劉 洋，逄海萍

基于E類逆變器的無(wú)線電能傳輸創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

劉 洋，逄海萍

（青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266061）

以E類逆變器為基礎(chǔ)，結(jié)合磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)創(chuàng)新性仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。首先分析E類逆變器的工作原理，并研究電路參數(shù)對(duì)E類逆變器效率的影響；然后系統(tǒng)地給出基于E類逆變器的高效MCR-WPT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟，并在Simulink下構(gòu)建了一套系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在該平臺(tái)上可以進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的觀察和分析、傳輸效率的計(jì)算以及各類因素對(duì)傳輸性能影響研究，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

無(wú)線電能傳輸；E類逆變器；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

自麻省理工學(xué)院2007年首次提出磁耦合諧振（magnetic coupling resonance，MCR）式無(wú)線電能傳輸（wireless power transfer，WPT）技術(shù)以來(lái)，有關(guān)MCR-WPT的研究在國(guó)內(nèi)外得到廣泛開(kāi)展[1]。與磁感應(yīng)耦合式WPT系統(tǒng)相比，MCR-WPT系統(tǒng)具有電能轉(zhuǎn)換量大，傳輸距離遠(yuǎn)以及傳輸功率高等優(yōu)勢(shì)[2-4]，在無(wú)尾家用電器、體內(nèi)醫(yī)療設(shè)備無(wú)線充電以及電動(dòng)汽車的無(wú)線充電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-6]。

本文基于E類逆變器的MCR-WPT系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新性仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并從分析和提升效率的角度進(jìn)行啟發(fā)式研究，目的是使學(xué)生掌握利用理論分析、仿真實(shí)驗(yàn)等手段分析和解決問(wèn)題的方法，并且可以自己進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)，開(kāi)展優(yōu)化傳輸特性方案的研究和探討，從而激發(fā)創(chuàng)新思維、培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

1 MCR-WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MCR-WPT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由交流電源、整流電路、逆變電路、發(fā)射回路、接收回路、整流電路和負(fù)載組成。系統(tǒng)涉及電路理論、電磁場(chǎng)理論、電力電子技術(shù)等多門(mén)科目，是培養(yǎng)電氣、自動(dòng)化等專業(yè)的學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的一個(gè)良好案例，也是進(jìn)行綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的一個(gè)良好平臺(tái)。

圖1 MCR-WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在電力電子技術(shù)課程中講述的單相逆變電路主要有全橋和半橋逆變，其在kHz級(jí)別的WPT中得到了廣泛應(yīng)用[7-8]。與其相比，E類逆變器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用在開(kāi)關(guān)電源和MHz級(jí)別的WPT等領(lǐng)域中[9-12]。研究已表明，諧振頻率越高，MCR-WPT系統(tǒng)的傳輸效率也越高[13]，并且合理的電路參數(shù)設(shè)計(jì)還可以使E類逆變器工作在高效率的軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

2 E類逆變器的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

圖2 E類逆變器經(jīng)典結(jié)構(gòu)圖

3 E類逆變器的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 經(jīng)典E類逆變器最優(yōu)參數(shù)計(jì)算式

在Matlab/Simulink中搭建的E類逆變器的仿真模型如圖3所示，在最優(yōu)參數(shù)下開(kāi)關(guān)管電壓Vds和電流Ids的波形如圖4所示。由圖4可以看出，在最優(yōu)參數(shù)的情況下，E類逆變器工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖3 E類逆變器的仿真模型

圖6為C0偏離最優(yōu)值時(shí)開(kāi)關(guān)管的電壓、電流波形。

圖4 最優(yōu)參數(shù)下開(kāi)關(guān)管的電壓和電流波形

圖5 負(fù)載偏離最優(yōu)值時(shí)的開(kāi)關(guān)管電壓電流波形

通過(guò)以上分析可以看出，負(fù)載的大小和并聯(lián)電容的大小都會(huì)使得E類逆變器的工作狀態(tài)發(fā)生改變，影響E類逆變器的工作效率。因此在設(shè)計(jì)E類逆變器時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格計(jì)算其各部分參數(shù)，保證最優(yōu)工作狀態(tài)，達(dá)到高效傳輸?shù)哪康摹?/p>

4 基于E類逆變器的MCR-WPT系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)組成

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

獲得高效電能傳輸是將E類逆變器應(yīng)用于MCR- WPT系統(tǒng)的主要目的之一，為了使系統(tǒng)獲得可能的最大效率，本節(jié)給出的設(shè)計(jì)方案如下：

圖6 ωC0偏離最優(yōu)值時(shí)開(kāi)關(guān)管的電壓和電流波形

圖7 基于E類逆變器的MCR-WPT系統(tǒng)電路

圖8 耦合諧振電路的等效電路

式中為互感。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中將采用此負(fù)載作為系統(tǒng)終端 負(fù)載。

第二步，確定E類逆變器的各項(xiàng)參數(shù)。

再根據(jù)表1可得到E類逆變器滿足最優(yōu)狀態(tài)的并聯(lián)電容、諧振電容和電感數(shù)值。

4.3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及效率分析

為了更直觀地理解整體系統(tǒng)的工作原理并研究其傳輸特性，利用Matlab/Simulink設(shè)計(jì)了一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖10所示。在需要的地方設(shè)置示波器用以 觀測(cè)相關(guān)的電壓、電流波形，同時(shí)加入功率和效率的計(jì)算。

下面在仿真平臺(tái)上進(jìn)一步對(duì)傳輸效率進(jìn)行分析。

圖10 基于E類逆變器的WPT-MCR系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖11 負(fù)載上電壓電流波形和輸出功率曲線

圖12 輸入側(cè)電流波形和輸入功率曲線

圖13 系統(tǒng)傳輸效率分布圖

圖14 系統(tǒng)各部分傳輸效率曲線

圖15 系統(tǒng)整體傳輸效率曲線圖

以上是在E類逆變器最優(yōu)負(fù)載的情況下的做的仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在此平臺(tái)上對(duì)線圈參數(shù)、諧振頻率、E類逆變器的相關(guān)參數(shù)、負(fù)載參數(shù)或者器件參數(shù)等做調(diào)整，結(jié)合相關(guān)的理論分析，研究并探討各種因素對(duì)系統(tǒng)各部分傳輸效率和傳輸功率等特性的影響，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維以及分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的 能力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)E類逆變器的工作原理進(jìn)行了分析，研究了不同電路參數(shù)對(duì)工作狀態(tài)的影響。設(shè)計(jì)了一套基于E類逆變器的MCR-WPT系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案，并且對(duì)于系統(tǒng)傳輸效率進(jìn)行了系統(tǒng)性地分析。通過(guò)該設(shè)計(jì)和分析方法可以得到出不同條件下的高傳輸效率系統(tǒng)?；贓類逆變器的MCR-WPT系統(tǒng)將電力電子和電路的專業(yè)知識(shí)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到體現(xiàn)，同傳統(tǒng)的理論教學(xué)相比，學(xué)生可以更好地掌握逆變器、磁耦合諧振的原理，由此激發(fā)學(xué)生的新思路，提升創(chuàng)新能力和水平。

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Design on innovative experiment of wireless power transmission based on E-class power inverter

LIU Yang, PANG Haiping

(Department of Automation and Electronic Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China)

Based on E-class inverters and combined with the principle of magnetically coupled resonant wireless power transmission, an innovative simulation experiment platform is designed. Firstly, the working principle of the E-class inverter is analyzed, and the influence of circuit parameters on the efficiency of the E-class inverter is studied. Then, the design method and steps of high-efficiency MCR-WPT system based on E-class inverters are systematically presented, and a system simulation experiment platform is constructed under Simulink. On this platform, the running state of the system can be observed and analyzed, the transmission efficiency is calculated and the influence of various factors on the transmission performance is studied so as to stimulate students’ innovative thinking and improve their ability to analyze and solve problems.

wireless power transmission; E-class inverter; innovative experiment

TM724

A

1002-4956(2019)12-0066-06

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.016

2019-04-30

山東省本科高校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（Z2016M007）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2018LF008）；青島科技大學(xué)校級(jí)教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2018ZC38)；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201610426041）

劉洋（1996—），女，山東威海，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)，無(wú)線電能傳輸。E-mail: lydsyh@qq.com

逄海萍（1964—），女，山東青島，博士，教授，電氣工程及其自動(dòng)化本科專業(yè)建設(shè)負(fù)責(zé)人，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及其應(yīng)用、無(wú)線電能傳輸、控制理論在電力電子技術(shù)中的應(yīng)用。E-mail: panghp@qust.edu.cn