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1、重庆大学硕士学位论文摘要中文摘要感应耦合电能传输(ICPT)技术作为一种新型的电能传输技术得到了广泛的研究和应用。传统 ICPT 系统存在整体效率低、控制复杂、功率密度小、输入功率因数低、成本较高等缺点，在很大程度上限制了 ICPT 技术的推广和应用。本文以国家自然科学基金项目为依托，在剖析传统 AC-AC 型 ICPT 系统存在不足的基础上，对基于能量注入的 AC-AC 型 ICPT 系统及其控制策略进行研究。研究成果具有一定的理论意义和较高的实用价值。论文首先对基于能量注入的 AC-AC 型 ICPT 系统的电路结构、初级和次级电路工作原理及其模态进行详细的分析，并在此基础上建立系统输出电
2、压与输入的稳态模型。然后针对控制系统输出电压与输入电压频率相同问题，对输入电压过零点附近的谐振电流峰值进行研究，旨在分析谐振网络电流在输入电压过零点附近的振荡情况；在此基础上基于调谐电容电压峰值分析法和参考电压信号同步法，提出输出电压正负切换点控制策略，并对两种控制策略进行分析比较；通过能量注入占空比对初级回路谐振网络电流值的影响，分析基于能量注入控制的输出稳压控制策略。接着借助 SIMULINK 仿真平台对系统进行建模仿真。针对控制输出电压频率与输入电压相同问题，对基于调谐电容电压峰值分析法和参考电压信号同步法的两种控制策略进行仿真比较；针对输出稳压控制问题，对基于能量注入控制的稳压控制策略
3、，在系统输入电压不同且负载变化的情况下进行仿真。最后，基于理论研究和仿真结果搭建实验装置。阐述系统硬件选型和控制电路设计并进行实验，通过实验结果验证理论和仿真分析的正确性。关键词关键词：感应耦合电能传输，AC-AC 变换，软开关，谐振，能量注入I重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTThe inductively coupled power transfer (ICPT) technology has received extensiveapplication and research as a new type power transfer technology. Since in t
4、hetraditional ICPT system, low power density, low efficiency, low input power factor,complicated control and high cost limited the promotion and application of ICPTtechnology to a large extent. Based on the national natural science foundation and theanalysis of the deficiency of the traditional AC-A
5、C type ICPT system, this does researchon the strategy of the energy-injected AC-AC type ICPT system. The research resultshows that it has a lot of theory meaning and actual value.This paper firstly analyzes the circuit structure, primary and secondary circuitworking principle of the AC-AC type ICPT
6、system which based on energy injection,and establishes the steady model of the system output voltage and input.Then since controlling system output voltage frequency as same as the inputvoltage frequency, investigate the resonant current peak value of the input voltage roundthe zero point, its goal
7、is to analyze the surge problem of the resonant network currentwhen the input voltage round the zero point; based on the peak value analyze method ofthe resonant capacitance voltage and reference voltage signal synchronization method,propose the positive-negative switching control strategy of the ou
8、tput voltage, andcompare the two control strategy; through the influence of the energy injection dutycycle does on the primary circuit resonant network current, analyze the outputsteady-voltage control strategy based on the energy injection control.Based on the SIMULINK simulation platform to model
9、and simulate on the system.Since the control system output voltage and the input voltage frequency is the same,analyze and compare the two control strategy based on the peak value analyze methodof the resonant capacitance voltage and reference voltage signal synchronizationmethod; toward the problem
10、 of output steady voltage control, simulate the steadyvoltage control strategy based on the injected-energy control when the sys tem inputvoltage is different and the load changes.Finally, the experimental device is designed according to the theory research andII重庆大学硕士学位论文英文摘要simulation results, exp
11、atiate on the choices of system hardware and the design of thecontrol circuit. The experimental results verify the correctness of the theory and thesimulation analysis.Keywords: inductively coupled power transfer, AC-AC convert, soft-switching,resonant, energy injectionIII重庆大学硕士学位论文1绪 论1 绪论1.1 研究背景及
12、意义传统的供电模式是用电设备通过与电源连接的方式向电源取电，这种模式称之为电源直接传输模式，也叫做接触式传输模式。从电能应用伊始至今，这种传统的供电模式一直作为电能传输的主要途径。基于接触式供电模式的特点，所有用电设备都必须通过相应的连接方式与供电网络进行物理连接。随着现代工业文明的发展，这种供电方式带来的弊端也越来越明显，尤其在向移动吊装设备、电气化交通设备、生物体内置用电设备、旋转用电设备、便携式用电设备及在易燃易爆、潮湿环境下使用的特殊用电设备等供电时，传统供电模式存在不方便、不美观、危险性高等缺点，亟待一种理想的电能接入解决方案。针对传统接触式供电模式的不足，人们尝试了如激光、RF 无
13、线电波、微波、以及电磁场近场耦合等各种无线或者近似无线方式来代替传统供电模式。这些方式中，激光供电方式只能实现点对点传输，而且容易受到环境的影响，RF 无线电波和微波方式在传输功率过大时均存在辐射太强，对人体有害的弊端。目前在所有方案中最为有效的还是以电磁场近场耦合的方式实现电能近距离的无线传输。这种基于电磁场耦合的电能传输技术被称之为感应耦合电能传输（ InductivelyCoupled Power Transfer，以下简称 ICPT）技术。ICPT 技术始于上世纪 60 年代，但是由于电力电子技术的限制，该技术直到上世纪 90 年代，才真正得到了较大的发展。国外如新西兰奥克兰大学(Un
14、iversity ofAuckland)，日本崇城大学(Sojo University)、东京大学(Tokyo University)、东北大学(Tohoku University)等，国内如重庆大学(Chongqing University)，中国香港城市大学(City University of Hongkong)等研究团队从上世纪 90 年代初开始分别从不同的应用领域对 ICPT 技术进行了研究，并取得了很好的研究成果，为 ICPT 技术的后续发展奠定了基础。近年来，随着人们对电能非接触传输的需求增大，越来越多的科研院所和企业相继加入 ICPT 技术的基础研究和应用开发中来，可以说目前
15、ICPT技术的研究已经是电能传输领域最活跃的热点之一。目前，初级电源系统和用电设备所需电源形式多为交流电源。输入为交流，输出也为交流的 AC-AC 型 ICPT 系统成为 ICPT 技术研究的重点。由于感应耦合电能传输系统中系统初级能量输出部分和用电设备相对独立，二者之间通过松耦合方式进行能量传输，这就需要将系统输入电能形式变换为高频电能形式，以提高系统传输功率和效率。传统 AC-AC 型 ICPT 系统是在系统初级将输入电能形式变换为直流，根据用电设备所需进行功率调节，然后再进行高频逆变，在初级发射线圈上产生高频电流作为初级输出，系统次级将拾取到的高频电压整流后进行1重庆大学硕士学位论文1
16、绪论直流调节，最后逆变为用电设备所需的交流电。传统 AC-AC 型 ICPT 系统初、次级两个部分电路都比较复杂，存在功率因数低、功率密度不高、系统效率低、成本较高等较多问题，所以研究出一种结构简单、功率因数高、成本低廉的新型AC-AC 型 ICPT 系统是迫切需要的。基于能量注入的 AC-AC 型 ICPT 系统初级回路采用能量注入型 AC-AC 变换器，在发射线圈上产生峰值为正弦包络线的高频电流，次级回路拾取电压通过换流桥后输出频率与输入电压频率相同且电压稳定的交流电。该系统与传统 AC-AC型 ICPT 系统相比，不仅能去掉初、次级回路的直流调压环节、简化系统结构、提高系统功率密度；而且基于对初级谐振网络的能量注入控制能实现对初级回路谐振电流峰值的控制，进而控制系统次级输出电压。本文以国家自然科学基金项目为依托，针对传统 AC-AC 型 ICPT 系统存在的不足，对基于能量注入的 AC-AC型 ICPT 系统及其控制策略进行研究。研究成果具有较高的理论意义和实用价值。1.2 感应耦合电能传输技术及基本原理非接触电能传输技术泛指一切借助某种载体实现无直接电气接触的电能传输技术，目前
