无线电能传输系统功效特性与补偿网络关系研究

发布时间：2019-11-09 07:07

【摘要】：近年来,无线电能传输(Wireless Power Transmission, WPT)技术作为一种新兴的供电技术得到了广泛关注与研究。它利用高频磁场、电场和超声波等中间载体,将电能以电气隔离的方式从电源传输至用电设备。与传统供电方式相比,它能彻底消除机械摩擦和接触火花,具有安全、便捷、灵活等优点,在便携式电子产品、电动汽车、医疗器械、矿井和水下等领域具有广阔的应用前景。本文重点研究不同补偿网络下无线电能传输系统的输出功率和传输效率。基于工作原理建立电路模型,分析输出功率及传输效率与补偿电路结构和参数的关系,并搭建实验平台予以验证。在研究过程中,主要做了以下工作：首先,为了研究WPT系统的功效特性,设计了高频发射电源,主要包括全桥逆变电路、驱动电路、PWM控制电路和辅助电源电路。分析了频率跟踪式WPT电路的工作原理,并设计了锁相环电路、相位补偿电路及波形调理电路。电源输入电压为市电220V,逆变输出电压为50V,频率调节范围为50kHz-800kHz,输出功率为40W。然后,结合串联补偿和并联补偿的优点,提出一种一次侧带有LCC(电感-电容-电容)复合谐振补偿网络的WPT电路。基于耦合线圈的互感模型,分别建立一次侧与二次侧等效电路,得到LCC补偿型WPT电路输出功率与效率表达式,并与四种基本补偿拓扑的WPT电路进行对比研究。在考虑耦合线圈内阻条件下,对四种基本补偿拓扑的WPT电路一次侧补偿电容进行优化。与此同时,进一步对LCC补偿型WPT电路的恒流特性进行仿真与实验研究。在对WPT电路的输出功率和效率进行研究时发现,对于SP(串联-并联)型与SS(串联-串联)型补偿拓扑的WPT电路,当电路的输出功率达到最大时,其传输效率较低。为了克服上述缺点,提出一种综合评价指标——效能积,并在该指标下对耦合系数进行优化,实现WPT电路功效特性的整体最优。
【图文】：

合线阁图1. 1磁场z1合_1-1： WPT原理图Fig. 1.1 Schematic of inductive WPT磁场z1合式无线电能传输主要分为两类：电磁感应式和电磁共振式。电磁感应式传输功率一般较大，效率较高，但是传输距离较短（一般在厘米级别），而且系统传输效率随传输距离与线圈错位距离增大而迅速下降[7，8】。该种传输方式一般在传输距离小于线圈直径条件下，才能获得较高的传输效率以及较大的传输功率，因此该种电能传输方式只能应用于传输距离较小的情况电磁共振式基于磁共振原理，利用接收天线固有频率与发射场电磁频率相一致时引起电磁共振的工作原理，来实现电能的无线传输，其传输示意图如图1.2所示。该种传能方式无严格的方向性，而且电能传输可以不受周围空间中非磁性物质的影响。理论上，，发射源可以给多个有效区域内的接收设备同时进行供电，而且对其他非此特定共振频率的接收装置影响很小较之于感应式

示范系统,电动汽车

系统频率稳定性[37]及软^u关变换器的非线性行为[38]等方面也展开了较广泛的研究。在相应理论研究基础上，团队成功研制出基于电磁感应式的电动汽车无线供电装置，如图1.4所示，其传输功率为5kW,效率可达70%。‘？丨翁广mSIm图1.4电动汽车无线充电示范系统Fig. 1.4 The demonstration WPT system of electric vehicle天津工业大学杨庆新教授研究团队基于电磁场有限元分析方法，提出WPT系统的直接场路和z1合算法及实现流程，得出了线圈设计相关的指导原则在3m距离下点亮了 2盖100W并联白炽灯。杨教授还对系统频率分裂的本质进行了分析，基于z1合模-5 -
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM724

【参考文献】