松耦合变压器的传输效率测试系统设计与实现

作     者：李柏江 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：刘君

授予年度：2018年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：非接触电能传输系统 松耦合变压器 传输效率 失真 频率分段 

摘      要：非接触电能传输技术可实现电能的无电气传输,避免因接触电火花、供电回路短路而造成的安全隐患。松耦合变压器是非接触电能传输系统的核心功率元件,由于系统的负载、体积和重量等因素限制了松耦合变压器的诸多参数,使频率成为优化系统效率的唯一可变因素。因此,设计频率连续可调且满足电压需求的传输效率测试系统,对于非接触电能传输系统的效率最大化有重要意义。首先,对非接触电能传输系统的构成和工作原理进行了分析,建立了松耦合变压器的互感等效电路模型,推导出传输效率与频率的关系式;在基于松耦合变压器传输效率测试系统的需求基础上,分析了系统中功率放大电路的工作原理,并对高频变压器的频率特性以及高、低频段出现的电压衰减和失真进行了初步仿真分析。其次,设计了传输效率测试系统的主电路系统,包括大功率可调稳压电路、功率放大电路和保护电路等,并应用Multisim电路仿真软件对主电路系统进行温度扫描、交流分析以及负载特性测试;然后,对高频升压变压器进行了详细的设计计算,以损耗最小化为原则选择磁芯材料、确定磁芯结构和型号;对磁芯窗口尺寸进行优化,通过COMSOL有限元仿真软件分析了变压器的损耗特性和磁芯饱和现象;针对频率变化过程中出现的电压衰减提出了分频段改变匝数比的方法,使输出电压在需求的频率范围内基本无失真;设计了与高频升压变压器相配合的功率放大电路,在COMSOL中验证了该系统在纯阻性和阻抗性负载情况下都能实现恒压输出,并利用光耦控制直流电压通断的方式实现了分频段协调控制。最后,研发了松耦合变压器传输效率测试系统的实验样机,分别对功率放大电路与整个系统的输出性能和带负载能力进行了实验测试;提出了一种松耦合变压器传输效率的测量方法,确定了松耦合变压器的原副边功率、最大传输效率以及对应的最佳工作频率,为非接触电能传输系统的效率最大化提供一定的理论和实践指导作用。