[发明专利]非接触供电系统拓扑结构优化及频率匹配方法

说明书

本发明提出了一种非接触供电系统拓扑结构优化及频率匹配方法，其步骤为：构建拓扑结构优化的非接触供电电路：在单相全桥逆变器上加上辅助桥臂构成三相逆变器，一个原边线圈与副边线圈相耦合；根据基尔霍夫定律和变压器原理计算复合谐振网络阻抗；利用复合谐振网络阻抗求解复合谐振网络频率；将原边电路看作是带通滤波器，求解原边电路的固有谐振频率；将副边电路看作是低通滤波器，求解副边电路的固有谐振频率；限定各个频率，使三相逆变器的开关管处于软开关工作状态。本发明在轻载阶段用升频方法使轻载效率提升约3~5%，且简化了电路结构轻载效率提高约3%。本发明在开关频率范围内和变频过程中均具有强鲁棒性的自然软开关切换能力。

技术领域

本发明涉及非接触供电及自动控制的技术领域，尤其涉及一种非接触供电系统拓扑结构优化及频率匹配方法。

背景技术

非接触供电系统应用在煤矿井下机器人或电动汽车感应无线充电，或用于采矿工程中不适于插接导线传输的场合。非接触供电系统在防爆性能、智能化控制方面优势明显。插接式传输的缺点包括不适合防爆环境使用、依赖于人工插接导线等等。

单相方波逆变器通常用作非接触供电电路的原边逆变器。单相方波逆变器在纵向换流的同时通常伴随出现横向换流，因此开关管易于进入硬开关斩波状态。由于非接触供电电路的谐振网络具有选频特性，当选择重载效率高的频率，则轻载环流较大、轻载效率明显低于重载效率。对于数千瓦甚至更高功率的电路，如果轻载时逆变器的开关管的硬开关关断，将使开关管急剧发热并可能导致器件损坏。

国内外学者针对使用LCC补偿电路的单相感应电能传输系统的研究比较多，其轻载同样比重载的效率低，轻载时逆变器开关管通常处于硬开关状态。采用变频方法虽然可以提高LCC补偿电路的感应电能传输系统的轻载效率，但是要实现暂态过程、轻载状态均始终处于软开关状态且达到理想的效率，尚需更科学的方法。

发明内容

针对现有单相方波逆变器开关管易于出现开关管硬开关状态，以及三相逆变器轻载时易于出现开关管硬开关状态并导致器件损坏的技术问题，本发明提出一种非接触供电系统拓扑结构优化及频率匹配方法，优化非接触供电系统的拓扑结构，并给出了频率匹配方法，实现了在负载变化时调节传输功率以提高轻载效率和传输效率。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种非接触供电系统拓扑结构优化及频率匹配方法，其步骤如下：

步骤一：构建拓扑结构优化的非接触供电电路：在单相全桥逆变器上加上辅助桥臂构成三相逆变器，三相逆变器通过三相补偿电路分别与三相原边线圈相连接，一个原边线圈与副边线圈相耦合，副边线圈通过单相整流电路与负载相连接；

步骤二：将单相整流电路等效为电流源，将三相逆变器和三相补偿电路等效为半桥电路，根据基尔霍夫定律和变压器原理计算原、副边线圈与三相补偿电路的复合谐振网络阻抗Z_in；

步骤三：对复合谐振网络阻抗Z_in求虚部并令虚部等于0，求解复合谐振网络频率f_T；不考虑电磁耦合的情况下，将三相原边线圈与三相补偿电路构成的原边谐振电路看作是带通滤波器，求解原边电路的固有阻抗Z_p，根据原边固有阻抗Z_p，求解原边电路的固有谐振频率f_p；将副边线圈和补偿电容构成的副边谐振电路看作是低通滤波器，求解副边电路的固有谐振频率f_s；

步骤四：为了使三相逆变器的开关管始终处于软开关工作状态：

(1)开关管的斩波频率f_v和副边电路的固有谐振频率f_s的关系应满足以下条件：f_vmax≤f_s≤2·f_vmin；f_vmin和f_vmax分别表示最小开关频率和最大开关频率；