三相磁谐振式无线电能传输系统建模与控制研究

摘要

随着技术的不断发展与进步，无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)受到人们越来越多的关注。由于能在更远的距离传输更大的能量，磁耦合谐振式(Magnetically Coupled Resonant,MCR)WPT成为时下研究的热点。在某些应用场合下，MCR WPT系统中发射线圈和接收线圈的空间相对位置不固定，线圈空间相对位置的变化对系统传输功率和传输效率有很大影响。多相MCR WPT系统通过增加发射线圈和接收线圈可有效降低系统传输特性对线圈空间位置的敏感性。
　　本文提出了一种三相MCR WPT系统，分析讨论其控制方式。经对比，相角控制法控制简单，易于实现，因此，本文以相角控制法为例对三相MCR WPT系统的工作原理进行分析。
　　为了研究线圈空间位置变化对系统传输特性的影响，对三相MCR WPT系统进行建模，基于互感模型对系统传输功率和传输效率进行分析，并根据聂以曼公式推导出空间任意位置两矩形线圈间的互感公式。线圈空间位置变化引起线圈间互感的变化，进而导致系统传输特性的变化。
　　线圈互感的大小表现了线圈间磁场耦合的强弱，为了进一步探讨三相MCR WPT系统的磁场本质，结合毕奥-沙伐定律对单个矩形线圈空间任意点的磁感应强度进行讨论。通过矢量叠加，得到三相发射线圈在空间任意点的磁感应强度表达式，从而求解出接收线圈两端的感应电动势，并利用有限元仿真软件，分析了发射线圈周围的磁场的分布。
　　最后，在实验室搭建了三相MCR WPT系统的原理样机，通过实验验证了理论分析的正确性。论文通过理论计算，仿真分析和实验对多相MCR WPT系统的传输特性进行了详细分析，丰富和拓展了多相MCR WPT系统的研究内容，为多相MCR WPT系统的开发应用提供了理论参考和技术储备。