硕士学位论文-非接触电能传输系统AC_AC变换器的研究.pdf

重庆大学 硕士学位论文 非接触电能传输系统AC/AC变换器的研究 姓名：董军 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：孙跃 20090531 重庆大学硕十学位论文中文摘要 摘要 非接触电能传输( C P T ) 系统是一种新型的电能传输技术，它摆脱了传统供电 方式通过导体直接接触供电的方式，通过感应电磁耦合关系向负载提供电能，彻 底消除了接触电火花的存在，减小了机构磨损，具有免维护或低维护运行的特点。 它以其安全、环保、低维护、适应性强等优点得到了迅速的发展。 论文以重庆市科委重点基金项目和国家自然科学基金项目为背景，主要研究 非接触电能传输系统的初级回路能量变换问题，以保证系统的稳定、高效运行。 论文首先介绍了以感应耦合电能传输技术为基础的非接触电能传输系统的原理、 基本结构和国内外的发展现状以及本课题研究的目的和意义。 论文主要针对传统A C D C A C 在C P T 系统应用中存在的缺陷，采用双向开 关直接A C A C 变换技术，该技术使用较少的功率器件实现能量的高频转换，利 于提高变换器的变换效率和鲁棒性。本文对该变换器的工作原理和控制模式进行 详细分析，并且介绍了负载变化对系统工作频率的影响及解决方法和电路的开关 换流问题的解决方案，针对双向开关直接A C A C 变换器电流峰值反馈控制存在 的滞后问题而引起的输出电流不够稳定，提出变换器的预测控制算法，使输出电 流更加平稳，系统更加稳定。 最后对这两种控制方法分别采用了M A T L A B 的S i 舢l i l l l 【进行了仿真，分析 了各自的仿真结果。设计并制作了相应的控制电路，并对预测算法控制进行了实 验验证，仿真与实验结果表明预测控制算法更能有效的改善输出电流波形，使输 出电流更加平稳。 关键词：非接触电能传输，A C A C 变换器，峰值反馈控制，预测控制算法 重庆大学硕士学位论文英文摘要 A BS T R A C T T h ec o n t a c t l e s sp o w e rt r a I l s f hs y S t 锄i san o V e lp o w e r 饥眦s f 打t e c h n o l o g y ，w l l i c h 仃 m s m i t se n e 瑁：) ，t ot l l el o a dm r o u g he l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n ga n dw i t h o u te l e 嘶c a l0 r p h y s i c a lc o n t a c t ，w h a t sm o r e ，i th 弱e l i m i n a t e dd e i r e c tc o n t a de x i s t e n c eo fe l e c t r i c s p a r kc o m p l e t e l y ，砒c e dm e c h a l l i c a la b r a S i o n ，a I l d h a s l ec h a r a c t 耐s t i c so f l o w m a i m e n a I l c enh a u sb e e nd e V e l o p e dr a p i d l yf o ri t ss e 谢饥e I l v i r o I 蛐e n t a l p r o t e c t i o n ，l o wm a i n t e I l 锄c e ，s 仃o n ga d a p t a b i l i t ya I l do t h e rc h a r a c t 舐s t i c s 1 1 1 i sp a p c ri sb a s c do nt l l eb a c k g r o u n do f 锄l dp r o j e c to fS c i e n c e & T e 曲n o l o g y d 印a n m e n to fC h o n g q i n g 锄dm eN a t i o n a lN a t u r a lS c i e l l c eF u n dp r o j e c t s ni sm a i m y f o c u s e do nt l l ee n e 曙y 仃a n s f o m l a t i o no fp r i m a r yl o o po fm eC P T s y s t e m ，t oe n s u r ei t S s t a b i l i t y 锄dI l i g l l le 伍e I l c yo ft l l es y s t e m T l l i sp a p e rm s t l yi 仰d u c e dn l e 砸n c i p l eo f i I l d u c t i V ec o u p l e dp o w e r s f 旨t e c I l l l o l o g y 血n d 锄e n t a ls t m c t l l r e ，r e s e a r c ha c t u a l i t y i l la n da b r o a d ，锄dt l l er e s e a r c h 池，s i 鲥f i c 觚c eo fm es y S t e m 1 l l i sp a p e fm a i l l l yf o c u s e do nt h ed e f e c t so ft r a d i t i o n a lA C D C A Cc i r c u i ti nt h e C P Ts y s t e I l l A d o p t e dt l l eB i d i r 僦i o n a ls w i t C hA C A Cd i r a c tc o n V e n e rt e c h n o l o 黟 w h i c hu s e dl e s sp o w e rd e V i c e st oa 幽e V eh i 班e r 丘e q u e n c ye I l e 嗡，c o n v e r s i o n ，i ti s h e l p m lt 0i m p r o V en l ee m c i e n c ya n dr o b u s t l l e S so fn l ec o n V e r t I l lt 址sp a p 它r ，n l e w o f I ( i n gp m c i p l ea l l dc o n t r o lm o d a lo f 廿l ec o n v e n e ri sm a d ed e t a i l o d 锄a l y s i s 锄的d u C et h el o a dc o n d i t i o nw i l lr e s o n a n c e 缸q u e I l c yo fs y S t c I I l 锄dr e s o l V e n to ft l l e p r o b l 锄a n dt l l em e m o do f 眦l s f o 硼c u r r e n to ft l l ec i r c u i t A c c o r d i n gt ot h ef e e d b a c k w i t l lc l l r r 锄th l s t a n t a I l e o u sv a l u eo ft h eB i d i r e c t i o n a ls w i t c hA C A Cd i r e c tc o n v e r t w h i c he x i s t 也el a gp r o b l e ml e a dt 0u n s t a b i l i 哆o f o u 印u tc u 盯e I l t S ot l l i sp 印e rp r e s 咖 廿l eC o I l t r o lo fp r e d i c t i v ea l g o r i m mo fn l eA C A Cc o n V e n e rt 0m a k e 廿l eo u t p u t 删 m o r es m o o m y 锄dm a k em es y s t e I I lm o r es t a b l 既 F i n a l l yw i m 也ea i do f 脚L A Ba n dS i 咖l i l l l ( w ec a 叫o u tas 耐骼o f s i m u l a t i o nf o rt h et w oc o n 包r 0 1m e m o d s ，a n a l y s i so ft h e i rs i m u l a t i o nr e s u l t s D e s i 驴o d 锄dp r o d u c e d 廿l ec i r c u i t o fc 0 玎e s p o n d i n gc 0 砷r o lE x p 耐m e n t a lV 耐f i c a t i o nf o r c o n 仃D lo fp r e d i c t i V ea l g o r i t l l m S 咖l a t i o na n de x p 耐m e I l t a lr e s u l t ss h o w l a tm e c o n 臼lo f p r e d i 嘶V ea l g o r i t l l 】 I li sm o r ee 疏c t i V e I ya n di m p r o V e m e I l t l yi no u 讪l tc u r r 饥t w a v e f - 0 n 1 1 K e y w o r d s ：C o n t a c t l e s sP o w e rT r a n s f 瓦A C A Cc o n V e r t 瓯f e e d b a c kw i lc l 】r r t I I l s t a I l t 锄e o u sV a l u e ，c o n t I o lo fp r e d i c t i V ea 1 9 0 r i t h I I l U 学位论文独创性声明 本人 声 明所呈交 的扯士 学位论文 盐蕉缝壁超垦拍生盈垒必! 圭亟璧翌翻盏 是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 导师签名： 亳霉 签字日期：撕6 、力 签字日期：沙7 ； 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的狃士学位论文翎l 篮他虫醯丝囱号盐幽邀复鱼窆，。是 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c N ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入C N 口 9 0 。时，可推导出电感两端电压的 基波分量为： “1 ：旦( 2 万一2 口+ s i n 2 口) c o s ( 耐)( 3 2 0 ) 电压幅值为： U l = 旦( 2 万一2 口+ s i n 2 口)( 3 2 1 ) 则等效电感为： 三P g = 瓦彘 ( 3 2 2 ) 从( 3 2 2 ) 式中可以看出，当口= 时，叼= 厶，开关在电压峰值时进行切换， 与电感自然换向时刻相同；当口= 疗时，叼为无穷大，开关的导通时间为零，此 时电感处于断路状态。 参考文献已经证明此方法能够实现稳频控制。因此不再赘述。由此可得浮频 控制和稳频控制都能满足要求，看系统具体的要求而定。 重庆大学硕士学位论文3 双向开关A c A C 直接变换器原理研究 3 3 电路的开关换流问题与解决方案 由于双向开关直接A C A c 变换器的双向开关S l 和S 2 处于相互导通工作状态， 所以实际电路实现的关键，在于功率开关之间的换流问题。在实际电路中，双向 开关S I 和S 2 必须遵循以下原则： 任意时刻两个开关不能同时开路，必须有一个开关处于导通状态，否则电 感电流没有续流回路，会引起过电压而损坏器件； 任意时刻两个开关不能同时导通，否则将造成对输入电源短路，引起过大 电流而损坏器件。针对这一问题，要使A C A C 变换器电路得以实现，就必须寻 求可行的解决方案。根据换流问题矛盾的两个方面，解决方案可分为以下两个方 案： 1 ) 重叠换流方案 这种方案采用设置重叠换流时间，来保证避免S l 、S 2 的同时关断。由于重叠 换流时间S l 、S 2 均导通，为了防止对电源电压的短路，必须在这个回路中引入限 流电感，让重叠换流时期电源电压几乎全部加在限流电感上。 2 ) 死区换流方案 这种方案采用设雹开关导通死区时间的方法，来避免S l 、S 2 的同时导通。由 于重叠换流时间S 1 、S 2 均关断，为了给滤波电感和感性负载提供续流回路，则需 要引入续流元件，即死区时间由续流元件、输出滤波电感以及负载构成能量回路。 由于主电路要求引入的续流元件本身无损耗，所以只能选择为电容。针对以上这 两个解决方向，本文采用L R C D 换流解决方案，并对其实际可行性进行研究。图 3 1 0 ( a ) 所示为采用附加L R C D 换流电路的双向开关A C A C 变换器主电路。 负 载 ( a ) u 屺D 换流A c A c 主电路图( b ) 附加L R c D 换流电路的双向开关 ( a ) M a i nc 沁u i to f A C A Cc o n V e n e r 谢n lL I t C D( b ) B i d i r e c t i o n a ls 谢t c ho fL R C D 图3 1 0 对D 换流 F i g 3 1 0T r a n s f 0 彻c l l 玎蜘to f R j r D 3 l 重庆人学硕十学位论文3 双向开关A c A C 直接变换器原理研究 该方案采用重叠时间换流，并引入了两个限流电感品和厶，使换流期间电 源电压几乎全部加在两个限流电感上，以限制流过开关管的电流峰值；为了保证 每个开关周期重叠换流期间存储在限流电感厶中的能量能够得以释放( 即厶在功 率管s 关断时需要续流回路) ，所以还必须为限流电感增加能量释放回路。基于双 向开关所采用的单有源四象限开关的特殊结构，重叠换流期间存储在限流电感厶 中的能量无法提供给负载或反馈到电网，而只能在变换器内部损耗掉，所以需要 加入损耗电阻足。这种附加换流电路方案，可称之为L R C D 换流方案。 当进入稳态后，电路在一个开关周期罩有四种工作模态，图2 1 l ( a ) ( d ) 是当电感 电流为难( 图示方向) 时各电路工作模态的等效电路，图2 1 2 为工作波形。 负 载 ( a ) 模态l ： S 1 ，S 2 0 E ( b ) 模态2 ：S l 伽，S 2 0 n ( 重叠换流期I ) ( a ) M o d e l ：S 1o n ，S 2o 仃 ( b ) M o d e 2 ：S lo n ，S 2o n ( o V e r l a pn 强s f o 衄c u 玎I 即tI ) 负 载 ( c ) 模态3 ：S lo 行，S 2 0 n ( d ) 模态4 ： S 1o n ，S 2 0 n ( 重叠换流期I I ) ( c ) M o d e 3 ：S l0 1 j F ，S 20 n ( d ) M o d e 4 ：S l ，S 2o n ( o v 酬a p 仃a n s f o mc 咖饥tI I ) 图2 1 lL R C D 重叠换流方案工作模态 F i g 2 6W b r k i I I gm o d eo fo 矾矾a p 咖s f o 咖c u 嬲l t 3 2 负 载 负 载 重庆人学硕十学位论文3 双向开关A C A C 直接变换器原理研究 G s l G s 2 t o t 1 t 2bt 图2 1 2L R C D 换流方案工作波形 F i g 2 1 2W o r k i n gw a v e 如衄o f 昀n s f o mc 1 盯即t 模态1 ( t o t 1 ) ：S lo n ，S 2o f r t o 时刻换流结束，S l 导通，S 2 关断，流过S l 的电流么= f ：，线性增加，由于限 流电感厶，远远小于滤波电感，其上电压降相对于上的压降几乎可以忽略，在此过 程中其存储的能量相对于所存储能量也几乎可以忽略：电容在“前积存的电量经 S l 、胁。构成放电回路，电量得以完全释放；由于s 2 瞬时关断，限流电感厶，中的 电流屯：( r 0 ) 将给西：充电，即厶：、o ：、胁：构成串联谐振回路，存储在厶：中的 能量将被完全转入到白，中； 模态2 ( t l t 2 ) ：S lo n ，S 2o n t l 时刻S 2 开通，即进入重叠换流期t d ，此时电路主回路中存在两个回路，一 是由电源、限流电感如、滤波电感和负载构成的回路；另一个是由电源、限流电 感、厶，构成的回路，在这个回路中，电源电压几乎全部加在限流电感驰、厶：， 从而避免了短路的发生。 模态3 ( t 2 t 3 ) ：S lo f f ，S 2o n 3 3 重庆大学硕七学位论文3 双向开关A C A C 直接变换器原理研究 t 2 时刻s l 、s 2 换流结束，S 2 关断，、厶，及S 2 构成的续流回路，线性下降， L f 中存储的能量给负载供能；与继续串联谐振，直至她中能量被完全转入到D 。 中。 模态4 ( t 3 t 4 ) ：S lo n ，S 2o n t 3 时刻S l 导通，又进入重叠换流时期t d ，与模态2 的分析过程类似。当t 4 时。 换流结束后，输入电源通过S l 给三，储能，电路进入下一个工作周期。 通过上述对L R C D 换流方案的换流原理和工作模态分析可知，选择合适的限 流电感如和厶：的参数值，可以将重叠时期流过功率开关Q l 、Q 2 、Q 3 、Q 4 的电 流峰值限制在可以接受的范围内，从而保证功率管的安全。 3 4 小结 本章主要阐述了双向开关A C A C 变换器的电路拓扑及其工作原理，分析了 负载变化对系统频率的影响，并给出了浮频控制和稳频控制来解决负载变化带来 的频率变化。最后介绍了电路的开关换流问题与解决方案。 重庆人学硕士学位论文4 双向开关A C A C 变换器电流反馈控制策略研究 4 双向开关A C A C 变换器电流反馈控制策略研究 4 1 闭环电流瞬时值反馈控制 对于C P T 系统，得到谐波含量低的高频交流电对系统的运行起到了关键的作 用，因此在控制上选用了电流瞬时值反馈控制。 本课题采用电流瞬时值反馈控制方案，利用D s P 2 4 0 7 作为主控制器，控制电 路包括取绝对值电路、误差放大电路、驱动电路、过载检测与保护电路等。控制 原理图如图4 1 所示。 微 卜D | I c 分 环 = 剖过零检测 节 么1、 控 制 弋7 器 l 采样) = = 爿峰值检测器l P e a k 卜 电流瞬时值反馈控制原理图 Fi41 S c h a t i cd i a mo f 删a c k 、订mc 嘲lI n s a I l t a r 啪l l s V a l e 流程如下：输出电感电流I A c 经过采样后，分3 路信号传给控制器。 (1振电流IAc直接给控制器作为比较信号；(2)通过微分环节测得电流的变化率 记D给控制器；(3)通过峰值检测器得到正负电流的峰值。三个信号与参考电 流If和输入电压VAc进行比较控制运算得出4路驱动信号驱动Q1、Q2、Q3、Q4， 其控略如图3所示。3 5 重庆大学硕士学位论文 4 双向开关A C A c 变换器电流反馈控制策略研究 图4 2 控制策略图 F i g 4 2D i a 铲a mo fc o n 仃o ls 仃a t e g y 从图4 2 可看出具体的控制模式如下。 4 1 1 控制模式l 电感电流，。c o ，即正弦波的上半波。分为以下几种情况；下面的p 础， 分别为峰值电流保持值和参考电流。这里定义箭头顺时针为正，箭头逆时针为负。 当c o 时p 鲫后 L ，此时，Q l 开其它关，施加反向电压使电流尽快回落到以下形成回 馈如图4 3 ( c ) 。 重庆大学硕士学位论文4 双向开关A C A C 变换器电流反馈控制策略研究 ( a ) 能龟注入图( b ) 自由谐振图( c ) 能量回馈图 ( a ) E n e r g yi l l j e c t e d ( b ) F r en l n n i n g ( c ) E n e r g y 矗，e d b a c k 图4 3 电感电流人于零时的控制模式图 F i g 4 3 油心D lm o d eo fi n d u c t o rc u 嬲l tm o 吐l 孤乃e r 0 4 1 2 控制模式2 同理电感电流，。f 1 隧O P 加7 、 F陟f 弋 厂一o 7D 2I I N 4 1 0 8l I 1 0 K 图5 1 2 精密绝对值电路 F i g 5 1 2C 沁u i to f P r _ e c i s i o na b s o l u t ev a l u e P e a k l 误差放大电路 由于给定为直流信号，反馈信号为交流信号，因此如果误差放大器接成P I 调节器，理论上可实现无差调节。P I 调节器相当于在系统中增加了一个位于原点 的开环极点，同时也增加了一个位于S 左半平面的开环零点。位于原点的极点可 以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳定性能；而增 加的负实零点则用来提高系统的阻尼程度，减缓P I 调节器极点对系统稳定性产生 的不利影响。为了限制低频段的增益，减小失调电压的影响，误差放大器的接法 如图5 1 3 所示。其中4 脚为给定信号3 V ，3 脚接输出电压反馈经整流滤波后的信 号。 5 5 重庆大学硕十学位论文 5 仿真与实验研究 = ： 图5 1 3 误差放大电路 F i g 5 13C i l l c u i to fE I T 0 r 锄p l i f i e r 0 驱动电路 高频功率开关的驱动电路如图5 1 4 所示。其中A 3 1 2 0 芯片是每个惠普公司生 产的用于驱动I G B T 、M O S F E T 期间的光电耦合器，内部结构原理如图5 1 4 ( a ) 所 示。该芯片内部集成有光耦、接口和功放单元，可驱动1 2 0 0 V 1 0 0 A 的I G B T 模 块。该芯片的主要特点为：1 ) 大范围工作电压( 1 0 V 3 0 v ) ；2 ) 最小峰值输出电流 1 A ；3 ) 最大交换速度5 0 0 n s ；4 ) 具有电压锁定保护( U V L O ) 功能。 A 3 1 2 0 光耦隔离式驱动电路应用接线如图5 1 4 ( b ) 所示。当输入信号为高电平 时，A 3 3 1 2 0 输出为高电平，由功放级的N P N 晶体管Q l 导通，功率器件极间承 受正向电压导通；当输入信号为低电平时，A 3 1 2 0 输出为低电平，功放级的P N P 晶体管Q 2 导通，功率器件极间承受反向电压关断。 I 恕f卜 C 1 3 I 肼 叫= = h 一 腓 r 、 叫2 m lI c l 4I c L 孓末丰 lI ( a ) 机构原理( b ) 应用电路 ( a ) p 山c i p l eo fi I l s t i t u t i o n ( b ) a p p l i a l l c ec i r c u i t 图5 1 4A 3 1 2 0 原理电路图 F i g 5 1 4T h ep 咖c i p l ec 雠硫o f A 31 2 0 重庆人学硕士学位论文 5 仿真与实验研究 过载检测与保护电路 对于本系统的串联谐振，为了防止由于过电流故障而造成开关管的损坏和逆 变器的不可靠工作，必须有完善的故障检测和保护环节，短路检测及保护电路能 及时检测变换电路的过载和短路故障，并发出相应的保护信号，经记忆，然后封 锁驱动脉冲。 过载和短路检测电路是通过霍尔检测直流母线电流来实现的。检测信号通过 一个电压比较器，如图5 1 5 所示，正常情况下，比较器输出低电平；出现故障情 况后，输出高电平，然后经过R S 触发器，锁存故障信号，封锁驱动脉冲，同时 故障指示灯亮。 图5 1 5 过流保护电路 F i g 5 15c 讹u i to fo V e r 吒u r r 吼tp r o t e c t i o n 电流检测电路 根据4 4 对各种电流检测的分析，本文采用电流检测霍尔C H & 一5 0 A 。图5 1 6 给出了采用电流检测霍尔C H B 一5 0 A 的电路原理图。 5 7 重庆大学硕士学位论文 5 仿真与实验研究 图51 6 霍尔电流检测的原理图 H g51 6 P r i l I c i c 妯锄a 6 c o f H 缸lc 岫蜘t 橱曲n 5 3 3 实验波形 为了验证理论设计和仿真的正确性，同时也为了验证设计达到指标要求，对 峰值预测算法控制进行了试验研究，负载为纯阻性的情况下进行，因此输出频率 固定在2 0 K H z ，以下为试验中得出的实验波形和对相应数据处理之后得到的图 形。为了方便观察Q ，Q 4 驰动信号在同一窗口显示如图51 7 。 1 警o L ”“”“嚣? ：瓢：囊奠L K i 蘩 竺艋絷j ，肿咖。，：。 眦l 肌l 蠢j j 重庆人学硕十学位论文5 仿真与实验研究 网51 8 为预测算法控制的输出电感电流转化成电堰的波形，图中可以看出系 统的输出电感电流并没有稳定在一个值，而是随着时问的变化而在一定的幅值内 变化，这主要是由本A c ，A c 变换器的控制策略决定的，两个原因导致了波形没 稳定在一个值；1 烟为预测算法控制只能对输出半个周期进行控制，都是动态实 时控制的。2 ) 能量注入的大小跟时间有定的关系，比如在输出电1 i 峰值处，能 量注入过高而导致电流过大：在输入电压过零点处，能量注入过低而导致变换不 明显。 因此本A c ，A c 变换器在稳幅方面系统还有待提高。然而在非接触电能系统 中，双向开关直接A c A c 变换器的输出电流抖动幅度在可以接受的范围内，并 不影响整个系统的正常工作。 淤牒 嘲51 8 输l U 感t U 压波形H 眄51 8w a 如呻o f 叫叫e w l m h “c t o r t 5 4 小结 本章对双向丌关A c ，A c 变换器电流瞬时值反馈和峰值预测算法控制两种控 制策略进行了仿真系统设讨，相应给出了仿真结果，结果表明预测算法控制能得 到更加平稳的输出波形。并制作了相应的对预测算法控制小型实验装置，其实验 结果表明与仿真结果有较好的一致性。 认 吖w 重庆大学硕十学位论文6 结论与展望 6 结论与展望 本课题以重庆市科委重点基金项目“非接触式电能接入新技术研究”和国家自 然科学基金项目“高效多自由度非接触电能传输系统关键技术研究”( 5 0 7 7 7 0 7 1 ) 为 背景，围绕初级能量变换电路的直接A C A C 变换器的初级电能变换的出电流的 稳定性控制进行了研究。论文首先分析了非接触电能传输系统和电能变换器的现 状，分析了一种新型的A C A C 变换器，并提出了一种适用与非接触电能传输的 控制方式，即预测算法控制。可实现低频A C 到高频A C 的直接变换。最后以 M A T L A B 为工具对系统进行了仿真，并制作了相应的实验装置验证系统的可行 性。 论文的主要研究成果包括以下几个方面： 详细分析了双向开关A C A c 变换器的电路拓扑和工作原理，分析了阻性 负载和感性负载变化时对C P T 系统初级回路频率的影响，给出了浮频控制和稳频 控制的方案对负载变换引起的频率变化进行解决。介绍了电路的开关换流问题， 给出了R L C D 的电路解决方案，使开关管同时导通时能进行换流保护。 完成了系统三个工作状态中能量注入、自由谐振和能量回馈理论上的分 析，并推导出它们之间的关系式。给出了电流瞬时值反馈的控制模式，以及为了 改善输出波形提出了预测算法控制。并对电路的开关频率、功率器件的选择以及 谐振器等主要参数进行了设计。建立了两种控制策略的M A T L 蛆仿真模型，并 制作了相应的实验装置，仿真和实验结果基本一致。 本文虽然通过实验验证了理论分析和仿真结果，但在有些方面还存在不足， 有待于进一步改善： 系统只对阻性负载进行了仿真和实验，并未对感性和容性负载进行仿真和 实验，因此不能研究出系统的最佳控制。 本文对电能变换电路输出电感电流进行稳定性控制，虽然达到了预定的稳 压效果，但在实际应用过程中可能精度不够而影响系统的工作。 重庆火学硕+ 学位论文致谢 致谢 感谢我的导师孙跃教授，感谢恩师在三年的研究生学习研究和生活中对我的 指导和关怀。恩师深厚的学术造诣、严谨的治学态度、缜密的思维和敏锐的洞察 力对我影响深远，使我在学习和研究中获益匪浅；恩师的高瞻远瞩和他的和蔼大 度的大家风范为我树立了榜样，使我终生受益。在整个项目研究过程中，恩师不 辞劳苦的与我们一切探讨研究。在相互交流的过程中他高贵的精神品格和拔萃的 人格魅力深深的影响着我们。在此，向恩师致以最崇高的敬意和表示最衷心的感 谢! 感谢苏玉刚副教授三年来对我指导和帮助。苏老师渊博的知识、严谨的科学 态度深深的影响我的学习和研究，使我获益匪浅。在此，向苏老师表示衷心的感 谢和深深的敬意! 在课题进行期间，还得到了电力电子与控制研究室戴欣老师，王智慧、唐春 森、夏晨阳博士和陈国东、付军、郑磊、王小霞、李朝伟、刘国庆和翟渊等人的 大力支持和无私的帮助，在此向他们表示衷心的感谢! 在论文完成之际，衷心感谢参考文献中的所有作者! 感谢我的家人，是他们始终在我身后支持和鼓励我。 6 l 董军 二O O 九年四月于重庆 重庆大学硕士学位论文 参考文献 【2 】 【3 】 【4 】 【5 】 【6 】 【7 】 【8 】 【9 】 【1 0 】 【1 2 】 参考文献 B o y sJT ，H uAP C o 、，i cGA C r i t i c a lQ 觚a l y s i so fac u r r e I l “I e dr e s o n a n tc o n v e r t e rf o r I C P Ta p p l i c a t i o n s 【J 】E l e c 仃0 n i c sk t 衙s ，2 0 0 0 ，3 6 ( 1 7 ) ：1 4 4 0 1 4 4 2 J T - E 1 0 y s ，G A C 嘶c ，P i c k u p 仃锄s t o m e r f o rI C P Ta p p l i c a t i o n s J ，i nP r o c E l 仃o n i c s k t t 懿，2 0 0 2 ，p p 1 2 7 乒1 2 7 8 A P H u ，J T B o y s ，F 托q u e n c y 锄a l y s i s 觚dc o m p u t a d o no fac u m 鼬t - f I e dr e s o n a n tc o n V e r t e r f o rI C P Tp o w 盯s u p p l i 鹤【J 】，i nP m c 咖t i o n a lc o n f 确c eo np 0 、眦s 皿锄航l l n o l o 鼢 2 0 0 0 1 ：3 2 7 3 3 2 B i e l T ，P e n 0 t t e t ，M ，N g I l 朗，V ，e t a l ，C o n t a c t l e s sp o w 盱锄di n f 0 1 m l a t i o n 缸彻锄i s s i o n 【J 】， 正E ET r 她s a c t i o 鸺0 nI n d u s 仃yE l e c 仃D n i c s ，2 0 0 2 ，v 0 1 3 8 N o 5 ，p p 1 2 6 的1 2 7 2 m g t a e kJ 锄g ，J o V 柚o 、，i c ，M M ，AC 0 n t t l 鼯sE l e c t r i c a lE n e r g ) rT r 锄锄i s s i o nS y s t e mf o r P o n a b b T e l 印h o 鹏B a t t e r yC h a r g 哪【J 】 I E E ET 咖s a c t i o n so nh l d u s 时E l e c 仃0 I l i c s ，2 0 0 3 ， v 0 1 5 0 ，N o 3 ，p p 5 2 肌5 2 7 董慧芬感应电能传输技术的研究 D 】天津，河北工业大学，2 0 0 2 ：3 - 1 陈小娟基于嵌入式技术的C P T 控制系统的研究与实现 D 】重庆，重庆大学，2 0 0 7 ：6 1 5 C h 锄AW ，B o y sJT 1 0k H zh d u c t i V e l yc o u p l l 觅p o w 豇n 锄s 衙- c o n c e p t 锄dc o n 臼o l 【C 】 P 眦e e d i l l g so f 吐l e5 t hI n t I 朗m 撕o n a lC 0 n f 打e n c eo nP o 、盯E l e c 仃o n i c s 弛dv a l r i a b l 争S p e e d D f i v 铭，19 9 4 ：6 9 4 6 9 9 H u s 锄锄S ，H uAP P o 、榭e 伍c i 伽c yi m p r o V e l n 锄to fac o n t a c t l e s sp o 、掰s u p p l yf o r m o V i n gs 饥s o r s 璐i I I gas o f ts w i t c h e dd e t I l l l i n gt e c h n i q u e 【A 】口E C2 0 0 3 ，6 t l lI n t 锄a t i o n a l P o w e rE n g i I l e e 曲gC o n f 酾l c e ，N o v2 7 - 2 92 0 0 3 ：l O l 3 1 0 1 7 戴欣，黄席樾，孙跃电流型全桥软开关变换器的频率跃变现象分析 J 】电工技术学报， 2 0 0 6 ，2 1 ( 6 ) ：7 8 8 2 李磊，陈道炼，胡育文两种移相控制全桥式高频环节A C 儿虻变换器比较研究【J 】电 工技术学报，2 0 0 4 ，1 9 ( 6 ) ：7 1 1 L iHL ，H uAP G a o J i I l f e n g ，D a iX D e v e l o p I n e n to faD i r e c tA C - A CC o n V e r t e rB 雒e do n aD S P A C EP l a 怕n n C 】2 0 0 6I n t e n l a t i o n a lC o n 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i o no fl o w - p r o 矗1 ec o n t a c n e S sb a t t e r yc h a r g e rl l s i I I gp l 锄a r 研n t e dc 疵u i t b o a r dw i I l d i I l g s 觞e 1 1 9 yT r 加s m i s s i d e 、，i c e J 】，I E E E1 翰n 鼢c t i o n s0 nh l d u s 仃i a l E l o c 缸饥i c s ，2 0 0 4 ，51 ( 1 ) ：1 4 0 1 4 7 【2 2 】Y u n g t a c kJ 锄g 觚dM i l 锄M J o V 锄o v i c ，Ac o n t t l 髑se l c c t r i c a l 哪盯位m s m i s s i o ns y S t e m 矗p o r c 2 I b l e t e l 印h 0 舱b a t t e r yc h a r g e r s 【J 】，班E ET r a n s a c t i o n s o nI n d u s t r i a lE l 仃0 I l i c s ， 2 0 0 3 ，5 0 ( 3 ) ：5 2 5 2 7 【2 3 】H 姆觚o ，kY 抽锄o t o ，N