無(wú)線功率傳輸綜合實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與開發(fā)

蔣　偉, 徐　松, 李迺璐, 莫岳平

(揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州　225127)

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無(wú)線功率傳輸綜合實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與開發(fā)

蔣偉, 徐松, 李迺璐, 莫岳平

(揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州225127)

為給電力變換系列課程提供與現(xiàn)有技術(shù)同步的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,開發(fā)了無(wú)線功率傳輸綜合實(shí)驗(yàn)。敘述了無(wú)線功率傳輸裝置的結(jié)構(gòu),根據(jù)無(wú)線功率傳輸過(guò)程中功率流的調(diào)理順序,依次設(shè)計(jì)了發(fā)送端逆變電路、發(fā)送與接收線圈及其諧振網(wǎng)絡(luò)、接收側(cè)整流器和負(fù)載匹配變換器,數(shù)字信號(hào)控制器通過(guò)數(shù)字補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行裝置的無(wú)線功率傳輸控制。該實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)模塊化易維護(hù),經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,可以穩(wěn)定地將15～25 V的低壓直流輸入經(jīng)過(guò)33～77 mm的氣隙傳遞至接收側(cè)的48 V蓄電池中,傳輸功率在150～250 W范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),可適用于本科高年級(jí)及研究生的電力變換類課程實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)裝置; 無(wú)線功率傳輸; 電力變換器; 數(shù)字控制

電能的高效傳輸和利用是大多數(shù)高校電氣工程專業(yè)研究和教學(xué)的主攻方向。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展與最新研究接軌的實(shí)踐環(huán)節(jié),能使學(xué)生更好掌握技術(shù)前沿和市場(chǎng)動(dòng)向,從而擴(kuò)寬其學(xué)術(shù)視野并有利于就業(yè)。

無(wú)線功率傳輸(wireless power transfer, WPT)是近10年電力變換領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-5],其技術(shù)領(lǐng)域涵蓋了電氣工程本科專業(yè)的基礎(chǔ)與專業(yè)課程,將其作為本科高年級(jí)與研究生的綜合型實(shí)驗(yàn)對(duì)象是非常合適的。鑒于其技術(shù)覆蓋面寬的特點(diǎn),無(wú)線功率傳輸?shù)慕虒W(xué)實(shí)驗(yàn)裝置除了能穩(wěn)定工作之外,還需具備模塊化、易組合的特點(diǎn),以便在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中體現(xiàn)不同學(xué)習(xí)階段的不同知識(shí)點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)采用了模塊化的思想。分別針對(duì)功率傳輸各環(huán)節(jié)的功率電路進(jìn)行了論證與設(shè)計(jì),采用了數(shù)字信號(hào)控制器作為主控單元,制成了15～25 V的低壓直流輸入、輸出接48 V蓄電池的無(wú)線功率傳輸實(shí)驗(yàn)裝置,該裝置可以通過(guò)33～77 mm可調(diào)的氣隙傳遞電功率,并且傳輸功率在150～250 W范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1無(wú)線功率傳輸方式論證

目前實(shí)現(xiàn)無(wú)線功率傳輸?shù)姆绞街饕写胖C振與磁感應(yīng)式兩種[6-9]。對(duì)于教學(xué)實(shí)驗(yàn)而言,如要體現(xiàn)磁諧振式WPT的效果,需要滿足以下3個(gè)條件:(1)高頻(1～20 MHz)的激勵(lì)電源；(2)精確設(shè)計(jì)的發(fā)送/接收線圈,2個(gè)線圈的自感Lr和寄生電容Cr需精確匹配；(3)長(zhǎng)距離的實(shí)驗(yàn)空間,需要50～200 cm的傳輸長(zhǎng)度以體現(xiàn)功率的傳輸效果。而磁感應(yīng)式WPT中,能量傳輸是磁力線借助小于線圈尺寸的氣隙完成的,所以對(duì)于線圈的參數(shù)設(shè)計(jì)要求低,且可以使用常規(guī)的中低頻電路即可實(shí)現(xiàn)。

表1中提出的3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)要求是關(guān)乎到實(shí)驗(yàn)的靈活性與經(jīng)濟(jì)性；經(jīng)比較,磁感應(yīng)式WPT方式具有成本低、參數(shù)設(shè)計(jì)相對(duì)容易和緊湊的特點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)中采用磁感應(yīng)式無(wú)線功率傳輸方式。

表1　2種WPT方案對(duì)比

圖1給出了WPT教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,由逆變器、發(fā)送/接收側(cè)線圈及其諧振網(wǎng)絡(luò)、接收側(cè)整流器和負(fù)載匹配變換器構(gòu)成。發(fā)送側(cè)的逆變器由數(shù)字信號(hào)控制器(DSC1)控制,接收側(cè)的負(fù)載匹配變換器由DSC2控制。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2主電路設(shè)計(jì)

為了充分利用常用實(shí)驗(yàn)室資源,WPT實(shí)驗(yàn)裝置的輸入采用實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式直流電源(連接至AA’),電壓為15～25 V。輸出負(fù)載為48 V蓄電池，可以為多個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置公用。假設(shè)50%的系統(tǒng)效率,第一級(jí)采用全橋逆變器結(jié)構(gòu)(見圖2),考慮至少2倍的安全裕量,選取75N75的MOSFET,驅(qū)動(dòng)器選為非隔離帶泵升的橋式驅(qū)動(dòng)IR2101。

圖2　發(fā)送側(cè)全橋逆變器

由于串聯(lián)諧振電流具有限流特性,故發(fā)送側(cè)的電壓源逆變橋的輸出和接收側(cè)的整流橋輸入均選為串聯(lián)型諧振電路。由于線圈自感分別為L(zhǎng)1和L2,所以發(fā)送和接收側(cè)的端口只需串聯(lián)電容即可。圖3給出了

圖3　串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)等效電路圖

WPT系統(tǒng)的T型等效電路,其中C1、C2為串聯(lián)諧振電容,R1、R2分別為兩邊的串聯(lián)等效電阻,RL為等效負(fù)載電阻?？梢酝ㄟ^(guò)分析得到在兩邊同時(shí)達(dá)到諧振態(tài)時(shí),系統(tǒng)理想的效率η由下式表示：

(1)

式中ωr為諧振角頻率。

能量由耦合線圈傳遞至接收側(cè)后,由圖4中的超快速整流管二極管D5組成的全橋逆變器整流及其輸出電容C4=470 μF整流至直流。加入整流器后可以通過(guò)調(diào)節(jié)圖4中D、D′兩點(diǎn)之間的阻抗來(lái)改變。不同于文獻(xiàn)[10-13]中發(fā)送側(cè)與接收側(cè)均進(jìn)行調(diào)節(jié),本裝置中采用了僅接收側(cè)調(diào)節(jié)的策略進(jìn)行控制。鑒于串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的電流源特性,可以通過(guò)調(diào)節(jié)C4電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)虛擬的負(fù)載電阻。負(fù)載匹配變換器中L3選取50 μH,根據(jù)負(fù)載電壓(48 V)和最大充電功率,可以選取MOSFET型號(hào)仍為75N75；輸出二極管D5型號(hào)為BYV100-30；由于輸出為電池恒壓負(fù)載,故C5選10 μF、100 V的薄膜電容即可。

圖4　接收側(cè)整流器及負(fù)載匹配變換器

由于硬件設(shè)計(jì)模塊化,該裝置可以分別從BB′、CC′、DD′端口處斷開為不同的功率電路、不同方面的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行分塊實(shí)驗(yàn)教學(xué),亦可針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

1.3能量傳輸控制

為了調(diào)節(jié)C4端電壓,需要對(duì)負(fù)載匹配變換器進(jìn)行輸入電容C4電壓閉環(huán)控制。根據(jù)穩(wěn)態(tài)參數(shù)及狀態(tài)空間法進(jìn)行變換器的小信號(hào)建模,可以得到(2)中T5的占空比對(duì)C4電壓的傳遞函數(shù)(GV4cd)。

(2)

式中：a=RlR0VC5C5，Rl為根據(jù)輸出250 W功率折算出的整流器輸出等效小信號(hào)電阻,R0為輸出電池的等效串聯(lián)內(nèi)阻;b=RlR0IL3(1-D)+RlVC5，VC5為C5兩端電壓，D為占空比，IL3為流過(guò)L3的穩(wěn)態(tài)電流；c=RlR0C4C5L3；d=RlC4+R0C5；e=RlR0[(1-D)2·C4+C5]+L3；f=Fl+(1-D)2R0。

使用單零點(diǎn)、單極點(diǎn)的PI補(bǔ)償器可以保證C4端電壓靜差為零且系統(tǒng)具有約90°的相位裕量。圖5中相頻特性曲線分別為補(bǔ)償前的系統(tǒng)Gvc1d、補(bǔ)償后的系統(tǒng)Tloop和控制器Cv。為了保證實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性,保守設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的穿越頻率為2 Hz,充分抑制外界擾動(dòng)。

2　系統(tǒng)性能測(cè)試

通過(guò)已有的高品質(zhì)諧振電容值和期望的開關(guān)頻率范圍,使用多股線繞制發(fā)送及接收線圈,其參數(shù)見表2,其中逆變器輸出為方波,開關(guān)頻率為fs,負(fù)載匹配變換器的開關(guān)頻率為fsw,數(shù)字信號(hào)控制器的采樣周期為Ts。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)樣機(jī)如圖6所示。

圖6　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)樣機(jī)

圖7為系統(tǒng)啟動(dòng)波形，從2個(gè)線圈電流和電壓來(lái)看,系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)后便進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,無(wú)穩(wěn)定性問(wèn)題。

圖7　系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程線圈電壓電流波形

圖8為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的逆變器輸出電壓和電流的波形?？梢钥闯?此時(shí)逆變器后端電路處于弱感性,電路對(duì)負(fù)載突變具有一定限流作用,且保證開關(guān)的損耗能變得較小。

圖8　逆變器輸出電壓v1電流i1

圖9為系統(tǒng)輸入輸出功率隨C4兩端電壓變化的曲線?？梢钥闯?隨著C4兩端電壓升高,系統(tǒng)傳輸?shù)墓β室蚕鄳?yīng)增大；實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映出此系統(tǒng)的恒流特性,可以作為實(shí)踐教學(xué)中一環(huán)重要的觀察案例。

圖9　系統(tǒng)輸入輸出功率調(diào)節(jié)曲線

在一定整流器輸出電壓下,如改變兩線圈之間的距離,可以得出圖10所示效率曲線。可以看出氣隙與線圈耦合之間的關(guān)系。

圖10　系統(tǒng)的傳輸效率曲線

3　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款性能可靠的無(wú)線功率傳輸?shù)慕虒W(xué)實(shí)驗(yàn)裝置,可以實(shí)現(xiàn)不同氣隙下的穩(wěn)定可調(diào)的功率傳輸；同時(shí)模塊化的結(jié)構(gòu)可以分解為不同功率變換環(huán)節(jié),提供給不同學(xué)習(xí)階段的學(xué)生進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該裝置可以滿足電力變換類課程高年級(jí)本科生及研究生綜合實(shí)驗(yàn)的要求。

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Design and development of comprehensive experimental device with wireless power transfer

Jiang Wei, Xu Song,Li Nailu, Mo Yueping

(School of Hydraulic, Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

In order to provide the hand-on experience in the state-of-the-art power conversion technologies courses, the wireless power transfer technology (WPT) is developed. Considering the users’ experience and feasibility for experimental teaching, the system hardware structure is evaluated carefully for the WPT teaching device. Following the power flow path, each power conversion stage is designed and implemented, including the sending-end inverter, the sending/receiving coil and their resonant network, the receiving-end rectifier, and the load matching converter. The digital signal controller is used to provide the wireless power flow control using the digital compensation network. The experimental device is modularized and its maintenance is friendly. The test results indicate that the experimental device is capable of transferring the continuously adjustable power of 150W-250W through a 33mm-77mm air-gap reliably, giving the input source of 15-25VDC and 48V battery as the load.

experimental device; wireless power transfer; power converter; digital control

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.019

2015- 05- 13修改日期：2015- 06- 30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51207135);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2012266)

蔣偉(1980—),男,江蘇揚(yáng)州,博士,副教授,主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù).

E-mail：jiangwei@yzu.edu.cn

G484;TM724

A

1002-4956(2016)1- 0075- 04