《電子技術(shù)應(yīng)用》
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頻率對(duì)MCR-WPT電能質(zhì)量和傳輸效率研究
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
王惠中1，劉聯(lián)濤1，張永恒1，張遠(yuǎn)鵬2
1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050；2.國網(wǎng)青海省電力公司黃化供電公司，青海 尖扎811200
摘要： 系統(tǒng)的頻率直接影響磁耦合諧振無線電能傳輸電能質(zhì)量和傳輸效率。從新的角度對(duì)其進(jìn)行研究，通過計(jì)算由高頻逆變電路產(chǎn)生的各次諧波分別對(duì)傳輸系統(tǒng)原副邊電流的響應(yīng)，來分析頻率對(duì)磁耦合諧振無線傳輸系統(tǒng)電能質(zhì)量和傳輸效率的影響。最后，設(shè)計(jì)了硬件電路并進(jìn)行了相關(guān)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論和仿真分析取得了較好的一致性，證明了該方法的有效性和準(zhǔn)確性。結(jié)果表明系統(tǒng)的頻率越接近諧振頻率，原副邊電流畸變率越小并且傳輸效率比較高。
中圖分類號(hào)： TM7
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.032
中文引用格式： 王惠中，劉聯(lián)濤，張永恒，等. 頻率對(duì)MCR-WPT電能質(zhì)量和傳輸效率研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(12)：122-125.
英文引用格式： Wang Huizhong，Liu Liantao，Zhang Yongheng，et al. The study of the frequency on the efficiency and power quality for MCR-WPT[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：122-125.
The study of the frequency on the efficiency and power quality for MCR-WPT
Wang Huizhong1，Liu Liantao1，Zhang Yongheng1，Zhang Yuanpeng2
1.College of Electrical and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China； 2.HuangHua Power Supply Company of Qinghai Province，Jianzha 811200，China
Abstract： The frequency of the system can directly influence power quality and transmission efficiency on the magnetic coupling resonant wireless power transfer. The paper aims to present new aspects on transmission system, by calculating the harmonics generated by the high frequency inverter circuit respectively on the transmission system of the primary and the secondary current response to analyze the frequency on the efficiency and power quality for MCR-WPT. Finally, the hardware circuit is designed and the related research is carried out. The experimental results are in good agreement with the theoretical and simulation analysis, which proves the validity and accuracy of the proposed method. The results show that the system frequency is close to the resonant frequency the primary and the secondary current distortion rate is smaller and the transmission efficiency is relatively high.
Key words : frequency；power quality；transmission efficiency；wireless power transfer

0 引言

    無線電能傳輸技術(shù)因其便攜、安全、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為安全供電和綠色供電提供了一種新的方法，利用該技術(shù)為設(shè)備進(jìn)行供電將成為新的發(fā)展趨勢[1-2]。無線電能傳輸技術(shù)的基本原理是場效應(yīng)耦合，按照傳輸機(jī)理的不同分為：電磁感應(yīng)式、電磁諧振式、微波方式。電磁耦合諧振無線電能傳輸相對(duì)于另外兩種傳輸方式，傳輸效率高，傳輸距離適中，解決了傳輸效率和傳輸距離不可兼得的矛盾。

    目前在磁耦合諧振無線電能傳輸中常用的原理解釋和建模分析的理論基礎(chǔ)有：(1)電路理論；(2)耦合模理論。文獻(xiàn)[3-4]指出電路理論是耦合模理論在電學(xué)上的進(jìn)一步闡釋，可以用電路理論對(duì)磁耦合諧振式無線能量傳輸原理進(jìn)行解釋。并且在理論分析方面，這兩種方法都忽略了由高頻逆變電路產(chǎn)生的各次諧波對(duì)磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)原副邊線圈中各參數(shù)的響應(yīng)。

    電能質(zhì)量和傳輸效率是磁耦合諧振無線電能傳輸?shù)闹匾笜?biāo)，獲取其數(shù)學(xué)公式，對(duì)于提高傳輸系統(tǒng)控制策略提供有益的參考。然而對(duì)于磁耦合諧振無線電能傳輸?shù)睦碚摲治鲋胁]有關(guān)于電能質(zhì)量的分析。所以本文提出一種基于電路理論的分析方法，充分考慮高頻逆變電路產(chǎn)生的各次諧波分別對(duì)原副邊線圈電流的響應(yīng)。

    本文的創(chuàng)新點(diǎn)和特色在于引入諧波在傳輸系統(tǒng)的作用，在此基礎(chǔ)上研究頻率與電能質(zhì)量和傳輸效率的關(guān)系，得出電能質(zhì)量和傳輸效率隨傳輸頻率變化的關(guān)系，豐富了磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)的理論內(nèi)涵。

1 系統(tǒng)的等效電路和數(shù)學(xué)模型

    磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)主要包括發(fā)射端和接收端兩大部分。發(fā)射端包括發(fā)射線圈、高頻逆變電路和原邊補(bǔ)償；接收端包括接收線圈、副邊補(bǔ)償和負(fù)載。圖1為無線能量傳輸系統(tǒng)等效電路圖[5-7]。

dy1-t1.gif

    圖1中R1、R2為原副邊線圈等效電阻，M為線圈互感。Ud為逆變前的輸入直流電壓，u0(t)為通過高頻逆變器后變換后輸出的電壓。

    高頻逆變電路采用全橋逆變電路[8-9]，如圖2所示，其中全控型開關(guān)器件Q1、Q4構(gòu)成一對(duì)橋臂，Q2、Q3構(gòu)成一對(duì)橋臂，Q1、Q4同時(shí)通斷；Q2、Q3同時(shí)通斷，兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通半個(gè)周期。故高頻逆變器輸出電壓為式(1)：

    dy1-gs1.gif

dy1-t2.gif

    式(1)中T=1/f，f為系統(tǒng)頻率同時(shí)也是全控型開關(guān)器件的開關(guān)頻率。u0(t)是周期為T的函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開得式(2)：

    dy1-gs2.gif

    對(duì)圖1所示的系統(tǒng)等效電路圖根據(jù)基爾霍夫電壓定律的得方程式(3)：

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    解得：

     dy1-gs5-6.gif

    式(5)和式(6)中I1k和I2k是k次諧波在原副邊線圈產(chǎn)生的電流的有效值。

    負(fù)載接收功率：

     dy1-gs7-10.gif

2 電路設(shè)計(jì)

    電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

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    主電路：原邊采用IRF8010功率MOSFET開關(guān)管構(gòu)成全橋逆變電路，原副邊采用串并SP補(bǔ)償方式，副邊采用全橋整流電路。

    控制電路：采用PWM+PLL控制的方法，PWM控制通過調(diào)節(jié)供電端占空比穩(wěn)定輸出電壓；PLL控制隨著占空比的變化調(diào)節(jié)工作頻率保證供電端開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。首先檢流器檢測原邊電流通過比較器后，形成方波信號(hào)輸入到鎖相環(huán)電路。PLL鎖相環(huán)頻率跟蹤，經(jīng)邏輯電路處理信號(hào)后輸出給PWM芯片UC3875的外同步端，調(diào)節(jié)主電路的工作頻率。PWM芯片UC3875的四個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

    為了能夠更加直觀地顯示磁耦合諧振式無線電能傳輸傳送效率和電能質(zhì)量隨頻率之間的關(guān)系，本文采用MATLAB軟件對(duì)理論分析進(jìn)行仿真研究。

    同時(shí)，為了更好地驗(yàn)證本文所分析理論的正確性，本文對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了較為精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。無線傳輸系統(tǒng)中各實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

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    試驗(yàn)中發(fā)射線圈和接收線圈同軸放置相聚20 cm，互感dy1-b1-x1.gif158.68 kHz。直流輸入電壓Ud=12 V。

    從圖4和圖5可以清楚看出，頻率在諧振頻率158.68 kHz處，原副邊電流的有效值和負(fù)載的接收功率取得最大值。在頻率接近諧振頻率的區(qū)域內(nèi)原副邊電流有效值和負(fù)載的接收功率急劇上升。在頻率f<150 kHz且f>170 kHz，原副邊電流有效值和負(fù)載接收功率幾乎為0。

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3.1 傳輸效率隨頻率關(guān)系

    傳輸效率隨頻率關(guān)系如圖6所示，仿真結(jié)果表明，當(dāng)頻率小于諧振頻率時(shí)隨著頻率的增加傳輸效率逐漸增加，系統(tǒng)傳輸效率在諧振頻率處取得最大值74%，當(dāng)頻率大于諧振頻率隨著諧振頻率的增加傳輸效率越來越低。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果取得了較好的一致性，證實(shí)了該方法能夠準(zhǔn)確分析磁耦合諧振無線電能傳輸。

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3.2 電流畸變率隨頻率關(guān)系

    圖7呈現(xiàn)出原副邊電流I1、I2的畸變率隨頻率的變化關(guān)系。在諧振頻率附近電流I1、I2的畸變率幾乎為0，表明傳輸系統(tǒng)此時(shí)對(duì)諧波的抑制率接近100%。當(dāng)頻率小于70 kHz時(shí)I1、I2的畸變率幾乎為1，諧波在能量的傳輸過程中占主要成分。

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4 結(jié)論

    在傳統(tǒng)的電路理論分析基礎(chǔ)上，增加各諧波分別對(duì)電路參數(shù)的響應(yīng)，推導(dǎo)出電能質(zhì)量和傳輸效率隨頻率變化的關(guān)系式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在諧振頻率處：(1)原副邊電流有效值取得最大值且畸變率幾乎為0，傳輸系統(tǒng)電能質(zhì)量較高；(2)負(fù)載接收功率取得最大值，系統(tǒng)傳輸效率最高，這些于研究磁耦合諧振式無線電能傳輸傳送效率和電能質(zhì)量在實(shí)際應(yīng)用中提供了有益的參考。

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