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基于磁耦合谐振式无线电能传输技术的分析与设计

商和龙  
【摘要】:无线电能传输技术是当前输电领域中的尖端技术,代表了最前沿的技术理论和最新颖的创意思路,与有线输电方式相比,具有更强的灵活性和更高的安全性。本文研究的磁耦合谐振式无线电能传输技术与其它无线传输技术相比,属于更为新兴的技术,它填补了中距离较大功率无线能量传输技术的空白,拥有广阔的开发与应用前景。 本文首先介绍了几种常见的无线电能传输技术,对它们的传输方式、适用范围、发展历史和发展方向进行了综述。 然后,阐述了磁耦合谐振式无线电能传输技术涉及的电磁学近场理论和耦合模式理论,分析了谐振体的自谐振与耦合谐振的能量转换过程,对无线传输系统进行了数学建模,分析得到了影响传输效率的主要因素,并给出了该因素变化时对系统传输状态影响的示意图。 针对简单振荡电路效率低、谐波含量高、对无线电能传输干扰大等缺点,给出了无线电能传输系统功率变换器的设计方案。系统拓扑主要包括Boost功率因数校正电路、DC/DC变换器以及高频DC/AC逆变器三个部分。其中,Boost功率因数校正电路采用平均电流控制策略,有效抑制了谐波畸变;DC/DC变换器采用移相全桥零电压软开关控制技术,大大降低了开关损耗和电磁干扰;DC/AC逆变器可以通过调节外部给定改变开关管的占空比和工作频率,根据研究需求进行灵活地调整。详细阐述了功率变换器的软硬件设计思路,对主电路参数、采样检测电路以及驱动电路进行了设计,采用TI的DSP芯片TMS320F28335和Altera的CPLD芯片EPM3064A构成数字控制系统,并根据具体的控制策略对其进行了软件编程。 最后,建立了无线传输线圈的等效电路,对无线传输线圈的工作状态进行分析并得到了适合的工作频率范围,实现了基于磁耦合谐振式的无线电能传输,在此基础上通过一系列实验研究了传输距离、传输方向、传输电压、传输频率和线圈大小对无线传输特性的影响,为进一步应用于实际奠定了基础。


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