DE类RFPA激励的四线圈磁耦合共振无线输电电路研究
发布时间：2021-06-21 06:35
近年来,相比于有线电能传输.无线电能传输（WPT）技术因其使利性、安全性、清洁性和适用性得到了快速发展。其中,高传输功率远界距离WPT技术是当前的研究热点问题,受到国内外学者的广泛关注。现有技术中,四线圈磁耦合谐振无线输电（MRC-WPT）技术适用于远距离的无线输电,DE类射频功率放大器（RFPA）具有兆赫兹频率下高功率在效率的特性,于是两者结合将是实现高传输功率远距离WPT技术的一种有益尝试。囚此,本文重点研究DE类射频功率放大器激励的四线圈MRC-WPT电路原理以及设计方法,具体开展如下研究内容:首先,根据四线圈MRC-WPT的物理结构建立其电路阻抗等效模型,阐述系统的工作原理。同时分析四线圈结构的最优工作频率、频率分裂现象与电路输入阻抗的数学表达式,并对射频功率放大器的设计难点进行说明。其次,研究四线圈MRC-WPT中螺旋线圈的品质因数与系统性能之间的关系。根据平面螺旋线圈的几何结构建立了数学模型,研究平面螺旋线圈品质因数与其几何参数的数学关系,研究具有高品质因数平面螺旋线圈的设计方法。然后,根据四线圈MRC-WPT的电路等效棋型与DE类RFPA的工作特点,设计LCL优化匹配网络...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ＷＰＴ技术在不同领域的发展情况??Ｆｉｇ．?１－１?Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｏｆ?ＷＰＴ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?ｉｎ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｆｉｅｌｄｓ．??，，
?西安理工大学硕士学位论文???振输电（Ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）、电感耦合输电（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ?ｃｏｕｐｌｉｎｇ）、电场共振输电（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ??ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）等几种技术。如图１－２所示为不同无线输电方法的应用情况与场合。上述方法??中，辐射ＷＰＴ称为远场ＷＰＴ，它是通过无线电波发生的无线电能传输，由麦克斯韦方程??解释。电感耦合无线电能传输由安培定律和法拉第定律解释。近几年，磁耦合共振ＷＰＴ??已被归类为电感耦合ＷＰＴ。磁耦合共振ＷＰＴ基于电感耦合ＷＰＴ，在谐振现象的帮助下，??发射器和接收器之间的距离可以比传统的电感耦合ＷＰＴ增加得更多。磁耦合谐振无线输??电的工作频率较高，效率也相对其他方式较高，其传输功率对线圈位置不敏感［８］。但磁耦??合谐振无线输电技术需要新型半导体器件的支持以提高系统的整体效率。??１０?Ｗ／ｍ２??丁（２４５ＧＨ？??｜〇ｍ?￣＾ａｎｅｓＱｅｎｔ?Ｉ???????ｙ—：」?‘?＇?，?Ｉ?Ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｒｅｓｏｎａｎｃｅ?＊１??卜ｙ’ｉ?ｐ一，」一－??＼?／?－ｆ－ｊ—＿??ｃｍ?Ｈｐｐｐ?—??！?ｆ?ｎ?＇?Ｊｉ?（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ?ｍｏｄｅ）??１０?ｍＷ?０．１?Ｗ?１?Ｗ?／?ｌｏｗ?１００?Ｗ?ＩｋＷ?１０?ｋＷ?１００?ｋＷ??Ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｒｅｓｏｎａｎｃｅ?Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ?ｐｏｗｅｒ??图１－２不同无线输电方法的应用情况??Ｆｉｇ．?１－２?Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｗｉｒｅｌｅｓｓ?ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ?ｍｅｔｈｏｄｓ．??在各种无线输电技术
?西安理工大学硕士学位论文???图１－３四线圈ＭＲＣ－ＷＰＴ結构示意图??Ｆｉｇ．?１－３?Ｆｏｕｒ－ｃｏｉｌ?ＭＲＣ－ＷＰＴ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ．??在图１－３中，电压源与单匝驱动环之间、负载与单匝负载环之间通过电路连接；而单??匝驱动环与多匝发射螺旋线圈之间、多匝发射螺旋线圈与多匝接收螺旋线圈之间、多匝接??收螺旋线圈与单匝负载环之间通过磁场耦合，没有直接的电路连接。四线圈结构提供了低??损耗与高比例的阻抗变换方法，易于实现阻抗匹配％?３４］。当ＭＲＣ－ＷＰＴ系统工作时，电??压源向单匝驱动回路提供能量，其产生的励磁磁场激励发射螺旋线圏。螺旋线圈中存储了??共振能量，而两个螺旋线圈之间存在着紧密的相互作用，将一次侧的能量传递给二次侧，??使接收螺旋线圈也产生了激励磁场，并最终激励负载回路将能量传递给电阻负载。相比于??两线圈结构，四线圈结构容易实现无线输电系统的电源／负载匹配，但整体设计更加复杂。??２）两线圈结构ＭＲＣ－ＷＰＴ??如图１－４所示为一种两线圈结构ＭＲＣ－ＷＰＴ的常见串串补偿形式。在其系统示意图中??同样包括发送部分与接收部分，发射天线为多匝发射螺旋线圈（Ｔｘ?Ｃｏｉｌ）；接收天线为多??匝接收螺旋线圈（Ｒｘ?Ｃｏｉｌ）。通常发射部分包括电压源与串联电容Ｃ１；接收部分包括??串联电容６与负载电阻及。发射能量由电压源提供，接收设备通常为负载电阻。??Ｔｘ?Ｃｏｉ！?Ｒｘ?Ｃｏｉｌ?ｃ??＾＾｜?＿?１＾１「〕??图１－４两线圈ＭＲＣ－ＷＰＴ结构示意图??Ｆｉｇ．?１－４?Ｔｗｏ－ｃｏｉｌ?ＭＲＣ－ＷＰＴ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ．??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁耦合谐振无线传输系统传输特性的研究及优化[J]. 焦宇峰,李锐杰,宋国兵. 电力系统保护与控制. 2020(09)
[2]基于电磁耦合谐振的变电站巡检机器人无线充电研究[J]. 石黄霞,付涛. 电子测量技术. 2019(20)
[3]基于中继线圈的磁耦合共振无线能量传输系统[J]. 胥云飞,沈文辉,王玮. 电子测量技术. 2019(17)
[4]三线圈无线输电系统的频率分裂特性和抑制方法[J]. 路倩云,王文清,翟志颖,田子建. 电气工程学报. 2018(05)
[5]谐振式无线电能传输系统中高频逆变器的特性分析和参数设计[J]. 韩冲,张波. 电工技术学报. 2018(21)
[6]磁耦合谐振式无线电能传输系统功效同步研究[J]. 唐治德,杨帆,徐阳阳,彭一灵. 电工技术学报. 2017(21)
[7]带E类功放的磁耦合谐振无线输电系统源线圈优化[J]. 闫卓,王天风,张晓晨. 电工技术学报. 2017(10)
[8]磁耦合谐振无线电能传输线圈仿真设计[J]. 范松海,李均龙,李晓宁,宫大为. 控制工程. 2015(S1)
[9]磁耦合谐振无线输电系统不同拓扑结构的分析[J]. 田子建,杜欣欣,樊京,曹阳阳. 电气工程学报. 2015(06)
[10]无线电能传输中值得注意的两个基本物理学问题[J]. 樊京,余发山,张刚,田子建,刘军. 电工技术学报. 2013(S2)
本文编号：3240184
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ＷＰＴ技术在不同领域的发展情况??Ｆｉｇ．?１－１?Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｏｆ?ＷＰＴ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?ｉｎ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｆｉｅｌｄｓ．??，，
?西安理工大学硕士学位论文???振输电（Ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）、电感耦合输电（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ?ｃｏｕｐｌｉｎｇ）、电场共振输电（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ??ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）等几种技术。如图１－２所示为不同无线输电方法的应用情况与场合。上述方法??中，辐射ＷＰＴ称为远场ＷＰＴ，它是通过无线电波发生的无线电能传输，由麦克斯韦方程??解释。电感耦合无线电能传输由安培定律和法拉第定律解释。近几年，磁耦合共振ＷＰＴ??已被归类为电感耦合ＷＰＴ。磁耦合共振ＷＰＴ基于电感耦合ＷＰＴ，在谐振现象的帮助下，??发射器和接收器之间的距离可以比传统的电感耦合ＷＰＴ增加得更多。磁耦合谐振无线输??电的工作频率较高，效率也相对其他方式较高，其传输功率对线圈位置不敏感［８］。但磁耦??合谐振无线输电技术需要新型半导体器件的支持以提高系统的整体效率。??１０?Ｗ／ｍ２??丁（２４５ＧＨ？??｜〇ｍ?￣＾ａｎｅｓＱｅｎｔ?Ｉ???????ｙ—：」?‘?＇?，?Ｉ?Ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｒｅｓｏｎａｎｃｅ?＊１??卜ｙ’ｉ?ｐ一，」一－??＼?／?－ｆ－ｊ—＿??ｃｍ?Ｈｐｐｐ?—??！?ｆ?ｎ?＇?Ｊｉ?（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ?ｍｏｄｅ）??１０?ｍＷ?０．１?Ｗ?１?Ｗ?／?ｌｏｗ?１００?Ｗ?ＩｋＷ?１０?ｋＷ?１００?ｋＷ??Ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｒｅｓｏｎａｎｃｅ?Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ?ｐｏｗｅｒ??图１－２不同无线输电方法的应用情况??Ｆｉｇ．?１－２?Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｗｉｒｅｌｅｓｓ?ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ?ｍｅｔｈｏｄｓ．??在各种无线输电技术
?西安理工大学硕士学位论文???图１－３四线圈ＭＲＣ－ＷＰＴ結构示意图??Ｆｉｇ．?１－３?Ｆｏｕｒ－ｃｏｉｌ?ＭＲＣ－ＷＰＴ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ．??在图１－３中，电压源与单匝驱动环之间、负载与单匝负载环之间通过电路连接；而单??匝驱动环与多匝发射螺旋线圈之间、多匝发射螺旋线圈与多匝接收螺旋线圈之间、多匝接??收螺旋线圈与单匝负载环之间通过磁场耦合，没有直接的电路连接。四线圈结构提供了低??损耗与高比例的阻抗变换方法，易于实现阻抗匹配％?３４］。当ＭＲＣ－ＷＰＴ系统工作时，电??压源向单匝驱动回路提供能量，其产生的励磁磁场激励发射螺旋线圏。螺旋线圈中存储了??共振能量，而两个螺旋线圈之间存在着紧密的相互作用，将一次侧的能量传递给二次侧，??使接收螺旋线圈也产生了激励磁场，并最终激励负载回路将能量传递给电阻负载。相比于??两线圈结构，四线圈结构容易实现无线输电系统的电源／负载匹配，但整体设计更加复杂。??２）两线圈结构ＭＲＣ－ＷＰＴ??如图１－４所示为一种两线圈结构ＭＲＣ－ＷＰＴ的常见串串补偿形式。在其系统示意图中??同样包括发送部分与接收部分，发射天线为多匝发射螺旋线圈（Ｔｘ?Ｃｏｉｌ）；接收天线为多??匝接收螺旋线圈（Ｒｘ?Ｃｏｉｌ）。通常发射部分包括电压源与串联电容Ｃ１；接收部分包括??串联电容６与负载电阻及。发射能量由电压源提供，接收设备通常为负载电阻。??Ｔｘ?Ｃｏｉ！?Ｒｘ?Ｃｏｉｌ?ｃ??＾＾｜?＿?１＾１「〕??图１－４两线圈ＭＲＣ－ＷＰＴ结构示意图??Ｆｉｇ．?１－４?Ｔｗｏ－ｃｏｉｌ?ＭＲＣ－ＷＰＴ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ．??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁耦合谐振无线传输系统传输特性的研究及优化[J]. 焦宇峰,李锐杰,宋国兵. 电力系统保护与控制. 2020(09)
[2]基于电磁耦合谐振的变电站巡检机器人无线充电研究[J]. 石黄霞,付涛. 电子测量技术. 2019(20)
[3]基于中继线圈的磁耦合共振无线能量传输系统[J]. 胥云飞,沈文辉,王玮. 电子测量技术. 2019(17)
[4]三线圈无线输电系统的频率分裂特性和抑制方法[J]. 路倩云,王文清,翟志颖,田子建. 电气工程学报. 2018(05)
[5]谐振式无线电能传输系统中高频逆变器的特性分析和参数设计[J]. 韩冲,张波. 电工技术学报. 2018(21)
[6]磁耦合谐振式无线电能传输系统功效同步研究[J]. 唐治德,杨帆,徐阳阳,彭一灵. 电工技术学报. 2017(21)
[7]带E类功放的磁耦合谐振无线输电系统源线圈优化[J]. 闫卓,王天风,张晓晨. 电工技术学报. 2017(10)
[8]磁耦合谐振无线电能传输线圈仿真设计[J]. 范松海,李均龙,李晓宁,宫大为. 控制工程. 2015(S1)
[9]磁耦合谐振无线输电系统不同拓扑结构的分析[J]. 田子建,杜欣欣,樊京,曹阳阳. 电气工程学报. 2015(06)
[10]无线电能传输中值得注意的两个基本物理学问题[J]. 樊京,余发山,张刚,田子建,刘军. 电工技术学报. 2013(S2)
本文编号：3240184
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