同步电感提取技术在压电风能采集装置中的应用

虽然同步电感能量提取技术(SSHI)能够显著提高压电能量采集装置的采集效率,但需要额外的位移传感器对压电片的动作状态进行检测,在压电片发生复杂形变时此方法不适用。为了提升俘能电路在非线性激励下的工作效率,本文基于小旗式压电风能采集装置,设计了一种新型自供电、自感知式同步电感能量采集接口电路,该电路可以根据压电片输出的电压判断压电片的形变量,实现同步电感开关的自动控制。同时,利用Multisim电路仿真软件,对标准接口电路及新型接口电路进行仿真分析。仿真结果表明,新型接口电路能够有效提高俘能电路在非线性激励下的能量俘获效率,与传统俘能电路相比,新型俘能电路可以使输出功率提升30%。该研究为非线性俘能电路的设计提供了理论依据。

内嵌式永磁同步电动机电感参数辨识

分析了永磁电机的同步电抗交叉饱和的特性,说明采用单变量拟合同步电抗的方法不能满足高精度实时转矩控制的要求,从而提出了自适应的参数在线参数辨识方法。仿真结果证明了参数辨识方法的有效性。在电动汽车中的实际应用验证了这种方法可以满足转矩控制的要求。

一种自感知型电感同步开关能量采集电路

电感同步开关能量采集(SSHI)电路可显著提高压电式振动能量采集装置的工作效率,然而其开关控制需要外接传感器和控制器。为此,文中提出了一种自感知电感同步开关能量采集电路(SS-SSHI),可完全不依赖外部检测和控制设备,仅通过模拟电路即可自动实现SSHI电路开关的自动开闭和电压翻转。本文阐述了SS-SSHI电路的工作原理,分析了SS-SSHI电路工作状态及功率变化。理论和实验研究表明使用SS-SSHI电路能够显著的提高能量采集效率,相比于标准能量采集电路(SEH),最大输出功率可提高99.23%。

基于非位移检测的串联同步开关电感电路

在能量收集领域,传统的同步开关电感(SSHI)技术需要检测压电片的位移,无法应用于磁电层合材料能量收集器。针对这一问题,在考虑损耗项的磁电层合材料电气模型的基础上,依据振动同相原理和压电电压方程,提出一种利用辅助电极的开路电压信号来确定主电极等效电流源的过零时刻的方法,以电压检测代替传统的位移检测,实现了串联SSHI技术。实验结果表明,与相同条件下的标准能量收集电路(SEH)相比,最大收集功率提高了60%以上。

分数槽集中绕组表贴式永磁同步电机电感参数研究

针对分数槽集中绕组单层、双层表贴式永磁同步电机电感参数的准确计算及其特性问题展开研究,推导出分数槽集中绕组单层、双层绕组形式的自感参数解析式,分析比较相同转子结构时分数槽集中绕组单层、双层在每极每相槽数不同时的自感变化规律,并对槽漏感解析研究,总结出通用表达式及相关规律。利用有限元法分析计算直、交轴同步电感,归纳出转子结构相同时分数槽集中绕组单、双层之间的同步电感比值变化规律,并通过实验得到验证。

基于串联同步开关电感的高效压电能俘获电路设计

提出了一种高效的自供电串联同步开关电感(ESPS-SSHI)电路,ESPS-SSHI电路通过简化无源的正/负峰值检测电路来检测压电元件开路电压的正、负极值,不但降低了电路的能耗,而且减少了压电元件达到峰值时与开关动作时刻的相位差,从而提高了能量提取的效率。LTspice仿真和实验验证表明:设计的电路最大输出功率可提高至标准能量俘获(SEH)电路的4. 5倍。

自供电同步开关电感阻尼电路功率特性分析

为了明确自供电式同步开关电感阻尼电路的功率特性,同时为优化开关控制电路提供理论依据,分析了该电路的阻抗特点及其输出功率随负载的变化关系,并研究了在不同激振强度下能量收集的效率。实验测试了压电悬臂梁尖端振幅为2mm及4mm时负载电路获得功率及悬臂梁振子输出的总功率。结果表明,在振幅为2mm时,负载获得的最大输出功率为38.6μW;在振幅为4mm时,最大功率187μW。在压电振子正常工作的振动强度范围内,激振强度越大,自供电式同步开关电感阻尼电路的能量收集效率越高。在200~800kΩ负载范围内,振幅为4mm时的效率比2mm时高10%左右。

一种新型同步调相机定子绕组匝间短路故障诊断方法

同步调相机在电网中的运行时间较短,有关其故障特性和诊断方法的研究仍十分欠缺,因此文中提出一种基于支路电流相位差的同步调相机定子绕组匝间短路故障诊断方法。该方法充分考虑了定子绕组匝间短路故障后故障绕组与同支路非故障绕组及其他非故障支路绕组间的互感,并在此基础上理论推导出故障相支路电流间的相位差。以一台TTS-300-2型同步调相机为例,利用有限元平台建立定子绕组匝间短路场路耦合仿真模型。结果表明:当调相机发生定子绕组匝间短路故障后,故障相支路电流间的相位差将会明显上升,并随着故障严重程度的加深而增大,且该特征基本不受故障位置和无功功率变化的影响。因此,支路电流相位差可以作为诊断同步调相机定子绕组匝间短路故障的有效依据。

每极每相槽数小于1的永磁直线同步电动机负载特性及其参数的有限元分析

永磁直线同步电动机(Permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)采用每极每相槽数小于1(q<1)分数槽结构,解决了运行的平稳性,这种直线电动机的高推力密度特性是PMLSM设计分析的关键问题。基于此,为了分析PMLSM的负载特性,建立基于二维磁场方程的PMLSM有限元分析模型。采用开放边界条件,将边端漏磁对PMLSM的影响加入有限元模型中去,提高了分析精度。从时空相量图出发,设定q<1分数槽绕组的三相电流分布,采用松弛因子法调节α角,对PMLSM额定负载推力进行迭代计算,得到采用瞬时电流法计算的PMLSM负载特性及其参数。同时对试验样机进行参数实测,将有限元计算结果和实测结果进行比较。结果表明,有限元分析模型能够确定PMLSM的负载特性,并获取PMLSM的参数以及功角特性,交、直轴同步电感参数对PMLSM的运行控制具有很大参考意义。

一种无源同步开关压电能量收集电路研究

在压电能量收集接口电路中,并联开关同步电感电路在开关断开后电感上所剩余磁能并未得到有效利用。为了克服上述问题,提出一种改进的并联同步开关电感电路,以倍压整流电路取代并联同步开关电感电路中的全桥整流电路,一方面减少整流电路耗能,另一方面在开关过程中构建新的振荡回路,将电感上存储磁能转化成电能传递至负载。再利用无源峰值检测开关电路,降低开关控制电路耗能。仿真及实验结果表明,该电路输出功率为传统并联同步开关电感电路输出功率的130%、为经典电路输出功率的9.6倍。同时,该电路中开关电路耗能仅占所采集能量的12%,可以实现能量自给。

基于S-SSHI和SECE混合的压电阵列能量俘获电路设计

串联同步开关电感(Series Synchronous Switch Harvesting on Inductor,S-SSHI)电路输出功率高整流电压范围窄,而同步电荷提取(Synchronous Electric Charge Extraction,SECE)电路则输出功率低整流电压范围宽。提出了一种基于S-SSHI和SECE混合的压电阵列能量俘获接口电路,以实现整流器峰值输出功率和最佳整流电压范围之间的平衡。所提出的电路去除了整流桥结构,而采用简单的无源峰值检测器设计,且可以在任意相位差(0~2π)下从多个压电换能器中提取能量。仿真和实验结果表明,所提出的电路具有较高的输出功率和较宽的整流电压范围,与多输入全桥整流器相比,最大输出功率提升了3.04倍。

V型游标永磁电机功率因数内在机理及其提升方法

基于功率因数内在机理的研究,提出一种提升游标永磁电机(VPM)功率因数的设计方法,该方法采用分层优化,对影响电机功率因数的主要因素,即永磁磁链和同步电感,分别进行了理论推导和优化分析。该文首先对永磁磁链进行了优化设计,利用气隙谐波作为电机结构设计与电机电磁性能之间的中间桥梁,一方面,气隙谐波作为电机参数的设计目标,另一方面,也作为电机功率因数和其他相关电磁性能的设计变量。基于永磁磁链的分析,进一步优化相关参数对同步电感的影响,从而最终确定了VPM电机的优化设计方案。此外,为了验证该方法的有效性,对优化前后电机的电磁性能进行了分析评估。最后对优化后的电机进行了加工和实验测试,理论分析和实验结果表明所提出的VPM电机功率因数优化设计方法的有效性和合理性,提升了VPM电机在轮毂电机直接转矩驱动系统中的应用潜力。

新型同步机械开关提升压电能量收集效率及其在非线性系统下的特性分析

针对压电能量收集(PEH)技术中的自供电电感同步开关能量收集电路(SP-SSHI)有相当大的能量损失问题,对电感同步开关能量收集电路(SSHI)、采用电子开关的SP-SSHI(ESP-SSHI)电路以及位移极值检测传感器等方面进行了研究,并通过对已有的同步机械开关的SP-SSHI(MSP-SSHI)进行了总结归纳,提出了一款新型的同步机械开关。将该同步机械开关运用到自供电电感同步开关能量收集电路中,且对该机电MSP-SSHI系统进行了建模分析和实验对比。研究结果表明:MSP-SSHI工作在线性条件下时,比传统能量收集电路有较高的能量收集效率;工作在双稳态惯性振荡非线性系统下时,有更宽的能量收集频率范围。

基于S-SSHI和SECE混合的自供电能量俘获电路

为解决现有压电能量俘获电路效率低、开关辅助电路结构复杂且能耗高等问题,基于串联同步开关电感(Series Synchronized Switch Harvesting on Inductor,S-SSHI)电路输出功率峰值高和同步电荷提取(Synchronous Electric Charge Extraction,SECE)电路负载范围宽的优点,提出一种具有自供电功能的能量俘获电路。为实现SSSHI电路和SECE电路混合,基于二者开关动作均在压电元件开路电压的极值点,提出了正极值点电压翻转、负极值点电荷提取的策略;设计了两个非对称无源正/负峰值检测电路检测正/负极值,使正/负半周期的工作模式分别为S-SSHI和SECE,从而达到输出功率和负载范围的平衡。通过仿真建模研究所提电路的可行性,验证了所提电路俘能性能优越,输出功率峰值可达SEH电路的4倍,同时具有较宽的负载范围。

一种高效压电能量收集器的设计及供电研究

为了优化压电能量收集器的性能以解决植入式传感器的自供电问题,设计了一种双耳悬臂梁的压电结构并提出了一种高效的自供电并联同步开关电感(ESPP-SSHI)电路。通过模型建立和ANSYS及MULTISIM的仿真实验,验证了压电结构的合理性及接口电路性能的可靠性。结果显示:压电结构的一阶固有频率从84.653 Hz降到了59.962 Hz,谐振时开路电压达3.75 V,电路的输出功率为0.97 mW,是并联同步电感(P-SSHI)电路的2.63倍,压电结构的整体功率密度为1.2 mW/cm^(3).

一种高效压电式能量回收接口电路的优化设计

阐述了几种压电发电机接口电路的工作过程和原理,包括标准能量回收电路,同步电荷提取电路,并联同步开关电感电路,串联同步开关电感电路和双同步开关电感电路,并从阻抗匹配角度分析了以上五种电路输出最大功率时的最佳负载阻抗范围。为了最大化地回收自然界中的振动能量,以双同步开关电感电路为例,针对其控制过程复杂且要求精确的特点,提出了一种具体的硬件电路实施策略并进行了Pspice仿真。仿真结果与理论值吻合。

压电俘能器研究现状及新发展

压电俘能器以其微型、环保、自供能的特点在微电子设备应用领域得到广泛关注。从压电俘能器常用的压电材料出发,简单总结了目前应用最广泛的压电陶瓷PZT、压电复合材料PVDF、1-3型压电纤维复合材料的性能和制备方法;阐述了压电俘能器的结构设计,在此基础上从提高压电能量俘获的效率和功率的角度重点介绍了接口电路的类型和俘获能量的效果,总结了压电俘能技术未来的研究趋势和方向。

自供能压电振动能量回收接口电路优化设计

为了更适用于为无线传感网络供电,设计了一种自供能双同步开关电感电路(Self-powered DSSH电路)。在压电换能器中增加了2个压电片:一片为传感器,通过微分器和比较器产生与振动同步的脉冲信号;另一片为供能片,为微分器和比较器供能。由无源峰值检测开关组成的DC-DC变换器能及时地将能量回收为负载供电。实验结果证明,设计的自供能双同步开关电感电路输出功率达到305μW,相比标准电路提高了3.05倍,且一直保持最佳输出功率。

基于频率变换的压电俘能器接口电路设计

设计了一种可以减小匹配电感的双同步开关电感电路。建立了仿真模型,仿真结果表明该电路的能量采集的功率最大可达1.9 mW。与一般同步电荷提取电路相比,该电路可以使整体电路体积减小了2/3。将此电路应用于不同形状的压电片的振动能量俘获,发现振动频率和压电片的形状对该电路收集到的能量都有影响,当振动频率为40 Hz时,在矩形压电片上收集到的能量最多。

一种具有冷启动功能的自供电压电能量收集系统

文章根据并联同步开关电感收集(parallel synchronized switch harvesting on inductor,P-SSHI)技术,提出一种自供电的压电能量收集系统,实现了在低激励环境下的系统启动和电压输出功能,并基于压电材料分离电极理论设计冷启动电路。该系统采用带有有源二极管的P-SSHI整流电路代替传统的整流结构,以减少整流过程的能量损耗,能够在动态范围内调节输出电压,实现多输出负载的功能。基于0.18μm CMOS工艺仿真结果表明,该系统的电压翻转效率达到85%,输出功率是采用传统整流电路的5.8倍,同时能够产生1.2、1.8 V 2种电压,用于不同负载供电。该自供电能量收集系统可用于解决物联网无线传感器网络节点的自供电问题。