磁耦合无线电能传输系统动态调谐技术研究

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无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术因具有灵活、安全以及能为特殊环境下工作的机器供电等优点,近些年来得到了快速的发展。WPT中近场耦合式的磁耦合WPT传输距离能满足大多无线供电场景,传输功率大,且比远场辐射式WPT有更高的传输效率,因此受到了高度的关注。磁耦合WPT系统在工作时由于电子器件的升温老化及传输距离变化等引起系统失谐,导致系统无功损耗增加,系统传输效率降低,甚至造成开关管损坏。国内外学者针对该问题,提出了开关电容阵列、相控电容、相控电感、频率跟踪控制等解决方法,但还存在一些不足之处,总体来说,还需进一步对现有的动态调谐技术进行优化。基于此,本文提出了一种基于幅值可调辅助锯齿电源的动态调谐技术,在系统失谐时,通过控制锯齿波幅值可使系统重新回到谐振状态。本文首先进行了建模分析,在磁耦合WPT系统主电路模型和等效互感模型的基础上,利用谐波分析法分析了未加入调谐电路时的工作情况,研究了系统的失谐机理,并阐述了本文加入辅助锯齿电源的调谐方案依据。然后分析了失谐对系统传输功率和效率的影响,研究了基于辅助锯齿电源的动态调谐技术的调谐原理,推导了调谐参数范围,并利用阻抗角检测技术设计了动态调谐控制方法,利用Simulink搭建了动态调谐控制仿真电路,仿真了在容性失谐和感性失谐的情况下,从而验证了本文所提出的动态调谐方法的有效性。接着,搭建了基于辅助锯齿电源调谐电路的实验装置,验证动态调谐方法的可行性,具体来说,主要包括高频逆变电路、锯齿电源调谐电路、信号调理电路、调谐控制电路、辅助电源、数字鉴相电路、LC谐振回路及整流滤波电路的原理设计,在此基础上对系统典型功能单元的参数进行了选型分析,并制作了电路板。此外,针对系统脉冲控制,进行了基于Verilog的FPGA编程实现。最后,论文在制作的实验装置基础上,进行了改变系统传输距离模拟容性失谐和感性失谐的实验,实验结果表明,本动态调谐方法能对失谐系统进行调谐,使系统输入阻抗的阻抗角变为零,系统重新回到谐振工作状态,系统传输功率和传输效率都有所提升。
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