一、作品介紹
本作品基于磁耦合諧振式的無線能量傳輸原理，實現(xiàn)一套完整的可用于礦用電機車的無線充電系統(tǒng)。作品的創(chuàng)新點是將無線傳輸技術(shù)用于井下礦車充電，利用最大諧振電流實現(xiàn)對礦車的無線自主充電定位，重點是對系統(tǒng)中礦用三相660V交流電進行PWM可控整流和核心部件磁耦合器進行研究，利用有限元仿真軟件ANASYS Maxwell分析磁耦合器原副邊線圈進行特性分析，并通過實驗驗證了仿真的準確性。實現(xiàn)符合礦用電機車需求的無線充電系統(tǒng)，其性能可靠 ，工作穩(wěn)定，充電電流電壓諧波小，功率因數(shù)接近為 1，其無線傳輸效率可達92%以上。
本作品的主要工作包括：
（1）前級通過三電平三相PWM整流，實現(xiàn)了高功率因數(shù)的校正，減小了諧波對電網(wǎng)側(cè)的污染，實現(xiàn)了整體無線充電系統(tǒng)的綠色無污染。
（2）完成后級無線傳輸方案及參數(shù)的設(shè)計，利用有限元仿真軟件ANASYS Maxwell分析磁耦合器原副邊線圈的距離、不同線圈尺寸、橫向位移偏差、縱向位移偏差下的線圈自感和互感特性；利用 LTSPICE 進行了無線充電系統(tǒng)電路的仿真，相對準確的模擬了電路工作特性及電力電子器件的開關(guān)對電路的影響。最終確定了線圈的幾何尺寸，補償電路的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及工作狀態(tài)；設(shè)計了高頻電力電子電路的 PCB，利用 Liz 線進行線圈的制作，并完成了相應(yīng)的硬件設(shè)計和調(diào)試，通過實驗確認了補償電路的諧振狀態(tài)和 ZVS 軟開關(guān)狀態(tài)，提高后級無線傳輸?shù)男剩?/span>
（3）通過DSP的SCI模塊以及HC-12無線模塊實現(xiàn)了發(fā)射側(cè)和接收側(cè)的無線通訊功能，從而可以利用觸控屏幕顯示無線充電系統(tǒng)的充電狀態(tài)并觀察系統(tǒng)中的參數(shù)。
二、作品方案與設(shè)計
如圖1是整機系統(tǒng)框圖，圖二是樣機的技術(shù)參數(shù)；
1、前級三相PWM整流設(shè)計
如圖2為三相PWM整流系統(tǒng)框圖設(shè)計，前級輸入三相交流源為礦井電源，線電壓等級為660V，為了減小輸入電流的畸變率，降低開關(guān)管所承受的電壓等級，又結(jié)合上述三電平拓撲所具有的優(yōu)勢，采用NPC三電平整流拓撲作為前級的功率因數(shù)校正。
下圖為三相PWM整流的輸入電壓和電流波形
圖3 三相PWM整流的輸入電壓和電流波形
2、后級方波發(fā)生器和不控整流的IPT系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)后級采用了基于LCC補償網(wǎng)絡(luò)的無線充電拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3所示；
圖3 基于LCC補償網(wǎng)絡(luò)的無線充電拓撲結(jié)構(gòu)
表2是樣機的技術(shù)指標
表3是LCC補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)
磁耦合器仿真
圖4是 ANSYS有限元仿真軟件模擬仿真磁耦合器的模型，為了減輕重量，鐵氧體并不會鋪滿中間層，而是按照磁通走向，把條狀鐵氧體呈放射狀分布放置，并且在優(yōu)化中，有目的地增加磁密高的區(qū)域的鐵氧體用量。
（a）磁耦合器 3D模型示意圖
（b）磁耦合器發(fā)射 /接受端側(cè)視圖
圖4 發(fā)射線圈及接收線圈仿真模型
本設(shè)計采用LCC補償網(wǎng)絡(luò)的方案，該補償網(wǎng)絡(luò)具有
1）恒流源的輸出特性，易于給電池充電，控制簡單，且輸出電流只與輸入電壓和耦合系數(shù)K有關(guān)；
2）通過改變系統(tǒng)參數(shù)來實現(xiàn)ZVS軟開關(guān)，提高開關(guān)管的工作效率；
3）實現(xiàn)原副邊輸入輸出的電流和電壓同相位，具有功率因數(shù)校正的功能；
無線充電的效率一直是關(guān)注的的焦點。經(jīng)由公式推導(dǎo)，效率η 與磁耦合系數(shù)和原副邊電感線圈的品質(zhì)因數(shù)有關(guān)，因此可以通過提高耦合系數(shù)或者提高品質(zhì)因數(shù)來提升系統(tǒng)得傳輸效率。又由于磁耦合系數(shù)k在實際工況中是一個較難以改變的參數(shù)，所以可以從原副邊電感線圈的品質(zhì)因數(shù)著手來提高傳輸效率，即提升系統(tǒng)的諧振角頻率ω 和降低線圈內(nèi)阻R。系統(tǒng)頻率的提升必然會帶來系統(tǒng)損耗的增加。目前其開關(guān)頻率一般在20kHz-150kHz 之間，考慮到效率和造價成本，折中后諧振頻率設(shè)為85kHz。如圖2-3所示為磁耦合器效率曲線，從圖3中可以看出，假定耦合系數(shù)為0.15以上，那么在理想狀態(tài)下，當(dāng)線圈的品質(zhì)因數(shù)達到500時，磁耦合器理論上傳輸效率可以到達95%。
圖5 磁耦合器效率曲線
主電路仿真
圖4利用仿真軟件LTspice進一步驗證 LCC 的性能。理論分析只考慮了補償電路對輸入為基波的影響。未考慮高次諧波輸出特性的影響。
圖6 LCC補償網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)仿真圖
圖7 LCC補償網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)仿真波形圖
圖5可以看出原副邊的輸入輸出電流電壓同相位，即輸入功率因數(shù)接近為1。
實物展示
圖8 高頻逆變發(fā)射器PCB
調(diào)功電路主要對接受側(cè)電池進行充電調(diào)節(jié)：恒流、恒壓、涓流。
圖9 主線圈實物圖
下圖為500W時的實測仿真波形
圖10 開關(guān)管的驅(qū)動和管壓降波形
圖11 輸入諧振網(wǎng)絡(luò)的電壓和電流波形
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圖12 輸出諧振網(wǎng)絡(luò)的電壓和電流波形
最后，很高興在這次研究生電子設(shè)計競賽中獲得全國一等獎的成績 |
，同時也感謝
