不对称PWM调制在无线电能传输系统的应用研究

摘要

无线电能传输（Contactless Inductive Power Transfer，CIPT）技术属于智能电网的应用范畴，该技术能够实现用电设备与供电线路之间在无需物理接触的情况下进行能量传输，从而避免了传统电能传输方式引起火花、机械磨损严重等缺点。无线电能传输技术在医疗领域、水下环境以及易燃易爆场所等特殊环境下有着更为广阔的发展空间。所以，对于无线电能传输技术的研究具有重要的科学意义及实用价值。
　　本文研究的主要内容有：
　　1.首先对CIPT技术的主要应用领域进行了调研，介绍了CIPT技术的研究现状和其应用的前景。同时，对CIPT研究领域的关键技术和主要研究方向进行了分析，最后探讨了CIPT技术在今后的发展上可能面临的问题。
　　2.本文分析了CIPT系统各个组成部分的结构，在不改变原有谐振功率变换器拓扑结构的基础上，提出了H桥谐振变换器广义调制控制策略。其后，对基于 H桥谐振变换器广义调制的CIPT功率流控制方法进行了研究，分析ZVS软开关的相角裕度，提出了不对称PWM调制的研究，建立等效电路模型，实现ZVS软开关的优势，为分析和优化设计电压型CIPT系统奠定了理论基础。
　　3.由于电压型CIPT系统原副线圈之间的磁场耦合系数低、负载吸收的有功功率低，这会导致无线电能传输系统的工作效率不高。本文通过分析，对原、副边串联谐振的电压型CIPT系统进行研究，在不改变原有谐振功率变换器结构的基础上，结合系统等效电路建立了稳态解析模型，对H桥逆变器应用了不对称PWM控制策略方案，同时推导出了系统耦合功率与控制角α的函数关系式，进一步以开关管ZVS的开关状态为约束条件，其优点是：增大的逆变器ZVS开关的相角裕值，降低了逆变器的开关损耗，提高装置在CIPT系统的安全性及可靠性。仿真验证了理论分析的结果，为电压型CIPT系统的设计与分析提供了一定的理论参考。
　　4.通过理论分析和反复的实验测试，深入研究和揭示了控制方法对功率变换和对 CIPT系统工作特性的影响，主要包括：功率变换时引起的平滑控制功率流、抑制系统冲击、降低功率器件工作应力、降低功率变换过程中电磁干扰等。针对这些问题，在不改变原有谐振功率变换器结构的基础上，对H桥谐振变换器提出新的调制驱动控制方案，以此来约束及优化功率流，提高装置在无线传输电能时的安全性及可靠性。
　　5.为了验证不对称PWM调制的有效性，运用Matlab/Simulink对CIPT系统进行了仿真并搭建电路进行实验分析。设计系统开关频率为20kHz，直流母线电压为50V，模拟负载为10Ω时，观察逆变器电压电流输出的情况。
　　根据实验平台的实际运行结果，可以得到如下的结论：本文研究的无线电能传输系统，总体设计方案可行、理论分析和参数设计正确、控制方法有效、系统工作稳定可靠。该实验平台能够为今后CIPT技术的深入研究奠定坚实的理论基础。

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英文摘要

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第一章 绪论

1.1引言

1.2无线电能传输系统研究现状与应用前景

1.3课题的提出和意义

第二章 无线电能传输系统总体方案设计

2.1 CIPT系统的主电路结构设计

2.2CIPT系统的电气参数设计

2.3CIPT系统的稳定性分析

2.4本章小结

第三章 原、副边串联的电压型CIPT系统

3.1不对称PWM调制的特点

3.2电压型CIPT系统原理与建模

3.3不对称PWM调制的工作原理

3.4本章小结

第四章 不对称PWM调制的仿真验证

4.1CIPT系统仿真模型介绍

4.2CIPT系统的控制性能分析

4.3CIPT系统仿真结果分析

4.4实验验证与结果分析

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1论文工作总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文