[实用新型]一种基波-谐波并行传能的多通道非接触供电系统

说明书

本实用新型公开了一种基波‑谐波并行传能的多通道非接触供电系统，原边电路包括级联的逆变电路以及原边补偿网络，原边补偿网络为多频谐振电路。非接触变压器副边绕有主绕组和一个或多个辅助绕组，主绕组和辅助绕组共用磁芯。副边电路包括多个通道单元，每个通道单元包括级联的副边补偿网络和整流滤波电路，副边补偿网络由谐振网络和选频网络连接构成，主绕组和辅助绕组分别连接一个通道单元。其中，选频网络用于阻挡除本通道谐振频率外的其他频率电流通过，各通道单元中的选频网络实现基波与各奇次谐波彼此间的解耦。本实用新型利用现有强耦合条件下非接触系统中丰富的谐波能量，并实现基波与谐波的解耦控制。

技术领域

本实用新型涉及非接触供电技术，具体涉及一种基波-谐波并行传能的非接触供电系统，尤其适用于小气隙、旋转场合的无线供电系统。

背景技术

非接触供电采用原副边完全分离的非接触变压器通过磁场耦合实现无线电能传输(Wireless Power Transmission,WPT)。与传统的接触式供电相比，非接触供电具有安全、方便、无火花、无磨损及免维护等优点。在航空航天、交通运输、医疗器械、移动通信等领域均有着广泛的应用。尤其在一些需要通过旋转设备供电的场合，如通过电刷和导电环的动态接触实现能量传输和信息交互的机械导电滑环，由于旋转过程中，电刷与导电环之间存在摩擦，容易产生磨损、打火以及积尘等问题。

为了避免磨损，可以用非接触滑环(CS,Contactless Sliprings)代替机械接触式滑环，其核心是基于WPT技术的非接触旋转变压器。但截至目前，非接触供电系统仍存在效率低，电磁辐射大等问题。其中，非接触变压器低耦合系数是制约系统提高效率的关键因素。目前，多采用平面化的非接触变压器结构，通过增大变压器的正对面积，从而保证大气隙时非接触变压器原副边耦合磁路的磁阻不会过大，尽可能地提高非接触变压器的耦合系数。作而用于非接触滑环系统中的非接触旋转变压器，其原副边气隙一般在10mm以内，通过磁场优化设计，耦合系数一般大于0.5，属于WPT中强耦合的范畴。A.Abdolkhani,A.P.Huand N.C.Nair,A Double Stator Through-hole Type Contactless Slipring forRotary Wireless Power Transfer Applications,in IEEE Transactions on EnergyConversion,vol.29,no.2,pp.426-434,June 2014中的非接触滑环耦合系数0.81，系统效率最高可达98.8％。然而，G.He,Q.Chen,P.Xin and X.Chen,Analysis,and correctionof soft switching missing phenomenon in high coupling coefficient WPTsystem,2017 IEEE PELS Workshop on Emerging Technologies:Wireless PowerTransfer(WoW),Chongqing,2017,pp.1-6提出强耦合条件下，随着耦合系数增大，非接触供电系统谐振网络中谐波含量尤其是三次谐波含量先增后减，存在一个极高的峰值，在耦合系数较高时会大大增加。这将导致基波与谐波电流相互耦合，使得非接触供电系统输入相角和输出增益等特性发生变化，给设计、控制增加难度，同时限制了系统效率的进一步提高。

为了减小非接触供电系统中的谐波含量，可以采用在补偿网络中串联LC减小输入电流谐波，或调节原边逆变桥输出电压占空比，控制开关管开关时刻等来消除特定次数谐波。Cai H,Shi L,Li Y.Harmonic-Based Phase-Shifted Control of InductivelyCoupled Power Transfer[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,29(2):594-602采用移相控制并且降低开关频率至基波频率的三分之一或五分之一，来利用三次或五次谐波在非接触供电系统中传递功率。这样虽然有利于减小系统体积和重量，但由于谐波电压幅值较小，传递相同功率势必增加电流幅值，从而导致逆变电路导通损耗和铜损增加。