无线供电技术在电子式互感器方面的应用研究

发布时间：2020-03-19 13:16

【摘要】：电流互感器是电力系统中实现计量与保护的重要设备,随着电网电压等级的不断提高,传统的电磁式电流互感器受其传感原理限制已不能满足生产的需要。电子式互感器因具有抗干扰性能好、测量精度高、重量轻等优点已成为传统电流互感器的理想替代品,其中有源电子式互感器高压侧供电问题则是研究中的难点和技术难题。针对现有高压侧供电电源设计中存在的电源复杂、寿命短、供电不稳定等问题,本文提出了一种新的供电方案,即无线供电技术。以线圈尺寸最小化和传输距离最大化为原则,研究设计了一个基于磁耦合共振式无线供电电源装置,实现了为电子式互感器高压侧稳定供电。本文的主要的研究内容如下:1.首先对现有几种主流无线供电技术进行了简单的研究与分析,确定采用磁耦合共振式无线供电技术为电子式互感器高压侧电路供电。以电路互感理论为基础对磁耦合共振式无线供电技术进行建模与分析,建立了PP拓扑结构下的能量传输模型,推导出了输出功率表达式,进一步分析电压、频率、互感对功率的影响,从而为硬件电路的参数设计提供了理论参考。2.其次对磁耦合共振式无线供电系统进行了整体设计,主要包括高频逆变环节、谐振线圈、谐振电容、整流滤波稳压环节,根据系统的设计指标,对这些环节一一进行分析,合理的设计优化系统的参数,保证在获得稳定功率的前提下尽量减少发射和接收线圈尺寸,再印制电路板,完成硬件电路制作。3.最后搭建实验平台,并对电源进行了实验测试,发射端和接收端的输出波形均满足实验要求。通过实验测试距离和负载对系统传输特性的影响,得出当传输距离在5-11cm,负载电阻在100Ω-250Ω范围时,负载均可获得100mW以上的功率,完全满足电子式互感器高压侧供电要求。通过对绝缘子设计,完成了系统的样机制作,最后经过整体样机实验验证波形图表明该供电电源在保证有效绝缘距离的前提下,可实现长时间的稳定供能,验证了本设计的有效性。
【图文】：

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供电装置的供电效率高达 40%。该实验首次提出磁耦合共振的概念，成为无线供电技术研究方向的一个重要转折点。实验成果如图 1.8 所示。图1.8 麻省理工大学成果Fig.1.8 MIT Achievements日本东京大学以 Takao Someya 教授为首的团队，使用有机晶体管的传输系统和MEMS 开关，通过印刷技术，成功地生产了一种大面积铺置的输电线路板。利用印刷塑料MEMS 开关驱动的二维铜线圈阵列，通过电磁场有选择地向物体供电，实现了 62.3%的功率传输耦合效率，无线接收到 29.3W 的功率[32]。日本日立研究室的课题团队详细分析了电梯和自动巡航车的无线供电系统，包括磁芯的形状、线圈的形状及线圈的缠绕方式等[33]。2011 年，美国匹兹堡大学医学中心、华盛顿大学和 Intel 公司宣布，采用磁耦合共振式无线供电技术

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山东理工大学硕士学位论文第一章绪论9图1.9 人工心脏无线供电系统Fig.1.9 Wireless power supply system for artificial heart1.4.2 无线供电技术的国内研究现状国内对无线供电技术的研究起步相对较晚，天津工业大学、重庆大学、东南大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、河北工业大学等高校研究团队，自 20 世纪90 年代开始对无线供电技术进行了研究。以中国科学院严卢光院士为首的研究小组是国内较早研究无线供电技术的团队之一。通过理论研究和仿真分析，建立了隔离变压器电路和新型无线供电系统的模型，，最早研制出了小型无线供电电源系统，并通过实验结果分析了系统变频控制时的稳定性及所采用的补偿方法[31]。以重庆大学孙跃教授为首的研发团队对无线供电技术的基本原理、高频谐振 ZCS软开关的建模方法、系统非线性行为的分析方法以及系统谐振参数优化控制等方面做了深入研究[35]。在技术开发和应用方面，早在 2010 年，该团队就研制了国内首套输出功率在1 千瓦以上的大功率 IPT 器件，并与海尔集团公司建立了家用电器无线供电技术联合研发中心
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM724;TM45

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