楊 勇

(浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602)

0 引言

巡檢機(jī)器人可以完成設(shè)備、設(shè)施的日常巡檢和安全監(jiān)控，解決目前火力發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)巡檢存在的效率低、質(zhì)量差、安全風(fēng)險(xiǎn)大及影響職工健康等問(wèn)題。在輸煤現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置無(wú)線充電基座。機(jī)器人可自主行走至無(wú)線充電基座，通過(guò)無(wú)線方式補(bǔ)充電能，并在充電完成后繼續(xù)巡檢。這不僅能避免傳統(tǒng)充電方式可能引起的火花、觸電等安全隱患，也為無(wú)人值守輸煤系統(tǒng)的早日實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1-3]。

感應(yīng)電能傳輸(inductive power transfer，IPT)系統(tǒng)以高頻磁場(chǎng)作為傳輸介質(zhì)，通過(guò)發(fā)射和接收線圈間的磁場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸[4-6]。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)分析了串-串補(bǔ)償型 IPT系統(tǒng)負(fù)載與效率的關(guān)系，得到了系統(tǒng)效率最優(yōu)所對(duì)應(yīng)的交流負(fù)載電阻，并采用半控整流橋控制整流橋交流等效電阻恒為最優(yōu)交流負(fù)載電阻。同時(shí)，逆變橋通過(guò)原副邊之間的通信對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行恒壓控制。Minfan F等提出了一種新型級(jí)聯(lián)Boost-Buck電路拓?fù)鋄8]，旨在為IPT系統(tǒng)提供最佳阻抗匹配。與傳統(tǒng)的“單開(kāi)關(guān)”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，升壓降壓“雙開(kāi)關(guān)”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為IPT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制提供了更大的靈活性。Xin D等基于Buck變換器，提出了一種電流連續(xù)模式(continue current mode,CCM)和電流斷續(xù)模式(discontinue current mode,DCM)組合調(diào)節(jié)的新型阻抗匹配方法[9]。其控制策略是調(diào)節(jié)Buck變換器的工作模式和占空比參數(shù)，以便在檢測(cè)到負(fù)載變化時(shí)使Buck變換器的輸入阻抗維持不變。

相對(duì)于Buck變換器，Boost變換器可以減小等效負(fù)載阻抗、增大反射阻抗。Boost型組合整流器在調(diào)節(jié)能力和諧振電路方面效率更好[10]，非常適用于高電壓、低電流的負(fù)載。本文采用Boost變換器，研究IPT系統(tǒng)傳輸效率優(yōu)化問(wèn)題。該研究具有一定的實(shí)用性和先進(jìn)性。

1 最優(yōu)阻抗確定

圖1為IPT系統(tǒng)基本電路圖。

圖1 IPT系統(tǒng)基本電路圖

它包括逆變器、耦合系統(tǒng)、整流器和負(fù)載。其中：Uin為高頻交流電壓源；IP、IS分別為初、次級(jí)側(cè)的諧振電流；LP、CP分別為初級(jí)側(cè)線圈自感和補(bǔ)償電容；LS、CS分別為次級(jí)側(cè)線圈自感和補(bǔ)償電容；RP、RS分別為初、次級(jí)側(cè)線圈的交流阻抗；M為初、次級(jí)側(cè)線圈之間的互感；Rin和R1分別為系統(tǒng)輸入端和整流橋前等效阻抗；RL為系統(tǒng)的等效負(fù)載阻抗；C1為整流器濾波電容；UC1為濾波電容兩端電壓。

根據(jù)圖1，可得到以下系統(tǒng)傳輸功率及效率表達(dá)式。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

從式(5)可以看出，系統(tǒng)傳輸效率由ω、RP、RS、R2和M確定。對(duì)式(5)求導(dǎo)，則基于最大傳輸效率的最優(yōu)負(fù)載條件可以使用以下極值條件求得。

(6)

最優(yōu)負(fù)載R2,opt為：

(7)

2 Boost變換器輸入阻抗特性分析

當(dāng)負(fù)載RL變動(dòng)時(shí)，R2不再滿足最優(yōu)負(fù)載條件，導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸效率下降。為保證傳輸效率基本不變，考慮在整流橋和負(fù)載RL之間加入Boost變換器。基于Boost變換器的IPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)負(fù)載RL變動(dòng)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)Boost變換器的占空比d，可以使R2始終處于最優(yōu)。

圖2 基于Boost變換器的IPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Boost變換器有兩種基本工作模式，即CCM和DCM。CCM是指Boost變換器的電感電流總大于零。DCM是指Boost變換器的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間有一狀態(tài)為一個(gè)臨界狀態(tài)，即在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷末期電感電流剛好為0。兩種模式的工作條件為：

(8)

式中：d為Boost變換器的占空比；T為Boost變換器的開(kāi)關(guān)周期。

Boost變換器工作在CCM和DCM模式下時(shí)，電感L上的電流IL波形如圖3所示。

圖3 Boost變換器工作在不同模式的電感電流波形

圖3中：dT為MOS管Q5導(dǎo)通、二極管S關(guān)斷的工作時(shí)間；d1T為MOS管Q5關(guān)斷、二極管S導(dǎo)通的工作時(shí)間。

在CCM模式下，d+d1=1,則R2為：

(9)

在DCM模式下，R2為：

(10)

3 仿真驗(yàn)證

選取Boost變換器MOS管頻率為50 kHz，占空比變化范圍為0.15～0.55，電感L=100 μH。為保證Boost變換器始終工作在DCM模式(RL大于100 Ω即可),R2隨占空比變化曲線如圖4所示。由圖4可知，增大占空比可以減小R2。

圖4 R2隨占空比變化曲線

4 控制方法

由式(10)反解出當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載RL變化時(shí)，穩(wěn)定系統(tǒng)傳輸效率的最優(yōu)占空比的調(diào)節(jié)規(guī)律，如式(11)所示。

(11)

求解最優(yōu)占空比時(shí)，首先根據(jù)式(8)判斷系統(tǒng)工作在CCM,還是DCM模式。為了便于實(shí)現(xiàn)該調(diào)節(jié)規(guī)律，可以依據(jù)式(11)，建立關(guān)于負(fù)載RL和最優(yōu)占空比dopt之間的一個(gè)更為直觀的搜索表。當(dāng)系統(tǒng)中電子元件的參數(shù)不變時(shí)，對(duì)于某個(gè)瞬時(shí)的一個(gè)確定負(fù)載值，存在唯一對(duì)應(yīng)最優(yōu)占空比。

圖5為變負(fù)載條件下的控制框圖。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣負(fù)載的電壓電流?？刂破鞲鶕?jù)采樣值計(jì)算出實(shí)時(shí)的負(fù)載值，然后通過(guò)查表，控制器輸出維持R2，opt不變所需的Boost變換器占空比dopt，從而穩(wěn)定系統(tǒng)的傳輸效率。

圖5 變負(fù)載條件下系統(tǒng)的控制示意圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

RL取 80 Ω、100 Ω、120 Ω、200 Ω、250 Ω和300 Ω。Q5的開(kāi)關(guān)頻率為 50 kHz。占空比d隨著負(fù)載的變化而變化。同一負(fù)載有無(wú)Boost變換器的系統(tǒng)效率試驗(yàn)曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，加入Boost變換器，系統(tǒng)傳輸效率明顯增加。

圖6 系統(tǒng)傳輸效率試驗(yàn)曲線

6 結(jié)論

本文主要研究變負(fù)載條件下IPT系統(tǒng)的阻抗匹配方法，以獲得最大效率傳輸。為了穩(wěn)定系統(tǒng)的傳輸效率，在整流橋輸出端和電池負(fù)載之間加入Boost變換器[11]。在蓄電池充電過(guò)程中，當(dāng)?shù)刃ж?fù)載阻值變動(dòng)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)Boost變換器的占空比使系統(tǒng)等效負(fù)載始終維持在最優(yōu)負(fù)載值。維持等效負(fù)載阻值不變，從而提高系統(tǒng)電能傳輸效率。仿真和試驗(yàn)均驗(yàn)證了Boost變換器穩(wěn)定系統(tǒng)傳輸效率中的阻抗變換作用，即Boost變換器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的有效性。