多逆变器并联IPT系统环流消除及其频率稳定控制研究

发布时间：2018-11-07 08:25

【摘要】：感应电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)系统由于受到开关器件的耐压过流值的限制,单个逆变器构成的IPT系统难以实现大功率能量传输。为了增加逆变电源的容量,目前有效的方法之一是采用逆变器并联技术。采用逆变器并联技术时,由于电路参数(电容电感),开关器件以及直流电源电压的容差,导致并联单元之间存在环流,各个并联模块之间的电应力和热应力都不平衡,降低了元件的使用寿命和系统的可靠性。当逆变电源容量提高时,需要保证能量有效传输到负载端。然而实际中系统受到电路参数变化的影响,谐振频率易发生漂移,能量传输的路径并不是最优。因此,研究并联单元之间的环流消除方法、系统功率调节策略以及频率稳定控制算法是十分有必要的,论文主要工作有:1)提出一种交变信号直流化的方法。首先理论推导了交变信号变换为直流信号的过程,其次用模拟电路表示数学推导过程中的各个部分,接着详细介绍等幅移相电路、低通滤波电路、幅值检测电路以及变换电路的整体工作流程,最终将高频的交变信号变换为直流信号,控制器通过AD采样的方式获取变换后的直流信号,间接表示信号的矢量信息。该方法降低了控制器的计算负担且不易受到外界的干扰,为后续逆变器并联IPT系统中的环流消除控制器,提供电流幅值和相位信息提取的方法。2)基于LCL-S补偿多逆变器并联IPT系统的功率提升技术。采用一种基于交变信号直流化的环流消除方法,用以解决高频逆变器并联时产生的环流问题。首先分析了LCL-S型两逆变器并联IPT系统的拓扑结构以及环流产生的原因;其次将初级线圈电流和各个支路电流代入到第2章分析的交变信号直流化方法中,计算出各个支路电流的虚实部分量。接着给出电流矢量调节策略,使得初级线圈电流恒定,各个并联单元电流实部分量相等,虚部分量相等且等于零;最后以两个逆变器并联的IPT系统进行实验验证,结果表明高频逆变器之间的环流得以有效消除,证明了本方法的有效性。3)基于串并联谐振腔多逆变器并联1PT系统的功率提升技术。首先分析了加入串并联谐振补偿拓扑抑制多逆变器并联IPT系统中直流环流和谐波环流的原理;其次在多逆变器并联的IPT系统中加入串并联谐振补偿拓扑后,分析了基波环流产生的原因,并数学推导了基波环流的表达式;同样采用一种基于第2章分析的交变信号直流化环流消除方法,解决了逆变器并联IPT系统的基波环流问题;最后以两个逆变器并联的IPT系统进行实验验证。实验结果表明,使用该串并联谐振补偿拓扑和基波环流消除方法能够有效消除基波、谐波以及直流环流,同时保证了恒定的负载电压。4)次级串联补偿的频率稳定性控制技术。由于IPT系统运行工况的改变或者外界环境变化等因素,线圈漏感,静态补偿电容值和电路阻抗发生变化,且变化量难以在系统运行过程中实时测量,再加上负载随机性的特点,易导致IPT系统谐振频率漂移,进而影响IPT系统的传输功率和效率。为解决IPT系统谐振频率漂移问题,在系统固定工作频率下,次级回路加入动态调谐装置;针对LCL-S补偿的拓扑,初级采用恒流控制,次级线圈感应电压一定,控制器根据最大次级回路电流原则改变动态调谐装置的等效输出补偿电容值,最终使得整个IPT系统处于谐振状态。针对串并联谐振腔补偿的拓扑,采用恒定次级输出电压的控制策略,控制器根据最小初级回路电流原则改变动态调谐装置的等效输出补偿电容值,最终使得整个IPT系统处于谐振状态。实验结果表明,所提出的方法有效实现了系统频率的稳定控制,提高了系统的传输效率和功率,最终实现了第3章和第4章所述的大功率并联逆变电源能量的有效传输。
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【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM464;TM724

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