三相ACDC非接触供电电路设计

电气传动2016年第46卷第9期三相AC-DC非接触供电电路设计周成虎1，黄全振1，刘哲睿2，何家梅1，刘玉平1，李柏松1，袁勋1（1.河南工程学院电气信息工程学院，河南郑州451191；2.河南省电力公司焦作供电公司，河南焦作454150）摘要：用单相全桥整流电路将3路单相交流电分别整流成脉动直流电并将其斩波得到高频交流电，通过非接触供电线圈传递电能，3个副边线圈分别与电容并联构成电流源，3路电流源分别向倍压整流电路输出能量构成充电泵电路，将这3路充电泵电路的输出端并联，滤波后得到稳定的直流电压。该方案省去了传统的AC-DC功率因数校正电路，且实现了交流电源的线电流正弦化。实验证明所提出的系统工作可靠且效率最高可达90%以上。关键词：三相AC-DC；感应功率传输；充电泵电路中图分类号：TN86文献标识码：ADesignofThree-phaseAC-DCContactlessPowerSupplyCircuitZHOUChenghu1，HUANGQuanzhen1，LIUZherui2，HEJiamei1，LIUYuping1，LIBaisong1，YUANXun1（1.SchoolofElectricalInformationandEngineering，HenanInstituteofEngineering，Zhengzhou451191，Henan，China；2.JiaozuoPowerSupplyCompany，HenanElactricProwerCompany，Jiaozuo，454150，Henan，China）Abstract:Byusingsinglephasefullbridgerectifiercircuit，thepulsatingDCcurrentofeachphaseforthree-single-phaseACcouldbeobtained.ThenitcouldbeconvertedtohighfrequencyalternatingcurrentbyDCchopping.Powerwaspassedthroughthecontactlesscoils.Threesecondsidecoilswereparalleledwithcapacitortoconstitutetothreecurrentsourcesrespectively.Threecurrentsourcespassedenergytovoltagedoublingrectifycircuitrespectivelyandconstitutedchargingpumpcircuit.ThesethreechargingpumpcircuitwasparalleledandfilteredtoastableDCvoltage.TheschemeeffectivelyeliminatedthetraditionalAC-DCPFCcircuit，andmadetheAClinecurrentsinusoidal.Experimentalresultsconvincinglyindicatethattheproposedsystemworksreliablyanditoffershighefficiencyupto90%.Keywords:three-phaseAC-DC；inductivepowertransfer；chargepumpcircuit基金项目：国家自然科学基金资助项目（61403123）；郑州市科技局民生科技进步工程资助项目（131PZDGC136）作者简介：周成虎（1973-），男，硕士研究生，讲师，Email：[e-mail]2016Vol.46No.9传统的非接触电路一般采用DC-DC结构［1-3］，这种电路通常在前端加入专用的AC-DC功率因数校正电路将交流电转化成直流电。加入功率因数校正电路后需要增加一套额外的检测电路和变换器电路。本文提出了一种具有功率因数校正功能的三相AC-DC非接触供电系统，该系统用单相全桥整流电路将3路单相交流电分别整流成单向脉动直流电，将这3个脉动直流电斩波得到高频交流电，通过原边线圈向副边线圈传递电能，3个副边线圈分别与电容并联构成电流源，3路电流源分别向倍压整流电路输出能量构成3路充电泵电路，将这3路充电泵电路的输出端并联（相当于脉动电流源并联），得到统一的直流电压，滤波后得到稳定的直流电压。再采用简易的开关电容进一步校正功率，使该系统的供电电流的谐波畸变率更小；与单相AC-DC非接触电路相比，该系统不需要额外的功率因数校正电路、复杂的控制算法即可使其交流电源AC侧的线电流正弦化，功率因数基本接近于1，同时直流侧输出功率保持平衡。仿真和电路实验验证了所提70电气传动2016年第46卷第9期出的拓扑结构和控制方法的正确性和有效性，供电效率最高可达90%以上。1系统原理分析非接触供电电路原理图如图1所示，该电路采用3路单相交流市电电源uA1，uB1，uC1，其电压为交流220V，相位分别为0°，120°，240°。3路交流电源依次连接整流电路（21，22，23）、原边滤波电感（LAH，LBH，LCH）、开关电容电路（31，32，33）、全桥斩波电路（41，42，43）、原边线圈（LAP，LBP，LCP）、电流源（51，52，53）、二倍压整流电路（61，62，63），副边滤波电路（71）、负载Ro。图1非接触供电电路原理图Fig.1Contactlesspowersupplycircuitschematic控制装置（13）实时获取供电电压信号、供电电压过零信号、整流电流采样信号、负载电压电流信号，依据电源电压和负载功率的变化规律，通过供电电压过零检测装置（16）得到关键相位点，用关键相位点预测到其它采样点的相位和电压波动趋势的波动系数表，采用相位先验控制方法产生控制信号，通过驱动电路（14）转换成驱动信号，调节全桥斩波电路（41，42，43）的开关管的斩波占空比，从而实现对系统的输出控制。电流源（51，52，53）与3个独立的二倍压整流电路（61，62，63）分别构成电流型充电泵电路，3路电流io1，io2，io3叠加并滤波得到Io。根据开关管的斩波方式不同，在1个充电泵周期内分时或同时向副边滤波电路（71）和负载Ro供电。交流电源uA1，uB1，uC1的电压与电流波形如图2所示。2高频逆变部分控制方法在图1所示的电路中，当输出负载Ro固定和全桥斩波电路的开关管的占空比固定，且开关管图2电源电压与电流波形Fig.2Powersupplyvoltageandcurrentwaveforms周成虎，等：三相AC-DC非接触供电电路设计71电气传动2016年第46卷第9期SAH，SBH，SCH关闭的条件下，3路单相交流电源uA1，uB1，uC1分别整流后叠加输出产生的脉动成分仍能造成的输出电流脉动。调节谐波开关管SAH，SBH，SCH的占空比，从而改善系统输出电流电压的谐波。由于电路中的电流采样叠加分析比较复杂，而采用整流后的三相电压uA2（t），uB2（t），uC2（t）叠加信号判断电源电压叠加脉动比较容易，所以整流电流采样滤波检测装置将该电源电压叠加信号代替电源电流叠加信号反馈给控制装置。3组单相电源电压uA1，uB1，uC1经整流后，分别通过全桥整流得到整流电压uA2（t），uB2（t），uC2（t），其叠加电压uA2（t）+uB2（t）+uC2（t）如图3所示。通过理论分析可知该叠加电压的脉动成分仅有6、12、18次及6次以上倍数的谐波。该叠加电压脉动纹波的波动趋势可以预见，通过供电电压过零检测装置得到关键相位点，用这些关键相位点预测到其它采样点的相位和电压波动趋势，用以控制全桥斩波电路的开关管的占空比，调节电路的瞬时功率消耗。这种先检测叠加电压相位再控制开关管的方法为先验控制算法。三相整流电路叠加电压的计算表如表1所示。设uA2，uB2，uC2为峰值时幅值系数为1。当检测到电压uA1过零点时（包含由正转负和由负转正的过零点），可以判断其整流后的电压uA2的相位角为0rad，以此点为参照点得到参照三相叠加电压uA2+uB2+uC2的幅值系数为1.73209，设计算点每次步进为0.1rad。当电压uA2的相位角为0.1rad时，查计算表可得幅值系数为1.82328，以后每增加0.1rad时查表得到1个幅值系数。当电压uA2的相位角超过1rad且尚未达到1.1rad时，电压uB1的值过零点，可以判断其整流后的电压uB2的相位角为0rad，以此点为参照点又得到参照三相叠加电压uA2+uB2+uC2的各点的幅值系数。同理，当电压uB2的相位角超过1rad且尚未达到1.1rad时，电压uC1的值过零点，可以判断其整流后的电压uC2的相位角为0rad，又以此点为参照点依次得到0～0.9rad的10个幅值系数K。此后重复以上步骤。图3全桥整流的电压示意图Fig.3Schematicplanoffullbridgerectifiervoltage表1三相叠加电压计算表Tab.1Calculationtableofthreephasesuperimposedvoltage电压uA2相位角/rad00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.9电压uA2幅值系数0.000000.099830.198670.295520.389420.479430.564640.644220.717360.783330.84147电压uB2幅值系数0.866050.811810.749460.679620.602990.520330.432480.340310.244730.146710.04722电压uC2幅值系数0.866050.911630.948110.975120.992380.999720.997080.984470.962030.929980.88863幅值系数K0123456789100三相叠加电压uA2+uB2+uC2对应的幅值系数K的取值1.732091.823281.896241.950251.984781.999481.994201.969001.924121.860011.77733谷值点峰值谷值图1所示电路的等效控制模型如图4所示。在等效模型中交流电源uA1（t）回路经整流电路（21）整流后得到脉动的直流电压uA2（t），相当于该电压取绝对值（图4中用|·|表示），经全桥斩波电路（41）的开关管斩波得到高频交流电压uAP（t），斩波功能用xA（t）表示，对于斩波功能的调节采用斜箭头表示。MA表示非接触变压器原边线圈LAP与副边线圈LAS的耦合系数。副边线圈LAS的电压被整流之后得到稳定的直流电压uAS（t）。交流电源uB1，uC1回路与uA1回路的工作原理完全相同。图4中d（t）表示电路预期的设定值，e（t）表示电路的设定值与实际值之间的误差。采用先验控制的自适应算法改变开关管的斩波占空比，以调节输出电压和电流。先验控制反馈值计算方法具体步骤如下。1）通过供电电压采样滤波检测装置获取供电电压交流电源uA1，uB1，uC1的信号，以过零点的时刻为参照点依次获取此时刻及其它时刻点的幅值周成虎，等：三相AC-DC非接触供电电路设计72电气传动2016年第46卷第9期系数K，设u1d（t）为先验控制的反馈值，则：u1d（t）=[K（t+1）-K（t）]·uo（t）（1）式中：K（t+1）为下一次检测时三相叠加电压uA2+uB2+uC2的幅值系数；K（t）为当前点检测点三相叠加电压uA2+uB2+uC2的幅值系数。2）根据输出电压uo（t）和输出电流io（t）（如图1所示）的值计算出占空比调节系数d（t）-uo（t），其中期望输出的直流电压值为d（t）。考虑先验控制反馈值u1d（t）后，需要减去该变化趋势以适应供电电压uA1，uB1，uC1的变化给电路输出带来的影响，则反馈误差e（t）依据下式计算：e（t）=d（t）-uo（