[实用新型]带自适应功率因数校正的非接触电能传输装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种非接触电能传输装置及其控制方法，尤其涉及一种能够实现谐振逆变、提升输出功率、进行有源功率因数校正、可适应不同负载情况而保持系统稳定的非接触电能传输装置及其控制方法。

背景技术

当前，在给移动的用电设备（如工厂移动吊装设备，矿井采掘与运输设备，电力和地铁机车，无轨电车、轻轨等城市载客交通工具）供电系统中，一般采用接触式电能直接传导方式（包括直接导线传输方式、滑动接触方式和滚动接触方式）。这种电能传输模式存在多种问题，譬如导线裸露、机构磨损、接触火花等，给安全供电带来很大的问题，尤其是在一些比较特殊的场合（譬如含有各种各样易燃易爆气体的厂矿、生产车间等），接触电火花的存在可能给生产活动带来重大灾难。因此，随着人们生活以及生产活动范围的扩大，传统的导线直接接触式电能传输方式已经不能满足生产和生活的要求，人们迫切需要一种新型的电能传输形式来满足新型电气设备及各种特殊条件下的供电需求。 

非接触电能传输技术可以克服传统供电方法存在的诸如滑动磨损、接触火花、机构磨损和不安全裸露导体等局限。该技术将传统变压器的感应耦合磁路分开，实现供电电源与负载单元之间无物理连接的能量耦合，目前已发展出三大类非接触电能传输系统：①应用电磁感应原理，将两个线圈放置于临近位置，利用磁通量形成的媒介，在耦合线圈中产生电动势进行能量传输；②直接应用电波能量可以通过天线发送和接受的原理，在整流电路中将接收到的电波波形加以变换处理后利用；③利用电磁场的谐振方法（两个振动频率相同的物体能高效传输能量），制作电磁共振器，一团线圈附在传送电力方，另一团在接受电力方，当传送方发出某特定频率的电磁波后，经过电磁场扩散到接受方，电力就实现了无线传导。

非接触电能传输技术可被运用到多种工业场合中，但是开关频率的限制制约了非接触电能传输技术的进一步发展。这是因为将电能发射到空中，获得较高的耦合效率，要求较高的发射频率，而一般的IGBT等开关管频率上限也仅在几十kHz。开关管的使用频率提高到一定程度会引起系统效率的急剧下降，并有可能导致开关管烧毁。这样必须采用谐振变换器的方法，以最大程度的提高逆变后发射线圈中的电流频率。

另外，在机械传动、轨道交通等场合中，用于驱动所需功率较高。要实现非接触电能传输技术在这些场合的运用，一个具有高功率输出的逆变器是必要的。有一些方法使逆变器功率大，其中最直接的较好办法是将系统输入电压提升。然而，一般情况下，单纯改变电能变换器上的输入电压在很大程度上会遇到成本和空间等实际使用条件多方面的困难。

在非接触电能传输系统中需要有直流电压输入到逆变器，以产生高频发射电流从而进行非接触电能传输。但在实际使用中，通常难以找到直接的直流电源，在工业中使用的直流电压都由工频交流电整流而来。这样就带来了谐波的问题，特别是当非接触电能传输运用于大功率的场合时，引起的大电流谐波问题尤其明显。因此限制谐波危害程度，使其满足相关部门作出的相应的规定，也是非接触电能传输技术需要解决的问题。

在固定频率的非接触电能传输系统中，运行频率为额定频率。要功率传输达到最大，次级补偿电容必须与该频率下的谐振补偿电容相等。但如果由于温升而引起电容下降，传输功率必然会下降。为了保证输出功率，需要增大初级供电电流或电压，从而使视在功率增大。若采用变频控制器则可以使系统一直运行在电源端负载阻抗的零相角频率点。系统电源只需要提供系统中消耗的有功功率，降低了对电源的视在功率。但此时，出现的另一个问题是如果在频谱范围内，有多个零相角点存在时，那么就难以确定理想的控制点。

当非接触电能传输系统的负载发生变化时，会直接导致其谐振频率的改变，这时系统的频率控制会发生混乱，导致系统不稳定。而当电源的运行频率偏离理想值到一定程度时，可能致使系统的功率传输能力大为下降。要保证系统的稳定性和增大功率传输能力，就必须保证在各种负载情况下，系统仍能够自适应谐振。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的是克服现有非接触电能传输技术实现方案的不足，提出一种能够实现谐振逆变、提升输出功率、进行有源功率因数校正、可适应不同负载情况而保持系统稳定的非接触电能传输装置。