專利名稱：基于單相矩陣變換器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及到非接觸電能傳輸系統(tǒng)，特別涉及一種基于單相矩 陣變換器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
國(guó)內(nèi)對(duì)非接觸電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要集中在全橋逆變、半橋逆變等基于交一 直一交變換原理的電路結(jié)構(gòu)方面。由于該系統(tǒng)中整流器及電容濾波器等非線性元件和儲(chǔ)能元 件的組合，導(dǎo)致其輸入電流發(fā)生嚴(yán)重的畸變，產(chǎn)生大量的諧波，對(duì)電網(wǎng)造成"污染"。另外 ，基于大容量濾波電容的直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的存在，還導(dǎo)致集成度低、可靠性低等問題。
國(guó)外目前也只有德國(guó)應(yīng)用研究大學(xué)(University of Applied Studies and Research)自 動(dòng)化與計(jì)算機(jī)學(xué)院的Rudolf Mecke等發(fā)表了兩篇關(guān)于三相一單相矩陣變換器應(yīng)用于非接觸式 電能傳輸系統(tǒng)的論文(Bidirectional switches for matrix converter in contactless energy transmission systems》和《Matrix converter with advanced control for contactless energy transmission》。文中探討了三相一單相矩陣變換器在非接觸式電能 傳輸系統(tǒng)中的優(yōu)越性，研究了三相一單相高頻矩陣變換器與非接觸式電能傳輸相結(jié)合的特別 之處，但沒有給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也沒有對(duì)系統(tǒng)中電能傳輸情況給出分析。另外，三相-單相矩 陣變換器的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制方法繁瑣，且無(wú)法在單相供電的領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種基于交-交變換原理的非接觸電能傳 輸系統(tǒng)，解決基于交-直-交變換原理的非接觸電能傳輸系統(tǒng)中輸入電流發(fā)生嚴(yán)重畸變、 對(duì)電網(wǎng)造成污染和輸入功率因數(shù)低等問題。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下
一種基于單相矩陣變換器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，包括輸入濾波器、單相矩陣變換器、 感應(yīng)耦合器和整流濾波電路；該系統(tǒng)以感應(yīng)耦合器為界分為發(fā)送部分和接收部分。發(fā)送部分
包括輸入濾波器、單相矩陣變換器和感應(yīng)耦合器原邊繞組，輸入的電信號(hào)經(jīng)輸入濾波器后， 傳送給單相矩陣變換器，單相矩陣變換器將接收的工頻信號(hào)逆變?yōu)楦哳l信號(hào)供給感應(yīng)耦合器
原邊繞組。其中單相矩陣變換器的雙向開關(guān)由一個(gè)開關(guān)管(IGBT)與四個(gè)二極管組合而成；
接收部分包括感應(yīng)耦合器副邊繞組和整流濾波電路，感應(yīng)耦合器副邊繞組將從感應(yīng)耦合器原 邊繞組耦合的電信號(hào)送給整流濾波電路得到直流信號(hào)提供給負(fù)載。感應(yīng)耦合器副邊繞組的電
3感大于感應(yīng)耦合器原邊繞組的電感。
為了防止橋臂同側(cè)的兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通造成短路，應(yīng)在驅(qū)動(dòng)信號(hào)中設(shè)置適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間。
本發(fā)明的有益效果是直接將電網(wǎng)輸出的工頻交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流信號(hào)提供給感應(yīng)耦 合器原邊繞組，不需要整流器及大容量濾波電容等非線性元件和直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，解決了基于 交-直-交變換原理的非接觸電能傳輸系統(tǒng)中輸入電流發(fā)生嚴(yán)重畸變、對(duì)電網(wǎng)造成污染、輸入 功率因數(shù)低的問題，大大推動(dòng)非接觸電能傳輸技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。


圖l是基于單相矩陣變換器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。 圖2是系統(tǒng)的工作波形圖。
圖3 (a) 、 (b) 、 (c)和(d)是系統(tǒng)的4種換流模式圖。 圖4是系統(tǒng)的輸入電流波形圖。 圖5是系統(tǒng)輸入電流的FFT頻譜圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。
如圖1所示，該圖為基于單相矩陣變換器的非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。在此 電路圖中，以耦合器為界將電路分為兩部分發(fā)送部分和接收部分。發(fā)送部分的輸入濾波器 ，用于盡可能多地濾除輸入電流中由開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的高頻諧波成分，減小對(duì)電源側(cè)的高頻諧 波污染，并提高功率因素；發(fā)送部分的單相矩陣變換器，用于給耦合器原邊繞組提供高頻交 流電流，在此單相矩陣變換器中采用基于單管的雙向開關(guān)，以簡(jiǎn)化控制。接收部分的整流濾 波電路，用于將耦合器輸出的交流電壓變換成直流電壓，供直流負(fù)載使用。
針對(duì)非接觸電能傳輸系統(tǒng)中對(duì)原邊信號(hào)的特殊要求，有必要對(duì)單相矩陣變換器應(yīng)用在非 接觸電能傳輸系統(tǒng)中的工作情況進(jìn)行分析。基于單管橋式雙向開關(guān)的矩陣變換器工作波形如 圖2所示(其中驅(qū)動(dòng)波形是經(jīng)過(guò)放大了的，以便圖示清晰)。
在一個(gè)周期內(nèi)，可將系統(tǒng)分為四種工作模式1一模式4，每種模式的電流流向如圖3(a) — (d)，具體工作過(guò)程如下
模式l[""]:開關(guān)管&'&導(dǎo)通，A";關(guān)斷；A點(diǎn)電壓高于B點(diǎn)電壓，所以電流
』^化j&4化4。4^464l^4^4A jS以的路徑導(dǎo)通。忽略管壓降后，^與
^幅值相等，方向相同。
模式2[^6]:開關(guān)管&';導(dǎo)通，A"^關(guān)斷；A點(diǎn)電壓高于B點(diǎn)電壓，所以電流以』^z^ J5的路徑導(dǎo)通。忽略管壓降后，^與f^幅值 相等，方向相反。
模式3["'^]:開關(guān)管&'&導(dǎo)通，A";關(guān)斷；但A點(diǎn)電壓低于B點(diǎn)電壓，所以電流
以5 ^fl" j^464^4。4A4^ j^4j的路徑導(dǎo)通。^與^幅值相等，方向相
同，但與模式l的電壓相反了。
模式4[4^:開關(guān)管&';導(dǎo)通，A"^關(guān)斷；但A點(diǎn)電壓低于B點(diǎn)電壓，所以電流以 5 j。4^4^4A4&4^4j的路徑導(dǎo)通。^與^幅值相等，方向相反
，但與模式2的電壓相反了。
死區(qū)模式中([^3]、 [~"])，如圖2所示，輸出電壓為0。
根據(jù)上述分析，搭建了基于單相矩陣變換器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。取濾波 電感、為540^，電容^為3^;感應(yīng)耦合器采用自制的罐狀鐵氧體鐵心，其原邊自感為 39.94^H ，副邊自感為42.55^，在氣隙為7mm時(shí)，互感為17.10^;感應(yīng)耦合器原邊串 聯(lián)電容為0.2^，副邊并聯(lián)電容為O. 133^;開關(guān)頻率為50kHz，輸入電壓有效值為12V，負(fù) 載為60^電阻。輸入電流波形以及FFT分析分別如圖4和圖5所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，加入濾波 器后輸入功率因數(shù)為0.98。由此可知，基于單相矩陣變換器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)具有正弦 的輸入電流，使系統(tǒng)輸入功率因數(shù)接近于l，從而減少了電源側(cè)的諧波污染。
權(quán)利要求
1.一種基于單相矩陣變換器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，包括輸入濾波器、單相矩陣變換器、感應(yīng)耦合器和整流濾波電路；其特征在于該系統(tǒng)以感應(yīng)耦合器為界分為發(fā)送部分和接收部分，發(fā)送部分包括輸入濾波器、單相矩陣變換器和感應(yīng)耦合器原邊繞組，接收部分包括感應(yīng)耦合器副邊繞組和整流濾波電路，其中單相矩陣變換器的雙向開關(guān)由一個(gè)IGBT與四個(gè)二極管組合而成，感應(yīng)耦合器副邊繞組的電感大于感應(yīng)耦合器原邊繞組的電感；輸入的電信號(hào)經(jīng)輸入濾波器后，傳送給單相矩陣變換器，單相矩陣變換器將接收的工頻信號(hào)逆變?yōu)楦哳l信號(hào)供給感應(yīng)耦合器原邊繞組；感應(yīng)耦合器副邊繞組將從感應(yīng)耦合器原邊繞組耦合的電信號(hào)送給整流濾波電路得到直流信號(hào)提供給負(fù)載；為了防止橋臂同側(cè)的兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通造成短路，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)中設(shè)置適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于單相矩陣變換器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)以感應(yīng)耦合器為界分為發(fā)送和接收部分。發(fā)送部分包括輸入濾波器、單相矩陣變換器和感應(yīng)耦合器原邊繞組，其中單相矩陣變換器的雙向開關(guān)由一個(gè)IGBT與四個(gè)二極管組合而成；接收部分包括感應(yīng)耦合器副邊繞組和整流濾波電路。本發(fā)明直接將電網(wǎng)輸出的工頻交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流信號(hào)提供給感應(yīng)耦合器原邊繞組，不需要整流器及大容量濾波電容等非線性元件和直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，解決了基于交-直-交變換原理的非接觸電能傳輸系統(tǒng)中輸入電流發(fā)生嚴(yán)重畸變、對(duì)電網(wǎng)造成污染、輸入功率因數(shù)低的問題，大大推動(dòng)非接觸電能傳輸技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。
文檔編號(hào)H02M1/12GK101540545SQ20091030190
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月28日
發(fā)明者彪 趙, 陳希有 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)