本发明专利技术的非接触式大功率能量传输系统包括发射端、接收端、负载、待机电路、能量收集与转换单元等五部分。反馈电路通过检测原边谐振线圈电流和谐振频率的变化，调整开关管的开关频率，使其与系统的谐振频率保持一致；通过对开关管驱动电压进行适当的相位补偿，可以消除由于开关管关断延时造成的逆变电路中产生的环流。待机电路可以通过继电器完全切除主电路的电源。当负载移除时，电路可以自动进入待机状态。当负载进入时，待机电路可以无线侦测到负载的存在，并自动启动主电路进入工作状态。热能采集和转换系统，将在变换电路和开关电路中产生的热能，通过热电材料转化为可利用的电能，重新反馈到主电路的功率输入中，实现了能量的循环利用。
A non-contact high power energy transmission system and its application
The non-contact high-power energy transmission system of the invention comprises five parts: an emitting end, a receiving end, a load, a standby circuit, an energy collection and conversion unit, etc.. The feedback circuit by detecting the change of primary side resonant coil current of resonant frequency, switching frequency adjustment switch, which is consistent with the resonant frequency of the system; the driving voltage of the phase compensation of appropriate switches can eliminate the switch tube circulation inverter circuit turn off delay caused by the. The standby circuit can completely cut off the power supply of the main circuit through the relay. When the load is removed, the circuit automatically enters the standby mode. When the load enters, the standby circuit can wirelessly detect the presence of the load and automatically start the main circuit to enter the working state. Heat energy collection and conversion system, the heat will be generated in the converter circuit and switch circuit, the thermoelectric materials into usable electrical power, re feedback to the power input of the main circuit, realize energy recycling.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种非接触式的大功率能量传输系统及应用装置，系统的效率和稳定性可以满足实际应用的要求。
技术介绍
目前，工业生产中使用的电气设备通常采用接触的方式，通过插头直接与电网连接。这种电能传输模式容易产生接触火花、在一些比较特殊的环境下(譬如含有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。另外，在海洋船舶等应用场合，接触式的电气接触还容易由于潮湿等情况造成短路故障，极大降低了设备工作的稳定性和可靠性。对于非接触式的能量传输系统，通常采用电磁感应式的方式。但是，工业生产中电能传输功率通常达到几百瓦到几个千瓦，因此能量传递的效率和稳定性成为这项技术实际应用的关键因素。对于非接触式的能量变换系统，通常需要将初级回路的电流进行高频化，以此来提高系统的功率密度，减小器件体积，提高系统的传输效率。由于采用大功率的变换电路、开关器件等，这些都会导致系统的能量传递效率的降低。对于一般的非接触能量传输系统，初级回路到次级回路一般存在2 4级变换，设计较好的系统的效率一般也就在 70 80%之间，20 30%的电能会在系统中以热的形式耗散掉。这样的效率对于小功率的设备，如手机充电等还可以在实际应用中被接受。但是，对于几百瓦到几千瓦的大功率设备而言，这样的效率会造成大量的能源的浪费，并且大量的生热会造成系统的稳定性降低， 甚至烧毁器件和设备。对于大功率的非接触式能量传输系统，系统能量输出效率的降低主要有如下几个原因一、当系统的器件参数发生漂移或扰动时，或是负载发生变化时(如多个负载中的某个负载被加入或移除时)，这些都会造成系统的谐振频率发生变化，导致开关器件的开关频率与系统的谐振频率发生偏移，从原边传递到副边的能量迅速降低；二、由于开关器件的开启与关断存在一定的延迟，导致软开关控制的开关器件很难做到在谐振电压为零时关断，谐振电流为零时开启，造成在高频逆变电路中产生环流。通常环流的峰值为开关管中正常工作时的电流的几倍，造成开关器件的生热，最终导致器件或系统的失效。三、当系统处于待机状态时，为了实现负载加入或移除时系统能够自动开启或关闭，通常系统原边的主电路会处于工作状态。由于非接触电能传输系统中存在大量的电容和电感等储能器件，这样就会造成待机功耗高，对于大功率系统这个问题尤为突出，使系统处于待机状态时仍损耗大量的功率。四、开关器件自身存在固有的能耗损失，如IGBT或MOSFET等半导体功率器件，在其工作时自身就会有一定的功耗损失。这种损失通常不能通过系统的控制设计的优化来提高。
技术实现思路
针对上述大功率非接触式能量传输系统在应用中遇到的技术难题，本专利技术提出了一种能够实现大功率的非接触能量传输系统的设计方法，可以提升系统的效率和稳定性， 具有节能的显著特点，可以实现大功率非接触式能量传输系统的实用化。本专利技术的非接触式的能量传输系统包括发射端、接收端、负载、待机电路、能量收集与转换系统五部分。发射端包括发射端电路与发射线圈、控制电路和反馈电路；接收端包括接收端电路和接受线圈。发射端电路包括功率变换单元和逆变电路单元。功率变换单元接受整流后的直流输入，并与控制电路及逆变电路相连。当控制电路输出不同的PWM波形时，功率变换单元可以输出不同的直流电压。逆变电路与功率变换电路、主控制电路及谐振线圈相连。当控制电路输出不同的PWM控制信号时，逆变电路输出不同频率的谐振电压波形。原边和副边谐振线圈由一组电容、电阻和电感器件组成。当在谐振线圈中输入高频的交流电时，原边的发射线圈与副边的接受线圈通过感应电动势，透过空气磁路进行非接触式的能量传输。主控制电路为数字信号处理器(DSP)，具有数据处理、信号采样和保持、输出一定占空比的PWM波形等功能。DSP输出的控制信号经过放大和变换电路，输出给开关管的驱动电路，控制开关器件按照设定的频率进行开启和关断。反馈电路包括谐振线圈的输入电压和输出电流的采样电路。谐振电压采样后可以经过变换电路，输出固定频率的方波波形，可以获得谐振电路的频率信息。反馈电路所采集的电压和电流信号都可以输入到DSP中，与设定的参考值进行比较后输出调整后的控制信号。副边接收端电路主要包括整流滤波电路，功率变换电路，给负载输出电源。通常非接触式的能量传输系统可以支持多个负载，当负载发生变化时，原边需要及时调整系统的输出功率，以保证副边的所有负载的稳定工作。本专利技术的主电路功率变换单元的特征是当负载发生变化时，原边功率变换的输出调整是通过检测并反馈谐振线圈的谐振电流来实现的。其实现方式是反馈电路中包含谐振线圈电流的检测电路、变换电路和A/D转换电路，采样值输入到控制电路中。控制电路将采样电流值与参考值进行比较和运算，输出调整后的PWM波形，并经过变换电路后输出给功率变换单元。非接触式的能量传输系统在工作过程中，当受到内部或外部的扰动时，谐振频率会发生变化和漂移。为此，开关管的开关频率需要实时跟踪系统谐振频率的变化。另外，由于系统中的开关器件在开启和关断时存在一定的延时，当开关管不能在谐振电压为零时关断，在谐振电流为零时开启，会造成逆变电路单元中环流的产生，需要对开关管的驱动控制进行一定的相位补偿。本专利技术针对开关管开关频率与相位的控制方法的特征是当系统的谐振频率发生漂移时，控制电路通过检测发射线圈输入电压的频率变化，并据此调整开关管的开关频率以实现对系统谐振频率的跟随；控制电路通过对发射线圈内的环流进行实时采样，计算获得环流持续的时间，据此对开关管的驱动控制相位进行补偿，以实现软开关控制，即开关管在谐振电压为零时关断，在谐振电流为零时开启。其实现方式是反馈电路中包含原边线圈的谐振电压的检测电路、频率变换电路、A/D转换电路，采样值输入到控制电路中。控制电路将采样电流值与参考值进行比较和运算，输出频率和相位调整后的PWM波形，并经过变换电路和驱动电路控制逆变电路的输出。本专利技术的待机电路的特点是待机电路与主电路完全分离，并且可以通过继电器控制主电路的电源的开启和关闭。待机电路通过无线传感器实时侦测负载的存在，并据此自动开启或关闭主电路的输入电源。由于待机电路自身的功率非常小(通常小于1W)，这样就可以使系统在待机状态时的功率损耗非常低，大幅度降低待机功耗。具体的控制方法为当负载被移除时，系统通过检测逆变单元的直流输入电压的变化，使系统自动进入待机状态。 在待机状态时，待机电路能够通过无线传感器(例如无源的RFID读写器和电子标签)实时侦测负载的存在，通过控制继电器开启主电路的电源输入，系统自动进入工作状态。本专利技术的热能收集和转换单元包括集热器、热电材料和变换电路、热交换器等。循环利用的能量可以经过变换电路重新输入到原边功率变换单元，其特征是能量收集和变换单元可以直接与原边电路相连，将损耗的热能转化为电能重新输入到系统中，或是直接与负载进行能量交换，直接输出能量到负载。针对本专利技术的技术要点，提出两项优选实施例一是采用非接触式能量传输技术的井下矿灯充电平台装置；二是采用非接触式能量传输技术的热水器。采用非接触式的能量传输技术的井下矿灯充电平台包括发射装置、发射线圈、充电台面和包含接收线圈的矿灯负载等四部分。由一个发射装置控制多路发射线圈，可以同时给平台上的多个矿灯负载进行充电。当充电的矿灯数量发本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．非接触式的能量传输系统包括发射端、接收端、负载、待机电路、能量收集与转换单元五部分，其特征是：发射端电路通过实时检测原边谐振线圈电压及谐振电流的变化，并反馈控制开关管的开关频率、相位和输出电流，以实现原边向副边稳定、高效输出电能；待机电路与主电路分离，可以控制主电路的电源输入，并实时无线侦测负载的存在；能量收集和转换系统实现损耗能量的回收和重复利用，进一步提高系统的能源利用率。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：韩丽，
申请(专利权)人：韩丽，
类型：发明
国别省市：31
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