Yarı kontrollü doğrultucu devresine dayalı kablosuz güç aktarım teknolojisi üzerine araştırma
Kablosuz güç aktarım teknolojisi ağırlıklı olarak elektrikli araçlarda, vücuda yerleştirilebilir tıbbi cihazlarda ve tüketici elektronik cihazlarında kullanılmaktadır. Kablosuz güç iletim sisteminin verimliliğini artırmak gerekirken, kablosuz güç aktarımının yükü çoğunlukla batarya veya motor yükleridir, bu nedenle genellikle sistem çıkış voltajının veya akımının sabit kalması istenir. Kablosuz güç aktarım sisteminin verimliliğini olabildiğince iyileştirmek için çeşitli teknik çözümler önerilmiştir. Örneğin, verimlilik fonksiyon ifadesine göre alıcı döngüdeki maksimum verimlilikteki çalışma noktasında empedans eşleştirmesi gerçekleştirmek mümkündür. DC / DC devrelerini sırasıyla verici döngüsüne ve alıcı döngüye yerleştirin ve çıkış voltajını sabit tutmak için iletim döngüsü DC / DC devresini kontrol ederken alıcı döngünün DC / DC empedans eşleşmesini değiştirerek sistem verimliliğini artırın, ancak bu yöntem kablosuz iletişim gerektirir, bu da artar Sistemin karmaşıklığı. Sistemin çıkış voltajını kontrol etmek için alıcı döngüsünün DC / DC devresini kullanmak, minimum giriş akım noktasını aramak için verici döngü DC / DC devresinin çıkış voltajını eşit adımlarla ayarlarken sistemin maksimum verimliliğini sağlayabilir.Ancak bu yöntem kablosuz iletişim bağlantısını ortadan kaldırsa da ayarlama yavaştır. . Yarı kontrollü doğrultucu devre, çıkış akımını kontrol etmek için alıcı devrenin diyot doğrultucu devresini değiştirmek için kullanılır, bu nedenle ek bağlantılar eklemeye gerek yoktur.Ayrıca, sistem verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için minimum giriş akımı noktasını bulmak için iletim devresinin DC / DC devresinin çıkış voltajını ayarlamak için eşit adımlar kullanır. Bununla birlikte, yarı kontrollü redresör devresinin anahtarlama frekansı, sistem rezonans frekansı tarafından belirlenir, yarı kontrollü redresör devresinin anahtarlama kaybı nispeten büyüktür ve yarı kontrollü redresör devresinin kontrolü karmaşıktır.
Bu makale, bobinin maksimum iletim verimini elde etmek için yarı kontrollü bir redresör devresi kullanan bir kontrol yöntemi önermektedir.Literatür ile karşılaştırıldığında, anahtarlama frekansını azaltır ve kontrol karmaşıklığını basitleştirir.Yarı kontrollü redresör devresini ve Boost devresini kontrol ederek aynı zamanda maksimuma ulaşır. İletim verimliliği ve sabit voltaj çıkışı, deneysel sonuçlar, yöntemin uygulanabilirliğini ve doğruluğunu doğrular.
1 Elektromanyetik indüksiyon kablosuz güç aktarım sistemi
1.1 Kablosuz güç iletim sisteminin çalışma prensibinin analizi
Şekil 1, elektromanyetik indüksiyonlu kablosuz güç iletim sisteminin yapısını göstermektedir.Şekilde E, bir DC voltaj kaynağıdır. Anahtar tüpleri VD1 VD4, yüksek frekanslı bir çevirici devresini oluşturur.L1, L2 ve M, sırasıyla verici bobinin kendi kendine endüktansı ve alıcı bobinin kendi endüktansıdır. İki kuplaj bobini arasındaki karşılıklı indüktansın yanı sıra, C1 ve C2, verici devrenin ve alıcı devrenin seri rezonans kompanzasyon kapasitörleridir, r1 ve r2, verici bobinin ve alıcı bobinin, diyotlar D1, D2 ve anahtar tüpleri VD5, VD6'nın iç dirençleridir. Yarı kontrollü bir doğrultucu devre oluşturulur ve indüktör L3, anahtar tüpü VD7, diyot D3 ve kapasitör C4 bir Yükseltme devresi oluşturur. U1 ve I1 sırasıyla yüksek frekanslı invertör devresinin çıkış voltajı ve akımıdır, U2 ve I2 sırasıyla yarı kontrollü redresör devresinin giriş voltajı ve akımıdır, Udc yarı kontrollü redresör devresinin çıkış voltajı, Uo sistem çıkış voltajı ve RL yüktür direnç. Yarı kontrollü doğrultucu devresi iki durumda çalışır: VD5 ve VD6 iletken olmadığında, tam köprü doğrultma durumundadır, VD5 ve VD6 aynı anda iletken olduğunda, kısa devre durumundadır ve kısa devre durumunda, verici döngüdeki yansıma direnci sonsuzdur. Bu nedenle sistem enerji transferi yapmaz.
Şekil 1'e göre aşağıdaki denklem elde edilebilir:
1.2 Eşdeğer yük modeli
Analizi basitleştirmek için, Boost devresi ve yükü RL, bir Re1 direncine eşdeğerdir. Boost devresinin giriş voltajı Udc ile çıkış voltajı Uo arasındaki ilişki Uo = Udc / (1-d1) 'dir, burada d1, Boost devresinin görev döngüsüdür, ideal olarak:
2 Kontrol yöntemi
DC gerilim kaynağı E'nin çıkış değeri sabit tutulur ve sistemin maksimum verimli sabit gerilim çıkışının kontrolü, görev oranları d1 ve d2 çevrimiçi olarak ayarlanarak gerçekleştirilir. Eşdeğer direnç Re, yarı kontrollü doğrultucu devresinin çıkış voltajı Udc ve alıcı bobin akımı I2 ölçülerek elde edilebilir:
3 Deneysel yöntem
Önerilen kablosuz güç iletim sisteminin maksimum verimlilik sabit voltaj çıkış teknolojisinin doğruluğunu doğrulamak için, Şekil 2'de gösterildiği gibi STM32F103RCT6'ya dayanan kablosuz güç aktarım deney sistemi, VD1 ~ VD7'nin tümü K2372 MOSFET anahtar tüpler olduğu Şekil 1'e göre oluşturulmuştur. . Deneysel sistemin ana parametreleri Tablo 1'de gösterilmektedir. Tabloda d eş eksenli olarak paralel yerleştirilmiş verici bobin ile alıcı bobin arasındaki mesafedir.Hem verici bobin hem de alıcı bobin 0,1 mm çapında tek telli 500 Litz telden yapılmıştır. Aynı disk şeklinde, verici bobin tek katmanlı bir bobindir, alıcı bobin çift katmanlı bir bobindir, D1 ve D2 bobinin dış ve iç çaplarıdır ve fR ve fB sırasıyla yarı kontrollü doğrultucu devresinin ve Boost devresinin çalışma frekanslarıdır. . Yarı kontrollü doğrultucu devresinin çok yüksek anahtarlama frekansı, anahtarlama kaybını artıracaktır ve kontrol etkisi açık değildir, ancak çok düşük anahtarlama frekansı, voltaj dengeleyici kapasitör C3'ün artmasına neden olacaktır, bu nedenle bu yazıda yarı kontrollü doğrultucu anahtarlama frekansı fR 1 kHz'dir.
Şekil 3 ila 5, yük RL = 40 olduğunda, yarı kontrollü bir doğrultucu devre çalışma döngüsü altında kablosuz güç iletimi deney sisteminin her bir bileşeninin deneysel dalga formu sonuçlarıdır. Şekil 3, yarı kontrollü redresör devresinin giriş voltajı U2 ve giriş akımı I2'nin dalga formu diyagramıdır. Şekilden, yarı kontrollü doğrultucu devresi kısa devre durumunda olduğunda U2'nin çok küçük olduğu ve SS yapısının I2 karakteristiğinin değişmeden kaldığı için sistemin şu anda neredeyse hiç elektrik enerjisi iletmediği görülmektedir. Şekil 4, yarı kontrollü doğrultucu devresinin çıkış voltajı Udc ve akım Idc'yi göstermektedir.Şekil 4'ten yarı kontrollü doğrultucu devresinin çıkış voltajı Udc'nin Udc = 71 V olduğunu ve Udcmax = 70.53 V denklemden (14) hesaplandığını görebiliriz Deneysel sonuçlar ve sistemin maksimum verimi Çıkış gerilimi Udcmax teorik analiz ile tutarlı olduğunda, yani sistem maksimum verimlilik noktasında çalışır. Şekil 5, çıkış voltajının 100 V'luk ayar değerinde kaldığını gösteren sistem çıkış voltajının Uo dalga biçimi diyagramıdır.
Sistem gerçekten çalışırken, yük değişiklikleri ve bobinlerin göreceli konumundaki değişikliklerden kaynaklanan karşılıklı endüktans değişiklikleri olacaktır.Bu anda, maksimum verimliliği ve sabit voltaj çıkışını karşılamak için, Boost devresinin görev döngüsü d1 ve yarı kontrollü doğrultucu devresinin görev döngüsü d2 buna göre değişecektir. . Şekil 6, yukarıda bahsedilen deneysel koşullar altında sadece sistem yük gücü değiştirildiğinde d1 ve d2'nin teorik ve deneysel değerlerinin bir karşılaştırma diyagramıdır. Denklemlerden (14) ve (7) den görülebileceği gibi, karşılıklı indüktans M ve bobinin iç direnci sabit olduğundan, d1'in teorik değerinin sabit bir değer olduğu ve yük gücü büyüdüğünde, kablosuz olarak daha fazla elektrik enerjisinin iletilmesi gerektiği, yani d2 küçülür ve deneysel değer temelde teorik değerle uyumludur. Şekil 7, sadece karşılıklı indüktans M değiştirildiğinde d1 ve d2'nin teorik ve deneysel değerlerinin bir karşılaştırma diyagramıdır. Denklemlerden (8) ve (14) d1'in karşılıklı endüktanstaki değişikliklere duyarlı olmadığı, dolayısıyla d1'in temelde sabit kaldığı ve karşılıklı indüktans arttığı için maksimum verimlilikte alınan gücün azaldığı görülmektedir.Daha fazla elektrik enerjisi iletmek için d2 değişir Küçük, deneysel değer temelde teorik değerle uyumludur.
Yukarıda bahsedilen sistem yapısının ve deneysel parametrelerin değişmemiş olması şartıyla, diyotlu redresör devresi yarı kontrollü redresör devresinin yerini alarak diyotla doğrultulmuş kablosuz güç iletim sistemi oluşturmak için kullanılır Aynı zamanda Boost devresini kontrol ederek sistem çıkış voltajı da 100 V'tur. Deneyler, diyot doğrultma ve yarı kontrollü düzeltme devreleri altında kablosuz güç iletiminin verimliliğini karşılaştırabilir. Şekil 8, farklı yük güçleri altında iki redresör devresine sahip kablosuz güç iletim sisteminin sistem verimliliğini ve bağlı bobinler arasındaki kablosuz güç aktarım verimliliği grafiklerini göstermektedir. Şekilden, bir diyot doğrultucu devresi kullanılırken verimin, yarı kontrollü bir doğrultucu devresi kullanıldığında olduğundan önemli ölçüde daha düşük olduğu görülebilir. Yük gücü küçüldükçe, diyot redresör devresini kullanan sistemin verimliliği azalır ve yarı kontrollü redresör devresini kullanan sistem, iletim verimliliğini neredeyse değişmeden tutabilir ve bağlı bobinler arasındaki iletim verimliliği çok yüksek bir seviyede tutulur.
4. Sonuç
Bu makale, bir kablosuz güç aktarımı maksimum verimlilik sabit voltaj çıkış teknolojisi önermektedir.Bu teknoloji, alıcı döngü yarı kontrollü doğrultucu devresinin ve güçlendirme devresinin görev döngüsünü çevrimiçi kontrol ederek karşılıklı endüktans değiştiğinde ve yük değiştiğinde maksimum verimlilik sabit voltaj çıkışını koruyabilir. . Teorik analiz temelinde, 40 kHz rezonans frekansı olan manyetik indüksiyonlu kablosuz güç aktarımı deney sistemi tasarlandı Deneysel sonuçlar önerilen yöntemin uygulanabilirliğini ve doğruluğunu kanıtladı. Bu makale esas olarak maksimum verimli sabit voltaj çıkış teknolojisinin etkinliğine odaklandığından, kablosuz güç deneysel sisteminin her bir bileşeninin kaybını azaltmak için hiçbir önlem alınmaz.
Referanslar
LI S, MI C C.Elektrikli araç uygulamaları için kablosuz güç aktarımı IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2015, 3 (1): 4-17.
Yin Chengke, Xu Boying. İmplante edilebilir yapay kalp kablosuz güç iletiminin araştırma ilerlemesi. Journal of Electrotechnical Technology, 2015, 30 (19): 103-109.
Zhang Jiantao, Zhu Chunbo, Chen Qingquan. Kuyruksuz ev aletlerine uygulanan temassız kablosuz enerji aktarım teknolojisi. Journal of Electrotechnical Technology, 2014, 29 (9): 33-37.
Mai Ruikun, Li Yong, He Zhengyou, vb. Kablosuz güç iletim teknolojisi ve demiryolu taşımacılığındaki araştırma ilerlemesi Journal of Southwest Jiaotong University, 2016, 51 (3): 446-461.
Liu Chuang, Guo Ying, Ge Shukun ve diğerleri.Çift LCL rezonans telafisine dayalı elektrikli araç kablosuz şarj sisteminin karakteristik analizi ve deneysel doğrulaması. Journal of Electrotechnical Technology, 2015, 30 (15): 127-135.
HATA K, IMURA T, HORI Y. IEEE Endüstriyel Elektronik Topluluğu IECON 2016-42 Yıllık Konferansı, 2016: 4493-4498.
Liu Chuang, Guo Ying, Ge Shukun, vb. Sabit voltaj özelliklerine sahip SP / S endüktif kablosuz güç iletim sistemi Journal of Electrotechnical Technology, 2016, 31 (13): 149-154.
LI Z, SONG K, JIANG J, ve diğerleri.Süper kapasitör kablosuz şarjı için sabit akım şarjı ve maksimum verimlilik izleme kontrol şeması.Power Electronics üzerinde IEEE İşlemleri, 2018: 1-13.
Fu Wenzhen, Zhang Bo, Qiu Dongyuan ve diğerleri.Kendinden rezonans bobinlerle birleştirilmiş elektrik enerjisinin kablosuz iletiminin maksimum verimliliğinin analizi ve tasarımı.Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2009, 29 (18): 21-26.
BERGER A, AGOSTINELLI M, VESTI S, vd. Verimliliği ve çıkarılabilir gücü en üst düzeye çıkarmak için faz kaydırma ve genlik kontrolü uygulayan bir kablosuz şarj sistemi. IEEE İşlemleri Power Electronics, 2015, 30 (11): 6338-6348.
KOBAYASHI D, IMURA T, HORI Y. Elektrikli araçlar için dinamik kablosuz güç aktarımında gerçek zamanlı bağlantı katsayısı tahmini ve maksimum verimlilik kontrolü IEEE PELS Gelişen Teknolojiler Üzerine Çalıştay: Kablosuz Güç, 2015: 1-6.
LI H, LI J, WANG K, vd.Manyetik rezonant kuplaj kullanan kablosuz güç aktarım sistemleri için bir maksimum verimlilik noktası izleme kontrol şeması.Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 2015, 30 (7): 3998-4008.
ZHONG W X, HUI S Y R.Kablosuz güç aktarım sistemleri için maksimum enerji verimliliği takibi Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 2015, 30 (7): 4025-4034.
YEO T D, KWON D S, KHANG ST, et al. Seri rezonant tankı kullanan kapalı döngü kablosuz güç şarj sistemi için maksimum verimlilik izleme kontrol şemasının tasarımı.Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 2017, 32 (1): 471-478.
Mai Ruikun, Liu Yeran, Chen Yang.Optimal eşdeğer yük kontrolüne dayalı endüksiyon güç iletim sisteminin verimlilik optimizasyonu yöntemi üzerine araştırma.Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2016, 36 (23): 6468-6475.
yazar bilgileri:
Lin Jiang, Xie Yue
(Makine ve Elektrik Mühendisliği Okulu, Çin Jiliang Üniversitesi, Hangzhou 310018, Zhejiang)
