LCL型补偿感应耦合电能传输系统的分析与设计

发布时间：2020-07-26 17:48

【摘要】：感应耦合电能传输是一种利用高频电磁场近场耦合原理实现电能非接触传输的技术,其系统组成包括高频逆变、谐振补偿网络及松耦合变压器等环节,呈现出多参数高阶非线性特性,且参数变化会影响功率传输性能。因此,通过分析各参数之间的关系,进而得出提高系统性能的参数设计方法具有重要的理论意义和参考应用价值。通过对LCL谐振电路的阻抗变换及输出特性进行分析,得出实现恒流恒压的谐振频率计算方法。分析了全桥LCL谐振型ICPT系统的基本工作过程,基于互感等效模型,推导出系统输出电压的表达式,采用Matlab对其进行仿真分析,得出了负载电阻与频率对输出电压影响的曲线图。通过分析影响LCL型补偿系统功率传输能力的因素,得到了耦合系数k、电感比值λ、品质因数Qn与传输功率的关系,为系统的参数选择提供理论依据。在不同品质因数的情况下,通过对谐振频率点附近元器件应力进行分析,得出当系统传输相同功率时,LCL型补偿ICPT系统的开关器件承受的电流应力较低,系统可靠性更好。考虑线圈内阻,推导出系统效率表达式,得出互感、工作频率、负载电阻与系统效率的关系以及系统最大效率对应的最佳谐振频率点。通过分析原边谐振网络端口有功功率与负载的曲线关系,得出系统额定输出功率所对应LCL型补偿电路的最佳电感比值。根据各参数之间的关系,对谐振频率、电感比值、谐振线圈及补偿电容设计等进行详细分析,提出一种全桥LCL型补偿ICPT系统的参数设计过程,并通过选择系统最优参数,确保系统工作在最佳状态及能量高效传输。研制LCL全桥ICPT样机并搭建实验平台,对系统关键参数进行测试与分析,实验结果验证了理论分析的正确性及设计方法的可行性。
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM724
【图文】：

主电路结构

功率补偿是 ICPT 技术重要的组成部分，本章首先分析了补偿的必要原理。由于松耦合变压器耦合系数较小，使原边阻抗较小，导致原边很大，从而引出由 L 型匹配网络构成的 LCL 型谐振变换器，并分析及恒压恒流特性，总结出 LCL 补偿拓扑的特点。T 系统的基本组成及原理T 系统基本结构如图 2.1 所示。它由供电电源、高频逆变结构、松耦合偿电路以及副边电能调理电路等部分组成。T 技术涉及电力电子领域的能量变换技术及电磁学相关理论，其工作原端接供电电源，输入的直流电通过高频逆变电路 DC/AC 转换后输入振荡，利用补偿电容存储漏感中的能量，再经过谐振线圈将能量传递的作用是使原边线圈产生高频的交变磁场，高频逆变电路把市电的工交流电。根据电磁感应定律，副边磁通与原边铰链的磁通会感应出交变交流从松耦合变压器的发射端非接触的传输到副边，副边感应到的电、电能调理电路后给用电设备供电。

无补偿,等效模型

电磁屏蔽来减小漏磁通；改进绕制线圈的走线方式来优增大原、副边线圈的直径可以使铰链的磁通增加等。在需要考虑磁芯损耗，如果磁芯损耗较大，则应调整设计分析。分析系统的松耦合变压器原副边绕组之间存在很大漏感以致系统产生大量的无功功率。同时，较小的耦合系数限制实现给定的功率输出需提高系统输入电源的容量，且提应增加，另外大量无功功率将进一步增加系统损耗，影必要性入电源容量供给，提高功率因数，需要对松耦合变压器补偿原理进行分析，无补偿网络时系统的互感等效模型

拓扑图,拓扑,补偿网络,传输能量

PT 系统功率因数过低，在传输能量时系统存在大量的无功功率，加。因此，无功功率补偿可以使整个系统的功率因数提高，无功应的减少；使系统稳定性、功率传输电能力及电能质量得到相应PT 系统中，无功补偿通常采用加入电容构成一阶串、并联 LC 谐振电振特性进行能量交换，将能量传递到负载，提高了系统的功率因相同功率的情况下，补偿网络的加入减小了逆变器开关管的电压关管实现零电压导通或者零电流关断，从而降低开关损耗。补偿均有串联和并联两种方式，ICPT 系统四种基本补偿拓扑结构(a)、(b)、(c)、(d)依次为：串串(SS)补偿，串并(SP)补偿，并串(。(a) SS 补偿网络 (b) SP 补偿网络

【参考文献】