移动式磁谐振耐辐射无线输电系统的研制

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在解决矿井、水下、核环境等特殊场景中的移动用电设备充电需求时,无线输电技术具有便捷、安全、可靠等优点。但无线输电系统的输电性能受到输电距离、工作频率、负载等因素影响,当系统参数发生变化时,输出功率和效率可能迅速降低。应对移动状态的用电设备时,由于用电设备与电源端的相对位置不断在变化,引起系统等效参数改变,从而可能导致输出功率和传输效率迅速降低。因此本文针对移动设备的无线充电需求,提出了一种移动式磁谐振无线输电系统。首先构建了谐振系统的电路互感模型,分析了工作频率、互感和负载对系统输出功率和效率的影响,为后续硬件电路设计与优化提供了理论支撑。在硬件系统设计中,本文对E类功放的电路拓扑进行了研究,分析了旁路电容、扼流电感和等效负载对系统工作效率的影响,对功放进行了参数优化设计。接着根据线圈的数学模型分析了谐振线圈的半径、匝数、线径等对系统输出功率和效率的影响,对线圈进行了参数优化设计。接着对移动负载在充电过程中由于线圈相对位置变化导致系统失谐,致使系统传输性能恶化的问题进行了研究,并针对此问题提出了基于发射电流的频率追踪控制策略。本文搭建了移动式无线输电实验平台,通过多组实验对系统的距离特性、偏移特性、频率分裂现象进行了验证,并通过对比实验验证了本文所提出的控制方案可以提高了系统的输出功率与效率。系统最佳传输距离达20 cm,最大效率可达70%以上。最后,本文还为无线输电系统设计了耐核辐射外壳,使得该系统能够具有在核辐射环境下正常工作的能力。
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