基于功率流控制的機載座椅娛樂系統無線電能傳輸技術研究

劉偉

【摘 要】為提高民用飛機機載座椅娛樂設備的可維護性，便于拆除維護，降低負載頻繁起動對飛機電網的沖擊，本文給出了一種不需要電纜連接的機載供電技術為民用飛機乘客娛樂系統提供電能。該技術采用移相功率流控制實現無線電能傳輸調節，并給出了功率關于移相角的函數關系式。在此基礎上，進一步通過實驗演示系統進行驗證分析，給出了相關的試驗波形，并將最終的試驗數據與理論分析結果做了比較，驗證了本文提出的基于功率流控制的無線電能傳輸控制技術的可行性。

【關鍵詞】機載娛樂系統；無線電能傳輸；移相控制；功率流

Research of Wireless Power Transfer Technology Based on Phase-shift Power Flow Control Method for Onboard Seat

Entertainment System

LIU Wei

（Department of Electric System Design Research，SADRI of COMAC，Shanghai 201210，China）

【Abstract】In order to enhance maintainability of onboard seat entertainment equipment and reduce power inrush to the aircraft electrical power network， this paper presents a power supply technology without of wiring connection for civil onboard entertainment system.The phase-shift power flow control method is used for wireless power transfer，And it analyzes the contribution of phase-shifted control in wireless power transfer power flow control by giving the function expression between the system power and the phase-shift angle in detail.Moreover，a practicality experiment and some experimental waveforms are presented.Finally，the result of the experiment is compared with the theoretical analysis to verify feasible of given power flow control solution for wireless power supply.

【Key words】Onboard entertainment system；Wireless power transfer；Phase-shifted control；Power flow

0 引言

民用航空運輸的普及，促進了民機機載娛樂系統的發展，不斷提升乘客的體驗舒適度。在運營過程中，機載系統的維護性越來越被航空公司所重視，傳統的乘客座椅娛樂系統采用機上敷設線纜與座椅直接相連的供電方式，這種方式勢必導致飛機維護中大量線纜維護工作量，同時線纜和連接部件的重量會大大增加，降低飛機的經濟性和可維護性。本文基于感應式無線電能傳輸技術給出了一種機載座椅娛樂系統供電的方法，在座椅的底座結構進行電能無線提取處理，如圖1所示。相比傳統的接觸式電能傳輸方式，該技術具有可靠性、安全性高，無需電路連接維護，能夠實現完全氣密性、防水易維護以及可實現無人化管理等優點[1]。

功率流控制在無線電能傳輸系統的研究中是十分重要的一環。這是由于：在系統的啟動階段，減小系統的輸入功率可以有效地減小對系統的沖擊[2]，機載娛樂系統的總功率相當于機載單臺發電機容量的十分之一左右，有效降低對飛機電網的沖擊，確保飛機電網供電穩定至關重要；另外，當乘客在使用娛樂系統時，系統的負載參數會變化時，可以通過引入閉環控制，來使系統的輸入功率也作相應的變化，從而提高系統的利用率。

本文以移相控制作為功率流控制的方法。通過理論推導，從理論上對該方法作了分析，在此基礎上將該控制方法運用到實物演示系統中，并通過相關實驗驗證了該方法的可行性。

1 感應式無線電能傳輸系統的結構及原理

大功率無線電能傳輸從原理上可分為電磁感應式、微波式和磁共振式兩種。本文所研究的無線電能傳輸是以電磁感應方式將原邊電能傳輸至副邊。其系統結構框圖如圖2所示。

圖2中，先將機載三相交流電壓經整流模塊變換成直流電，再將得到的直流電送入H橋諧振逆變器，以得到高頻的交流信號。此信號作為互感線圈的原邊輸入，通過電磁耦合為副邊的負載提供電能。H橋逆變器的驅動信號由控制器根據原邊的狀態信號加以控制，以達到功率流的閉環控制。

由于經H橋輸出的是交流方波信號，如不經過處理直接輸入至互感線圈會造成大量損耗并且會使系統的EMI過高，因此在實際系統設計時，在原邊和副邊側都需要加入補償網絡，如圖3所示。

在原邊側串入補償電容C1，使C1與互感線圈在原邊側的等效電感在基頻處產生串聯諧振。此時，原邊電流i為基頻正弦量，從而大大減小了電能在感應傳輸過程中的高次諧波。同時在副邊并聯一個補償電容C2。電容C2與互感線圈副邊的等效電感在基頻處產生并聯諧振，使得最終副邊處得到電壓VL為基頻交流量。

2 移相功率流控制

在通常情況下，如不對系統加以功率流控制，則控制器只需分別對H橋中的VT1、VT3與VT2、VT4加以脈寬為50%，相位差180°的驅動信號即可。此時，各MOSFET的驅動波形、H橋輸出電壓波形以及原邊電流波形如圖4所示。

其中，原邊電流i由于補償電容C1的作用變為基頻正弦波?？刂芕T3、VT4的驅動電壓，使其向前移動α相角，得到如圖5所示的輸出電壓波形Vo。

3 實驗驗證

為了驗證上述對移相控制在感應式無線電能傳輸系統功率流控制中的研究和分析的正確性，本文將移相控制方法應用到一個感應電能傳輸的樣機系統中。通過測量在不同移相角α下，負載所獲得的實際功率，并與（16）式所得的負載功率理論值進行比較，驗證理論推導的正確性。

實物系統的運行參數如下：直流電壓Vdc=25V；H橋驅動頻率f=10kHz；原邊電感L1=160μH；副邊電感L2=126μH；互感M=75μH；原邊補償電容C1=2.22μF；副邊補償電容C2=2μF；負載RL=27Ω；傳輸效率η=88.64%。

當移相角α=0 rad（即未移相）時，所得的實驗波形如圖6所示。

（a）H橋輸出電壓波形

（b）負載電壓波形

圖6 移相角α=0 rad時的實驗波形

Fig.6 The experimental waveforms with phase-shift angle α=0 rad

圖6（a）中，H橋輸出電壓波形與圖3中所描述的一致。圖6（b）的負載電壓波形也與前面分析的一樣，在補償電容C1、C2的作用下為基頻正弦波。從圖中可以讀出負載電壓的有效值為：VL=35.4V。因此，負載功率的實際值為：

當移相角α=0.5π rad時，所得的實驗波形如圖7所示。

（a）H橋輸出電壓波形

（b）負載電壓波形

圖7 移相角α=0.5π rad時的實驗波形

Fig.7 Experimental waveforms with phase-shift angle

α=0.5π rad

圖7（a）中，H橋輸出電壓波形與圖4中所描述的一致。從圖6（b）中可以看到，此時負載電壓的有效值比之前沒有移相時的情況有了明顯的減小，可以讀出此時其值為：VL=24.3V。因此，負載功率的實際值為：

同理，測得在不同移相角α下負載電壓的有效值，并計算出負載的實際功率與理論功率值，如表1所示。

表1 不同移相角α下的實驗數據記錄

Tab.1 Experimental data with different α

根據表1所得的實驗數據，繪制負載功率的實際測量值關于移相角α的關系曲線，并與由（16）式所得的PL-α曲線相比較。如圖8所示。

圖8 PL-α實測曲線與理論曲線的比較

Fig.8 The comparison between the experimental PL-α curve and the theoretical one

從圖8可見，實驗測得的PL-α曲線與由（16）式得到的理論曲線基本一致。因此，在實際應用中可以（16）式作為座椅式機載娛樂系統無線電能傳輸技術功率流控制的理論依據。

4 結束語

本文通過討論移相控制對感應電能傳輸功率流控制的作用，推導出了系統功率關于移相角的函數表達式。在此基礎上將本控制方法應用到演示系統中，給出了相關的實驗波形及實測的PL-α曲線與理論計算曲線的比較。實驗結果表明：理論分析與實際實驗趨勢一致，從而驗證了理論推導的正確性，為機載娛樂無線電能傳輸技術提供了一個切實可行的方案，為提高民機機載娛樂系統可維護性，限制娛樂系統頻繁起動對飛機電網的沖擊提供了可行的路徑。

【參考文獻】

[1]A.P.Hu.Selected Resonant Converters for IPT Power Supples[D].Ph.D thesis，the University of Auckland， New Zealand，2001，10.

[2]A.P.Hu，G.A.Covic，J.T.Boys.Direct ZVS Start-Up of a Current-Fed Resonant Inverter[J].IEEE Trans.On.Power Electronics，2006，5，21（3）：809-812.

[3]Wei Liu，Houjun Tang.Analysis of Voltage Source Inductive Coupled Power Transfer Systems Based on Zero Phase Angle Resonant Control Method[J].Industrial Electronics and Applications，ICIEA，2007，5：1873-1877.