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新型无接触供电系统的研究

作　者: 武瑛
导　师: 严陆光；徐善纲
学　校: 中国科学院研究生院（电工研究所）
专　业: 电工理论与新技术
关键词: 无接触供电无接触变压器互感模型初、次级补偿稳定性
分类号: TM72
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

新型无接触供电系统综合运用电磁感应耦合技术、高频变换技术以及电力电子等高新技术,安全、可靠、高效、灵活地实现了电能的无接触传输,克服了传统的电能传输中的诸多不足,开创了能量传输的新方法。本文以相对分离式变压器为主,通过理论分析、模型建立、仿真计算与实验研究相结合的方法对无接触变压器的耦合、系统的功率传输性能及补偿措施进行了研究,并在此基础上,首次在国内设计并研制了小型示范无接触充电器,分析计算了大功率无接触供电的性能。其内容主要包括: 采用基波模式分析与互感模型分析相结合的方法,建立了新型无接触供电系统模型,分析了变频控制下系统的稳定性,给出各种初、次级补偿拓扑下的稳定边界条件。采用有限元分析、积分计算和实验相结合的方法研究了罐状铁芯变压器、空心线圈的耦合随运行频率、气隙和水平位移的变化,确立了矩形线圈是稳定耦合的较有效的结构,并在此基础上,进一步研究分析了线圈尺寸对稳定性的影响情况。采用罐状铁芯变压器为实验模型,研究了无接触供电系统的耦合性能及电源供电性能随频率和负载的变化,分析得出了输出一定的功率时,初级视在功率最小的优化运行频率表达式,并得到实验验证,很好地实现了电磁结构参数和电气运行参数的结合。通过理论分析和实验相结合,研究了各种次级补偿方法的适用性以及各种初级谐振补偿方法对初级供电的影响,得出了不同情况下最为有效的初、次级补偿方法。采用所提出的无接触充电系统设计方案,设计、研制了示范无接触充电器。该充电电池容量为12Ah,额定电压36V,在充电电流为1.05A条件下,充电效率达78%。分析了大功率磁浮列车无接触供电的传输效率。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-5
目录  5-9
第一章绪论  9-27
  1.1 新型无接触供电系统发展概况  9-18
    1.1.1 引言  9-10
    1.1.2 国内外研究进展  10-18
      1.1.2.1 小功率应用  10-12
      1.1.2.2 大功率应用  12-18
  1.2 系统构成及分类  18-22
    1.2.1 无接触供电系统分类  18
    1.2.2 系统构成及工作原理  18-22
      1.2.2.1 初级变换器  19-20
      1.2.2.2 无接触变压器  20-22
      1.2.2.3 次级变换器  22
  1.3 研究意义及应用前景  22-24
    1.3.1 交通运输领域  22-24
    1.3.2 生产领域  24
    1.3.3 其它  24
  1.4 论文主要工作  24-27
    1.4.1 论文工作的提出  24-26
    1.4.2 论文主要创新点  26
    1.4.3 论文内容安排  26-27
第二章无接触供电系统性能分析  27-56
  2.1 系统分析及建模  27-34
    2.1.1 变换器  27-30
    2.1.2 无接触变压器  30-34
  2.2 耦合性能  34-38
    2.2.1 电压增益(V_(R_L)／U_P)  34
    2.2.2 输出功率P_2  34-35
    2.2.3 传输效率η  35-36
    2.2.4 视在功率S_p  36-38
  2.3 初、次级补偿技术  38-51
    2.3.1 初、次级补偿方法  39-46
      2.3.1.1 次级补偿  40-44
      2.3.1.2 初级补偿  44-46
      2.3.1.3 品质因数  46
    2.3.2 输出功率与传输效率的变化率  46-49
    2.3.3 次级串、并联补偿的研究  49-50
    2.3.4 初级补偿对电源供电影响的分析  50-51
  2.4 变频控制下系统的稳定性分析  51-54
  2.5 本章小结  54-56
第三章电感及耦合的计算  56-71
  3.1 铁芯变压器电感及耦合的计算  56-58
    3.1.1 罐状铁芯变压器  56-57
    3.1.2 平板式铁芯变压器  57-58
  3.2 空心线圈电感及耦合的计算  58-70
    3.2.1 圆形线圈  59-60
      3.2.1.1 自感  59
      3.2.1.2 互感  59-60
    3.2.2 矩形线圈  60-62
      3.2.2.1 自感  60-61
      3.2.2.2 互感  61-62
    3.2.3 圆形与矩形线圈间的互感  62
    3.2.4 耦合的计算和比较  62-68
      3.2.4.1 圆形与矩形线圈耦合随水平位移变化的比较  62-64
      3.2.4.2 线圈长宽比对耦合的影响  64-65
      3.2.4.3 长度和宽度对耦合随水平位移变化的影响  65-67
      3.2.4.4 初、次级长度不同时耦合随水平位移的变化  67-68
    3.2.5 跑道型线圈  68-70
  3.3 本章小结  70-71
第四章无接触供电系统的实验研究  71-117
  4.1 实验概况  71-77
    4.1.1 实验安排  71-73
    4.1.2 变压器  73-75
    4.1.3 实验内容  75-77
  4.2 变压器参数测定及与计算值的比较  77-91
    4.2.1 铁芯变压器与空芯变压器  77-85
      4.2.1.1 空载损耗  77
      4.2.1.2 分布电容  77-79
      4.2.1.3 电感及耦合随运行频率的变化  79-81
      4.2.1.4 铁芯与空芯变压器电感及耦合随气隙变化的比较  81-83
      4.2.1.5 铁芯与空芯变压器电感及耦合随水平位移变化的比较  83-85
    4.2.2 空心线圈对变压器电感与耦合的测定  85-91
      4.2.2.1 电感及耦合随频率、气隙的变化  85-87
      4.2.2.2 耦合随水平位移的变化  87-91
  4.3 传输特性  91-101
    4.3.1 电压增益  91-93
    4.3.2 输出功率  93-95
       4.3.2.1 频率和负载变化对输出功率的影响  93-94
      4.3.2.2 水平位移对输出功率的影响  94-95
    4.3.3 传输效率  95-97
      4.3.3.1 频率和负载变化对传输效率的影响  95-97
      4.3.3.2 水平位移对传输效率的影响  97
    4.3.4 空芯变压器的输出功率和传输效率  97-99
    4.3.5 最小视在功率频率  99-101
  4.4 补偿对传输性能的改进  101-116
    4.4.1 次级补偿  101-111
      4.4.1.1 串联补偿  101-104
      4.4.1.2 并联补偿  104-107
      4.4.1.3 串、并联补偿  107-110
      4.4.1.4 三种补偿方式补偿前后供电性能的比较  110-111
    4.4.2 初级补偿  111-116
      4.4.2.1 串联补偿  111-112
      4.4.2.2 并联补偿  112-113
      4.4.2.3 串、并联补偿  113-114
      4.4.2.4 三种补偿方式的比较  114-116
  4.5 本章小结  116-117
第五章小型无接触充电器的设计与研制  117-124
  5.1 无接触充电器的设计与研制  117-120
  5.2 无接触充电示范装置的调试  120-121
  5.3 电池充电实验  121-123
  5.4 本章小结  123-124
第六章磁浮列车无接触供电应用的分析  124-133
  6.1 传输功率为800kW，频率为2kHz，电流密度为3A／mm~2  126-127
  6.2 传输功率为800kW，频率为2kHz，电流密度为1A／mm~2  127-129
  6.3 传输功率为800kW，频率为1kHz，电流密度为1A／mm~2  129-131
  6.4 瑞士磁浮列车供电方案分析  131-132
  6.5 本章小结  132-133
第七章结论  133-135
附录论文中有关符号说明  135-136
参考文献  136-141
致谢  141-142
攻读博士学位期间发表的论文  142-143
论文答辩说明  143

新型无接触供电系统的研究

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