磁耦合谐振式无线电能传输功率变换器研究

摘要

磁耦合谐振式无线电能传输(wireless power transmission via magneticresonance coupling，RWPT）的传输效率比电磁辐射式WPT(无线电能传输)的要高，而且，传输距离比感应式WPT的远，因而在中等距离的场合有较大的应用价值。RWPT的传输特性是对其进行研究的基础，高频逆变器是RWPT的重要组成部分，而由于负载波动等带来的谐振频率偏离固有频率的问题对RWPT产生了不良影响。本文针对上述问题进行了研究。 首先，研究了RWPT的传输特性。建立了基于电路中的共振理论及发射和接收线圈之间的互感的RWPT系统的等效电路模型。基于上述模型，经理论分析和仿真验证得出:交流电源频率从低于固有谐振频率变化到高于固有谐振频率时，交流电源频率与发射端和接收端的固有谐振频率相等的条件下，RWPT系统的负载平均功率最大，反之，RWPT系统的负载平均功率则减小，而RWPT系统的传输效率则一直稳定在较高的水平;当传输距离增大时，RWPT系统的电能传输效率呈下降趋势，而RWPT系统的负载平均功率则表现为先增大后减小;当负载电阻增大时，传输效率一直减小，且减小速度很快，负载平均功率则先增大后减小。通过采用不同的拓扑的仿真对比，得出了在不同的条件下适合采用的拓扑类型。 然后，研究了用以解决RWPT的谐振频率失谐问题的频率跟踪控制。通过理论研究可得，当使用SS拓扑或SP拓扑时，能够直接对发射线圈的电流信号的频率进行跟踪，对于接收线圈的电流信号而言，必须事先对其进行移相处理后才能实现精确的频率跟踪。经仿真得出:当系统的起振频率不等于系统的固有谐振频率时，直接对发射线圈的电流信号进行频率跟踪后也可以使电路最终工作在固有频率下，而对接收线圈的电流信号直接进行频率跟踪时，电路的最终工作频率较远地偏离了系统的固有谐振频率;且不同传输距离下，直接跟踪发射线圈电流信号频率的RWPT的效果比不具有频率跟踪的RWPT的效果好。 最后，基于上述的理论研究和仿真分析，通过使用DSP和FPGA作为产生全桥逆变器的驱动脉冲的控制器，硬件实现了带有死区时间和频率跟踪控制的高频DC/AC变换器，并基于此，设计和实现了基本的无线电能传输，最后，通过实验验证了直接对发射线圈的电流信号进行频率跟踪的无线电能传输能够实现较为精确的频率跟踪。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究背景及意义

1．3 磁耦合谐振式无线电能传输研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 需要进一步研究的问题

1．5 课题研究内容和主要工作

第二章 磁耦合谐振式无线电能传输特性研究

2．1 引言

2．2 RWPT的模型

2．3 交流电源频率变化时RWPT的传输特性

2．3．1 交流电源频率变化时传输特性的理论分析

2．3．2 交流电源频率变化时传输特性的仿真研究

2．4 不同传输距离下RWPT的传输特性

2．4．1 不同传输距离下RWPT的传输特性的理论分析

2．4．2 不同传输距离下RWPT的传输特性的仿真研究

2．5 负载对RWPT传输特性的影响

2．5．1 负载对RWPT传输特性的影响的理论分析

2．5．2 负载对RWPT传输特性的影响的仿真研究

2．6 不同拓扑类型的RWPT的比较

2．6．1 SS拓扑和SP拓扑的比较

2．6．2 PS拓扑和PP拓扑的比较

2．7 本章小结

第三章 磁耦合谐振式无线电能传输频率跟踪控制研究

3．1 引言

3．2 频率跟踪控制的理论研究

3．2．1 采用SS拓扑的无线电能传输

3．2．2 采用SS拓扑的无线电畿传输的频率特性

3．2．3 采用SP拓扑的无线电能传输

3．2．4 采用SP拓扑的无线电能传输的频率特性

3．3 频率跟踪控制的仿真研究

3．3．1 采用SS拓扑时的频率跟踪仿真设计

3．3．2 采用SS拓扑时的频率跟踪仿真结果

3．3．3 采用SP拓扑时的频率跟踪的仿真设计

3．3．4 采用SP拓扑时的频率跟踪的仿真结果

3．4 本章小结

第四章 磁耦合谐振式无线电能传输功率变换器设计

4．1 引言

4．2 硬件设计

4．2．1 硬件整体设计

4．2．2 DC／AC主电路

4．2．3 驱动电路

4．2．4 发射端和接收端

4．2．5 电流信号检测与调理

4．3 控制器软件设计

4．3．1 直接跟踪发射线圈的电流信号频率的思路

4．3．2 FPGA产生驱动脉冲

4．4 本章小结

第五章 实验与分析

5．1 引言

5．2 DSP+FPGA控制器部分的实验研究

5．3 DC／AC主电路与驱动电路实验研究

5．4 基本的无线电能传输实验研究

5．5 频率跟踪控制实验研究

5．5．1 电流信号检测

5．5．2 电流信号调理

5．5．3 频率跟踪控制效果

5．6 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 课题总结

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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