以无线电能传输为背景的《电力电子技术》教学研究

邓其军，刘姜涛

(1.武汉大学 自动化系, 武汉 430072； 2.湖北第二师范学院 物理与机电工程学院, 武汉 430205)

以无线电能传输为背景的《电力电子技术》教学研究

邓其军1，刘姜涛2

(1.武汉大学 自动化系, 武汉 430072； 2.湖北第二师范学院 物理与机电工程学院, 武汉 430205)

为解决电力电子技术课程理论学习内容较抽象的问题，采用模块化MATLAB仿真来辅助学生对理论的理解；针对成套的电力电子实验装置难以进行拆解-组装式实验教学导致的学生理解困难、动手机会少、学生学习兴趣不足的问题，采用无线电力传输这个新颖的应用背景来强化学生的动手能力培养，深化学生对各模块内容的理解,调动学生的学习兴趣，激发学生的学习潜能，实现“以学生为中心的学习”，提升教学效果。

电力电子技术；教学研究；逆变器；无线电力传输

1 引言

电力电子技术课程主要讲述各种变流电路拓扑及其控制问题，包括直流转交流的逆变电路(DC/AC)、交流转直流的整流电路(AC/DC)、交流转交流的变频电路、软开关切换电路(soft switching)等。对于本科生而言，该课程内容比较抽象、枯燥。实践环节的各种电路搭建实验虽然能够在一定程度上改善该问题，但目前的电力电子实验是基于成套的装置开展的，学生只是能够看到更改接线、控制参数后的结果，受限于电力电子技术实验的较高的输入输出电压(220甚至380V),学生不能实现PCB板级的电路设计与搭建工作，对实验装置内部结构、原理及更深层次的内容理解不够。

无线电力传输涉及的技术包括整流、逆变、DC-DC调压、谐振软开关等，涵盖了《电力电子技术》课程的大部分教学内容。为解决电力电子技术课程理论学习内容较抽象的问题，采用模块化MATLAB仿真来辅助学生对理论的理解；针对成套的电力电子实验装置难以进行拆解-组装式实验教学导致的学生理解困难、动手机会少、学生学习兴趣不足的问题，采用无线电力传输这个新颖的应用背景来强化学生的动手能力培养，深化学生对各模块内容的理解。无线电力传输是近十年内才兴起的新兴的电力电子应用领域，潜在的应用场景包括电动汽车无线充电、体内植入式人造医疗设备供电、密封物体无线供电等。

2 无线能量传输系统与《电力电子技术》课程的关系

无线电能传输系统主要包括整流、高频逆变、DC/DC变换、谐振装置等，系统框图如图1所示。该系统中的整流模块、逆变器模块、DC/DC变换等属于《电力电子技术》课程的核心内容。为了提高学生的学习兴趣，让学生明确课程的学习目的，本文将无线电能传输技术这个新兴的背景，应用到《电力电子技术》课程教学的全过程，开展基于MATLAB的无线电能传输系统电路仿真教学,设计与制作无线电能传输系统的核心模块。

图1 无线电能传输系统框图

3 《电力电子技术》课程的核心教学内容设计

3.1 AC-DC整流模块设计

整流模块是无线电能传输系统中的核心模块之一，也是《电力电子技术》课程教学的核心内容之一。在无线电能传输系统中有两个整流模块。一是将50Hz的市电，整成直流电，经调压后供给逆变器使用。第二个整流模块是将接收到的高频交流电(通常在80Hz～500kHz)整流成直流电，供给后继负载使用。结合电力电子课程的教学内容，第一个整流模块可以设计成三相桥式电容滤波的不控整流带LCR负载，如图2所示。其中R代表图1中第一个AC-DC整流模块的负载。

教学时，让学生设置L=1mH, C=1000uF, R=200Ω,在三相相电压有效值U2=100V时，在负载上获得的平均电压理论值为 2.34U2～2.45U2,即240V左右。学生可得到图3为Matlab仿真的输出电压。可让学生分析并通过仿真实验，来验证在使用电感滤波与不使用电感滤波、轻载与重载等场景下，输出电压的变化情况。

图2 三相桥式电容滤波的不控整流电路图

图3 A相输入电流和负载输出直流电压

3.2 DC-DC调压模块设计

经三相整流后的电压往往较高，在学生实验时，不能直接提供给无线电能传输的逆变器使用。为此，需要使用DC/DC调压模块，对其进行降压。结合电力电子技术课程教学内容，同时考虑到单纯的Buck电路输出电压为方波，不适合于无线电能传输系统的逆变器输入，因此设计一个升降压斩波电路如图4所示。该升降低斩波电路的直流输出有一个并联的滤波电容，能够获得纹波较小的直流输出电压。

教学时，可以让学生通过对开关管占空比的调整，来调整输出电压。在图示参数下(占空比30%)时，输出电压如图5所示，该输出电压压值与理论值较为接近。

图4 升降压斩波电路

图5 升降压斩波电路的输出电压

3.3 DC-AC逆变电路设计

无线电能传输系统中，发送端线圈与接收端线圈之间的耦合系数远小于1(对于线圈距离是线圈直径4倍的系统而言，其耦合系数小于1%[7])。由收端感生电压的表达式V=jωMI1(ω是发送端电流的角频率，M是两线圈的互感，I1是发送端电流)可知，在互感M很小(其值在10-6数量级)时，必须使用较高的运行角频率才能在接收端获得足够高的感生电压。根据美国汽车工程师学会的SAE TIR J2954标准，推荐的电动汽车充电频率为80kHz～90kHz。因此，选择本逆变器的仿真运行频率为88kHz。选择负载LCR负载，以保证谐振状态，并按85kHz选定谐振电感与电容。仿真电路及其参数如图6所示。逆变器输出方法电压及负载电流如图7所示。

教学时，可以结合逆变器方波电压的基波分量的计算，来分析负载中的正弦电流。并结合频域基尔霍夫定理，来计算输出电流的幅值及其随运行频率的变化而变化的规律，并进行仿真验证。还可以通过调整开关管的工作频率，来验收通过频率调整实现输出功率的控制效果。

图6 单相全桥逆变电路

图7 单相全桥逆变器输出电压与电流波形

3.4 无线能量传输的互感电路设计

无线能量传输的原理类似于变压器，只不过变压器初级和次级的互感系数接近于1，而无线能量传输发射线圈与接收线圈的互感系数远小于1。图8使用两个带互感的线圈，来表达无线电能传输的射线圈与接收线圈之间的耦合。其中两个线圈自感37uH,互感7.4uH。在图8所示参数条件下，接收端输出电流波形如图9所示。

教学时，可以通过调整发送端电源的频率，来调节接收端的输出电流。并可通过建立发送端与接收端在频域的基尔霍夫电压方程，从而求解出接收端电流与发送端电压、频率、负载之间的关系，并与仿真结果进行对比分析以加深理解。

图8 用带互感的线圈建模无线电能传输电路

图9 无线电能传输的接收端电流

3.5 系统集成设计

将上述4种典型电路与图1所示的无线电能传输系统的框图进行对比可知，这4种典型电路已经包括了发射端的所有典型模块，以及无线电能传输的耦合电感。接收端的AC-DC整流与DC-DC调压，也完全可以用类似的电路来实现。

教学时，可设计一个综合的集成教学模块。要求学生根据图1所示的无线电能传输模块框图，结合上述4种电力电子技术课程的典型电路，用MATLAB设计出包括了图1中全部模块的无线电能传输系统仿真simulink模型。并推导在接收端负载上的电流与发送端输入电压、DC-DC电路开关管占空比、开关管运行频率、DC-AC移相角等之间的关系，从而让学生从整体上把握电力电子技术课程的核心内容。

在实践教学中，可以将学生分成4组，分别负责一个模块的电路板设计与制作。在分模块完成电路板制作与调试后，再完成整体无线电能传输系统的联调实验，从而进一步激发学生的学习兴趣，并提升学生的动手能力。

4 结束语

通过无线电能传输系统所涉及的《电力电子技术》课程核心内容的分析与仿真学习，使得电力电子技术课程理论，如整流、高频逆变、DC/DC变换等较抽象的学习内容更具体，采用实际应用背景下的模块化MATLAB仿真来辅助学生对理论的理解；针对成套的电力电子实验装置难以进行拆解-组装式实验教学导致的学生理解困难、动手机会少、学生学习兴趣不足的问题，采用无线电力传输这个新颖的应用背景来强化学生的动手能力培养，深化了学生对各模块内容的理解。

[1]张兴，余畅舟，刘芳，等．光伏并网多逆变器并联建模及谐振分析[J]．中国电机工程学报，2014，34(3)：36-345．

[2]E. Laboure, A. Cuniere, T. A. Meynard, F. Forest, and E. Sarraute, “A theoretical approach to intercell transformers, application to interleaved converters,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 1, pp. 464-474, Jan. 2008.

[3]F. Forest, E. Laboure, T.Meynard, andV. Smet, “Design and comparison ofinductors and intercell transformers for filtering of pwm inverter output,”IEEE Trans. Power Electron., vol. 24, no. 3, pp. 812-821, Mar. 2009.

[4]M. Bojarski, D. Czarkowski, F. D. Leon, Q. Deng, M. K. Kazimierczuk, “Multiphase resonant inverters with common resonant circuit,” in Proc. IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Jun. 2014, pp. 2445-2448

[5]王智慧,吕潇,孙跃,苏玉刚. 谐振式无线电能传输系统损耗模型[J]. 电工技术学报, 2014, 29(9): 17-21.

[6]邓其军,刘姜涛,陈诚,等.应用于无线电能传输的Litz线平面矩形螺旋线圈高频电阻计算[J]. 电工技术学报, 2016, 31(11):176-185.

[7]Q. Deng, J. Liu, D. Czarkowski, M. Kazimierczuk,M. Bojarski, H. Zhou and W. Hu, “Frequency-dependent resistance of Litz-wire square solenoid coils and quality factor optimization for wireless power transfer,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 63, no. 5, pp. 2825-2837, May 2016.

[8]邓其军,刘姜涛,周洪,等.应用于无线电能传送的测控系统设计与开发[J]. 电力自动化设备, 2015, 35(7):147-152.

[9]M. K. Kazimierczuk and D. Czarkowski, “Class D current-driven rectifiers”, Ch.2 inResonant Power Converters, 2nd ed. Wiley-IEEE Press, Hoboken, NJ, 2011.

[10]邓其军,刘姜涛,周洪,等.应用于无线电能传送的测控系统设计与开发[J].电力自动化设备, 2015, 35(7):147-152.

Teaching Research of “Power Electronic Technology Course” in the Background of WPT

DENG Qi-jun1, LIU Jiang-tao2
(1. Department of Automation, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. School of Physics and Electrical Engineering, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)

In order to solve the abstract problem of the theoretical study of “power electronic technology course”, a modular MATLAB simulation is adopted to help students understand the theory. Since disassembly and assembly experiment is difficult to be carried out on complete sets of power electronics devices, students find it difficult to understand with little hands-on opportunities, dampening students’ interest of learning. Hence, students’ hands-on ability could be enhanced with the novel application of wireless power transmission to deepen students understanding of the content of each module, mobilize the students’ interest in learning, stimulate students’ learning potential, to achieve “student-centered learning”, and improve the teaching effect.

wireless power transmission; teaching research; inverter; power electronic technology

G642.4

A

1674-344X(2017)8-0099-04

2017-07-08

邓其军，男，副教授，博士，研究方向为无线电能传输、谐振电力变换、电力信息化。刘姜涛，女，副教授，博士，研究方向为无线电能传输和电力变压器有源降噪。