非接触式励磁电源谐振补偿的设计与研究

摘要

非接触式同步电机励磁电源所使用的核心技术为松耦合感应能量传输技术，用非接触式磁罐变压器的能量耦合实现了真正意义上的同步电机无刷励磁，取代了传统励磁系统中的电刷和滑环。本励磁电源具有安全性高、环保性好、所需维护少等优点。本文设计与研究了一款加入谐振补偿电路的非接触式励磁电源。
　　本文首先介绍了非接触式励磁电源的工作原理及基本构成，并进行了其研究现状及发展趋势的阐述。然后，以非接触式励磁电源中的核心器件——松耦合磁罐变压器为对象进行了研究，根据松耦合这种工作方式本身的特性，采用互感模型对松耦合变压器进行了建模，并在此基础上进行简化，最后得到了松耦合变压器的等效电路。并通过ANSOFTMaxwell软件对松耦合变压器进行了仿真，分别从铁芯材料的选取、线圈结构的分析、气隙对松耦合变压器各参数的影响三个方面对其电能传输性能进行了研究。
　　其次，本文对非接触式能量传输的谐振补偿原理进行了研究，对松耦合变压器的互感模型进行了谐振补偿，分析了非接触式电能传输系统在不同补偿模式下的特点，先通过副边的谐振补偿得到副边补偿电容值，再通过映射电阻推导出原边补偿电容值，最后得出四种补偿模式下的原、副边补偿电容值，并分别对其进行了功率传输性能的分析，得出了不同补偿模式下等效负载获得最大传输功率时的条件，优化了非接触式能量传输电路的性能。
　　非接触式高频DC/DC变换器是励磁电源的主体结构，本文设计了其主电路拓扑电路、驱动控制电路、相关电路以及高频松耦合磁罐变压器补偿电路。采用了半桥型逆变电路作为非接触式变压器的一次侧逆变电路，同步整流电路作为二次侧整流电路;采用了具有很高集成度的PWM控制芯片LM5035及其相应外围电路作为变换器的驱动电路与控制电路，与传统PWM控制芯片相比，此款控制芯片可使DC/DC变换器具有更高的传输效率与稳定性;并设计了相应的反馈电路与保护电路，以完善整个非接触式半桥谐振DC/DC变换电路的设计。
　　最后，采用MATLAB/Simulink仿真软件对补偿电路及励磁电源进行了仿真分析。构建了非接触式同步电机励磁电源实验平台，对不同补偿下的励磁电源性能进行了实验研究和分析测试，并对实验结果进行了对比与分析，验证了文中的理论分析结果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 非接触式励磁电源的国内外研究现状及分析

1．2．1 永磁电机无刷励磁电源的国内外研究现状

1．2．2 非接触式能量传输技术的国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 非接触式励磁电源原理及松耦合变压器研究

2．1 非接触式同步电机励磁电源的原理与结构

2．2 非接触式磁罐变压器的特点及建模分析

2．2．1 松耦合磁罐变压器的特点

2．2．2 非接触式磁罐变压器的建模及其等效电路分析

2．3 松耦合磁罐变压器的特性分析

2．3．1 铁芯材料的选取

2．3．2 线圈结构及其性能分析

2．3．3 气隙对松耦合变压器各参数的影响

2．4 本章小结

第3章 非接触式能量传输系统的谐振补偿及性能分析

3．1 谐振补偿原理与分析

3．2 非接触式能量传输系统谐振补偿分析

3．2．1 映射阻抗对原边的影响

3．2．2 副边补偿系统分析

3．2．3 原边补偿系统分析

3．3 补偿电路功率传输特性分析

3．3．1 串联-串联补偿电路传输特性分析

3．3．2 串联-并联补偿电路传输特性分析

3．3．3 并联-串联补偿电路传输特性分析

3．3．4 并联-并联补偿电路传输特性分析

3．4 本章小结

第4章 非接触式半桥DC／DC变换器的设计

4．1 非接触式半桥DC／DC变换器的原理及特点

4．2 非接触式半桥DC／DC变换器硬件电路设计

4．2．1 LM5035驱动电路设计

4．2．2 开关管栅极驱动输出设计

4．2．3 同步整流控制输出设计

4．2．4 原边反馈电路设计

4．2．5 保护电路设计

4．3 本章小结

第5章 非接触式励磁电源的仿真分析与实验结果

5．1 变压器输入波形的傅里叶分析

5．2 非接触式励磁电源仿真分析

5．3 非接触式励磁电源实验结果

5．3．1 串联-串联谐振补偿变换器的实验波形与分析

5．3．2 非接触式励磁电源效率分析

5．3．3 非接触式励磁电源性能测试

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢