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非接触电能传输系统软开关工作点研究及应用

唐春森  
【摘要】: 非接触电能传输(CPT)技术是一种新兴的基于电磁感应原理,综合利用电力电子技术、磁场耦合技术及控制理论,实现用电设备以非电气接触方式从电网获取电能的技术,具有安全、便捷、易维护、可靠性高及环境亲和力强等优点。 在CPT系统中,由于原副边的松耦合特性,通常采用谐振的方式提高传输功率,因此软开关谐振变换电路也就成为CPT系统的常见主电路形式。在设计和分析CPT系统时,选定参数下,系统软开关工作点及其稳态特性是设计人员最为关心的问题。但是通过文献检索发现,目前尚无一种系统的方法可以快速确定系统所有可能的软开关工作点的周期及稳态响应波形,人们只能通过繁琐的数值运算去找寻可能的软开关工作点,或者借助仿真软件对系统反复进行仿真分析,既费时又费力。 本文针对CPT系统的软开关工作点分析问题,旨在提出一种可适用于一般负载谐振变换器软开关工作点的周期及稳态波形分析方法,并将该方法应用到实际CPT系统的分析与研究中。 在研究过程中,作者主要作了以下工作: 1.提出了一种软开关工作点精确计算方法 基于频闪映射方法及不动点理论建立了可分段线性化的自治振荡非线性系统的通用频闪映射模型。在此基础上,针对CPT系统中广泛应用的电压型及电流型负载谐振变换器,分别建立了它们的周期不动点函数模型及软开关边界条件表达式,推导出了确定负载谐振变换器的软开关工作点周期及稳态波形的解析函数表达式,总结了软开关工作点计算方法的步骤及特点。并以LCR串联谐振电路为例,分析了系统软开关工作点的周期不动点函数曲线与系统参数间的内在联系。 2.分析了CPT系统多软开关工作点特性 以LCL型CPT系统为例,应用本文提出的负载谐振电路软开关工作点精确计算方法确定了其软开关工作点,并详细分析了各软开关工作点的特性及参数变化对软开关工作点个数的影响,仿真及实验结果验证了理论结果及分析方法的正确性。通过对原副边谐振电压电流波形特性的讨论,发现了多软开关工作点下的一些有趣现象及其潜在应用价值,如系统的次谐波振荡可为低频开关实现高频振荡提供有效的解决途径,而多软开关工作点的功率传输特性差异则可能被用来设计一种新的功率调节器。 3.研究了CPT系统谐振点(一种特殊软开关工作点)及其稳定性问题 以推拉式CPT系统为例分析了CPT系统多谐振点及其自治振荡稳定性问题。文中给出了CPT系统中谐振点的定义及判断条件,建立了系统的庞加莱映射模型,并根据隐函数及复合函数求导法则,推导出了系统庞加莱映射周期不动点的雅可比矩阵,根据雅可比矩阵的特征值分布情况,即可判断各不动点的自治振荡稳定性。在实例分析中,文中研究了一个存在三个谐振点的推拉式CPT系统,判断了其谐振点的稳定性,并基于PLECS平台对该CPT系统进行了仿真研究,验证了其三个谐振点在定频控制模式下的软开关工作特性,给出了定频控制模式的软启动方法;分析了系统在浮频控制模式下的稳态谐振工作点,验证了三个谐振点的局部稳定性,并研究了拾取端短路解耦控制引起的稳定谐振点之间的相互跳动问题。 4.提出了一种新型功率控制策略 根据CPT系统多软开关工作点的功率传输特性差异提出了一种新的基于多软开关工作点的功率控制策略,其核心思想就是让系统根据误差反馈信息在其多软开关工作点之间来回切换,从而实现对功率的控制。文中以原副边均串联谐振型CPT系统为例,研究了这种控制策略的工作原理、实现思路以及控制特性等。仿真及实验结果验证了该控制策略的可行性。 本文的创新性贡献在于: 1.针对CPT系统所有可能的软开关工作点周期及稳态波形的快速准确求解问题,提出了一种基于频闪映射方法和不动点理论的软开关工作点精确计算方法,该方法极大地简化了系统稳态分析过程,并可推广应用于一般负载谐振变换电路; 2.针对非接触电能传输系统的高阶非线性特性所带来的多谐振工作点问题,提出了一种基于庞加莱映射模型及其雅可比矩阵的系统谐振点稳定性判据,发现多谐振工作点的存在及其稳定性差异可能引起系统多谐振点跳转现象; 3.基于非接触电能传输系统多软开关工作点的功率传输特性差异,提出了一种多软开关工作点功率控制策略,该策略可以在不添加额外辅助开关电路的情况下,通过切换系统工作点,在动态软开关模式下实现传输功率的连续可调。


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