电场耦合式无线电能传输系统的偏移特性分析

作     者：张蒙飞 

作者单位：河南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙岩洲;贾晓伟

授予年度：2022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：电场耦合 四极板耦合机构 LCLC补偿网络 偏移特性 

摘      要：随着目前工业化和人类社会的发展进步,人们对于生产和生活的便捷性的要求越来越高。在传统的工业生产与日常生活中,机器设备与电器的电能常通过有线方式提供,且电线的使用不仅限制了设备使用的自由度也为消防问题埋下了安全隐患。为此,无线电能传输技术作为一种新型方式逐渐被人们熟知,而其中电场耦合式无线电能传输技术(Electrical-field Coupled Power Transfer,ECPT)相比于其他技术更具有耦合机构灵活、无涡流损耗等优点,逐渐得到国内外科研工作者重视。本文主要针对ECPT系统的耦合机构偏移特性以及系统性能的提升进行分析研究。耦合机构作为ECPT系统的重要组成部分,对于系统传输电能的效果有着一定的影响。本文将常见的耦合机构在各种不同应用场合对比分析,根据实际因素选择了圆形平板式耦合机构模型,然后结合理论将耦合极板模型化成四极板六电容电路,并求解出π型等值电路表达形式。针对引起系统传输效能的常见耦合极板变化情况,分析了水平式和垂直式两种系统。通过对比两种偏移方式,选取抗偏移性较好的水平式进行分析,再通过理论计算和Matlab软件分析偏移对耦合电容的影响情况,最后应用Maxwell仿真软件对耦合机构的电场分布进行分析。为分析水平式偏移情况对系统传输的影响问题,本文对补偿电路的整体谐振原理进行理论分析,然后利用电路知识对LCLC补偿网络建立的数学模型进行推导,得到系统功率与效率表达式,并与偏移距离、耦合电容相联系。之后通过Matlab软件对系统的偏移情况问题进行仿真分析。仿真表明在耦合极板相距较近时,偏移会引起交叉耦合现象会使系统传输效果降低,在耦合电容减少至前60%时,系统可保持80%的传输效能。而根据设备应用场景不同选用合适旁路并联电容能够保持良好系统效率,对此可以对ECPT系统的整体传输性能进行优化。根据对系统各部分分析,进行了样机选取和制作,搭建了ECPT系统的实验平台。对耦合机构的偏移现象和系统输出进行了实验验证,结果表明,当耦合机构在偏移至等效电容设计值60%前时,系统能保持一定的传输效率稳定性,但随着偏移程度的加剧,传输效果会急剧下降。在根据设备应用场景的不同,选择合适的旁路电容大小,将有助于保持系统最佳的传输效率。本文共有图49幅,表4个,参考文献67篇。