非接触式电磁能量转换系统的设计与实现毕业论文(编辑修改稿)

非接触式电磁能量转换系统的设计与实现毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

用推拉式 谐振电力变换电路，次级采用开关模式谐振变换器，实现了从初级到次级的电压、电流和频率的相应变换，以输出适当的电能驱动负载。 文章对这种系统所表现出来的能量与频率及电路品质因数的关系、最大负载条件以及一定频率条件下的次级拾取线圈的 数量等系统参数进行了分析，同时进行了系统相关特性的仿真研究。 研究了 LCL 负载谐振逆变器在感应电能传输系统中的应用，详细分析了电流断续模式下系统的功率传输特性，通过使用逆变器和谐振回第 1 章 绪论 3 路之间的功率平衡分析推导了稳态工作情况，理论预测了逆变器工作点并找到串联电感的最优值，分析结果在电动车非 接触电池充电器中进行了实验验证。 文献研究了松耦合感应 3 电能传输系统的功率传输能力及系统存在的分岔现象。 另外，日本 Kumamoto Institute of Technology 的 Hiroshi Sakamoto, Koosuke Harada 等人也对非接触电能接入技术进行了较为深入的研究，自 1992 年以来，他们先后在 IEEE 期刊及会议上发表十余篇论文。 文献 [5]中研究了非接触电能传输系统中负载电压的稳定性。 日本东北大学的 Fumihiro Sato 等研究了移动机器人的非接触供电技术及植入式 功能电子仿真模块中的非接触电能及信号传输技术，为人造器官的体外非接触供电以及信息传递进行了理论探索。 韩国 Kyungpook National University 的 Byungcho Choi 等研究了手机非接触充电装置的设计与制作，通过采用印刷电路板上刻制的线圈来大大减小初、次级线圈的体积，从而使得次级拾取及整流充电电路部分可以全部内置于手机。 美国 Delta Products Corporation 的 Yungtack Jang 及 Milan M. Jovanovic 研究了高性能的非接触电能传输 技术，并将其应用到便携式电话的非接触充电中，实现了较高效率和功率密度传输。 日本日立研究实验室的 HidekiAyano 等对电磁能量传输机构的磁芯形状和绕圈的形状及绕制作了较为详细的研究； ByeongMun Song 等比较充分的研究了电磁机构的 EI 型结构对耦合率的影响；美国的 R. L. Steigerwald 等对选择磁芯材料给出了依据；日本 论述了提高耦合电感及减少涡流损耗的问题。 文献 针对电动车的非接触电能传输系统设计提出了一种新的观念和充电方案，文章重点设计采用了一个基于软开 关的谐振变换器，使系统初、次级耦合间距在 10 毫米，能达到较高效率的传输。 由此可看出国外对非接触电能传输技术已逐步展开，不断提出新的概念，新的理论，新的设计，不断完善系统的供电性能，不断优化改进磁耦合机构，以及不断开发新的应用领域 国内 研究现状 目前，国内对非接触式电能接入技术及装置的研究比较薄弱，更无成熟产品可言。 国内在该领域的研究起步较晚，西安石油学院的李宏在 2020 年第 2 期的《电气传动》上发表了一篇综述性文章。 香港城市大学的 . Hui、 H. Chung 和 . Tang等人研究了非接触式电能接入技术及微型化应用，如手机充电器等。 近年来中科院 5 院士严陆光和西安交通大学的王兆安等人也开始对该新型电能接入技术进行了研究，并在国内杂志上发表了几篇文章。 文献 [6]研究了可分离变压器传输能量的非接触电能传输系统，通过分析可分离变压器的工作特性，得出了影响传输功率的几个因数，并给出了采用串联谐振式逆变器和可分离变压器优化绕法的实验结果。 描述了非接触电能传输系统系统中出现的频率分岔显现，河北联合大学 XXXX 学院 4 提出了一种在频率分岔现象下的次级并联补偿电容选择方法，得出了使用该方法选择的并联补偿电容能使系统传输 效率显著增大。 对非接触电能传输系统稳定性进行了分析，建立了系统电磁耦合结构的互感模型，对系统中采用各种初、次级补偿拓扑所带来的系统稳定性进行了较深入的研究，得出了要保证系统的稳定性，零相角谐振频率必须是唯一的，并给出了仿真数据。 上述主要对非接触电能传输系统的可分离变压器、系统稳定性及出现的非线性现象等部分理论进行了分析，但在全系统的建模理论方面特别是基于软开关的系统建模理论及输出稳压控制等方面还没发现相关研究。 重庆大学自动化学院非接触电能传输技术研发课题组自 2020 年便开始了对国内外“非接触式电能接入技 术”相关基础理论与实用技术的密切跟踪和研究，并与国际上在该领域研发工作处于领先水平的新西兰奥克兰大学波依斯（ Pro. Boys）教授为首的课题组核心成员 PatrickAiguo Hu（呼爱国）博士进行了深层次的学术交流与科技合作，在理论和技术成果上有了较大的突破。 课题组先后获得重庆科技计划项目和重庆自然科学基金重点项目支持（ 3 项）。 在国内核心科技期刊和国内外重要学术会议上共发表学术论文十余篇，申报发明专利 3 项，并多次在科技竞赛中获奖。 戴欣博士在《单轨行车新型供电方式及其相关技术分析》文中，详细分析和 探讨了非接触电能传输技术应用在单轨行车系统中存在的工作频率的选定、多负载控制、效率特性、谐波影响等问题，并给出了相应的解决方案；在《广义状态空间平均法在 CMPS 系统建模中的应用》文中，建立了系统的平均化模型，并应用于系统中对其性能进行了分析研究；在发表于《自动化学报》的《自治分段线性振荡系统的离散映射数值建模与稳定性分析》一文中，对系统中出现的非线性特性进行了详细探讨，并推导出了用于判断系统周期闭轨稳定性的 Jacobian 矩阵求解模型，对系统稳定性进行了分析，得出了系统的稳定条件，为非接触电能传输系 统的研制提供了理论依据。 杜雪飞在《非接触式移动电源新技术》文中，对非接触电源系统原理及实现的关键性问题进行了研究。 在系统频率稳定性方面，王智慧同学探讨了次级拾取回路分别为并联调谐和串联调谐模式时对初级主回路工作频率的影响，并于 2020 年在《电工技术学报》上发表了论文《非接触电能传输系统的频率稳定性研究》，提出了在初级主回路中并联附加相控电感电路，运用动态调谐方式实时调节回路固有谐振频率。 本文主要内容 自从感应 耦合 电能传输 (ICPT)技术概念提出以来，众多国外专家学者纷纷展开了非接触式电源技术的研究 ，并且在理论与实践上都取得了重大的突破。 而目前我国在这方面的研究工作绝大部分都集中在对于逆变器的研究上，对于非接触第 1 章 绪论 5 式感应电能传输技术的研究迎合了工业生产和人们生活电气化与智能化发展的需求，在工业生产、智能家电、个人消费类电子产品、电气化交通工具和医疗电子等各行各业具有广阔的应用前景。 对非接触式电源技术的研究将填补国内空白，推动我国电气自动化技术的巨大进步。 本课题的研究目标就是非接触式电源即电能的非接触式传输技术及其 DSP实现，具体包括如下内容 : 1） 非接触式的感应电能传输技术的原理 2） 高频滑动松 耦合 变压 器原理及设计 3） 非接触式的感应电能传输系统的 DSP 软、硬件具体实现 本章小结 本章对非接触电能传输技术进行了较为详细的综述，研究了国内外在这项技术方面的现状，经过分析论证，明确了论文研究的方向，即对非接触电能传输系统的电磁机构进行研究，并提出了该项研究的主要内容。 河北联合大学 XXXX 学院 6 第 2 章 ICPT 技术的工作原理及其基本结构 非接触式感应电能传输技术的原理 常规的对于移动电气设备的供电一般通过滑动或者滚动的方式，如前所述，这种传统的通过导体直接接触来为移动电气设备供电会形成安全隐患及环境污染及电磁污染等一 系列的问题。 非接触式电源技术主要利用电磁感应原理与现代化的电力电子变流技术及微机实时控制技术，实现了电能从静止设备向移动电气设备的非接触式传输。 图 上图是传统的接触式充电系统示意图，由三相电网引进的电能经过有源滤波后，经三相整流桥将交流量整为直流。 之后脉动的直流经过大电感续流和大电容滤波后变为平滑的直流。 然后经过一级 DCDC 将其电压范围变为电动车电池充电电压。 可以看出，此种结构下要想对多辆电动车同时充电，需求的电网功率是非常大的。 一般的快速充电多为直流充电 ， 一次充电需要 1020 分钟左右， 10 分钟左右把 35KW 的电池冲完需要 250KW 的发电功率，是一个办公大楼用电负荷的 5倍。 而接触式充电在电动汽车普及以后是非常受限制的，首先是同时充电的汽车数目有限，其次是户外的有限充电桩容易收到侵害，建专门的充电站则需要大量的用地，在土地资源日益宝贵的今天是非常不划算的。 第 2 章 ICPT 技术的工作原理及其基本结构 7 图 上图为非接触式感应电能传输系统。 它是一种新型电能电能传输技术，利用电磁感应理论实现电能有效、安全的传输，在交通运输、医疗器械、照明、便携式垫子产品、矿井和水下应用的场合有这广泛的应用前景。 单相交流电经过单相整流和大电感平波后变为直流量，之后经过由 1S 、 2S 构成的半桥逆变电路将直流逆变为高频交流量。 通过变压器同名端的极性控制，使得在变压器副端成正负交流输出。 副边的交流再经过一级单相整流后，由大电容滤波后直接给电动车电池充电。 其中，由 sL 、 sD 、 sC 构成的吸收电路用于吸收变压器原边和开关管关断时续流，形成 ZVS 软开关。 开关管 maxS 用于在电压过高时切入电路，消耗过剩能量，起到保护的作用。 可以看出，非接触式能量传输系统与接触式能量传输相比，输 入侧和负载侧没有电气上和物理上的连接，更适合在在一些大功率的应用以及需要给移动负载供电的场合，如电动汽车。 如果 电池容量 160AH ， 充电参数 420V160A， 输出功率 ， 电压范围 275420V， 电源是家用 220A， 电池只数 110 只 ，可以按次计算出 ，非接触式能量传输系统 各器件参数。 取系统传输效率 %90 ，功率因数  ，整流桥导通时间 mst 3 计算 电池最大充电功率 kWP out 6 04 2 0m a x  1） 输入整流桥二极管 额定电流 AVPVPI acoutacinDi o d e 3 2 6 7 0 0 0c o sc o s m a xm a x   额定电压 VVV acD io d e 38022202  取 倍余量， 取 600V 河北联合大学 XXXX 学院 8 2） 输入整流桥 电感 额定电流 AVPVPI acoutacinDi o d e 3 2 6 7 0 0 0c o sc o s m a xm a x   3） 开关管 1S 、 2S 如果忽略输入级功率损耗，开关管的选型和整流桥一致，即额定电流 ，额定电压 600V，可以选择相应功率的 IPM 模块。 4） 输入整流桥二极管 额定电流 AVPI acoutD io d e 2 206 70 00c osm a x   额定电压 VVDiode 420 取 倍余量， 取 800V 5） 输 出滤波电容 mFV TIC dc 3   电压取 800V 感应 耦合 电能传输 (ICPT)技术的提出与发展 随着移动电气设备的应用领域越来越广泛，而传统的滑、滚动取电方式存在其固有的缺点，因此寻求一种非接触式的电能传输方法显得非常必要，而非接触式电源技术的出现正是迎合了人们的这一需求，非接触式电源技术主要利用了电磁感应 耦合 原理。 最早的有关感应电能传输技术是日本国家研究院与 Yaksawa电气公司于 20 世纪八十年代联合提出来的，到了九十年代初期，新西兰奥克兰大学电子与电气工程系电力电子学研究中心以 为中心的课题小组开始对其展开研究，并将其正式定名为感应 耦合 电能传输技术(InduetiveCoupledpowerTrnasefr，简称 cIPT)。 在这之后， 及他所领导的课题小组对感应 耦合 电能传输技术进行了一系列的深入研究，系统地探索了谐振技术在 ICPT 技术中的应用，电流传输频率与系统的稳定性之 间的关系，多负载控制问题、电路品质因数对于整个系统的影响、电流谐振环问题、 10KHz 的 ICPT系统实现问题等，在理论上与实践上取得了的重大突破，并获得了多项专利技术，为此 获得了新西兰的皇家勋章以表彰他在此领域的突出成就。 与此同时，非接触式的电能传输技术迅速成为电气自动化领域中的研究热点，日本、德第 2 章 ICPT 技术的工作原理及其基本结构 9 国、法国及美国等国家的科学家相继在该领域里展开了科学研究，并且取得了一系列的成果。 如日本的工厂行车、电动机车，德国 BWM 公司的装配机器人、美国及英国的无线充电器等产品都是非接触式感应 耦合 电能传输的一些 典型应用。 感应耦合电能传输技术的工作原理 非接触式感应 耦合 电能传输技术利用了现代的电磁理论如电磁感应理论与变压器理论，结合了当今最新的电力电子技术与微机实时控制技术，实现了电能的非接触式传输。 其原理框图如图 所示 :利用交流工频电源作为非接触式电源的能量供应源，可采用两相或者三相的工频电源，具体情况根据实际的电源容量要求进行合理的选择，工频电源在经过整流环节之后向逆变电路提供平稳的直流电流，该直流电流经过逆变电路的高频逆变之后向松 耦合 变压器的原边。