蔣　偉, 徐　松, 李迺璐, 莫岳平

(揚州大學 水利與能源動力工程學院, 江蘇 揚州　225127)

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無線功率傳輸綜合實驗裝置設計與開發(fā)

蔣偉, 徐松, 李迺璐, 莫岳平

(揚州大學 水利與能源動力工程學院, 江蘇 揚州225127)

為給電力變換系列課程提供與現(xiàn)有技術同步的實驗內容,開發(fā)了無線功率傳輸綜合實驗。敘述了無線功率傳輸裝置的結構,根據(jù)無線功率傳輸過程中功率流的調理順序,依次設計了發(fā)送端逆變電路、發(fā)送與接收線圈及其諧振網(wǎng)絡、接收側整流器和負載匹配變換器,數(shù)字信號控制器通過數(shù)字補償網(wǎng)絡進行裝置的無線功率傳輸控制。該實驗裝置的設計模塊化易維護,經(jīng)實驗驗證,可以穩(wěn)定地將15～25 V的低壓直流輸入經(jīng)過33～77 mm的氣隙傳遞至接收側的48 V蓄電池中,傳輸功率在150～250 W范圍內連續(xù)可調,可適用于本科高年級及研究生的電力變換類課程實驗。

實驗裝置; 無線功率傳輸; 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)研究和教學的主攻方向。在傳統(tǒng)實驗的基礎上開展與最新研究接軌的實踐環(huán)節(jié),能使學生更好掌握技術前沿和市場動向,從而擴寬其學術視野并有利于就業(yè)。

無線功率傳輸(wireless power transfer, WPT)是近10年電力變換領域的研究熱點[1-5],其技術領域涵蓋了電氣工程本科專業(yè)的基礎與專業(yè)課程,將其作為本科高年級與研究生的綜合型實驗對象是非常合適的。鑒于其技術覆蓋面寬的特點,無線功率傳輸?shù)慕虒W實驗裝置除了能穩(wěn)定工作之外,還需具備模塊化、易組合的特點,以便在實驗過程中體現(xiàn)不同學習階段的不同知識點。

本實驗裝置的設計采用了模塊化的思想。分別針對功率傳輸各環(huán)節(jié)的功率電路進行了論證與設計,采用了數(shù)字信號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蓄電池的無線功率傳輸實驗裝置,該裝置可以通過33～77 mm可調的氣隙傳遞電功率,并且傳輸功率在150～250 W范圍內連續(xù)可調。

1　系統(tǒng)方案設計

1.1無線功率傳輸方式論證

目前實現(xiàn)無線功率傳輸?shù)姆绞街饕写胖C振與磁感應式兩種[6-9]。對于教學實驗而言,如要體現(xiàn)磁諧振式WPT的效果,需要滿足以下3個條件:(1)高頻(1～20 MHz)的激勵電源；(2)精確設計的發(fā)送/接收線圈,2個線圈的自感Lr和寄生電容Cr需精確匹配；(3)長距離的實驗空間,需要50～200 cm的傳輸長度以體現(xiàn)功率的傳輸效果。而磁感應式WPT中,能量傳輸是磁力線借助小于線圈尺寸的氣隙完成的,所以對于線圈的參數(shù)設計要求低,且可以使用常規(guī)的中低頻電路即可實現(xiàn)。

表1中提出的3個設計參數(shù)要求是關乎到實驗的靈活性與經(jīng)濟性；經(jīng)比較,磁感應式WPT方式具有成本低、參數(shù)設計相對容易和緊湊的特點，所以本設計中采用磁感應式無線功率傳輸方式。

表1　2種WPT方案對比

圖1給出了WPT教學實驗系統(tǒng)結構框圖,由逆變器、發(fā)送/接收側線圈及其諧振網(wǎng)絡、接收側整流器和負載匹配變換器構成。發(fā)送側的逆變器由數(shù)字信號控制器(DSC1)控制,接收側的負載匹配變換器由DSC2控制。

圖1　系統(tǒng)結構框圖

1.2主電路設計

為了充分利用常用實驗室資源,WPT實驗裝置的輸入采用實驗室臺式直流電源(連接至AA’),電壓為15～25 V。輸出負載為48 V蓄電池，可以為多個實驗裝置公用。假設50%的系統(tǒng)效率,第一級采用全橋逆變器結構(見圖2),考慮至少2倍的安全裕量,選取75N75的MOSFET,驅動器選為非隔離帶泵升的橋式驅動IR2101。

圖2　發(fā)送側全橋逆變器

由于串聯(lián)諧振電流具有限流特性,故發(fā)送側的電壓源逆變橋的輸出和接收側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L1和L2,所以發(fā)送和接收側的端口只需串聯(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為等效負載電阻。可以通過分析得到在兩邊同時達到諧振態(tài)時,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調節(jié)圖4中D、D′兩點之間的阻抗來改變。不同于文獻[10-13]中發(fā)送側與接收側均進行調節(jié),本裝置中采用了僅接收側調節(jié)的策略進行控制。鑒于串聯(lián)諧振網(wǎng)絡的電流源特性,可以通過調節(jié)C4電壓來實現(xiàn)調節(jié)虛擬的負載電阻。負載匹配變換器中L3選取50 μH,根據(jù)負載電壓(48 V)和最大充電功率,可以選取MOSFET型號仍為75N75；輸出二極管D5型號為BYV100-30；由于輸出為電池恒壓負載,故C5選10 μF、100 V的薄膜電容即可。

圖4　接收側整流器及負載匹配變換器

由于硬件設計模塊化,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)知識進行分塊實驗教學,亦可針對整個系統(tǒng)進行綜合設計。

1.3能量傳輸控制

為了調節(jié)C4端電壓,需要對負載匹配變換器進行輸入電容C4電壓閉環(huán)控制。根據(jù)穩(wěn)態(tài)參數(shù)及狀態(tài)空間法進行變換器的小信號建模,可以得到(2)中T5的占空比對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電阻,R0為輸出電池的等效串聯(lián)內阻;b=RlR0IL3(1-D)+RlVC5，VC5為C5兩端電壓，D為占空比，IL3為流過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、單極點的PI補償器可以保證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償前的系統(tǒng)Gvc1d、補償后的系統(tǒng)Tloop和控制器Cv。為了保證實驗裝置的可靠性,保守設計的系統(tǒng)的穿越頻率為2 Hz,充分抑制外界擾動。

2　系統(tǒng)性能測試

通過已有的高品質諧振電容值和期望的開關頻率范圍,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,開關頻率為fs,負載匹配變換器的開關頻率為fsw,數(shù)字信號控制器的采樣周期為Ts。實驗平臺樣機如圖6所示。

圖6　實驗平臺樣機

圖7為系統(tǒng)啟動波形，從2個線圈電流和電壓來看,系統(tǒng)啟動過后便進入穩(wěn)態(tài)運行,無穩(wěn)定性問題。

圖7　系統(tǒng)啟動過程線圈電壓電流波形

圖8為穩(wěn)態(tài)運行時的逆變器輸出電壓和電流的波形。可以看出,此時逆變器后端電路處于弱感性,電路對負載突變具有一定限流作用,且保證開關的損耗能變得較小。

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龃?；實驗結果反映出此系統(tǒng)的恒流特性,可以作為實踐教學中一環(huán)重要的觀察案例。

圖9　系統(tǒng)輸入輸出功率調節(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?？梢钥闯鰵庀杜c線圈耦合之間的關系。

圖10　系統(tǒng)的傳輸效率曲線

3　結語

本文設計實現(xiàn)了一款性能可靠的無線功率傳輸?shù)慕虒W實驗裝置,可以實現(xiàn)不同氣隙下的穩(wěn)定可調的功率傳輸；同時模塊化的結構可以分解為不同功率變換環(huán)節(jié),提供給不同學習階段的學生進行知識點的實驗驗證。該裝置可以滿足電力變換類課程高年級本科生及研究生綜合實驗的要求。

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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

國家自然科學基金項目(51207135);江蘇省自然科學基金項目(BK2012266)

蔣偉(1980—),男,江蘇揚州,博士,副教授,主要研究方向為電力電子技術.

E-mail：jiangwei@yzu.edu.cn

G484;TM724

A

1002-4956(2016)1- 0075- 04