磁耦合谐振式无线电能传输功率与效率分析

通过电磁仿真得到了螺旋线圈在终端开路和终端短路两种不同馈电方式下相应的等效电路,基于螺旋线圈等效电路,运用等效电路理论,建立了螺旋线圈终端短路串电容两线圈结构模型。利用系统的等效电路,得到了系统输出功率和传输效率的数学表达式,并进一步分析了当系统谐振时,系统的输出功率及传输效率与互感系数、线圈分布电容、线圈内阻和负载电阻等参数之间的关系,从而给出了系统的参数优化方法,得到了最大功率输出时的最优互感值及传输效率随互感值变化而变化的趋势。设计制作了一套基于螺旋线圈终端短路串电容模型的磁耦合谐振式无线电能传输系统,通过实验验证了上述分析的正确性。     

基于DS-LCC拓扑抗偏移性的建模与优化

针对无线电能传输(WPT)系统中线圈偏移导致功率及效率波动问题,提出基于双边LCC(DS-LCC)拓扑WPT系统的改进模型。首先,对该模型进行传输特性分析,推导出不同横向偏移条件下线圈互感与传输特性间对应的函数式。其次,引入归一化方法并确定偏移后线圈匝数与耦合强度及线圈内阻的线性关系。在上述基础上通过对系统进行参数优化设计,实现特定横向偏移范围内系统输出功率和传输效率抗偏移性的提升。最后,搭建一台100 W的实验样机对理论分析进行验证。结果显示在0~20 cm的横向偏移范围内系统的输出功率始终高于80 W,传输效率始终高于70%。     

磁共振模式无线电能传输系统建模与分析

针对磁共振模式无线电能传输系统功率和效率计算问题,利用互感耦合模型,对磁共振模式电能传输系统的4种拓扑进行分析,得出了系统的传输功率及其计算模型,并进一步分析了系统传输效率与线圈谐振频率、互感系数、线圈内阻等参数之间的关系,为磁共振模式无线电能传输系统的设计及参数优化提供了理论依据。为验证理论分析的正确性,制作了一个磁共振模式无线电能传输装置,该装置实现了80 cm内60 W的无线能量传输,且传输效率达到了52%。     

无接触电能传输系统的高效E类射频功放设计

功率放大器作为无接触电能传输系统的功率输入源,是该传输系统的关键构成部件。为了提高整个无接触电能传输系统的效率,适应不同传能线圈结构,以及保证线圈距离变化下稳定的运行,本文设计了一款高效的E类功率放大器。设计中采用矩量法(MOM)来获取功率放大器版图的S参数,对功放进行电磁分析,同时,考虑了设计中的电磁兼容问题并制作了一款屏蔽盒。论文给出了E类功率放大器的设计步骤和ADS软件仿真结果,并进行了实物制作。实测结果显示,设计的功率放大器能够输出的最大功率附加效率为93%,同时输出功率增益和功率分别达19.9dB和43.9dBm。考虑不同谐振频率的线圈结构时,能够获得19dB的功率增益和89%以上的功率附加效率;对于不同内阻和不同线圈距离的线圈结构,测试结果也有60%以上的功率附加效率。实验结果证实了设计的正确性和可行性。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统最大功率效率点分析与实验验证

针对在磁耦合谐振式无线电能传输系统中频率偏移是否会对负载接收电能的最大功率和效率点产生影响的问题,综合考虑线圈谐振频率、耦合因数、电源和线圈内阻,利用互感耦合理论对电能传输系统进行建模分析,给出系统传输功率和效率的计算方法,得出了过耦合范围内随着频率分裂最大功率点和最大效率点的不一致性的结果。最后设计了基于磁耦合谐振技术的无线电能传输装置,实验结果与理论分析具有较好的一致性,证明了理论分析的正确性,也为进一步研究频率跟踪及其优化控制提供了有益的参考。     

磁谐振无线电能传输系统线圈设计综述

线圈是无线输电系统中实现电磁耦合谐振的核心部件,具有高品质因数和均匀磁场的线圈是无线电能传输系统获得高传输效率和稳定输出的重要保证。基于磁谐振无线电能传输系统的基本结构和工作原理,总结了磁谐振无线输电系统中线圈的主要设计方法。首先介绍了常用的线圈类型和线圈尺寸的优化选择;然后对比了不同的线圈电感计算公式的适用范围;最后论述了线圈内阻、匝间距等参数对磁谐振无线输电系统传输效率和输出功率的影响。此工作对磁谐振无线电能传输系统的线圈优化设计有一定的指导意义。     

基于超材料的高效率多源无线充电系统的研究

对于多发射源无线充电系统来说,发射线圈与接收线圈间的错位会导致互感急剧下降,使得传输效率降低.为提升多源无线充电系统的效率,首先,分析多发射线圈间相对位置与传输功率的关系,找出取得最大功率输出的条件;然后,设计出一种新型宽边耦合正方形螺旋结构的电磁超材料,增强收/发线圈间消逝波强度,在不改变传输系统本身的情况下有效提升传输效率;最后,搭建双源磁谐振式无线电能传输系统实物平台进行验证.实验结果表明:相比于单源系统,双源系统传输效率提高约15％;当收/发端线圈夹角为40°时,双源系统传输效率达到最高,为41.4％;添加超材料可使系统传输效率有效提高约20％,添加三块超材料可提高约36％.     

三线圈MCR-WPT系统中继线圈轴向位置的优化研究

探究三线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统中继线圈的最优轴向位置对优化系统传输性能至关重要,为此深入研究三线圈MCR-WPT系统的传输特性,应用电路互感耦合理论结合同轴线圈互感计算方法得出了系统最大功率和最大效率传输条件;基于上述最优传输条件,对宽负载范围内中继线圈轴向偏移对系统传输特性的影响进行了电磁仿真。仿真结果表明：中继线圈传输功率和传输效率的最优轴向位置与负载有关,均随负载的增大向接收线圈一侧偏移,当电源内阻与负载相等,中继线圈位于耦合机构中间位置时系统可获得最大传输功率,靠近发射线圈一侧时可获得最大传输效率。最后,搭建了三线圈MCR-WPT系统实验平台,实验验证了理论与仿真的正确性。     

多线圈无线电能传输系统效率最大化研究

感应式无线电能传输系统主要依靠耦合线圈将能量从电源端传输到负载端。多线圈的耦合特性可以用来构建多输入多输出的无线能量传输网络,目前针对此类网络的稳态特性分析仍然不具有通用性。传输效率作为系统稳态特性之一,是多线圈系统的重要优化目标。由于线圈寄生电阻使得耦合器损耗占据整体系统损耗的大部分,因此,优化系统效率的关键在于最大化耦合线圈效率。首先,建立任意耦合线圈个数的无线充电系统的电路模型,依照输入输出稳态特性分析效率最大化的影响因素以及最优效率点下的功率分配和损耗;其次,仿真验证不同输入端和不同输出端时理论分析的准确性;最后,搭建实验平台验证多发射多接收无线充电系统效率最大化点的稳态特性。     

非对称耦合线圈内阻与品质因数对传输功率与效率及其频率分裂的影响

非对称耦合线圈使得谐振式无线电能传输系统设计更为复杂,尤其是由于非对称结构带来的参数变化对无线电能传输功率的频率分裂规律的影响存在不确定性,此问题已成为制约该技术进一步发展的瓶颈。针对上述问题建立非对称无线电能传输系统的传输模型,计算得到非对称系统接收功率与传输效率的表达式,同时通过理论分析探讨耦合线圈的内阻和品质因数对频率分裂的影响规律,最后搭建相应的实验系统,对理论分析的正确性进行实验验证。实验结果与理论分析具有较好的一致性,证明了所提方法与结论的正确性,为进一步研究基于非对称耦合线圈的谐振式无线电能传输系统的设计与优化提供了有益的参考。     

松耦合感应能量传输系统中补偿网络的分析

松耦合感应能量传输(Loosely Coupled Inductive Power Transfer,简称LCIPT)技术结合了电磁耦合技术与电力电子技术,实现了电能的无接触传输.由于松耦合感应能量传输系统中初级与次级间存在较大的气隙,且漏感较大,自感和耦合系数低,系统的能量传输能力也低,因此需要采用补偿技术,以实现能量的高效传输.这里利用负载模型,分析并研究了系统的不同补偿拓扑对系统性能的影响.实验证实了理论分析的正确性.     

电解铝用高效感应滤波整流供电系统分析

电解铝整流供电系统会产生大量的谐波与无功,不仅造成严重的电能质量问题,同时影响系统的运行效率。针对电解铝整流供电系统供电电压高、容量超大、整流变压器阀侧绕组电压低电流超大等特点,提出了一种适用于电解铝的新型感应滤波整流供电系统。相比传统整流供电系统,新系统在改善电能质量的同时,能够有效地缩短谐波及无功的流通路径,从而达到节能降耗的目的。新系统具有特殊的拓扑结构,并且为实现感应滤波技术,整流变压器的滤波绕组等值漏阻抗设计为零。理论分析了新系统的谐波传递特性和无功补偿特性。给出了样机试验分析,测试结果验证了理论分析的正确性,说明新型电解铝整流供电系统在谐波抑制、无功补偿以及节能等方面所具有的优势。     

LCL型ICPT系统电路拓扑分析及参数设计方法

为提高复合补偿型感应耦合电能传输系统的输出功率,丰富系统分析方法,运用3种不同的方法分析了LCL补偿结构的感应耦合电能传输系统。首先根据二端口理论,对LCL-S补偿结构进行了详细建模和分析,给出了固定原边线圈电流大小的参数配置方法;再根据交流阻抗分析法给出了LCL-P补偿结构的参数设计方法;然后通过能量守恒定律分析了LCL网络对电流的放大作用,给出了LCL-LCL补偿结构的参数配置方法。最后通过实验验证了上述3种补偿结构和参数配置方法的有效性。     

基于V/v变压器同相牵引供电的新型补偿系统

为更有效、更经济地解决传统V/v同相牵引供电系统中存在的电能质量问题,提出了一种在新拓扑结构下采用混合电能质量调节器(HPQC)的电能质量综合补偿方法。相比于传统拓扑结构下的补偿系统,新拓扑结构下的补偿系统有更加显著的节容特点。结合电气化铁道牵引负荷波动频繁的特性,对HPQC中无源器件(LC、L)和有源器件(变流器)的参数进行了设计。另外还分析了新型补偿系统下HPQC的控制策略,使其满足系统的补偿要求。     

电动汽车充电系统的负载识别技术研究

为解决采用感应耦合电能传输(ICPT)技术的电动汽车无线充电系统中由于负载未知从而导致无法实现负载与功率相匹配的问题,提出一种基于S-LCL补偿拓扑的ICPT系统的负载识别方法,通过原边补偿电容两端电压与负载之间的关系确定负载的大小,同时该系统还能够在不加入任何控制的条件下实现负载的恒压输出,解决了传统方法造成的算法复杂、系统体积过大等问题。实验证明了基于S-LCL补偿拓扑的ICPT系统负载识别方法的有效性和实用性。     

基于可调增益恒流源补偿网络的磁场耦合无线电能传输LED驱动电路

对于磁场耦合无线电能传输(WPT)系统,由于松耦合变压器漏感较大,补偿技术是实现其能量高效传输的关键。在半导体(LED)照明应用中,WPT LED驱动电路应直接输出LED所需的驱动电流,还应避免无功功率环流,减小器件应力,实现功率器件软开关。针对现有补偿网络的输出电流增益依赖变压器参数,而松耦合变压器存在设计受限的缺点,本文采用二端口网络理论,提出一族恒流源补偿网络,通过调节补偿参数灵活调节输出电流增益,增加变压器设计自由度。最后采用同一电路结构和变压器,分别实现了0.5A、1A和1.5A输出的WPT LED驱动电路,实验结果验证了理论分析的正确性。此外,还对所提出的可调增益补偿网络的特性进行了详细分析。     

无功补偿和混合滤波综合补偿系统及其应用

提出了一种具有功率因数校正、滤除谐波电流和抑制谐波谐振的电力系统综合补偿系统电路结构并将其成功应用于实际工程。无源支路在补偿无功功率的同时还可以滤除因非线性负载产生的特征谐波电流。为了抑制无源支路跟电网等效电感产生的谐振以及改善无源滤波器的滤波性能，系统中采用了谐振注入式有源滤波拓扑。论文对综合补偿系统的稳态补偿性能进行了详细的分析，并给出了系统的现场运行结果。理论分析和系统的现场运行结果证明了综合补偿系统的有效性和可行性。     

基于三电平逆变器供电的电机直接转矩控制系统

针对电机调速系统中使用较多的三相交—直—交电压型逆变器供电的直接转矩控制系统中转矩脉动、磁链脉动较大等诸多问题,提出采用三电平逆变器供电的直接转矩控制方案,可以为定子磁链矢量幅值以及相位控制提供更多的控制自由度,从而有效解决转矩、磁链脉动等问题,并在试验基础上,对整个控制系统的工作原理进行介绍.     

一种新型同相供电系统分析与设计

为提高供电系统的电能质量和取消变电所电分相,提出一种基于V/v接线变压器的新型同相供电系统。首先,分析了该系统的拓扑结构及工作原理,完成负序电流和补偿电流的理论计算;其次,为实现对三相系统负序、谐波和无功综合改善的目标,采用一种基于dq变换的系统协同控制策略;最后,根据某牵引变电所典型实测负荷数据在Simulink中搭建系统仿真模型,验证了所提系统在取消变电所电分相的同时能有效提高供电系统的电能质量,并且具有良好的动态性能和综合补偿性能。     

寻轨机器人用无线充电系统的研究

传统寻轨机器人的动力电池采用接触式充电方式,充电时容易因机械接触磨损而导致接触不良。为解决该问题,研究了一种单管感应耦合电能传输ICPT（inductively coupled power transfer）无线充电系统。该系统由前后两级电路组成,前级采用单管ICPT系统进行非接触电能传输,后级采用充电管理芯片LTC4020控制的Buck-Boost电路对锂电池进行快速充电。介绍了所研究寻轨机器人无线充电系统结构及原理,对前级主电路进行了四阶段电路等效、工作过程分析、电路建模、补偿网络设计和软开关设计;对后级充电管理电路进行分析和设计。设计了一台样机,对前级电路开关管耐压、流过电流和输出电压进行了仿真和实验,并通过充电实验验证了所研究充电方案的正确性。