双线圈并绕的无线电能传输系统及其输出功率分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种双线圈并绕的无线电能传输系 统及其输出功率分配方法。
【背景技术】
[0002] 无线电能传输技术应用到轨道交通的供电系统可以避免现有接触网或第三轨等 裸露导体接触、滑动供电带来的安全隐患，而且不存在碳积、摩擦损耗等弊端，具有维护成 本低，安全可靠，实用性高的优点。
[0003] 现有的无线电能传输系统的主要构成及工作过程为：工频交流电经过整流成为直 流，经过逆变器后直流电逆变成高频交流电，高频交变电流注入初级线圈，产生高频交变磁 场；次级线圈在初级线圈产生的高频磁场中感应出感应电动势，该感应电动势通过高频整 流及直流斩波等调节电路后向负载提供电能。
[0004] 其存在的问题是：传统的逆变器采用单个单相全桥逆变器，由于受到开关器件容 量的限制，输出电流无法满足大功率电能传输（如对轨道交通供电进行无线电能传输）的 要求，使得采用单个逆变器的无线电能传输技术的推广受到很大限制。此外单个逆变器一 旦损坏，系统将停止工作，系统冗余性差。
[0005] 目前实现大功率无线电能传输的方案主要有两种：一种是使用级联多电平逆变器 的方式实现，另一种是使用多逆变器并联的方式实现。前者的缺点是在具有独立直流电源 的级联多电平逆变电路中，其所需独立直流源数很大，功率器件较多，如果每个直流源都需 要被控制的话，就使整个系统控制复杂；后者的缺点是在多个逆变器并联时，由于逆变器输 出电压的相位和幅值不一致导致环流的产生，环流会影响系统稳定性，还使系统的控制策 略变得复杂等。
【发明内容】
[0006] 本发明的第一目的是提供一种双线圈并绕的无线电能传输系统，该系统成本低， 稳定性高，传输功率高；两个逆变器电气隔离，增加了系统的冗余性、灵活性和可靠性；且 系统只需一个直流电源，功率调节方法简便，控制方式简单。
[0007] 本发明实现其第一发明目的所采用的技术方案是，一种双线圈并绕的无线电能传 输系统，包括发送端和接收端，其结构是：
[0008] 所述发送端的具体组成是：直流电源两端并联逆变器一和逆变器二；逆变器一依 次通过补偿电容一和功率分配电容一与发送线圈一连接，逆变器二依次通过补偿电容二和 功率分配电容二与发送线圈二连接；发送线圈一和发送线圈二相同且并绕于同一个磁芯 上；
[0009] 所述接收端由接收线圈依次串接接收端补偿电容、整流桥和负载构成；
[0010] 所述发送端的逆变器一的控制端和逆变器二的控制端均与控制器相连。
[0011] 与现有技术相比，本发明系统的有益效果是：
[0012] 一、两个发送线圈并绕，在同等功率需求下，两个逆变器按照比例分配功率，明显 减小逆变器中开关器件的容量和开关器件的热损耗，降低了成本，提高了系统的稳定性。通 过发送线圈的并绕，有效地增加了发送线圈的总电流，从而增加了系统的总输出功率。
[0013] 二、两个发送线圈并绕，如果某个发送变换器因故障无法工作被切除，另一个变换 器可以继续工作，系统不停运，只是减少了输出功率，为解除故障，维修或是更换变换器提 供了时间，增加了系统的冗余性、灵活性和可靠性，能够实现模块化。
[0014] 三、本发明中输出总功率的调节可以通过控制器调节移相角以改变逆变器输出电 压的弧度值来实现。系统只需一个直流电源，当需要不同输出功率时，通过控制器调节移 相角从而改变逆变器输出电压的弧度值以达到连续改变输出功率的目的，功率调节方法简 便，控制方式简单。
[0015] 本发明的第二目的是提供一种使用上述双线圈并绕的无线电能传输系统的输出 功率分配方法，该方法能有效分配两逆变器的输出功率，使逆变器输出容量在总功率不变 的前提下合理分配，且输出全为有功功率，特别适用于两个逆变器容量不等的情况。
[0016] 本发明实现其第二发明目的所采用的技术方案是，一种使用上述双线圈并绕的无 线电能传输系统的输出功率分配方法，其步骤是：
[0017] A、按照用户需求确定逆变器二的输出功率为逆变器一的输出功率的0倍，则发 送端的功率分配电容一和功率分配电容二的电容值cel和c 分别为：
【主权项】
1. 一种双线圈并绕的无线电能传输系统，包括发送端和接收端，其特征在于： 所述发送端的具体组成是：直流电源（E)两端并联逆变器一（Hl)和逆变器二（H2); 逆变器一（Hl)依次通过补偿电容一（Csl)和功率分配电容一（Cel)与发送线圈一（Lsl) 连接，逆变器二（H2)依次通过补偿电容二（Cs2)和功率分配电容二（Ce2)与发送线圈二 (Ls2)连接；发送线圈一（Lsl)和发送线圈二（Ls2)相同且并绕于同一个磁芯上； 所述接收端由接收线圈（Lr)依次串接接收端补偿电容（Cr)、整流桥（H3)和负载（?) 构成； 所述发送端的逆变器一（Hl)的控制端和逆变器二（H2)的控制端均与控制器（KS)相 连。
2. -种使用权利要求1所述的一种双线圈并绕的无线电能传输系统的输出功率分配 方法，其步骤是： A、 按照用户需求确定逆变器二（H2)的输出功率为逆变器一（Hl)的输出功率的β倍， 则发送端的功率分配电容一（Cel)和功率分配电容二（Ce2)的电容值C el和ce2分别为：
，其中，ω为逆变器工作角频率，M为发送线圈一（Lsl)和发 送线圈二（Ls2)之间的互感值； B、 按照A步得到的功率分配电容一（Cel)和功率分配电容二（Ce2)的电容值Cel和ce2 配置并装设后，控制器（KS)通过调节移相角控制逆变器一（Hl)和逆变器二（H2)输出电 压的弧度值，从而控制总输出功率：当需要逆变器的总输出功率为P时，调节移相角使逆变 器一（Hl)和逆变器二（H2)的输出电压弧度值为Θ
，即可得 到对应的输出功率P，其中，M1为发送线圈一（Lsl)与接收线圈（Lr)之间的互感值，也即为 发送线圈二（Ls2)与接收线圈（Lr)之间的互感值，V为直流电源（E)的电压值，Γι为负载 (?)的电阻值；此时逆变器一（Hl)和逆变器二（Η2)的输出功率按步骤A设定的比例分配 输出。
【专利摘要】一种双线圈并绕的无线电能传输系统及其输出功率分配方法。系统包括发送端和接收端，发送端组成是：直流电源并联逆变器一和逆变器二；逆变器一通过补偿电容一和功率分配电容一与发送线圈一连接，逆变器二通过补偿电容二和功率分配电容二与发送线圈二连接；发送线圈一和发送线圈二相同且并绕于同一个磁芯上；接收端由接收线圈依次串接接收端补偿电容、整流桥和负载构成。功率分配方法步骤是：计算并配置功率分配电容；通过控制器调节控制总输出功率，两逆变器按照比例分配输出功率。该系统成本低，稳定性高，传输功率高；且两个逆变器电气隔离，增加了系统的冗余性、灵活性和可靠性；系统只需一个直流电源，功率调节方法简便，控制方式简单。
【IPC分类】H02J17-00
【公开号】CN104682579
【申请号】CN201510130015
【发明人】麦瑞坤, 李勇, 陈阳, 何正友
【申请人】西南交通大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月24日