应用于磁浮列车的电场耦合式辅助供电系统的设计与研究

摘要

传统的磁浮列车需要通过第三轨获取辅助电，接触式的供电方式存在磨损、火花等问题，导致系统维护成本上升，安全性下降。非接触式供电技术可以避免以上问题。电场耦合式供电技术(Capacitive Power Transfer，CPT)能通过轻薄的金属板进行能量传输，具有成本低，重量轻的优势，在磁浮列车这样的近距离能量传输应用中具有较好的前景。但是传统观念认为，电场耦合式供电技术传输功率较低，可能不适于轨道交通领域。本文旨在设计一种适用于磁浮列车辅助供电的电场耦合式供电系统，研究其可行性。　　本文首先分析了电场耦合式供电系统的基本工作原理和结构，发现电场耦合式供电系统的耦合机构传输能力与其等效耦合电容sC的大小有关，于是针对磁浮列车给出了一种侧面竖式的耦合机构。通过Maxwell仿真软件，本文将侧面竖式的耦合机构与传统的水平式耦合机构和重合式耦合机构进行了对比，发现在同样的安装面积下，侧面竖式的耦合机构拥有最大的等效耦合电容极值。并且仿真结果表明，在移动供电过程中侧面竖式耦合机构的耦合电容值变化很小。接着，本文给出了一种结构简洁的CLLC-CL型补偿拓扑，并加入S-S型、双边LCL型和双边LCLC型补偿拓扑作为对比，以补偿电容电压值作为限制条件，对以上拓扑进行了参数优化。结果表明CLLC-CL型补偿拓扑与其它补偿拓扑相比，传输同等功率大小的能量时，需要的材料成本最少。并且，本文研究了CLLC-CL型补偿拓扑的输出特性以及系统输出电压和电流对电路参数的敏感度，给出了多系统串联方案。最后，本文使用Matlab/Simulink仿真软件对基于以上几种补偿拓扑的电场耦合式供电系统以及串联供电系统进行了仿真。仿真结果验证了本文选择CLLC-CL型的电场耦合式供电系统的合理性，电场耦合式供电系统串联运行的可行性，并确认了两套和三套串联系统在电路参数差异时对系统输出电压和功率均衡的影响情况。本文还搭建了一个比例缩小的实验模型，在1MHz的工作频率下，通过250mm×250mm的接收极板与35mm的传输距离，实现了1.41kW功率的能量输出，DC-DC传输效率达到91.67%。实验结果验证了本文给出的应用于磁浮列车的电场耦合式供电系统的可行性。

目录

声明

第 1 章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 CPT耦合机构研究

1.2.2 CPT补偿拓扑研究

1.3 本文主要工作

1.3.1 论文研究对象及目标

1.3.2 研究内容

1.4 本章小结

第 2 章电场耦合式辅助供电系统的基本原理和分析

2.1 电场耦合式供电系统的基本原理和基本结构

2.1.1 基本工作原理

2.1.2 全桥高频逆变电路

2.1.3 高频整流电路

2.1.4 耦合机构

2.2 应用于磁浮车的耦合机构分析与选择

2.2.1 耦合机构的等效电路

2.2.2 耦合机构的传输能力衡量方式

2.2.3 水平式耦合机构

2.2.4 重合式耦合机构

2.2.5 侧面竖式耦合机构

2.2.6 三种耦合机构的耦合电容仿真分析

2.3侧面竖式耦合机构抗偏移性分析

2.3.1 接收极板沿y轴偏移的情况

2.3.2 接收极板沿x轴偏移的情况

2.3.3 接收极板沿z 轴偏移的情况

2.4 电场耦合式供电系统的补偿拓扑原理分析

2.4.1 S-S型补偿拓扑

2.4.2 双边LCL 型补偿拓扑

2.4.3 双边LCLC型补偿拓扑

2.4.4 CLLC-CL 型补偿拓扑

2.5 本章小结

第 3 章电场耦合式辅助供电系统的补偿方案设计与分析

3.1 电场耦合式辅助供电系统的补偿拓扑设计目标

3.2 元件基本参数设置

3.3 补偿拓扑对比分析

3.3.1 S-S 型补偿拓扑

3.3.2 双边LCL型补偿拓扑

3.3.3 双边LCLC型补偿拓扑

3.3.4 CLLC-CL型补偿拓扑

3.3.5 适于磁浮列车的电场耦合式供电系统补偿拓扑

3.4 CLLC-CL型电场耦合式系统的连接方案分析

3.4.1 CLLC-CL型电场耦合式系统的连接方案选择

3.4.2 CLLC-CL型电路的电路参数敏感度分析

3.5 本章小结

第 4 章电场耦合式供电系统的仿真与实验验证

4.1 对补偿拓扑的Matlab/Simulink 仿真验证

4.1.1 双边LCL型补偿拓扑

4.1.2 双边LCLC型补偿拓扑

4.1.3 CLLC-CL型补偿拓扑

4.1.4 CLLC-CL型补偿拓扑的系统串联方案

4.2 CLLC-CL型电场耦合式串联系统参数差异时输出电压和输出功率的均衡影响仿真

4.2.1 两套CLLC-CL串联系统的Simulink 仿真结果

4.2.2 三套CLLC-CL串联系统的Simulink 仿真结果

4.3 实验模型设计

4.3.1 实验模型设计

4.3.2 实验模型参数及效率计算

4.4 实验验证过程

4.4.1 实验模型搭建

4.4.2 实验结果分析

4.5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果