抗Z后的一次側電流閾值上限I′_max，s時，避免鐵芯(11)飽和。

2.根據權利要求1所述的基于可調阻抗的高可靠性大工作范圍感應取能裝置，其特征在于：所述可調阻抗電路(5)采用單相全橋電壓型PWM整流器或者單相全橋電流型PWM整流器。

3.根據權利要求1所述的基于可調阻抗的高可靠性大工作范圍感應取能裝置，其特征在于：所述可調阻抗電路(5)采用單相半橋電壓型PWM整流器或者單相半橋電流型PWM整流器。

4.根據權利要求1所述的基于可調阻抗的高可靠性大工作范圍感應取能裝置，其特征在于：所述可調阻抗電路(5)采用功率因數校正電路。

5.一種基于可調阻抗的高可靠性大工作范圍感應取能裝置的調控方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1、若取能CT一次側電流閾值下限為I_min，取能CT二次側需要獲取的目標功率為

根據取能CT一次側電流閾值下限I_min和需要獲取的目標功率確定取能CT中鐵芯幾何尺寸，得下式(1)：

其中，μ_eq為取能CT的鐵芯等效磁導率，f為取能CT一次側電流的頻率，h為鐵芯高度，D為鐵芯外徑，d為鐵芯內徑；

步驟2、根據取能CT鐵芯幾何尺寸，確定取能CT磁路飽和對應的一次側電流閾值上限I_max，s

利用式(1)所確定的鐵芯幾何參數和鐵芯等效磁導率，依據磁路的歐姆定律，得鐵芯飽和點處對應的勵磁電流I_s：

其中，B_s為鐵芯BH曲線飽和點對應的磁感應強度；

根據式(2)和取能CT的參數，得到取能CT鐵芯飽和點處對應的一次側電流閾值上限I_max，s為：

其中，為鐵芯等效磁阻；N₂為取能CT二次側匝數；Z₁＝R₁+jX₁為未并聯可調阻抗時取能CT二次側負載的復阻抗，R₁是Z₁的實部，X₁是Z₁的虛部，即AC/DC變換電路的輸入阻抗；ω＝2πf，為取能CT一次側電流角頻率；

步驟3、根據取能CT參數，確定取能CT激磁電抗X_L

步驟4、通過調節可調阻抗Z，使得取能CT二次側等效阻抗Z₂中的電容分量與取能CT激磁電抗X_L發生并聯諧振，從而在取能CT參數和目標功率相同的條件下，降低取能CT一次側電流閾值下限，確定取能CT二次側并聯可調阻抗電路后的其一次側電流閾值下限I′_min

若，可調阻抗Z的調節范圍為[Z_min，Z_max]，即：Z∈[Z_min，Z_max]，此時取能CT一次側電流閾值下限I′_min應滿足下式：

由式(1)和式(5)可知，當調節可調阻抗Z，使得Z₂中的電容分量與取能CT激磁電抗X_L發生并聯諧振，此時，取能CT一次側電流閾值下限降低為：

步驟5、根據可調阻抗調節范圍，確定取能CT并聯可調阻抗Z后的一次側電流閾值上限I′_max，s

在取能CT參數和目標功率相同的條件下，通過利用二次側并聯的可調阻抗Z進行分流，提高取能CT鐵芯飽和點處對應的一次側電流，當Z＝Z_min時，取能CT一次側電流閾值上限提高為I′_max，s

其中，為取能CT二次側輸出阻抗，Z₁//Z_m表示AC/DC變換電路的輸入阻抗Z₁與取能CT二次側輸出阻抗Z_m的并聯；

從式(7)可知，通過調節可調阻抗，提升后的一次側電流閾值上限式中，

步驟6、確定取能CT一次側電流I₁、可調阻抗Z、以及需要獲取的目標功率為的函數關系

當取能CT一次側電流位于[I′_min，I′_max，s]區間時，根據取能CT一次側電流I₁，對取能CT二次側并聯的可調阻抗Z進行調節，取能CT仍能滿足獲取足夠功率，且不發生鐵芯飽和的要求；綜合步驟1～步驟5，得下述關系式：

其中，I₁為取能CT一次側電流，Z₂＝R₂+jX₂為取能CT二次側等效阻抗，Z₂由可調阻抗Z與AC/DC輸入阻抗Z₁并聯得到；利用式(8)根據取能CT一次側電流I₁調節可調阻抗Z，實現對取能CT輸出功率的調節；

步驟7、根據取能CT一次側電流I₁大小，通過調節可調阻抗Z，使其工作在容性、感性和阻性不同阻抗性質與阻抗模值情況下，取能裝置將有以下五種工作模式：

(1)、當I₁＜I′_min時，開關S0、S1、S2閉合；可調阻抗Z工作在容性狀態，使得取能CT二次側等效阻抗Z₂中的電容分量與取能CT激磁電抗X_L發生并聯諧振，此時取能CT工作在從一次側獲取最大功率模式；能量管理模塊中超級電容和蓄電池工作在放電模式，與取能CT和AC/DC變換電路共同為用電負載提供電能；

(2)、當I′_min≤I₁＜I_min時，開關S0、S1閉合，S2閉合或打開；可調阻抗Z工作在容性狀態，根據式(8)調節可調阻抗Z，使其與勵磁電感X_L發生并聯諧振，此時取能CT工作在從一次側獲取最大功率模式，滿足獲取目標功率的要求；

(3)、當I_min≤I₁＜I_max，s時，開關S0、S1、S2閉合；根據式(8)，調節可調阻抗Z，提供需要獲取的目標功率此時，能量管理模塊中超級電容和蓄電池工作在充電模式；

(4)、當I_max，s≤I₁＜I′_max，s時，開關S0、S1、S2閉合；可調阻抗Z工作在感性狀態，通過可調阻抗的分流作用，減小勵磁電流，避免取能CT鐵芯工作在飽和狀態，同時，滿足需要獲取的目標功率此時，能量管理模塊中超級電容和蓄電池工作在充電模式；

(5)、當I₁≥I′_max，s時，開關S0斷開，S1、S2閉合；取能CT工作在保護模式；能量管理模塊中超級電容和蓄電池工作在放電模式，單獨為用電負載供電。