强磁耦合谐振无线电能传输系统中最佳阻抗匹配方法研究

发布时间：2017-10-13 17:16

  本文关键词：强磁耦合谐振无线电能传输系统中最佳阻抗匹配方法研究

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【摘要】：强磁耦合谐振无线电能传输系统利用两个具有相同固有频率、高品质因数的自谐振线圈,在其都处于谐振状态下时彼此之间发生强烈的能量交换,从而实现能量的高效率传输。该技术具有较远的传输距离、较高的传输效率和功率、无辐射性、非金属穿透性和无方向性等优势,因此具有良好的应用前景。本文首先运用耦合模理论和电路理论分别对强磁耦合谐振无线电能传输系统进行了理论分析,从数学上解释了“谐振”和“强磁耦合”的概念。其次基于系统最优效率下的阻抗特性分析,得出了系统最优效率时负载阻抗的最佳匹配条件。传统的无线电能传输系统通过负载阻抗的最佳匹配条件使能量传输的效率达到最大值,然而实际中负载的阻抗并非恰好是系统的最佳阻抗。为了提高整个系统的电能传输效率,本文提出了一种改进型的负载阻抗匹配拓扑,在次级线圈后增加一个匹配馈电线圈形成新的阻抗变换结构,使负载阻抗达到最佳匹配条件。匹配馈电线圈通过对本身固有参数的调节来匹配不同的负载,让负载达到最佳匹配条件以实现系统传输效率的最大化。强磁耦合谐振无线电能传输系统在变负载运行状态时会引起严重的阻抗失配问题,这是导致系统效率低下和频率不稳定的主要原因。基于此,本文还提出了PWM整流负载阻抗匹配方法,在匹配馈电线圈结构后加入了PWM整流器,通过控制PWM整流器中的开关MOS管的占空比实现负载电阻的等效变换来进行阻抗匹配,并推导出了相关的计算公式。文中搭建了强磁耦合谐振无线电能传输实验平台,验证了匹配馈电线圈负载阻抗匹配方法和PWM整流负载阻抗匹配方法的可行性,并且对系统进行了定量的研究实验。实验结果表明,通过所提出方法对不同负载进行匹配实验,均可使系统传输效率接近理论最优值,实测数据与推导公式计算的理论值基本吻合。
【关键词】：最佳阻抗匹配 匹配馈电线圈 谐振 强磁耦合 最优效率
【学位授予单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM724
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 选题背景及意义10-11
• 1.2 无线电能传输技术的分类11-15
• 1.2.1 感应耦合式无线电能传输技术12-13
• 1.2.2 远场微波式无线电能传输技术13
• 1.2.3 电场耦合式无线电能传输技术13-14
• 1.2.4 强磁耦合谐振无线电能传输技术14-15
• 1.3 强磁耦合谐振技术国内外发展的现状15-16
• 1.4 强磁耦合谐振无线电能传输的主要问题16-17
• 1.5 本文研究的主要内容17-19
• 第二章 磁耦合谐振无线电能传输理论19-29
• 2.1 耦合模理论分析19-23
• 2.1.1 耦合模理论基本原理19-20
• 2.1.2 无线电能传输的可行性分析20-21
• 2.1.3 耦合模理论下的系统传输效率分析21-23
• 2.2 耦合模理论下的电路参数分析23
• 2.3 电路理论分析23-28
• 2.3.1 系统传输特性分析25-27
• 2.3.2 电路理论下的系统传输效率分析27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 最优效率下的负载阻抗匹配方法研究29-40
• 3.1 系统阻抗基本特性分析29-34
• 3.1.1 尺寸参数特性分析30-31
• 3.1.2 阻抗匹配特性分析31-32
• 3.1.3 最佳负载阻抗匹配分析32-34
• 3.2 匹配馈电线圈阻抗匹配方法34-36
• 3.2.1 匹配馈电线圈的概念34-35
• 3.2.2 改进型3线圈系统模型35-36
• 3.3 PWM整流负载阻抗匹配方法36-38
• 3.4 本章小结38-40
• 第四章 强磁耦合谐振无线电能传输实验平台设计40-50
• 4.1 总体方案设计40-41
• 4.2 高频逆变电路的设计41-44
• 4.2.1 电路工作原理及工作过程分析42
• 4.2.2 功率MOS管的选择42-43
• 4.2.3 电路参数的设计及论证43-44
• 4.3 高频谐振器的设计44-47
• 4.3.1 谐振线圈的特性分析45-46
• 4.3.2 谐振电容的选择46
• 4.3.3 匹配馈电线圈的设计46-47
• 4.3.4 谐振器参数设计47
• 4.4 PWM整流器的设计47-49
• 4.5 本章小结49-50
• 第五章 实验结果与数据分析50-58
• 5.1 匹配馈电线圈负载阻抗匹配方法验证实验研究50-51
• 5.2 PWM整流负载阻抗匹配方法实验研究51-53
• 5.3 最优效率下负载阻抗匹配法实验研究53-55
• 5.4 本章小结55-58
• 总结与展望58-60
• 参考文献60-64
• 致谢64-65
• 附录A :攻读硕士学位期间科研成果65

【参考文献】

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本文编号：1026107