[发明专利]一种三相负载单相无线供电系统及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输系统，具体涉及一种三相负载单相无线供电系统及其设计方法。

背景技术

传统有线电能传输模式是通过导体之间直接相连的形式传送电能的，但随着社会的不断发展与进步，这种基于传统理论的接触式供电模式带来的弊端越来越明显，如容易产生磨损、插电火花、不易维护等，因此，基于感应耦合原理的无线电能传输(Wireless Power Transfer，简称WPT)技术应运而生。

目前无线电能传输技术主要是实现单相负载的无线供电，然而随着WPT技术研究的不断深入，越来越多的场合需要满足三相负载的无线供电需求。针对三相负载的无线供电需求，目前主要是采取原边三相磁能发射、副边三相磁能拾取的三相无线供电模式。

然而，在原边三相磁能发射、副边三相磁能拾取的三相无线供电系统中，原边高频逆变电路需要采用三相高频逆变电路机构，这就需要原边有三个磁能发射机构和三个谐振补偿机构，同时副边有三个磁能拾取机构和三个谐振补偿机构，这样导致整体系统器件较多，装置体积较大，系统较复杂；另外，由于各原边线圈与各副边线圈之间，各原边线圈之间，各副边线圈之间的互感值相互影响，使得系统建模比较困难，原、副边参数控制比较复杂；再者，该系统能量可双向流动，容易实现交流电机的四象限运行。

发明内容

本发明的目的就是针对现有的原边三相磁能发射、副边三相磁能拾取的三相无线供电系统中存在的问题，提供一种三相负载单相无线供电系统及其设计方法。

本发明的目的是这样实现的，三相负载单相无线供电系统和设计方法，具体方案如下：

三相负载单相无线供电系统，包括单相交流电源、整流滤波电路、单相高频逆变电路、原边谐振补偿机构、原边磁能发射机构、副边磁能拾取机构、副边谐振补偿机构、单相/三相矩阵变换器、三相滤波电路、三相负载。

单相交流电源经整流滤波电路整流成直流电，直流电通过单相高频逆变电路逆变为高频交流电，再经原边谐振补偿机构后变为高频正弦交流进入原边磁能发射机构，通过电磁感应，副边磁能拾取机构感应出同频率的交流电后，经副边谐振补偿机构、单相/三相矩阵变换器及三相滤波电路滤波后为三相负载提供任意频率的三相交流电，从而满足了单相交流电源为三相负载的无线供电需求。

所述的系统以原边磁能发射机构和副边磁能拾取机构为界限，两者之间互不接触，实现了电能从原边到副边的无线传输。

所述的单相/三相矩阵变换器将副边磁能拾取机构及副边谐振补偿机构输出的单相高频交流电转变为任意频率三相交流电，实现了单相高频交流电向三相负载供电的功能。

所述的整流滤波电路采用带电容滤波的不控整流电路，单相高频逆变电路是电压型单相全桥逆变电路，四个功率管采用180°互补导通模式。

所述的原边谐振补偿机构和副边谐振补偿机构分别采用串联电容补偿和并联电容补偿，目的在于提高三相负载的输出电压和负载波动条件下的系统频率稳定性。

所述的原边磁能发射机构和副边磁能拾取机构是由原边磁能发射线圈和副边磁能拾取线圈组成，且两个线圈材料相同。

所述的单相/三相矩阵变换器是由六个双向开关组成，每个双向开关是由两个IGBT管共射极串联组成，且整个逆变器相当于两个传统的三相逆变器反并联构成；为了提高三相负载的输出电压和降低系统电流谐波总畸变率，该单相/三相矩阵变换器采用SVPWM调制策略。

所述的一种三相负载单相无线供电系统的设计方法：

(1)忽略双向开关管的损耗，根据功率守恒定律，单相/三相矩阵变换器及三相滤波电路、三相负载可以等效为单相负载，从而使主电路等效为一个典型的原边串联补偿、副边并联补偿的单相无线供电系统。

(2)由算出副边磁能拾取机构电感值L_s，再由算出副边谐振补偿机构电容值C_s，其中R_eq是单相/三相矩阵变换器的单相端等效电阻；ω是系统单相高频逆变电路工作角频率；Q_s是副边谐振补偿因数，Q_s一般取2～10。

(3)根据系统设计需要，设原边磁能发射机构电感值L_p为一固定值，则原边谐振补偿机构电容值其中M是原边磁能发射线圈、副边磁能拾取线圈之间的互感值。

(4)三相滤波电路采用巴特沃思二阶低通滤波电路，这是因为LC滤波电路的固有频率是由LC同时决定的，而巴特沃思滤波电路是一种具有最大平坦响应的滤波电路。