基于不对称补偿的感应式无线电能传输系统研究

发布时间：2017-10-13 18:13

  本文关键词：基于不对称补偿的感应式无线电能传输系统研究

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【摘要】：无线电能传输技术作为一种有望取代线缆连接、大大降低网损的电能传输技术,具有很高的科研价值。感应式无线电能传输技术利用电磁感应原理,通过磁场实现无线电能传输,是若干种无线电能传输技术中较为成熟的一种。感应式无线电能传输技术的核心部件是松耦合变压器。松耦合变压器通过将电能变换为磁能,利用磁能在空气中传输的方式,实现了能量的无线传输。然而,松耦合变压器传输距离短、原副边耦合差、漏感过大,是感应式无线电能传输技术的主要问题。为此,基于电路谐振原理而设计的补偿结构被应用于感应式无线电能传输系统中,用以提升系统的能量传输效率。经典的补偿结构多为原边与副边对称设计的结构,例如SS补偿、双边LCC补偿等,这些补偿结构虽然确实大大提升了传输效率,但仍存在不足。SS补偿的缺点是电压传输比完全由变压器匝比决定,对松耦合变压器自身依赖太大,极大地限制了松耦合变压器的设计;双边LCC补偿的缺点是无法实现开环恒压输出、元器件过多、且难以确保软开关。为解决这些问题,本课题拟通过对现有补偿结构拆解分析,提出全新的原边与副边拓扑不对称的补偿结构。所提出的不对称补偿结构能够实现开关管零电压开通、开环恒压输出,且其电压传输比并不由匝比决定。此外,本课题也将对松耦合变压器本体的设计进行研究。经典的松耦合变压器设计理论多为定性的分析,没有形成定量的设计理论。通用变压器则虽拥有定量的分析理论,但难以应用于松耦合变压器设计中。本课题拟基于通用变压器的磁阻模型及松耦合变压器的磁阻分布的分析,提出能够适用于松耦合变压器的定量设计理论。基于该理论,本课题将给出两种主流松耦合变压器结构的设计过程,并通过仿真对其进行验证,以解决松耦合变压器设计难以定量分析的问题。最后,本课题将基于所提出的不对称补偿结构设计样机,并采用Pspice软件仿真验证及进行实机实验验证。课题拟实现在30 cm×30 cm×5 cm的空间下,于5.0 cm距离下传输230 W电能的无线电能传输装置,并使整体效率达到86%,以验证本课题的理论。
【关键词】：无线电能传输 感应式无线电能传输 移相全桥 松耦合变压器 DC-DC变换器
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM724
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-10
• 1.2 无线电能传输技术的研究现状10-16
• 1.2.1 无线电能传输技术发展概况10-12
• 1.2.2 感应式无线电能传输发展概况12-13
• 1.2.3 补偿结构研究现状13-14
• 1.2.4 松耦合变压器研究现状14-15
• 1.2.5 感应式无线电能传输其他问题的研究现状15
• 1.2.6 研究现状分析15-16
• 1.3 本文的主要研究内容16-17
• 第2章 感应式无线电能传输系统拓扑分析17-28
• 2.1 引言17
• 2.2 感应式无线电能传输系统的构成17-18
• 2.3 逆变电路拓扑及其分析18-23
• 2.3.1 逆变电路拓扑18-21
• 2.3.2 逆变电路控制方式21-23
• 2.4 补偿结构电路拓扑23-24
• 2.5 松耦合变压器的电路等效模型24-26
• 2.6 整流及滤波电路拓扑26-27
• 2.7 本章小结27-28
• 第3章 不对称补偿结构28-55
• 3.1 引言28
• 3.2 补偿结构数学模型的建立28-33
• 3.2.1 经典双边串联电容补偿结构分析28-30
• 3.2.2 两种基本一阶谐振腔分析30-32
• 3.2.3 三种二端口网络的数学模型化简32-33
• 3.3 不对称LC补偿结构及双边LC补偿结构33-36
• 3.4 所提出补偿结构零开关特性及效率分析36-39
• 3.5 所提出补偿结构与其他补偿结构的对比39-45
• 3.6 不对称补偿结构下的整流滤波电路分析45-54
• 3.6.1 电感-电容（LC）滤波结构分析45-50
• 3.6.2 电容-电感（CL）滤波结构分析50-54
• 3.7 本章小结54-55
• 第4章 松耦合变压器磁路设计与优化55-71
• 4.1 引言55
• 4.2 磁路设计与优化55-67
• 4.2.1 传统磁路模型的修正55-58
• 4.2.2 不同形式松耦合变压器的分类58-60
• 4.2.3 基于E型磁路的设计60-64
• 4.2.4 基于U型磁路的设计64-67
• 4.3 松耦合变压器搭建67-69
• 4.4 本章小结69-71
• 第5章 仿真分析及实验验证71-83
• 5.1 引言71
• 5.2 参数设计与元器件选取71-73
• 5.3 基于PSPICE软件的仿真验证73-77
• 5.4 基于样机的实验验证77-81
• 5.5 本章小结81-83
• 结论83-85
• 参考文献85-91
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果91-93
• 致谢93

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本文编号：1026344