分数阶无线电能传输机理的提出及研究进展

现有的无线电能传输技术均是以整数阶系统理论为基础提出和构建的,传输特性对传输距离、系统参数变化敏感,抗干扰能力弱,难以适应实际应用需要。因此,探索新型无线电能传输机理和技术将是一个长期的研究课题。受益于分数阶微积分的快速发展,分数阶无线电能传输机理和技术被提出。不同于传统整数阶系统,分数阶无线电能传输系统利用其所特有的记忆特性、负电阻特性和频率特性,可以实现高效率、高抗干扰的中距离无线电能传输,且系统设计灵活,可以满足多种场合的需要。为此,文中介绍了分数阶无线电能传输机理的提出过程及研究进展,分别从分数阶微积分、分数阶元件及电路、分数阶无线电能传输机理等方面进行阐述。最后,与现有整数阶无线电能传输系统进行了对比,结果表明所提系统的传输效率和输出功率具有对距离和谐振频率变化不敏感的特性。     

电磁耦合谐振式无线电能传输系统性能研究

建立串联-并联补偿方式的电磁耦合谐振式无线电能传输系统平台,研究系统传输效率和输出功率与线圈距离、系统频率及负载电阻的关系。采用Matlab对所搭建的模型进行仿真,得到不同距离、频率和负载情况下效率和功率的变化情况,发现当系统频率为谐振频率时,输出功率最大,同时负载电阻对系统传输效果也有影响。搭建电磁耦合谐振式无线电能传输系统,通过实验验证理论和仿真结果的准确性,为系统的优化设计提供参考。     

基于磁耦合谐振的无线电能传输系统设计

基于磁耦合谐振的无线电能传输技术在众多传输技术中具有传输距离适中和效率较好的优点。阐述了磁耦合谐振式无线电能传输原理并建立等效互感理论模型进行参数分析,进一步基于不对称半桥和LC串联谐振电路拓扑分析了开关管占空比变化对输出功率的影响。设计了一种小功率无线电能传输系统,并通过仿真和实验,验证了理论分析和系统设计的正确性。     

SS式磁耦合谐振无线电能传输系统软开关研究

由于串联-串联式(SS)拓扑的磁耦合谐振无线电能传输系统具有传输距离远、传输功率大、安全便捷等优点,受到人们的广泛关注。但随着工作频率的提高,开关器件会产生较大的硬开关损耗,导致该系统传输效率下降。该系统应用一款实现软开关的全桥变换器,并分析谐振网络中补偿方式特性,计算开关器件的输出电容,给出软开关实现条件和死区时间设计。然后,搭建磁耦合谐振无线电能传输系统实验平台,实验结果表明,相比于传统的软开关,此处实现的软开关使得该系统的整体传输效率提升了4.9%。     

磁谐振中距离无线电能传输及关键科学问题

阐述了磁谐振中距离无线电能传输的3种方式及可能的物理解释;对磁谐振中距离无线电能传输系统的主要参数,即传输距离、传输效率、传输功率和谐振频率进行分析,指出现阶段可能达到的极限参数。分析表明,传输距离主要受磁谐振耦合无线电能传输原理的限制,系统效率主要受功率放大器效率和传输效率的限制,传输功率的大小主要受电磁环境要求的限制,而谐振频率的选取受传输距离、传输功率、功率放大器和频率管制等的制约。最后对无线电能传输的电磁环境问题进行了分析。     

基于E类功放的谐振式无线电能传输控制设计

磁耦合谐振式无线电能传输是一种中距离无线电能传输技术,传输距离和传输效率是该技术取得突破的瓶颈。本文通过电路模型分析了传输特性,并基于E类功放设计了一套无线电能传输装置,通过对E类功放开关过程的分析,确定E类放大器在电能传输过程产生损耗的主要原因。设计了脉冲检测式频率控制电路,通过检测MOSFET输出端电压,判断系统工作状态,调节驱动信号频率,使E类功放在负载变化的情况下能迅速做出调整,大大提高了系统的工作效率和传输功率。     

LCC S型无线电能传输系统的特性分析*

为满足无线电能传输系统恒压供电的需求,提出了一种LCC-S型无线电能传输系统.利用互感耦合理论建立了LCC-S型无线电能传输系统数学模型,推导了系统的输入阻抗角、传输效率、输出功率和输出电压的表达式.对输入阻抗角的分析表明除了预设的谐振频率外还有其他谐振频率,分析了频率对该补偿网络输出功率和传输效率的影响.最后,通过仿真验证LCC-S型无线电能传输系统的恒压输出特性,结果表明LCC-S型无线电能传输系统的输出电压不随负载变化而改变.     

基于并联永磁偏置可调电感的无线电能加密传输系统研究

无线电能传输效率受开关频率和谐振元件参数影响，利用调谐装置可避免非授权端窃电行为，实现电能加密传输，但传统磁心调节型电感调谐技术存在控制损耗大的问题。文中提出并联永磁偏置型可调电感设计方案，借助有限元仿真分析和相关实验验证，并联方案调节效率超过传统方案3倍，受主线圈影响波动范围不足传统方案20%，大幅提高可调电感性能。此外，基于谐振网络频率敏感性分析，设计并搭建一套基于并联永磁偏置型可调电感的无线电能加密传输系统，并在实验中将非授权端和窃电端的获取功率分别抑制到授权端的5%和10%以内，验证所提可调电感工作有效性和无线电能加密传输系统防窃电效果。     

宽耦合范围的多模式无线电能传输系统

无线电能传输系统的传输能力在很大程度上受到其线圈耦合范围的限制.对于串联补偿的无线电能传输系统,传输功率随线圈耦合增强将降低,因此在实际的系统伏安容量限制条件下,传统无线电能传输系统难以在较宽的线圈耦合范围内输出所需的额定功率.为此提出了一种基于中心抽头绕组的可重构谐振拓扑,可在不同的线圈耦合范围内选择不同的连接方案和工作模式.可重构谐振拓扑充分考虑了各部分电路在不同模式中的重复利用,使系统在覆盖更宽耦合范围的同时保持了简洁的电路拓扑和尽量少的元件数量.仿真结果证明了该结构可在不显著增加系统伏安容量的情况下,大幅增大系统输出额定功率的线圈耦合范围.     

不对称补偿MCR-WPT系统的传输特性研究

针对磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)系统宽负载范围下恒流输出的问题,进行了不对称谐振补偿结构传输特性及其参数设计方法的研究。分析了谐振补偿元件的工作条件,基于T型等效电路和叠加原理推导了补偿结构电流和电压表达式,该补偿结构输入功率因数为1、输出特性近似恒流源特性;进行了不对称WPT设计方法研究,通过设计初级谐振补偿电容提高了系统最大输出功率,降低了次级整流器件的电流应力。最后进行了仿真和实验设计,验证了系统在工作频率为85 k Hz、负载范围为20~200Ω时的恒流输出特性。结果表明,采用的参数设计方法简单有效,能降低系统设计难度;设计的不对称谐振补偿结构提高了系统的稳定性,为软开关提供了有利条件。     

磁耦合谐振式无线电能传输ARM和CPLD控制研究

磁耦合谐振式无线电能传输是中距离传输技术。两个耦合电路通过电磁场传递能量,当发射回路和接收回路处于谐振状态时,谐振体之间能量交换效率最高。设计了1台谐振频率70 k Hz的实验装置,发射端以ARM和CPLD为主控芯片,接收端以ARM为主控芯片,分模块设计了控制电路,并提出了一种基于ARM的频率跟踪控制方法。实验表明,控制系统运行稳定,控制效果理想。     

串联补偿电压型非接触电能传输变换器的研究

对初次级均采用串联补偿的非接触电能传输(Contactless Electrical Energy Transmission,简称CEET)变换器进行了稳态下的建模和分析。给出其应用中的特性表达式,提供了一种对系统容量、输出电压、以及谐振频率等进行估算的较为精确的方法。在耦合系数以及负载变化时,可以通过控制锁相环,使变换器工作在谐振频率点附近,保持较大的电压传输增益和功率,并且实现开关管的零电压开通,减少损耗。最后,通过实验对分析结果进行了验证。     

基于磁耦合谐振的无线能量传输的实验研究

磁耦合谐振技术作为中距离高效无线能量传输技术,与传统无线能量传输技术相比具有传输效率高、条件要求低等明显优势,目前国内对此技术的研究大都处于探索阶段。为了准确把握技术核心以及关键点,本文首先建立了无线电能传输模型,并在此基础上利用互感原理和耦合理论对传输效率进行了推导,得出了谐振频率、线圈互感、线圈品质因数等影响传输效率的关键因素。随后,通过大量实验验证了上述理论分析结论,并且对理论推导结论中未体现的因素进行了实验探索,所得结果对原有理论进行了有益补充,在实验室条件下实现了传输效率为60%、接收功率为2W的电能传输。另外,在对发射谐振频率和接收谐振频率与系统谐振频率的关系分析中,利用互感理论解释了接收端谐振频率与系统谐振频率相同的必要性。最后,总结了在磁耦合谐振式无线能量传输技术应用过程中提高传输效率和有效传输距离的若干方法。     

线圈匝数对磁耦合谐振式WPT输出功率的影响

针对磁耦合谐振式无线电能传输的4线圈模型中线圈匝数对系统传输功率的影响,本文通过建立系统模型,利用电路理论计算得出系统的输出功率公式,并使用MATLAB软件仿真分析了系统的输出功率曲线.分析结果表明在4线圈的结构和材质相同的情况下,接收线圈的匝数增加比发射线圈匝数的增加使系统的输出功率要提高很多.同时,接收线圈匝数的增加使系统功率达到最大值的频率有明显的下降,而发射线圈增加相同匝数时,频率变化不明显.该结果还表明,接收线圈匝数增加时系统输出功率达到最大值对应的负载电阻在变大.因此,在4个线圈结构相同时,增加接受线圈匝数可以提高输出功率.     

基于LCC的磁谐振无线电能传输发射端补偿技术

为实现磁耦合谐振式无线电能传输系统最大化功率传输,提升整机效率,提出了一种基于LCC三阶补偿网络结构的保持发射端线圈电流恒定的方法,此方法不受接收端反射阻抗影响,实现了电磁感应式无线电能传输(ICPT)系统发射端与接收端解耦设计。同时,提出了LCC补偿网络的数学模型及其参数设计方法。在不增加元件的情况下,采用LCC网络的输入基波电流补偿LCC网络的输入高次谐波电流的方法,在功率管关断瞬间,降低通过功率管的电流瞬时值,实现了高频逆变器的零电流关断,减小了功率管的开关损耗和开关应力,提高了ICPT系统的整体效率。最后,对所提方法进行了仿真分析和实验验证。仿真和实验结果验证了所提模型和参数设计方法的正确性和可行性。     

用于非接触电能传输的自适应谐振技术原理

分析了非接触电能传输系统中耦合谐振电路的特性,着重探讨了谐振状态对提高传输功率和传输效率所起的重要作用,进而提出了基于锁相环的自适应谐振控制策略。通过对逆变器输出电压、电流的检测和计算得到相位差,输入到PI调节器和振荡环节对逆变器的驱动频率进行调整,经过一段暂态过程后,逆变输出电压、电流的相位差为零,从而实现了电路的自适应谐振控制。系统仿真和实验结果表明:基于锁相环自适应谐振控制原理的非接触电能传输系统能够对原、副边所有元件参数的变化进行快速跟踪和调节,使整个系统工作在谐振状态,保证系统始终具有最大的传输功率和传输效率。     

一种副边斩控无线电能与信息同时传输系统

针对在无线电能传输系统中实现原、副边之间信息通讯的问题,提出一种基于电能传输通道的副边斩控无线电能与信息同时传输新结构及其控制方法,其结构简单,副边仅有一个全控器件.通过理论分析得到副边全控器件导通角与负载电压的关系,副边通过反馈控制调节全控器件导通角实现负载电压恒定输出;通过改变电能传输频率和副边全控器件开关频率进行...     

无线电能传输技术亟待解决的问题及对策

首先分析了国内外无线电能传输技术的现有商业化情况、产品标准制定、学术论文和专利发表现状;然后探讨了目前最热门的两种无线电能传输技术--感应耦合和磁耦合谐振无线电能传输技术存在的问题,进而阐述它们在原理、结构和特性上的差异性,旨在解决将感应耦合与磁耦合谐振无线电能传输技术混淆的困惑,以推动无线电能传输技术的进一步发展;最后,针对现有无线电能传输技术发展的瓶颈,介绍了基于分数阶电路原理、宇称-时间对称原理的两种新型的无线电能传输技术,指出无线电能传输技术要成为一种通用技术,还需在机理上有根本性的突破。     

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%。     

应用于智能电网在线监测设备供电的磁共振无线供能装置

电力输电线路在线监测设备的持续稳定供电一直是亟待解决的难题之一。针对这个问题,结合高压取电技术,设计了一种基于磁场共振耦合的无线供能装置,受天气影响小,基本无需维护,实现对在线监测设备的可靠供电;为保证装置有足够的电能输出,通过分析输出功率的变化情况,采用最大功率点控制实现电能的稳定输出。经国家专业检测机构进行了工频耐压、电能稳定输出和调谐控制专项测试,工频耐压测试后系统工作正常,模拟导线电流在200~1 000 A时能保证发射端的稳定输入,增加频率调谐控制后可使输出功率提高2倍以上。测试结果表明装置能在1.1 m传输距离内实现稳定的电源输出。