井下磁耦合无线电能传输系统的全谐振特性分析

在井下应用磁耦合无线电能传输(MC-WPT)系统供电时,如果系统参数配置不当会引起系统输入阻抗呈非纯阻性,从而造成系统失谐,影响井下电力设备的供电效率。MC-WPT系统二次侧采用串联补偿(S)时易于实现谐振,但在二次侧采用并联补偿(P)时,现有研究都是在系统仅一次侧谐振、二次侧未谐振导致系统未全谐振的基础上进行的。针对上述问题,提出了一种MC-WPT系统的全谐振补偿方式。以SP型、PP型、LCC-P型和LCL-P型补偿拓扑作为二次侧并联MC-WPT系统研究对象,利用阻抗分析法得到系统处于全谐振状态的参数约束关系,并采用Matlab/Simulink对传统补偿方式和全谐振补偿方式进行仿真对比,结果表明:全谐振补偿方式下的SP型、PP型、LCL-P型补偿拓扑输出功率大于传统补偿方式下的输出功率,LCC-P型补偿拓扑输出功率小于传统补偿方式下的输出功率;在全谐振补偿方式下,SP型与PP型拓扑效率与传统补偿方式下的效率相差不大,LCC-P型拓扑效率远高于传统补偿方式下的效率,LCL-P型拓扑效率略低于传统补偿方式下的效率;全谐振模式下系统无需提供无功功率,视在功率等于给定的输出功率;全谐振补偿方式下SP型拓扑更适合应用于煤矿井下,不受互感变化影响,但受电阻负载影响较大。针对全谐振补偿方式下SP型MC-WPT系统谐振频率受电阻负载影响及电阻负载具有下限值的问题,利用DC-DC变换器,将阻抗匹配与有源功率因数校正相结合,实现系统整流桥输入侧等效阻抗始终等于预设谐振频率对应电阻值,同时保证系统整流桥输入电流与电压同相位,降低DC-DC变换器的引入对系统阻抗的影响。以SP型MC-WPT系统为实验对象进行验证,结果表明:SP型MC-WPT系统在全谐振补偿优化方式下能脱离电阻负载的束缚,系统不受互感影响及负载变化影响,稳定在全谐振模式下,提高了输出功率与输出效率。

基于磁耦合谐振的多自由度电机无线电能传输

针对多自由度电机无线电能传输中传输效率较低的问题,提出基于磁耦合谐振的多自由度电机无线电能传输方法。该方法根据共振原理构建磁耦合谐振式无线电能传输模型,通过反射系数描述阻抗匹配状态,获取最佳负载阻抗;采用混沌优化算法优化电机线圈损耗率,实现多自由度电机无线电能传输优化。实验结果表明,应用该方法后,多自由度电机的电能输出功率达到了893 W,传输效率提升了0.10以上,提高了电能输出功率和传输效率,方法有效,具备可行性。

磁耦合谐振式无线电能传输技术研究综述

近年来,无线电能传输(wireless power transfer,WPT)技术受到越来越广泛的关注,文中对WPT技术的几种主要传输形式进行了介绍,重点分析了磁耦合谐振式无线电能传输技术(magnetic coupling resonant wireless power transfer,MCR-WPT)。针对MCR-WPT技术,介绍了系统的基本结构,并对其建模方式和机理进行分析,重点阐述了MCR-WPT的关键技术与热门技术的发展现状,最后对该技术目前存在的问题和发展趋势进行了展望。

基于磁耦合电动汽车无线电能传输教学实训平台研究与实践

针对目前无线电能传输教学实训平台理论教学与实训脱节,使得学生对无线电能传输运行机理的认识不够深入。为激发学生学习兴趣,增强教学效果,以电动汽车无线电能传输为应用背景,对传统无线电能传输系统架构进行设计。基于基波等效法和基尔霍夫电压定律建立无线电能传输的几种典型结构数学模型,分析在谐振状态下不同结构的输出电压、电流、功率以及传输效率等特性。介绍无线电能传输教学实训平台的搭建过程,包括逆变器、整流器、磁耦合结构的设计和利兹线的计算选择等。在教学实训平台验证了几种典型无线电能传输结构的工作特性,使学生增强电力电子实践能力的同时对无线电能传输系统有更深入的认识。

磁耦合谐振式无线电能传输系统的无模型自适应控制研究

为解决磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically coupled resonant wireless power transfer, MCR-WPT)系统因频率失谐而使得传输效率降低的问题,提出一种无模型自适应频率跟踪方法。该方法以发射端电流和电压间的相位差值为控制器输入,以控制器输出来调控发射端的交流电源频率;控制器设计不依赖于系统的精确数学模型,而且可通过伪雅可比矩阵的自适应估计律来提高应对发射端频率失谐的控制自适应性。MCRWPT系统的控制仿真结果表明,相比传统的PI控制,该方法不仅在较长的无线传输距离情况下能实现维持系统发射端的谐振工作状态,而且具有更好的谐振频率跟踪性能,对保持较高的系统无线电能传输效率具有明显优势。

磁耦合谐振式无线电能传输系统线圈结构参数优化方法

谐振线圈是磁耦合谐振式无线电能传输(magnetic coupling resonance wireless power transfer,MCR-WPT)系统的核心部分,线圈参数决定了系统电路的谐振参数,进而决定系统的能量传输效率。现有研究只考虑了近距离四线圈及以下MCRWPT系统建模及其线圈参数优化。为了实现中远距离高效无线传能,构建了一种六线圈MCR-WPT系统模型,并以线圈结构参数为优化变量,通过分析限制交叉耦合与频率分裂的条件建立优化变量约束函数,以线圈互感与线圈内阻之比为目标函数,设计了一种基于灰狼算法的定线圈间距六级MCR-WPT系统参数优化方法,并通过仿真进行了验证,结果表明,其最优传能效率达93%,所构建的六级MCR-WPT及其参数优化方法有效。

基于磁耦合的谐振式无线电能传输优化方法

磁耦合谐振式无线电能传输系统在参数发生变化时,会产生谐振补偿电路失谐现象,且易受系统振荡器高频成分影响,导致电能传输效率降低。研究了一种基于磁耦合的谐振式无线电能传输优化方法。依据磁耦合传输原理,构建谐振式无线电能传输系统的数学模型,结合有效激活函数滤除振荡器的高频成分,跟踪系统谐振频率,以系统电能传输效率最大化为目标实现无线电能传输优化。仿真实验结果表明,所提方法能够很好地跟踪系统的谐振频率,增加电能传输效率。

SS型PT对称磁耦合无线电能传输系统特性分析

为深入分析PT对称系统的电路特性,给实际系统设计提供理论准则,基于电路理论,从系统的工作原理出发对系统进行建模,证实了PT对称系统的工作机制实质为实本征态机制,并给出了系统结构以及运行模式和系统参数之间的数学关系,为实际系统的设计提供了参数准则。在此基础上,对比分析了不同实本征态的阻抗特性及能效特性,为实际系统的工作模式选取提供了理论依据。

LCC-S型无线电能传输系统的磁耦合机构参数多目标优化技术

为了解决MC-WPT系统中磁耦合机构参数设计缺乏系统性的优化方法问题,以2个平面螺旋线圈构成的电磁耦合机构作为研究及优化对象,针对LCC-S型WPT系统,提出一种磁耦合机构参数多目标优化方法。以线圈半径、传输距离和线圈匝数3个耦合机构几何参数作为决策变量,以系统传输效率、传输功率与总谐波畸变率为目标函数,利用基于带精英策略的非支配排序遗传算法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)对MC-WPT系统进行优化,得到了3个目标函数的Pareto解集。最后,将优化后的参数带入MATLAB/Simulink仿真模型中对系统进行仿真,并搭建了一套实验装置进行实验验证,仿真和实验结果证明了提出的多目标优化方法的可行性和有效性。研究提出的MC-WPT系统磁耦合机构参数多目标优化方法能够为MC-WPT系统耦合机构参数的设计提供理论性指导。

水下磁耦合式无线电能传输系统建模与分析

无线电能传输技术是解决水下设备续航问题的有效手段,但无线电能传输技术在水下应用时会受到海洋环境的影响。针对水下磁耦合式无线电能传输MCR-WPT(magnetically-coupled resonant wireless power transfer)系统,论述了磁耦合式无线电能传输系统的系统组成,建立了水下磁耦合式无线电能传输系统电路模型,并对海洋环境中产生的涡流损耗进行了定量分析。根据海洋环境分析了海水水流冲击对磁耦合式无线电能传输系统影响,并搭建实验平台进行验证。

基于磁耦合谐振式海下无线电能与信息共享耦合线圈分时传输方法

磁耦合谐振式无线电能传输和电场感应式无线电能传输是当前研究热点。能量传输往往伴随着信息传输,所以海下无线信息的传输也逐渐受到重视并发展。为此提出一种具有共享通道的无线电能与信息传输系统,使功率和信息可以在同一信道进行传输。在一个开关周期中,电能在前半个开关周期传输,数据在后半个开关周期传送。数据通过频移键控FSK(frequency-shift keying)调制方法进行调制,功率传输的频率设置为285.02 kHz。采用二进制频移键控2FSK(binary frequency-shift keying)调制方法,2个信号载波的频率分别设置为1 MHz和2 MHz。水槽实验平台采用35%盐水模拟海水环境。仿真和实验结果很好地验证了理论分析和计算,证实了电能和信息共享通道进行无线传输的系统对海下电气设备进行供电和数据传输的可行性。

基于双磁场耦合式无线电能传输的WPT系统研究

无线电能传输(WPT)被广泛用于飞机、电动汽车、手机等领域,磁耦合谐振技术(Magnetic Coupling Resonance,MCR)是实现WPT的技术手段之一,具有效率高、传输距离远等优势。针对传统MCR技术的单线圈传输系统输出功率有限的缺点,采用一种前级双线圈传输系统,前级利用两个线圈进行并联,同时进行双磁场耦合谐振式电能传输,共同给负载供电,以期输出功率放大。同时,采用模型预测控制方法对逆变器进行控制,利用模型预测控制的高抗扰性去优化WPT系统的稳定性。仿真和实验验证了所提系统的有效性。

磁耦合谐振式无线电能传输系统变电容调谐控制方法研究

在实际应用中,无线电能传输系统两耦合线圈之间的相对位置变化会使系统参数发生改变,导致系统处于失谐状态,电能传输效率降低。针对系统失谐问题,提出了一种变电容调谐控制策略,通过控制电容的充放电时间使该电容等效为一个可变电容,调制等效电容值与线圈感抗满足谐振条件,从而使系统始终处于谐振状态,可使系统发射端线圈和接收端线圈之间的传输效率达到最高。建立仿真模型,搭建基于串联-串联型谐振补偿拓扑结构的磁耦合谐振式无线电能传输系统实验样机,进行了变电容调谐控制实验。实验结果表明,在谐振频率为100 kHz、输入电压为20 V的情况下,样机能够实现无线电能稳定可靠传输,证明了该变电容调谐控制方法的有效性。

无线电能传输平板型磁耦合机构电感解析建模方法

在无线电能传输系统中,磁耦合机构的设计优化对整个系统的性能至关重要。当前这一过程优化往往依赖于有限元仿真和经验优化,其仿真计算速度较慢,严重限制了优化效率。而现有的电感解析计算公式无法求解含有限大磁体的磁耦合机构电感。针对工程中大量采用的含有磁芯的磁耦合机构电感难以快速计算的问题,该文提出一种典型平板式磁耦合机构电感解析建模方法。该方法基于磁路分析、磁阻建模、参数定标与修正等,实现了磁耦合机构由几何参数到电感参数的快速映射。与有限元仿真相比,提出的解析模型提升了求解磁耦合机构电感的计算速度及磁耦合机构的优化效率。通过有限元仿真及实验,验证了该解析建模方法的精度和速度。

无线电能传输磁耦合系统损耗优化

在不含磁芯的无线电能传输WPT(wireless power transmission)系统中,由磁耦合系统引起的损耗是系统损耗的主要组成部分之一,而磁耦合系统的损耗由接收线圈、发射线圈的电阻以及流经收发线圈的电流所决定。结合串/串S/S(series/series)补偿拓扑无线电能传输的电路响应特性,分析磁耦合系统的线圈感量、线圈电阻与线圈匝数的关系,提出了根据发射、接收线圈电流工况调整收发线圈匝数的磁耦合系统线圈匝数组合优化设计方案。绕制3组不同匝数组合的收发线圈(含优化匝数组合及两组对照匝数组合线圈)用以验证优化方案的可行性。仿真及实验结果均表明:在相同工况下,优化组合方案的线圈总损耗均低于对照组,且整体样机的效率均高于对照组。

煤矿井下双路三线圈磁耦合谐振无线电能传输系统

为提高煤矿井下无线电能传输系统的传输功率和效率,并降低各回路电容电压,改进了井下无线电能传输系统线圈的结构,提出了适合井下无线电能传输的传输系统。根据电路互感耦合理论,推导出无线电能传输系统的传输功率和效率的数学理论表达式,分别阐述了耦合系数和负载大小对传输功率与传输效率的影响。应用OrCAD与Matlab软件对传输系统各种影响因素进行仿真分析,在此基础上设计并制作了实验平台。实验得出此系统存在最佳效率传输距离,总体实验结果与理论仿真结果一致,最后通过与典型三线圈磁耦合谐振无线电能传输系统做对比实验分析,得出在井下相同传输距离时,改进三线圈磁耦合谐振无线电能传输系统在提高传输效率的同时也提高了传输功率,可为实际井下无线电能传输系统提供理论参考。

印制无线电能传输线圈的设计与优化

为更好地适应无线充电技术的应用需求,设计一种具有较高平面偏移容忍度的无线电能传输系统磁耦合结构。该结构的接收端采用印制电路板制作,并在不增加敷铜面的基础上集成平面螺线管结构,在保证线圈制作精度及结构稳定的基础上,提高磁耦合机构的抗偏移性能。依据互感原理建立基于LCC-S谐振网络的系统数学模型。根据磁耦合机构互感波动及系统效率优化线圈尺寸参数。依据优化结果制作磁耦合机构及传输系统样机。磁耦合机构互感参数测量及系统传输实验结果表明,该结构在一定平面偏移范围内具有较好的抗偏移效果。

一种单发射多接收磁耦合式多频谐振无线电能传输方法

目前,已有的多负载无线电能传输(WPT)供电系统主要采用多个基于单一谐振频率的单发射单接收磁耦合电能传输结构,存在发射和接收电路体积大、系统成本高、无线供电类型适应性差等问题。为了实现多频多负载供电应用条件下无线电能的有效传输,提出一种基于单发射多接收磁耦合结构的多频谐振无线电能传输方法,通过建立基于单相全桥逆变器及串/串(SS)谐振补偿网络的系统等效电路模型,分析脉宽调制对系统无线电能传输特性的影响规律。在此基础上,设计一种基于单极性控制的多频率复合脉宽调制(MFPWM)策略,同时实现多个磁耦合谐振频率无线电能的有效传输。最后,基于Matlab/Simulink搭建系统仿真模型,验证了所提多频谐振无线电能传输方法的可行性及有效性。

基于DQD型磁耦合机构的AGV抗偏移无线电能传输系统

针对自动引导车(AGV)在进行无线电能传输(WPT)的过程中由于线圈偏移导致耦合系数波动以及传统磁耦合机构成本、重量高的问题,提出一种基于DQD型磁耦合机构的WPT系统。首先通过Maxwell有限元仿真软件对DQD型磁耦合机构进行了建模分析,验证了所提磁芯层结构能够较大程度地节省磁芯用量,同时保留原本的耦合系数。其次,推导了基于LCC-S补偿拓扑的WPT系统输出特性,验证了优化抗偏移性能的必要性。最后,搭建了实验平台,实测与仿真结果基本一致,证明了DQD型磁耦合机构具备良好的抗偏移性能,验证了所提方案的可行性。

一种新型凹面磁耦合谐振式无线电能传输装置

目前文献中,市场上多采用平面发射线圈、平面接收线圈实现磁耦合谐振式无线电能传输,弊端是传输效率不高。针对此弊端,设计并自制一新型凹面发射线圈。利用磁通门传感器测量磁场分布,结果表明,凹面发射线圈的磁场分布较平面发射线圈明显向中轴线汇聚;搭建实验电路进行对比实验,结果表明,对于相同的平面接收线圈,凹面发射线圈较平面发射线圈传输效率明显提高,高达10%。