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    • 头条用于动态无线供电系统的双输出逆变器
      2021-04-11 作者:葛学健 孙跃 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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      导语重庆大学自动化学院、复杂系统安全与控制教育部重点实验室(重庆大学)、国网电力科学研究院有限公司实验验证中心的研究人员葛学健、孙跃、唐春森、左志平、桑林,在2020年第4期《电工技术学报》上撰文,提出了一种适用于动态无线供电(DWPT)系统的双输出逆变器。该逆变器可以产生两路相同的输出,用以驱动两段发射导轨(线圈)。 理论分析和实验结果表明基于该文所提逆变器的DWPT系统可以在拾取线圈移动过程中一直保持较高的传输效率,且最大效率为90%以上。同时,系统具有较快的动态响应速度,完全可以满足一般DWPT系统的要求。

      磁耦合无线电能传输(Magnetic Coupling Wire- less Power Transfer, MC-WPT)技术是基于电磁感应耦合原理实现一定距离的非接触式能量传输,由于其便捷、安全、灵活等特点受到了学者和企业的广泛关注,现已经应用于家电、医疗、消费电子和交通运输等各个领域。

      近年来,MC-WPT技术开始逐渐应用于移动式负载(如电动车行进中无线充电、物流系统搬运小车、仓储系统传输机构、变电站巡检机器人等),即动态无线供电(Dynamic Wireless Power Transfer, DWPT)系统。在DWPT系统中,有图1和图2所示的两种常用供电模式。

      图1所示为全程单导轨供电模式。当用电设备行驶在发射导轨上方时,拾取线圈可以获得持续的能量。但是,单导轨供电模式的缺点在于:因能量发射导轨长度远大于拾取线圈尺寸而使得耦合系数较小且产生较大的磁场暴露问题,因此不适用于长距离应用。

      图2所示为分段导轨(多阵列线圈)(为了方便描述,以下发射导轨和发射线圈统称发射导轨)供电模式。多个发射导轨依次铺设在用电设备的移动路径上,可以实现移动设备的分段供电,从而解决全程单导轨供电模式存在的问题。在这种供电模式中,有两种变换器驱动模式。

      图2a所示的单变换器驱动模式下,多个发射导轨共用一个变换器,可以实现多发射导轨的同步驱动,但是需要增加导轨切换电路以降低非工作导轨的损耗。同时,该驱动模式对变换器容量要求较高,且系统冗余度较低,因此也不是长距离应用的最佳驱动方案。图2b所示的多变换器驱动模式可以实现各发射导轨的独立控制,且系统具有较高的冗余度,相较而言更适用于长距离应用。但是,该驱动模式需要大量的变换器,从而增加了系统成本和维护难度。

      用于动态无线供电系统的双输出逆变器

      图1 全程单导轨供电模式

      用于动态无线供电系统的双输出逆变器

      图2 分段导轨(多阵列线圈)供电模式

      作为MC-WPT系统的电能变换器,除了常用的桥式、推挽和E类逆变器,目前已见报道的拓扑还有矩阵变换器、多电平逆变器、三相逆变器和多逆变器并联等。上述拓扑的研究主要是以系统功率提升为目标,均具有较多的开关器件或直流储能元件,且多为单输出拓扑,更适用于驱动单个发射导轨。

      Boost逆变器作为一种集成式单级升压逆变器,可同时实现升压和逆变功能,具有开关器件少、结构与控制策略简单等特点,常用于隔离DC-DC电源、光伏逆变以及感应加热等。

      重庆大学自动化学院、复杂系统安全与控制教育部重点实验室(重庆大学)、国网电力科学研究院有限公司实验验证中心的研究人员,在Boost半桥逆变器的基础上,提出一种适用于DWPT系统的双输出逆变器。相比于图2b中的多变换器驱动模式,该逆变器可以产生两路相同的输出,用以驱动两段发射导轨,从而减少逆变器的数量,并简化系统控制。

      用于动态无线供电系统的双输出逆变器

      图3 实验装置

      另一方面,作为逆变器本身,相比于MC-WPT系统常用的逆变器,该逆变器的输出电压增益范围为0~1.39,在更少的开关器件下仍然能够保证相同的电压输出能力,从而可以进一步减少单个逆变器中开关器件的数量。因此所提双输出逆变器适用于分段导轨(多阵列线圈)模式的长距离动态无线供电系统。

      实验结果显示,基于所提双输出逆变器的DWPT系统可以在拾取线圈移动的过程中一直保持较高的传输效率,且最大传输效率为90%以上。同时,系统具有较快的动态响应速度,完全能够满足一般DWPT系统的要求。

      需要说明的是,基于所提逆变器的DWPT系统实际上是由多个结构和参数相同的子系统组合而成,每个子系统均包含逆变器和两段发射导轨。各子系统本身的运行特性和规则是相同的。研究人员针对单个子系统进行了研究与分析,其结果同样适用于其他子系统,进而可以扩展到整个系统。

      以上研究成果发表在2020年第4期《电工技术学报》,论文标题为“用于动态无线供电系统的双输出逆变器”,作者为葛学健、孙跃、唐春森、左志平、桑林。

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