基于对称PS/SP拓扑的原边闭环控制WPT系统研究

作     者：孙孟周 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐殿国

授予年度：2021年

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

主      题：无线电能传输 抗偏移 松耦合变压器 对称PS/SP拓扑 PFM 

摘      要：无线电能传输技术的出现,使得电能传输不再受到场地、维护、可靠性等因素制约,得到了广泛的关注。但是在实际应用中,松耦合变压器原副边之间不可避免地会出现相对位移,这种偏移往往会导致输出电压或电流产生较大波动,系统传输效率也会随之降低,因此必须增强系统的抗偏移性能。针对上述问题,本课题通过优化松耦合变压和补偿网络,减小松耦合变压器偏移时耦合系数的波动,同时增强系统输出电压或电流的稳恒特性。首先,本文首先对传统的松耦合变压器结构进行理论分析,据此提出了新型的D.D.D.型交错互补六线圈松耦合变压器结构,并从磁力线与磁场图谱角度分析了该结构偏移时系统的耦合系统变化趋势,证明了其具有较强的抗偏移能力。通过分析D.D.D.型松耦合变压器在水平与垂直方向上磁场分布,证明来了所提结构可同时实现抗偏移能力提升和磁屏蔽特性。最后提出了所提D.D.D.型松耦合变压器的优化参数设计方法,证明其可以通过改变线圈匝数比以适应不同实际需求。其次,由于无线电能传输系统通常存在漏磁通,无法使用传统变压器模型对其进行分析等效。本文分析了经典的T型等效模型与互感等效模型并对对称结构的二端口网络方程进行了推导,提出了基于调频控制的对称型串并联/串并联(PS/SP)拓扑结构,通过分析输出电压等比条件与系统输入零相角条件对系统输出特性影响,证明在满足输入输出电压相等和输入相角为零的前提下系统存在特殊频率,并通过仿真对其进行了验证。本文对零相角解条件下的各元件进行了应力分析,并提出了优化的参数设计方法。之后,本文采用AD8302及相关配件进行相角采集,设计了具有高精准度的基于AD8302的闭环控制系统。然后通过分析负载、自感与短路区间三种因素对系统扫频曲线的影响,提出了该拓扑优化参数选取与调整方法。最后对选定拓扑参数下的系统进行不同耦合系数下的扫频仿真,验证前文零相角解理论,同时证明了该结构具有较强的抗偏移能力最后,本文基于以上分析,搭建了输出功率250W的样机,效率达88%,验证了所提松耦合变压器和补偿网络具有较强的抗偏移能力。