磁諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)頻率跟蹤設計

徐桂芝 曹智陽 石凱凱 劉璐

摘? 要： 無線電能傳輸系統(tǒng)在傳輸過程中，針對系統(tǒng)失諧導致輸出功率大大降低的問題，文章在Matlab/Simulink仿真庫搭建了一套能夠自動進行頻率跟蹤反饋的磁諧振式無線傳能仿真系統(tǒng)，并對高頻逆變電路觸發(fā)脈沖信號發(fā)生器進行了設計與改進，使系統(tǒng)能夠在發(fā)射端實現(xiàn)電壓電流接近同相位，從而使系統(tǒng)在收發(fā)端傳輸能量時，處于接近純阻態(tài)特性，減小了諧振線圈之間的無功損耗，增加了系統(tǒng)傳輸效率。仿真數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r對發(fā)射端電流進行檢測，并通過數(shù)字鎖相環(huán)電路的調(diào)節(jié)信號對高頻逆變器進行調(diào)節(jié)，輸出與發(fā)射端電流同相位的逆變電壓，實時進行動態(tài)調(diào)節(jié)。

關鍵詞： 頻率跟蹤; 無線電能傳輸; 系統(tǒng)設計; 磁耦合諧振; 觸發(fā)脈沖信號; 無功流動

中圖分類號： TN925?34; TM72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）18?0080?05

Abstract： In the transmission process of the wireless energy transmission system， the output power of the system could reduce greatly if the detuning of the system. A wireless energy transmission simulation system with magnetic resonance type is constructed in the Matlab/Simulink simulation library， which can perform the frequency tracking and feedback automatically; and the trigger pulse signal generator of the high?frequency inverted circuit is designed and improved， which make system able to realize the voltage and current close to the same phase at the transmitting end， so that the system is close to the pure resistance state when the energy is transmitted from the receiving end to the sending end， so reduces the reactive power disslpation between the resonance coils and increases the transmission efficiency of the system. The simulation data show that the system can detect the current at the transmitting end in real time， adjust the high?frequency inverter by means of the adjustment signal of the digital phase?locked loop circuit and dynamic adjust it in real time， so as to realize the output of the inverter voltage with the same phase as the current at the transmitting end.

Keywords： frequency tracking; wireless power transmission; system design; magnetic coupled resonance; trigger pulse signal; reactive power flow

0? 引? 言

近些年來無線電能傳輸技術由于其巨大的技術優(yōu)勢而正在快速發(fā)展，它可以在一些特殊場合替換傳統(tǒng)的電力線路輸電方式。按照傳輸原理的不同可以分為：磁輻射式、磁耦合式、電磁感應式。其中，磁耦合式傳輸技術具有傳輸功率大、傳輸距離遠等特點而被廣泛應用。為了增加系統(tǒng)的實用性，研究對無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率的提高變得至關重要。目前，國內(nèi)外對磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)难芯刻幱诶碚撏茖Ш统醪綄嶒炿A段，在傳輸距離、傳輸效率方面，李陽等研究了在傳輸過程中系統(tǒng)的固有諧振頻率特性[1];文獻[2]通過系統(tǒng)建模對磁耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)進行了傳輸距離以及傳輸效率的分析。這些研究成果的應用較大地提高了無線電能傳輸?shù)膶嵱眯浴?/p>

當系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時，逆變電路脈沖信號觸發(fā)器頻率與系統(tǒng)諧振固有頻率相同，并且在固有頻率諧振點附近，系統(tǒng)的傳輸效率能夠達到最大[3]。為了使系統(tǒng)在外界出現(xiàn)擾動時能夠時刻工作在固有諧振頻率附近，本文利用改進的鎖相環(huán)電路構建的反饋控制電路對發(fā)射端線圈電流進行檢測。從鎖相環(huán)電路導出的反饋信號經(jīng)過一系列的方波變換與脈沖調(diào)制后輸入到發(fā)射端逆變電路，從而控制H型全橋逆變電路的上下橋臂IGBT的導通與關斷，來實現(xiàn)逆變后的方波電壓與發(fā)射端電流相位基本相同，以及在系統(tǒng)諧振過程中系統(tǒng)輸入阻抗為純阻態(tài)諧振狀態(tài)[4]。

1? 磁耦合諧振式無線電能傳輸數(shù)學模型

諧振耦合式無線電能傳輸在傳輸過程中最重要的性能指標是傳輸效率。根據(jù)簡化的數(shù)學模型推導出影響傳輸效率的各種因素，并根據(jù)得出的數(shù)學表達式對效率優(yōu)化進行參數(shù)計算與調(diào)整。簡化后的SS型補償式無線電能傳輸系統(tǒng)電路模型如圖1所示。

圖中：[Vi]為交流電源;[L1]，[L2]分別為發(fā)射端線圈與接收端線圈電感;[M]為線圈互感;[C1]，[C2]為兩端補償電容;[RL]為負載。

由圖1可知，諧振耦合電能無線傳輸?shù)哪Ｐ涂杀硎緸椋?/p>

由式（6）可以得出，[η=G（f，M，RL，R1，R2）]，當系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，輸入等效電阻[R1]與輸出等效電阻[R2]以及諧振頻率[f]大小確定，影響傳輸效率的主要變量為線圈互感[M]和[RL]，即[η=G（M，RL）]。圖2即為當系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，輸入等效電阻、輸出等效電阻、諧振頻率確定時，傳輸效率[η]受線圈互感[M]與負載電阻[RL]的三維變化曲線圖。

2? 技術原理及改進設計

2.1? 頻率跟蹤技術原理

在頻率跟蹤過程中，電流互感器檢測發(fā)射諧振回路的電流，經(jīng)過差分放大與相位補償后，得到與發(fā)射回路諧振頻率一致的脈沖電壓。然后將這一脈沖電壓信號輸入到鎖相環(huán)模塊，鎖相環(huán)根據(jù)這一信號脈沖開始進行以固有諧振頻率為中心點的頻率跟蹤，并將跟蹤過程中輸出的一系列跟蹤信號輸入到PWM驅(qū)動電路進行脈沖寬度調(diào)制。最終由PWM驅(qū)動電路產(chǎn)生的脈沖信號對發(fā)射端高頻逆變電路進行控制[6]。只要在鎖相環(huán)入鎖范圍內(nèi)的頻率，鎖相環(huán)模塊就可以進行頻率跟蹤，而且用壓控振蕩器輸出的跟蹤信號來對發(fā)射端逆變電路進行開關控制，就可以最終實現(xiàn)發(fā)射端電流電壓同頻同相，使系統(tǒng)進入純阻態(tài)特性，減小系統(tǒng)收發(fā)端線圈無功損耗，同時效率達到最大。

2.2? 磁諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)頻率跟蹤設計原理圖

本文的系統(tǒng)反饋電路設計原理圖如圖3所示。其工作原理為，發(fā)射端電流互感器對線路電流進行采集，然后將該電流信號通入2個選擇開關（Switch）中，從而產(chǎn)生2個與正弦交流信號同頻率的方波脈沖，但兩方波脈沖相位相差[π]，即2個方波脈沖信號同頻反相，將2個信號分別接入以系統(tǒng)固有諧振頻率為中心頻率的鎖相環(huán)中的Ref端口作為參考信號。此時鎖相環(huán)會進行以固有頻率為中心點的上下調(diào)頻，直至調(diào)到系統(tǒng)電流電壓能夠處于同相位的頻率以后，鎖相環(huán)進入鎖定狀態(tài)。從鎖相環(huán)出來的跟蹤信號第二次經(jīng)過選擇開關（Switch）電路進行脈沖占空比調(diào)節(jié)，為高頻逆變器電路上下橋臂的IGBT留有充足的死區(qū)時間以避免由于不對稱的開通和關斷時間造成的橋臂直通現(xiàn)象[7]。由于該設計是以鎖相環(huán)的跟蹤反饋信號作為逆變器中IGBT的信號脈沖，而當系統(tǒng)在開始啟動過程中時，反饋信號為0，系統(tǒng)不能夠自啟動。

為了使系統(tǒng)能夠自啟動，而且在系統(tǒng)啟動以后將鎖相環(huán)跟蹤脈沖信號作為逆變器的控制信號，本文設計以系統(tǒng)固有諧振頻率作為信號發(fā)生器的信號頻率，并設置了具有時間延時設定的同頻反相脈沖信號。當系統(tǒng)在啟動時，由信號發(fā)生器提供脈沖方波信號，一旦鎖相環(huán)模塊頻率跟蹤信號產(chǎn)生時，設定有時間延遲的反相信號發(fā)生器產(chǎn)生反相信號，抵消信號發(fā)生器脈沖信號。此時，逆變電路脈沖方波信號由鎖相環(huán)跟蹤信號提供，最終達到跟蹤反饋的調(diào)節(jié)效果。

對該反饋電路設計在Simulink仿真庫中進行搭建，仿真電路圖如圖4所示。

3? 仿真結(jié)果與分析

3.1? 仿真結(jié)果

本文使用Matlab/Simulink對該設計構建了仿真模型，主要有Boost升壓電路、H型全橋高頻逆變電路、整流電路、閉環(huán)反饋電路等。系統(tǒng)各部分主要參數(shù)如表 1所示。

仿真過程中，在發(fā)射端加裝一個電感線圈來模擬系統(tǒng)，由于受到外部小擾動引起諧振頻率的變化，當在發(fā)射端加裝附加電感的電感量為3 μH時，發(fā)射端電流與電壓相位波形圖如圖5所示。系統(tǒng)接收端負載電壓波形圖如圖6所示。

從圖5可以看出，當系統(tǒng)在固有諧振頻率處發(fā)生諧振時，如果系統(tǒng)受到小的擾動，比如等效電感值的增大或者減小，那么此時系統(tǒng)的諧振頻率會發(fā)生偏移，在發(fā)射端電壓電流波形圖上的表現(xiàn)為電流電壓相位不同步;此時，當采用反饋電路對系統(tǒng)諧振頻率進行跟蹤調(diào)節(jié)以后，系統(tǒng)能夠在鎖相范圍內(nèi)進行頻率調(diào)節(jié)，即重新找到一個頻率值，使得發(fā)射端電壓電流達到同相位[7]，從而使系統(tǒng)達到新的諧振狀態(tài)。

由圖6可以看出，當系統(tǒng)進行頻率跟蹤動態(tài)調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)負載電壓相比系統(tǒng)未進行頻率跟蹤時波形更加穩(wěn)定且電壓幅值更大。該波形圖表明，當系統(tǒng)在受到小擾動的情況時，加入頻率跟蹤技術可以明顯改善負載端電壓波形質(zhì)量且傳輸效率更大[8]。

壓控振蕩器鎖相過程如圖7所示。

從圖7可以看出，改進后的鎖相環(huán)頻率跟蹤反饋電路能夠很好地進入鎖相過程，并且在入鎖以后能夠做到反饋信號與參考信號相位無差調(diào)節(jié)。本反饋電路將發(fā)射端電流信號作為參考信號，鎖相過程中鎖相信號作為參考信號控制逆變器輸出電壓波形。

3.2? 仿真數(shù)據(jù)分析

1） 當傳輸距離發(fā)生變化時，即當互感值M發(fā)生變化時，頻率跟蹤前后傳輸效率的變化如表1所示。

2） 當負載發(fā)生變化時，頻率跟蹤前后傳輸效率的變化，如表2所示。

將實驗結(jié)果進行對比，分別做出傳輸效率[η]隨負載和傳輸距離的變化圖像，如圖8所示。

由圖8可以看出，系統(tǒng)傳輸效率隨著傳輸距離的增大而單調(diào)遞減，這是由于隨著距離的增大，2個線圈互感[M]的值會逐漸變小[9]。由式（6）可以得出，系統(tǒng)傳輸效率[η]與線圈互感值的平方成正比關系，所以隨著線圈距離的增大，系統(tǒng)傳輸效率會逐漸變小[10]。通過對比可以看出，系統(tǒng)在加入頻率跟蹤反饋電路后的傳輸效率相比系統(tǒng)未加入反饋調(diào)節(jié)時的傳輸效率顯著提高，驗證本文設計的正確性。

4? 結(jié)? 語

通過對磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的設計與改進，在基于Simulink的仿真庫模型中進行仿真實驗分析，可以看出當系統(tǒng)傳輸距離與負載發(fā)生變化時，傳輸效率也發(fā)生了變化;當傳輸距離和負載發(fā)生變化時，采用頻率跟蹤技術后，系統(tǒng)的傳輸效率[η]得到提升。驗證了該頻率跟蹤控制策略能夠有效改善磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。

參考文獻

[1] 李陽，楊慶新，閆卓，等.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的頻率特性[J].電機與控制學報，2012，16（7）：7?11.

[2] 翟淵，孫躍，戴欣，等.磁共振模式無線電能傳輸系統(tǒng)建模與分析[J].中國電機工程學報，2012，32（12）：155?160.

[3] 史繼翠.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)建模及優(yōu)化分析[D].湘潭：湘潭大學，2013.

[4] CALZADO C J， CABRERO J， MALRIEU J P， et al. Analysis of the magnetic coupling in binuclear complexes. I. Physics of the coupling [J]. Journal of chemical physics， 2002（7）： 2728?2747.

[5] CHI K L， ZHONG W X， HUI S Y. Effects of magnetic coupling of nonadjacent resonators on wireless power domino?resonator systems [J]. IEEE transactions on power electronics， 2012， 27（4）： 1905?1916.

[6] NAKAZAWA T， MAKINOUCHI K， TAKAMI Y， et al. The effect of the impeller?driver magnetic coupling distance on hemolysis in a compact centrifugal pump [J]. Artificial organs， 2010， 20（3）： 252?257.

[7] 李陽，楊慶新，陳海燕，等.無線電能傳輸系統(tǒng)中影響傳輸功率和效率的因素分析[J].電工電能新技術，2012，31（3）：31?34.

[8] 周佳麗，張波，謝帆.磁諧振無線輸電系統(tǒng)E類逆變電路分析[J].北京交通大學學報，2015，39（5）：112?117.

[9] 盧文成，丘小輝，毛行奎，等.磁諧振無線電能傳輸串串式和串并式模型比較[J].電力電子技術，2015，49（10）：73?75.

[10] 張杰臣，黎福海，陳剛，等.磁諧振串并聯(lián)混合模型無線電能傳輸效率分析[J].電子技術應用，2016，42（9）：138?142.

[11]? KHOMICH V Y， REBROV I E. In?atmosphere electrohydrodynam?ic propulsion aircraft with wireless supply onboard [J]. Journal of electrostatics， 2018， 95： 1?12.