多负载感应耦合电能传输系统的传输效率研究
多负载感应耦合电能传输系统的传输效率研究
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摘 要： 针对多谐振电容补偿的ICPT系统互感模型，研究了多负载条件下ICPT系统的传输效率，推导出多谐振时系统的传输效率计算公式和初级补偿电容Cp的选择方法。以PSSS型多谐振电容补偿结构为例，验证了该理论的正确性，采用该方法能使传输效率得到一定的提高。关键词： 感应耦合；多负载；传输效率 感应耦合电能传输技术（ICPT）以电磁耦合的方式实现供电部分与用电设备的非接触供电，消除了传统供电方式的一系列缺点，如导体裸露、
摘& 要： 针对多谐振电容补偿的ICPT系统互感模型，研究了多负载条件下ICPT系统的传输效率，推导出多谐振时系统的传输效率计算公式和初级补偿电容Cp的选择方法。以PSSS型多谐振电容补偿结构为例，验证了该理论的正确性，采用该方法能使传输效率得到一定的提高。关键词： 感应耦合；多负载；传输效率&&& 感应耦合电能传输技术（ICPT）以电磁耦合的方式实现供电部分与用电设备的非接触供电，消除了传统供电方式的一系列缺点，如导体裸露、机构磨损、接触电火花等，在各行业都有较高的应用价值。&& &多负载ICPT系统是指电能发射部分只有一组，而次级电能拾取部分有多组的ICPT系统。该系统能实现一个供电源对多个用电设备的非接触供电。如单轨铁路非接触供电系统[1-2]、非接触供电平台[3]等。随着科技的发展，多负载ICPT技术有着越来越广泛的应用。&& &目前已有一些对多负载ICPT系统的研究。参考文献[4]对多负载ICPT系统的电能发射和拾取线圈进行了优化设计，参考文献[5]中电能发射机构的磁芯对系统的电能传输效率和功率的影响进行了研究分析，得出系统传输功率的计算方法，参考文献[6-7]研究了多负载切换的控制方法和不同多负载的识别。这些文献中，主要是针对系统的传输功率进行研究，关于多负载ICPT系统效率的研究却比较少。而多负载ICPT系统的效率是影响其设计性能的一个重要指标。本文从多负载ICPT系统的等效互感耦合模型出发，针对多负载ICPT系统的传输效率进行分析。1 多负载ICPT系统互感模型&& &多负载感应耦合电能传输系统主要利用电磁感应原理通过初级线圈和次级线圈之间的电磁耦合来传输电能，其原理图如图1所示。&&& 互感模型是一种描述变压器初级与次级绕组磁场耦合关系的电路模型。该模型使用感应电压来描述变压器初级和次级绕组的耦合关系。基于互感模型的谐振电路分析方法，能够方便快捷地分析多负载ICPT系统输出效率。&& &图2给出了多负载ICPT系统互感模式的等效电路图。其中Vp是电网输入电压经过整流滤波电路和高频逆变电路之后的等效电压，Rp、Rs分别是初级线圈和次级线圈内阻，Lp、Lsi分别是初级线圈和次级线圈绕组电感，j&0MIp是初级电流在次级拾取机构中的感应电压，j&0MIsi是次级拾取机构中电流在初级发射机构中的反射电压。R1～Ri是次级拾取机构负载等效电阻。&& &为了便于系统参数设计和简化分析，本文设定所有拾取机构参数相同，即：&& &&& &由于互感耦合率很低，因此为了提高系统的能量传输功率和效率，需要对ICPT系统初级和次级的励磁电感进行补偿。已有研究资料表明，多谐振补偿在ICPT系统功率传输和提高效率方面比单谐振补偿更具有优势[8]。图3是四种多谐振补偿拓扑结构图。&&& Cp、Cs分别是初级绕组和次级绕组谐振补偿电容。2 系统补偿网络分析&& &由图3可知次级拾取机构串联电容补偿（SS）和并联电容补偿（SP）各自等效阻抗Zsi为：&& &&& &为降低电路计算复杂度，通常将系统次级拾取机构等效阻抗反射到初级绕组。图4是单个拾取机构到初级线圈的反射阻抗等效电路图，Zri是ICPT系统拾取机构到初级线圈的反射等效阻抗。&&& 由图4可得初级绕组串联电容补偿（PS）和并联电容补偿（PP）的各自等效总阻抗Zp为：&& &&&& 电路谐振时，整个电路呈电阻性。因此根据谐振条件，可以计算出系统实现多谐振时初级补偿电容Cp满足表1中所示取值。3 多负载ICPT系统效率分析&& &基于前文的分析与计算，得出多负载ICPT系统的效率计算公式（9），由此可以对多负载ICPT系统的效率和负载的关系进行分析。&& &&&& 由式(10)可以看出，ICPT系统的传输效率与系统的互感耦合值、系统工作频率和各个拾取机构的等效负载有关。可以设定f=20 kHz，M=10 &H，Rp=0.5 &O，Rs=0.2 &O。通过计算和MATLAB仿真，可以得系统效率与负载的关系曲线图如图5所示。&&& 从图5可以看出，PSSS补偿时，系统采用恒流控制。对于完全相同的负载，在系统的工作频率、互感值一定的情况下，拾取机构的个数对系统的效率没有太大影响。负载的阻值较小时，对系统的效率影响较大，但是随着负载阻值的增大，系统的效率得到提高。同时，负载不同时随着负载阻值的增加，系统的传输效率同样得以提升。4 实验验证与分析&& &为验证上述关于多负载ICPT系统效率理论研究的正确性，以两个拾取机构为例，对理论分析部分进行实验验证。实验电路采用PSSS拓扑补偿结构的电压型多负载ICPT系统，拾取机构采用U 型磁芯，磁芯规格以及系统实验设定参数分别如表2、表3所示，系统控制采用恒流控制。实验结果如表4所示。&&& 感应耦合电能传输系统的传输效率问题是该研究领域的一个热点。多谐振补偿能够大大提高系统的传输效率。多负载ICPT系统中初级补偿电容Cp值是一个很重要的参数，选择合适的Cp值才能保证系统有较高传输效率。本文通过对多负载ICPT系统的建模与分析，给出了多谐振时系统的效率计算公式和初级补偿电容Cp的选择方法。并且通过实验验证了PSSS补偿时的系统效率，证明了文中给出的多负载ICPT系统效率计算的正确性以及补偿电容Cp取值方法的正确性，对未来多负载ICPT系统的设计与优化具有一定的指导意义。参考文献[1] ELLIOTT G A J，COVIC G A，KACPRZAK D，et al. A new concept：Asymmetrical pick-ups for inductively coupled power transfer monorail systems[J].IEEE& Transactions on Magnetics，)：.[2] MATSUDA Y，SAKAMOTO H.Non-contact magnetic coupled power and data transferring system for an electric vehicle[J].Journal of Magnetism and Magnetic& Materials，)：.[3] 赵彪，冷志伟，吕良，等.小型非接触电能传输系统的设计与实现[J].电力电子技术，)：49-51.[4] 韩腾，卓放，刘涛，等.可分离变压器实现的非接触电能传输系统研究[J].电力电子技术，)：28-29.[5] 孙跃，卓勇，苏玉刚，等.非接触电能传输系统拾取机构方向性分析[J].重庆大学学报(自然科学版)，)：87-90.[6] 杨民生，王耀南，欧阳红林.新型无接触电能传输系统多负载解耦控制研究[J].湖南大学学报(自然科学版)，)：53-56.[7] 孙跃，黄卫，苏玉刚.非接触电能传输系统的负载识别算法[J].重庆大学学报，)：141-145.[8] 周雯琪，马皓，何湘宁.感应耦合电能传输系统不同补偿拓扑的研究[J].电工技术，)：134-139.
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&&& 目前，处理器性能的主要衡量指标是时钟无线电能传输系统的负载识别技术研究--《重庆大学》2014年硕士论文
无线电能传输系统的负载识别技术研究
【摘要】：无线电能传输技术（Wireless Power Transfer，简称WPT）是一种基于电磁耦合感应原理，综合利用现代电力电子应用技术、磁场耦合技术、大功率高频能量变换技术等，采用现代先进控制理论和策略，实现电能以电磁耦合形式从电网向移动用电设备提供能量的新型能量传输技术，具有安全、环保、便捷、易维护、对环境的适应能力强等优点。
随着WPT技术在应用领域拓展需要，能对负载有普遍适应性的WPT系统越来越受到人们的关注。负载大小和性质的差异性使得系统无功补偿网络的拓扑结构有着多种多样的形式，从而对不同拓扑的功率控制策略也具有多样性。目前，对WPT系统负载识别的相关技术缺乏深入的研究。在很多情况下，如果采用传统的负载辨识方式，系统负载的电气参数或运行状态发生微小的改变，都会导致系统的效能下降，甚至导致系统的崩溃。同时，传统的负载识别方式只能针对某些固定结构的无功补偿拓扑，若系统负载发生变化，补偿网络拓扑也会随之变化，这就需要对整个系统进行重新建模分析，缺乏一般性。这就会导致系统各个功能模块间的适应性降低，限制了该技术在各领域的推广。
本文描述了WPT技术中感应耦合形式系统的基本工作原理，分析负载变化对系统的影响，研究该变化对系统谐振状态的影响程度，进一步针对系统输出功率进行分析，定性定量的得出负载的变化对系统功率输出的影响。针对现有的负载识别技术，包括基于能量注入和能量自由振荡方式的阻抗辨识技术和基于反射阻抗的负载识别技术。对各技术方案的优缺点进行研究分析。然后，针对ICPT系统技术国内外现有的功率控制方法，分析各种方案的优缺点，给出本文所研究负载识别方案的可行性与必要性。基于以上研究分析，引入一种基于能量模型的负载识别技术，来满足系统需求的功率控制策略，并详细的说明计算流程，给出计算公式。综上，作者在文章中旨在提出一种具有一般性，能够在复杂系统拓扑中均适用的负载识别方法，以及对所提方法的进一步优化改进。
使用MATLAB/SIMULINK建立系统仿真模型，通过仿真验证了所提出负载识别方案的理论正确性，对仿真所得数据进行分析，确定了该方案的有效识别范围和条件。搭建了无线供电系统实验平台，针对实际的工程系统在不同性质和大小负载情况下进行了实验。实验结果验证了本文提出的负载识别方案的实验正确性和工程可行性，本文研究内容对无线电能传输技术进一步推广起了积极的作用。
【关键词】：
【学位授予单位】：重庆大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TM724【目录】：
摘要3-4ABSTRACT4-81 绪论8-17 1.1 论文研究背景8-9 1.2 ICPT 技术研究现状9-14
1.2.1 国内外研究现状9-10
1.2.2 ICPT 技术的产业应用现状10-12
1.2.3 ICPT 负载识别与控制技术的研究现状12-14 1.3 课题研究目的和意义14-15 1.4 论文的主要研究内容15-16 1.5 本章小结16-172 ICPT 电能传输系统组成与关键技术17-27 2.1 引言17 2.2 感应耦合电能传输系统基本组成17-20
2.2.1 原级电能变换装置17-19
2.2.2 无功补偿网络19-20
2.2.3 拾取端电能变换装置20 2.3 负载变动对系统的影响分析20-26 2.4 本章小结26-273 ICPT 电能传输系统负载识别方法研究27-39 3.1 引言27 3.2 传统负载识别技术分析27-28
3.2.1 能量注入与能量自由振荡方式技术27-28
3.2.2 基于反射阻抗的负载识别技术28 3.3 ICPT 系统能量模型的建立28-34
3.3.1 ICPT 系统能量流动分析28-29
3.3.2 电能变换电路建模29-32
3.3.3 谐振补偿网络建模32-33
3.3.4 ICPT 系统的建模33-34 3.4 基于能量模型的负载辨识方法34-38
3.4.1 典型拓扑的负载辨识34
3.4.2 混联拓扑的负载辨识34-38 3.5 本章小结38-394 ICPT 系统负载识别方法仿真分析39-52 4.1 典型拓扑的仿真验证39-42 4.2 混联拓扑的仿真验证42-48 4.3 仿真数据分析48-51 4.4 本章小结51-525 实验结果及分析52-58 5.1 实验概况52 5.2 检测电路52-53 5.3 实验结果及分析53-57 5.4 本章小结57-586 结论与展望58-60 6.1 全文工作总结58 6.2 后续研究工作展望58-60致谢60-61参考文献61-64附录64 A. 作者在攻读学位期间参与的科研项目64 B. 获得奖励64
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官方公共微信多负载ICPT系统的频率稳定性研究--《重庆大学》2012年硕士论文
多负载ICPT系统的频率稳定性研究
【摘要】：感应耦合电能传输技术（Inductively Coupled Power Transfer，简称ICPT）是一种新型的无线电能传输技术，它是基于电磁耦合感应原理，综合利用现代电力电子能量变换技术、磁场耦合技术、大功率高频变换技术（包括谐振变换技术和电磁兼容设计技术）等，并借助现代控制理论和方法，实现了电能以非接触的方式从静止电网侧向移动设备供电的新技术。它以其安全、环保、低维护、适应性强等优点得到了迅速的发展。近几年，ICPT技术在实际应用中已取得了诸多的成功案例，向世人展示了其广阔的应用前景。
随着科学技术的发展和实际应用的需要，多负载ICPT系统也越来越受到人们的关注，由于其供电的非接触特性和负载切换的随机性，多负载ICPT技术有着更高的理论研究和实际应用价值，但作为无线电能传输领域的一个重要应用方向，目前对多负载ICPT系统的相关技术尚缺乏深入的研究。由于对单负载ICPT系统的研究和应用已经取得了一些成果，这些成果对多负载ICPT系统的研究起着一定的铺垫和指导作用，但是由于两者系统结构的差异性，使其不能更深入的指导多负载ICPT系统的理论研究和实践应用。
本文主要针对多负载ICPT系统的频率稳定性进行研究分析。首先，论文给出了多负载ICPT及频率的研究背景与现状，介绍了系统存在的问题和缺陷，给出了论文研究的目的和意义；其次，阐述了一种分析多负载ICPT系统频率稳定性的方法，通过此方法总结负载变化对系统工作频率的影响规律；然后，在已有的研究基础上，针对系统的频率稳定性分别从拓扑结构和初级侧谐振电路两个方面出发设计不同的稳频控制策略，从理论上分析了这些策略的稳频效果和应用范围。
论文通过MATLAB/Simulink电路仿真软件对文中设计的多负载ICPT系统稳频策略进行仿真分析，仿真结果表明这些控制策略在一定的范围内得到了稳频的目的，为后续的实验和应用奠定了一定的基础。
最后，在已有条件下对多负载ICPT系统的理论研究和仿真结果进行实验验证，通过搭建硬件实验电路，用实验结果证明文中设计的稳频控制策略在一定的结构参数下能够达到稳频的效果。在多负载ICPT系统的实际应用中，可以采用文中所设计的稳频控制策略。
【关键词】：
【学位授予单位】：重庆大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2012【分类号】：TM724【目录】：
摘要3-4ABSTRACT4-81 绪论8-18 1.1 论文研究背景8-9 1.2 论文研究目的和意义9-10 1.3 多负载 ICPT 系统研究现状10-16
1.3.1 理论研究现状11-12
1.3.2 产业应用现状12-16 1.4 论文组织结构及主要内容16-17 1.5 本章小结17-182 多负载 ICPT 系统频率稳定性分析18-28 2.1 引言18 2.2 多负载 ICPT 系统组成及关键技术18-19
2.2.1 多负载 ICPT 系统结构及工作原理18-19
2.2.2 多负载 ICPT 系统研究中的关键技术19 2.3 多负载 ICPT 系统频率稳定性分析19-27
2.3.1 频率稳定性分析方法的阐述19-21
2.3.2 频率随负载变化的规律总结21-25
2.3.3 多负载 ICPT 系统频率稳定的重要性及研究现状25-27 2.4 本章小结27-283 多负载 ICPT 系统的稳频策略28-48 3.1 引言28 3.2 多负载 ICPT 系统结构优化的稳频策略28-35
3.2.1 初级电路的拓扑结构优化方案28-29
3.2.2 π型补偿网络的参数设计29-31
3.2.3 加入π型补偿网络的系统频率漂移敏感性仿真分析31-34
3.2.4 对π型补偿网络的总结34-35 3.3 多负载 ICPT 系统动态补偿电感稳频控制策略的介绍35-38
3.3.1 动态补偿电感的设计思想35
3.3.2 动态补偿电感的工作原理分析35-38 3.4 多负载 ICPT 系统动态开关电容阵列的稳频控制策略研究38-47
3.4.1 动态开关电容阵列稳频策略的设计思想38-39
3.4.2 动态开关电容阵列的工作原理分析39-41
3.4.3 初级侧逆变电路的软开关控制原理分析41-43
3.4.4 动态开关电容阵列的模糊控制器设计43-47 3.5 本章小结47-484 多负载 ICPT 系统稳频控制策略的建模与仿真48-54 4.1 引言48 4.2 动态开关电容阵列稳频仿真电路48-51 4.3 稳频策略的仿真结果与分析51-53 4.4 本章小结53-545 多负载 ICPT 系统稳频实验及结果分析54-63 5.1 实验概况54 5.2 稳频控制策略的设计及实验54-61
5.2.1 动态开关电容阵列稳频系统的硬件电路组成54-58
5.2.2 动态开关电容阵列稳频系统的软件设计58-59
5.2.3 动态开关电容阵列稳频系统的实验结果与分析59-61 5.3 本章小结61-636 结论与展望63-65 6.1 全文工作总结63 6.2 后续研究工作展望63-65致谢65-66参考文献66-70附录70 A. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录70 B. 获得奖励70
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