智能钻杆磁感应传输技术及其信道特性分析

分析感应耦合原理并制作耦合器,将仿真与实测相结合,在高频变压器模型基础上建立单个耦合器的准确电路模型。然后对多节耦合器连接的电路特性进行分析,得到每增加一个耦合器就增加了一个谐振回路的规律,进而得到磁感应传输信道的电路模型。针对多级信号传输的衰减问题,采用电容补偿的方法,增加谐振频率点的幅值以提高信号传输效率。最后,建立用于随钻信息磁感应传输的实验系统,验证磁感应信道电路模型的有效性。选取模型中的两个谐振点作为通信频点,在20节的传输系统中实现了115.2 kbit/s的通信速率。

磁感应传输钻杆耦合器设计及仿真研究

磁感应耦合传输技术是一种高效的随钻数据传输技术。分析了感应耦合线圈的磁感应传输机理,以成熟的高频变压器电路模型为基础,建立了感应耦合器的电路模型。基于磁感应传输原理设计了耦合器,并选择锰锌铁氧体作为磁芯材料。利用COMSOL软件建立磁感耦合器的二维轴对称模型。该模型由铜导线圈、"U"型铁氧体和空气域组成。通过该模型研究了耦合器的磁场分布及频率特性,结果表明:"U"型铁氧体中的磁场强度远大于周围空气的磁场强度,原边线圈的"U"型铁氧体磁场强度最大,副边线圈的磁场强度次之;磁感应耦合器输出信号幅值随着两个耦合器间距的增大而减小;随着频率的增大,输出信号的幅值先增大后减小,频率为2.1MHz时幅值最大。实验所得耦合器频率特性曲线与仿真结果较为吻合,验证了磁感应电路模型的有效性,为该技术的进一步研究提供了理论支持。

用于磁感应耦合式电能传输系统的新型补偿网络

对于恒压输入输出型的磁感应耦合式电能传输(inductively coupled power transfer,ICPT)系统,其补偿网络是系统的重要组成部分。针对现有补偿网络存在的系统电压增益会随负载值变化而变化的缺点,提出并设计一种新型的补偿网络。该新型的补偿网络可使得系统的电压增益仅与松耦合变压器的耦合系数成正比,而与负载值无关。通过分析及实验证明,该补偿网络不仅具有单位功率因数输入的特性及较高的效率,且其系统电压增益与负载值大小无关。此外,还对其工作频率的鲁棒性进行详细的分析。

基于LCL谐振变换器的电磁感应式非接触电能传输系统动态调压控制方法

为了解决电磁感应式非接触电能传输(ICPT)系统输出电压的可控动态调节问题,提出一种基于LCL谐振变换器的动态调压控制方法。发射端采用具有恒流输出特性的LCL谐振结构,使得流过发射端耦合线圈的电流呈现恒流特性。在接收端LCL谐振变换器输出侧并联一个用于调节电能输出的可控开关管,通过控制开关管的开关状态,实现电能的可控输出。当开关管关断时,接收端LCL谐振变换器输出电能给负载,输出电压上升;当开关管开通时,负载侧电能输出被切断,输出电压下降。通过检测输出电压,对可控开关管进行负反馈控制,可以动态调节电能输出功率,实现输出电压的动态调节。该方法只调节接收端,无需使用无线信道与发射端通信,电路结构及控制方法较为简单、易于实现,且适用于一个发射端对多个接收端无线供电。最后,搭建了2k W ICPT系统原理样机。通过实验验证了所提方法的可行性和正确性。

基于恒流源补偿网络的电磁感应式非接触能量传输的LED驱动电路

电磁感应式非接触能量传输(inductive power transfer,IPT)的半导体发光二极管(light-emitting diode,LED)照明系统具有便利、灵活、安全等优点。为提高IPT的传输效率,IPT松耦合变压器两边需引入补偿网络。补偿后的IPT变换器输出特性十分复杂,其输出电压或电流与变压器参数、补偿结构和参数、开关频率和负载均有关。而LED负载的等效阻抗易随温度变化,松耦合变压器的磁场并不均匀,难以设计,这些问题使得IPT LED驱动器难以直接输出LED需要的驱动电流。针对此问题,该文提出一种基于恒流源补偿网络的IPT LED驱动电路,恒流源补偿网络使得IPT输出恒流,解耦电流与负载阻抗的关系,通过提出的变压器参数和补偿参数设计方法,采用定频占空比控制,可直接输出LED所需的电流,避免使用后级变换器,避免频率控制带来的频率分叉问题。该文还提出在给定变压器尺寸、气隙、负载范围、效率下的IPT系统综合设计方案。最后,搭建了一台20 W的IPT LED驱动电路,实验结果证明所提出的补偿网络可以准确实现与负载无关的恒流输出,避免无功环流,实现较高的传输效率。

磁感应耦合无线电能传输系统控制与效率研究

以全桥逆变器拓扑的磁感应耦合无线电能传输系统为例,提出了一种控制系统工作频率的方法。通过采样二次侧输出电压,经PI调节器输出频率信号,反馈给一次侧改变系统的工作频率进而控制系统输出电压和功率。同时分析系统谐振网络输出功率、效率与系统工作频率和松耦合变压器互感的关系,进而确定松耦合变压器参数与系统频率工作范围。最后进行试验验证,试验结果与理论计算基本上一致,验证了理论分析的可行性。

磁感应耦合式无线电能传输系统效率分析及控制策略研究

磁感应耦合无线电能传输是无线电能传输方式的一种,该技术日趋成熟,已经被应用于许多行业,如电动汽车、电子产品、医疗设备、工业设备等行业。介绍了几种传统的无线电能传输方式的工作原理,并对比了这几种传输方式的优缺点。介绍了松耦合变压器的结构,并分析了不同补偿方式下,单补偿网络与双补偿网络拓扑的优缺点,进而确定试验中原、副边均采用串联补偿电容的拓扑结构。考虑变压器线圈内阻,计算谐振网络传输功率和效率与松耦合变压器互感值和系统工作频率之间的变化关系,再根据变化规律选择合适的工作频率和变压器互感值。对系统进行化简建模分析,搭建系统仿真模型,通过仿真验证了整个系统设计的可行性。

基于临界导通模式的单位功率因数感应式非接触电能传输系统接收端参数设计方法

现有电磁感应式非接触电能传输(ICPT)系统单位功率因数电能接收端参数设计过程需要反复仿真迭代、设计过程较为繁琐。为解决上述问题,提出一种近似解析法求解单位功率因数ICPT系统接收端参数设计方法。在分析临界导通模式(CRM)LCL谐振变换器激励下整流桥工作状态的基础上,采用微分方程建立了LCL谐振变换器的输入电压、电流的数学模型。并利用LCL谐振变换器并联谐振电容的基波电压对其实际电压进行近似处理,给出交流侧接CRM LCL谐振变换器的整流电路等效电感和等效电阻计算方法。进而提出CRM LCL谐振变换器的参数设计方法,使得CRM LCL谐振变换器工作在接近单位功率因数状态。最后,搭建2k W ICPT系统原理样机,通过实验验证了所提方法的可行性和正确性。

电磁感应/谐振无线输能的场-路混合仿真

针对电磁感应/谐振无线能量传输系统的效率计算,研究(电磁)场-(电)路混合仿真。将电磁感应/谐振无线能量传输系统划分为2部分:线圈耦合单元与电路单元。采用Comsol软件对线圈单元进行电磁仿真计算,得到线圈电感值及线圈间的耦合系数,将电感值及耦合系数带入Multisim软件进行电路仿真,得到系统总效率。混合仿真中电路单元不仅包括放大电路,还包括耦合线圈的等效电路模型,以此将耦合线圈和放大电路相互影响和匹配纳入仿真中。为检验场-路混合仿真准确度,设计和测试一套四线圈磁耦合谐振式无线能量传输系统,其谐振频率为4.78 MHz、无线传能距离为40 cm。混合仿真得到该系统效率为98.8%,与测试得到系统效率96.9%吻合良好。

动力及信号传输钻杆信息传输关键技术研究

动力及信号传输钻杆技术的研究旨在能由地面向井下输送电力的同时,又能建立地面与井下设备之间的双向和高速的信息通道。介绍了电力线载波通信技术、电力线工频通信技术和磁感应传输技术等3种信号传输技术,并就这3种传输技术的优缺点进行了比较。最后指出,在研究过程中对这3种信号传输技术都应给予充分重视,为最终传输方式的确定与进一步开发应用打好基础。

基于LCC的磁谐振无线电能传输发射端补偿技术

为实现磁耦合谐振式无线电能传输系统最大化功率传输,提升整机效率,提出了一种基于LCC三阶补偿网络结构的保持发射端线圈电流恒定的方法,此方法不受接收端反射阻抗影响,实现了电磁感应式无线电能传输(ICPT)系统发射端与接收端解耦设计。同时,提出了LCC补偿网络的数学模型及其参数设计方法。在不增加元件的情况下,采用LCC网络的输入基波电流补偿LCC网络的输入高次谐波电流的方法,在功率管关断瞬间,降低通过功率管的电流瞬时值,实现了高频逆变器的零电流关断,减小了功率管的开关损耗和开关应力,提高了ICPT系统的整体效率。最后,对所提方法进行了仿真分析和实验验证。仿真和实验结果验证了所提模型和参数设计方法的正确性和可行性。

无线电能传输技术研究与应用

概述了无线电能传输技术的工作原理、技术挑战以及典型应用。首先,介绍了近场传输中的电感与电容耦合机制,并对不同的拓扑结构进行比较分析,得出补偿电容参数;然后,结合近几年国内外学者的研究现状,介绍目前在无线电能传输系统中所面临的技术难题,并对相应的解决方法进行了分析;最后,概述无线电能传输技术在电动汽车和便携式电子设备中的应用,并讨论了无线能量传输技术未来的发展重点。

智能钻杆通讯关键技术研究

随着旋转导向钻井技术、随钻测井和随钻地震等地质导向钻井技术,以及钻井动态参数的井下诊断和控制技术的不断发展,石油钻井、完井进入信息化、智能化和自动化阶段,要求能对钻井过程随钻实时采集、传输、处理、反馈,并应用地质和井眼信息,及时调整施工工艺,确保作业快速、安全。泥浆脉冲测量作为随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)工具数据传输到地面的现代工业标准之一,在实际钻井中的数据传输速度往往只有1～2bit/s,不能满足众多参数随钻实时快速传输要求,限制了信息技术与钻井技术的结合。信息的高速大容量传输成为制约新技术发展的瓶颈。智能钻杆技术的研究,旨在由地面向井下输送电力的同时,建立地面与井下设备之间的双向、高速信息通道。该技术的研究与应用,既能促进井下软、硬件向智能化发展,又能构建地面与井下的网络系统。介绍了目前开发中的电力线载波通信技术、电力线工频通信技术和磁感应传输技术的原理、性能和特点。

一种基波电流补偿高次谐波电流的LCCL谐振结构参数设计方法

针对现有对称型LCL谐振结构引起电磁感应式无线电能传输(ICPT)系统逆变器功率管非零电流关断问题,提出了一种LCCL谐振结构基波电流补偿高次谐波电流的方法。摒弃了传统对称型LCL谐振结构保持输入、输出阻抗呈现纯电阻特性的思路,通过采用基波无功电流的超前输入电压相位来补偿高次谐波电流落后输入电压相位的方法,提出了一种四阶LCCL谐振结构参数设计方法。所提出的方法可以实现ICPT系统逆变环节的零电流关断。针对所提出的LCCL谐振结构参数设计约束条件较多、设计过程较为困难的问题,提出了非线性规划求解LCCL谐振结构参数方法。对所提出的方法进行了仿真与实验分析。仿真和实验表明,采用所提LCCL谐振结构参数设计方法,在ICPT系统逆变器关断瞬间,功率管进入反并联二极管续流状态,通过功率管的电流瞬时值为0,实现了ICPT系统逆变模块的零电流关断。

电动汽车无线充电系统参数对耦合影响的研究

为提高电动汽车无线充电系统耦合能力以增强系统的传输效率,总结了现有的无线电能传输(WPT:Wireless Power Transmission)方式,分析了基于磁感应耦合电能传输(ICPT:Inductive Coupled Power Transfer)技术的电动汽车无线充电系统的工作原理,建立了带有磁芯的ICPT系统互感计算模型,对系统互感与磁芯属性、线圈属性、轴偏移距离的关系以及不同结构松耦合变压器的磁屏蔽效果进行了仿真分析。结果表明,磁芯属性对系统互感的影响有上限,而线圈属性对系统互感的影响无上限,发射端摆放条形磁芯且接收端摆放圆盘形磁芯的ICPT系统能满足电动汽车无线充电系统的电源需求和电磁屏蔽要求。

交流侧接CRM LCL谐振变换器的整流电路功率因数计算方法

为解决临界导通模式(CRM)LCL谐振结构后接整流桥引入的等效电感计算较为困难的问题,提出了一种交流侧接临界导通模式LCL谐振变换器的整流电路功率因数计算方法。首先,在分析CRM LCL谐振变换器下整流桥的工作状态的基础上,采用微分方程建立了LCL谐振变换器的输入电压、电流的数学模型,并利用LCL谐振变换器并联谐振电容的基波电压值对其实际电压值进行了近似处理;然后,对所提出的方法进行了实验验证。实验结果表明:所提方法可以较为准确地计算交流侧接临界导通模式LCL谐振变换器时整流电路的功率因数。

基于ICPT技术电动汽车无线充电系统的互感分析

为了满足基于磁感应耦合电能传输(ICPT)技术的电动汽车无线充电系统高效率、低损耗的设计要求,仿真分析了松耦合变压器中磁芯属性、磁芯厚度、线圈匝数、线圈外径与互感的关系。在不降低系统互感的前提下,提出了节省磁芯体积、减少线圈损耗的方法。此外,为了得到更适用于电动汽车无线充电的松耦合变压器模型,利用ANSYS、MATLAB进行了仿真,得出了传输效率高、磁屏蔽效果好、轴偏离对互感影响小的结构模型。

线圈及其连接电路对设备腔内电磁场的影响

磁感应式无线耦合以其较高的传输效率和非接触性能等优点使其拥有巨大的工程应用前景,研究无线传输系统的电磁兼容性是保障其可靠工作的必要环节。以磁感应型无线传输设备为研究对象,利用数值计算软件,分析了线圈及其连接电路对设备腔内电磁场分布和负载耦合电压的影响。研究结果表明线圈及其连接电路会增大设备腔内电场强度和负载耦合电压,且加入连接线后会使谐振点发生偏移。随着内部负载的增大,会使通过线缆传导至腔内的电磁能量增大。电磁能量通过贯穿导线进入腔体后,以辐射和传导的方式共同作用在内部负载上。上述研究结果对后续无线传输设备电磁兼容性设计具有一定的理论指导意义。

一种三线圈IPT系统耦合机构设计与仿真

无线电能传输系统主要包括逆变环节、补偿拓扑、耦合器、整流环节四部分。实际中系统的补偿元器件出厂前已被确定,但负载变化和耦合器偏移都会影响整个系统的谐振状态,间接降低传输效率。本文提出一种新型的三线圈IPT系统的耦合器,采用在接收线圈增加反串联线圈的结构,通过maxwell 3D软件仿真验证该结构线圈在耦合器发生水平、旋转偏移时,耦合器自身参数,如自感、互感的变化率相比传统两线圈结构有明显的提升。另外,本文在通过传统两极板仿真时,得出了耦合器的自身参数受哪些变量的影响,方便读者后续工艺设计,并给出了比较适配的极板参数范围,以提供参考价值。

Slow light propagation without absorption based on intersubband transitions in a semiconductor quantum well

When semiconductor quantum wells(SQWs) interact with lasers,the group velocity of the low-intensity light pulse is studied theoretically.It is shown that by adjusting the parameters,slow light propagation of the probe field can be exhibited in such a system.Meanwhile,the probe absorption-gain spectra can be changed from absorption to zero,i.e.,electromagnetically induced transparency(EIT).It is easy to observe the light propagation experimentally,and it leads to potential applications in many fields of solid-state quantum information,for example,optical switching,detection and quantum computing.