1. Введение

Технология беспроводного заряда применима для многих видов электрооборудования, начиная от маломощных бытовых приборов до промышленных потребителей

[1][2][3][4][5][6][7][8][9]

Наиболее широкое распространение получили БЗУ, построенные на принципе индуктивной и магнитно-резонансной связи благодаря большей безопасности по сравнению с использованием электромагнитного излучения радиочастотного или микроволнового диапазона

[5][6][10][11]

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 

- создание базовой модели в SimInTech для упрощенного представления БЗУ; 

- верификация модели путем сопоставления с опубликованными экспериментальными данными;

- анализ влияния рабочей частоты на коэффициент полезного действия (КПД) БЗУ;

- разработка усовершенствованной модели, включающей характеристики транзисторных ключей (ВАХ);

- оценка воздействия характеристик транзисторных ключей на общий КПД БЗУ.

2. Методы исследования

Рост потребности в различных БЗУ актуализирует работы по их проектированию. В процессе эксплуатации БЗУ часто требуется анализ возможностей их применения в конкретных условиях. Для решения таких задач целесообразно развивать компьютерное моделирование БЗУ. Моделирование в программных комплексах получило широкое распространение при разработке электротехнических устройств

[11][12][13]

Работа БЗУ строится на принципе индуктивной и магнитно-резонансной связи между стационарно размещаемой передающей катушкой и подвижной приемной катушкой. Передающая и приемная катушки входят в индуктивно-емкостную компенсационную цепь резонансного контура, на который подается напряжение с помощью специального высокочастотного инвертора. Создаваемое передающей катушкой высокочастотное магнитное поле наводит напряжение в приемной катушке, которое через силовой преобразователь постоянного тока передается в цепь заряда аккумулятора

[5][8][12]

Эквивалентная схема замещения моделируемого БЗУ представлена на рисунке 2.

На рисунке 3 представлена упрощенная модель БЗУ, разработанная в программе SimInTech.

С целью повышения КПД установки из-за пульсаций напряжения в схему был добавлен сглаживающий фильтр. Сглаживание напряжения в цепи заряда приводит к увеличению действующего значения напряжения, и, следовательно, к росту полезной мощности. При моделировании сглаживающий фильтр был представлен емкостью [LATEX_FORMULA]C[/LATEX_FORMULA], рассчитываемой по формуле 1:

где 

— коэффициент сглаживания пульсаций,

— пульсность схемы (для однофазной мостовой схемы [LATEX_FORMULA]p = 2[/LATEX_FORMULA]),

— частота, Гц,

—

—

[LATEX_FORMULA] K_{p.вх}[/LATEX_FORMULA] — коэффициент пульсаций выпрямителя без фильтра (для однофазной мостовой схемы [LATEX_FORMULA] K_{p.вх} = 2/3[/LATEX_FORMULA]),

Коэффициент сглаживания пульсаций рассчитывается по формуле 2: 

где 

—

Сопротивление нагрузки рассчитывается как отношение напряжение заряда к току заряда.

Представленная упрощенная модель не учитывает форму ВАХ транзисторов инвертора, а именно падение напряжения в прямом направлении, сопротивление транзисторов, ток утечки закрытого транзистора и аналогичные характеристики обратных диодов. Перечисленные факторы могут оказать влияние на потери мощности в системе и снизить ее КПД. Для учета влияния характеристик транзисторов на работу беспроводного зарядного устройства собрана модель инвертора на базе элементов «полупроводниковый безынерционный элемент» с типом ВАХ IGBT+диод. Модель инвертора реализована в виде субмодели «инвертор ВЧ», приведенной на рисунке 4.

3. Основные результаты

Для проверки адекватности разработанной модели сравнивались результаты моделирования с результатами экспериментальных исследований, выполненных на лабораторном образце и представленных в работе

[8]—

Моделирование средствами SimInTech проводилось для схемы замещения с теми же параметрами и при той же частоте и скважности сигналов. Осциллограммы напряжений, полученных в результате моделирования, показаны на рисунке 6. Обозначения напряжений аналогичны рисунку 5.

[9]

После оценки адекватность модели было исследовано влияние задаваемой скважности на мощность заряда аккумулятора. Сравнивались результаты моделирования с разной скважностью, а также с фильтром и без фильтра. Результаты сравнения приведены в таблице 1.

Как видно из результатов моделирования, изменение скважности влияет на мощность заряда аккумулятора, а, следовательно, и на КПД установки. Максимальный КПД наблюдается при скважности 0,5.

В работе также было проведено сравнение экспериментальных результатов и результатов моделирования в различном частотном диапазоне. Сравнивался полученный на модели КПД системы с данными, приведенными в [9] для лабораторного образца мощностью 3,6 кВт. Были заданы следующие параметры установки: зарядное напряжение 100 В, зарядный ток 36 А, , [LATEX_FORMULA]С_1 = C_2 = 0,104 \text{мкФ}[/LATEX_FORMULA], [LATEX_FORMULA]R_1 = 14,361 \text{ мОм}[/LATEX_FORMULA], [LATEX_FORMULA]R_2 = 14,237 \text{ мОм}[/LATEX_FORMULA], [LATEX_FORMULA]M = 5,9 \text{ мкГн}[/LATEX_FORMULA], расчетная резонансная частота составляла 90 кГц, а фактическая составила 91,3 кГц.

По результатам моделирования была построена зависимость КПД от частоты. Зависимость для сравнения была графически совмещена с экспериментальными данными. Совмещенная диаграмма приведена на рисунке 7.

На рисунке 7 кроме экспериментальных данных приведены также данные идеальной модели, модели с учетом скин-эффекта и экспериментальные данные без учета потерь в трансформаторе, транзисторах и диодах.

Как следует из рисунка 7 форма зависимости совпадает с экспериментальными данными, но смещена вправо и вверх. Наибольшее совпадение результатов наблюдается в области 92-100 кГц, что соответствует окрестности резонансной частоты. Следует отметить, что в указанной области результаты обладают соизмеримой точностью с моделью разработанной автором работы [9].

Моделирование также показало, что при частоте инвертора 92 кГц потери в инверторе снижают КПД установки примерно на 1%.

4. Обсуждение

Рассмотренная выше модель не учитывает потери в трансформаторе, диодах выпрямителя, а также пульсации выпрямленного напряжения, однако, учитывая многократную разницу в частотах пульсаций выпрямленного напряжения и инвертора, можно предположить, что пульсации выпрямленного напряжения могут привести к медленным колебаниям напряжения и тока заряда, а, следовательно, и КПД системы. 

Ввиду сложности динамической модели расчет занимает порядка 30 минут и возможны нестабильные решения из-за большого количества коммутаций, что эквивалентно разрыву функций. Поэтому составление модели с учетом трансформатора и выпрямительного звена не является рациональным.

5. Заключение

В работе представлено решение актуальной инженерной задачи, позволяющей облегчить проектирование беспроводного зарядного устройства, а именно разработка динамической модели, описывающей переходные процессы и позволяющей определить КПД системы.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

– разработана упрощенная модель беспроводного зарядного устройства в , учитывающая процессы в инверторе и в выпрямителе находящимся в цепи заряда;

– сравнение результатов моделирования динамических процессов в беспроводном зарядном устройстве уменьшенного макета электровоза с экспериментальными данными, полученными в работах других авторах, показало высокую степень сходимости результатов моделирования с экспериментом. Максимальное расхождение составляет не более 5%;

–

зависимость КПД от частоты для разработанной модели имеет

– построена уточненная модель, учитывающая вольт-амперные характеристики транзисторных ключей инвертора. Модель инвертора реализована в субмодели, а в ее свойствах задаются основные параметры полупроводниковых элементов;

– моделирование беспроводного зарядного устройства с учетом влияния вольт-амперных характеристик транзисторных ключей при различных их параметрах показало увеличение потерь энергии до 1,5%.

The additional file for this article can be found as follows: