强耦合条件下非接触滑环的补偿及多通道并联技术研究

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为避免传统接触式导电滑环存在的可靠性低与经济性差问题,本文对基于电磁感应式无线电能传输技术(Inductive Power Transfer,IPT)的非接触滑环(Contactless Sliprings,CS)展开研究。区别于传统的松耦合无线电能传输应用,非接触滑环定、转子间毫米级的气隙使其工作在强耦合条件下。本文针对这种条件下非接触滑环的补偿特性和多通道并联技术进行了深入研究。论文首先在基波分析法的基础上研究了非接触滑环典型补偿的输入输出、效率特性,并通过分析变耦合系数条件下的谐振网络谐波问题,发现强耦合条件下,非接触滑环系统采用忽略谐波的基波分析法会产生很大误差。然后采用叠加定理,对考虑谐波影响的S/S补偿非接触滑环交流等效电路进行了精确建模,并在此基础上分析了谐波对输入输出特性的影响。指出谐波会使系统输入阻抗角呈弱感性,有助于系统软开关的实现,但会失去谐振频率点处的恒流输出特性。接着对引入串联LC网络的影响进行了研究,揭示了其抑制谐波的本质原因是使系统的等效耦合系数降低。同时抑制谐波后的S/S补偿可采用基波分析法近似分析,具有准恒流输出特性。并在此基础上设计了基于S/LCC补偿的低谐波恒压输出非接触滑环系统。考虑到容量扩展的需求,论文提出了利用谐波传能的基波-谐波多通道传能系统,在实现基波、谐波解耦和恒压、恒流输出的基础上,能够利用谐波输出扩展容量并调控基波输出。然后,建立了多变压器交叉耦合模型,并在此基础上分析了抑制谐波后的多通道并联S/S补偿非接触滑环系统中参数误差和交叉耦合对均流的影响。根据分析结果,从变频调节阻抗特性,耦合电感和移相改变交叉耦合影响的角度给出了相应的均流策略。最后,搭建了实验样机验证了上述理论分析的正确性。其中,1.5k W的三通道并联S/S非接触滑环系统在引入耦合电感均流后,最高效率可达95.41%。
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