Kablosuz güç aktarım sisteminin parametre optimizasyonu
Huang Jing, Shao Bing, Wang Jianfei
(State Grid Chongqing Electric Power Company Wanzhou Güç Kaynağı Şubesi, Chongqing 404000)
: Kablosuz güç kaynağı sisteminde bobinler, bobinler arasındaki karşılıklı endüktans, kompanzasyon kapasitansı ve rezonans frekansı karşılıklı olarak birbirini kısıtlar ve etkiler.Sistemin tasarımı çok parametreli ve çok değişkenli bir optimizasyon problemidir. Geçmişte, parametre optimizasyonu genellikle tek parametreli optimizasyondu ve yalnızca karşılıklı endüktansa optimize edildi ve belirli bir dönüş sayısına göre optimize edilmedi ve sistem tasarımı daha fazla düzeltme gerektiriyordu. Bu problemi çözmek için sistemin iletim gücü ve verimlilik modeline göre bobin dönüş sayısı ile öz endüktans ve karşılıklı endüktans arasındaki ilişki kullanılmakta ve optimizasyon nesnesi olarak PS-tipi topoloji alınarak sistemin doğrusal olmayan matematiksel programlama modeli verilmektedir. Algoritma, sistemin optimal tasarım parametrelerini elde eder. Son olarak, deneysel araştırmalar teorik analiz ve tasarım yönteminin doğruluğunu kanıtlamaktadır.
: Kablosuz güç kaynağı; parametre optimizasyonu; matematiksel programlama; genetik optimizasyon
TM74 belge tanımlama kodu: A Ürün numarası: 0258-7998 (2014) 12-0076-03
Endüktif Olarak Eşleştirilmiş Güç Transferi (ICPT), fiziksel olmayan temas altında elektrik ekipmanı ile güç kaynağı hattı arasındaki enerji transferini gerçekleştirir ve özellikle bazı nemli, yanıcı ve patlayıcı koşullarda geleneksel güç kaynağı modunu değiştirmek için uygundur. ICPT sistemi için, kuplaj mekanizması 2 set bobin ve 2 kompanzasyon kondansatörü içerir.İletim gücünü maksimize etmek için, bobin dönüşlerinin sayısı, kompanzasyon kondansatörleri ve sistem çalışma frekansı için makul planlar yapmak gerekir.Bu, çok değişkenli, çok kısıtlı olmayan Doğrusal optimizasyon problemi. Geleneksel parametre tasarım yöntemi, en iyi sonuçları elde etmek için karmaşık ve zor olan, adım adım ölçüm tasarım yöntemidir. Türetme yöntemi benimsenirse, matematiksel model fonksiyonunun türetilebilir olması gerekir ve bir seferde yalnızca bir parametre için optimize edilebilir ve sistemin birden fazla parametresinin optimal olması garanti edilmez, bu nedenle bu şekilde tasarlanan parametrelerin gerçek uygulamalarda düzeltilmesi gerekir ve hiçbir azalma olmaz. ICPT sistem tasarımı zordur. Genetik algoritma, çok parametreli optimizasyon problemleri için hızlı yakınsama hızına ve iyi global optimizasyon yeteneğine sahiptir Bu makale, ICPT sistem parametrelerinin tasarımını optimize etmek için genetik algoritmayı kullanmayı amaçlamaktadır.
PS tipi ICPT sistemine gelince, yapı şeması Şekil 1'deki gibi gösterilmiştir. Bunlar arasında Vi, verici bobinin rezonans devresinin eşdeğer voltaj kaynağıdır, Cp ve Co sırasıyla Lp ve Ls verici ve alıcı endüktanslarının kompanzasyon kapasitanslarıdır, Rp ve Rs sırasıyla verici ve alıcının eşdeğer seri direncidir, Ro yüktür, Zps, alıcı bobinden verici bobine yansıma empedansıdır ve Mps, iki bobin arasındaki karşılıklı endüktanstır.
Karşılıklı endüktans prensibine göre, PS topolojisi için, verici bobini ve alıcı bobin rezonanstayken, rezonans açısal frekansı 0 ve verici bobin akımı IP ise, yük Ro üzerindeki gerilim ve akımın efektif değerleri şunlardır:
2 Karşılıklı endüktans ve bobin dönüşleri ve bobin iç direnç modeli
İlk olarak, bobin dönüşlerinin sayısı, yarıçapı ve bobin aralığı ile ilgili olarak sistemin kendi kendine endüktansının ve karşılıklı endüktansının ifadelerini oluşturun.
Şekil 2'de gösterilen iki spiral bobin seti için referansa göre, bobin 1'in kendi kendine endüktansı L1 ve bobin 2'nin kendi kendine endüktansı L2 sırasıyla:
Bobin 1 ve 2 arasındaki karşılıklı endüktans M:
Bakır tel için iletkenliği 5,8 × 107 S / m'dir. O zaman birim uzunluk başına direnç:
Bunlar arasında, spiral bir bobin için, bobinin dönüş sayısı N ve bobinin yarıçapı r olduğunda, iki sargı arasındaki mesafe ihmal edilir.Bu anda, bobinin iç direnci r:
3 PS tipi ICPT sistemi matematiksel programlama modeli
Devredeki bazı gerçek koşullarla birleştirildiğinde, Cp ve Cs'nin nominal gerilimlerinin sırasıyla VCp_r ve VCs_r olmasına izin verin, ardından sistem şunları karşılamalıdır:
Formülde, kompanzasyon kondansatörü Cp ve Cs üzerindeki rezonans voltajıdır.
Mevcut duruma göre, bobin dönüşleri ve bobin yarıçapı bir maksimum değere ve bir minimum değere sahiptir.
Formülde Np-m, Np-n, Ns-m, Ns-n sırasıyla verici bobinin ve alıcı bobinin maksimum ve minimum dönüşleridir. rp-m, rp-n, rs-m, rs-n, karşılık gelen bobin yarıçapının maksimum ve minimum değerleridir.
Fiili duruma göre ayrıca bobinler arasında maksimum ve minimum değerler bulunmaktadır ve iletim verimi minimum bir değere sahip olmalıdır.
Formülde dps-m ve dps-n, verici bobin ile alıcı bobin arasındaki maksimum ve minimum mesafelerdir. Bobin f olduğunda ve endüktans L olduğunda, bobinin kompanzasyon kapasitansı şöyledir:
Kopt = f2 / L (15)
PS tipi topoloji için, verici bobin akımı Ip sabit kaldığında, sistemin çıkış gücü:
Ip ve Ro'nun maksimum, minimum ve anma değerleri ve yukarıda belirtilen her bir cihazın parametreleri biliniyorsa, f, Np, Ns, rp, rs, dps, sistem iletim verimliliğini sağlama koşulu altında sistemin iletim gücünü maksimize edecek şekilde optimize edilir, Şimdiye kadar, sistemin doğrusal olmayan programlama matematiksel modeli elde edildi:
Bobinin parametre tasarımının çok değişkenli, çok kısıtlı doğrusal olmayan bir optimizasyon problemi olduğu denklem (17) 'den görülebilmektedir.Bunu çözmek ve analiz etmek için genetik algoritma tanıtılmaktadır.Matlab'ın genetik algoritma araç kutusu kullanılarak optimizasyon sonuçları elde edilebilir.
PS topolojisinin doğrusal olmayan programlama modelini optimizasyon nesnesi olarak alırsak, sistemin bilinen koşulları şunlardır: Ip = 10 A, Ro = 50 ; parametre kısıtlamaları şunlardır: Vcp_r = Vco_r = 600 V, Vcs_r = Vcr_r = 1200 V , Icp_r = Ico_r = 30 A, Ics_r = Icr_r = 60 A, optimize edilmiş değişkenlerin f, Np, Ns, rp, rs, dps çözüm uzayları sırasıyla ,,,,,, ve minimum iletim verimliliği% 65 olarak ayarlanmıştır. Genetik algoritma, sistemin optimal parametrelerini elde etmek için kısıtlama koşulları altında formül (17) 'nin parametrelerini optimize eder: f = 20.001 kHz, Np = 45, Ns = 52, rp = 0.18 m, rs = 0.14 m, dps = 0.074 m, Bulanıklık = 0.72, optimize edilmiş parametrelerin tümü kısıtlamaları karşılar.
4 Deneysel araştırma
Parametre optimizasyonunun doğruluğunu daha da doğrulamak için, optimize edilmiş parametreler kullanılarak bir PS-tipi topoloji ICPT sisteminin deneysel bir prototipi oluşturuldu ve ana devre topolojisi Şekil 3'te gösterildi.
Bobinin dönüş sayısı, optimize edilmiş parametrelerden yapay olarak sapmıştır ve diğer parametreler, optimize edilmiş parametrelerle tutarlıdır.Şekil 4 ve Şekil 5, sistemin bobin rezonans akımı, giriş voltajı ve optimizasyon öncesi ve sonrası akım dalga şekli diyagramlarıdır. Emisyon akımının temelde değişmeden kaldığı varsayıldığında, optimize edilmiş sistem daha büyük kablosuz güç iletebilir, giriş voltajı temelde aynıdır, ancak sistem akımı 467 mA'dan 974 mA'ya yükselir.
Gerçek bir sistemde, iletim gücü ve iletim verimliliği genellikle aynı anda maksimum değere ulaşamaz.Bu sırada seçim, gerçek duruma göre yapılmalıdır.Sistem iletim gücü ana faktör ise, maksimum iletim gücü, verimlilik gereksinimleri karşıladığında kullanılmalıdır. Hedef, eğer verimlilik kilit faktörse, sistem güç gereksinimlerini karşıladığında optimizasyon hedefi olarak en yüksek verimlilikle sistem optimize edilmelidir.
5. Sonuç
Bu yazıda, karşılıklı endüktans modeline dayalı olarak, PS tipi ICPT sisteminin iletim gücü ve iletim verimliliği modellenip incelenmiştir.Optimizasyon nesnesi olarak PS tipi topoloji kullanılmış ve topolojinin doğrusal olmayan programlama matematiksel modeli oluşturulmuştur.Bu model için genetik algoritma kullanılmıştır. Sistem parametrelerinin tasarımını optimize etti ve sonunda optimizasyon sonuçlarını doğrulamak için deneysel bir prototip tasarladı ve sistem parametrelerinin tasarım gereksinimleri dahilinde olduğunu ve yüksek iletim gücü ve iletim verimliliğine sahip olduğunu doğruladı.Bu optimizasyon yöntemi, sistemin spesifik bobin dönüşlerini doğrudan elde edebilir Mühendislik tasarımı için uygundur ve iyi pratik uygulama değerine sahiptir.
Referanslar
WU H H, BOYS J T, COVIC G A. IPT sistemleri için bir AC işleme alıcı Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 2010, 25 (5): 1275-1284.
Wang Lu, Chen Min, Xu Dehong vb. Maglev treni için temassız acil durum güç kaynağı sisteminin mühendislik tasarımı.Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2007, 27 (18): 67-70.
BINGNAN W, KOON H T, NISHINO T, ve diğerleri Metamalzemeler ile kablosuz güç aktarımını deneyin.AppliedPhysics Letters, 2011, 98 (25): 1-3.
VILLA J L, SALLAN J, LLOMBART A, ve diğerleri. Elektrikli araç aküsü şarjı için yüksek frekanslı Endüktif Olarak Birleştirilmiş Güç Aktarım sistemi tasarımı Uygulamalı Enerji,
2009, 86 (3): 355-363.
SALLAN J, VILLA J L, LLOMBART A, ve diğerleri. Elektrikli araç akü şarjına uygulanan ICPT sistemlerinin optimum tasarımı. Endüstriyel Elektronikte IEEE İşlemleri, 2009, 56 (6): 2140-2149
Xia Chenyang, Sun Yue, Jia Na, vd. Birleştirilmiş manyetik rezonans güç iletim sisteminin manyetik devre mekanizmasının parametre optimizasyonu Journal of Electrotechnical Technology, 2012.27 (11): 139-145.
DEB K. Genetik büyüme için etkili bir kısıtlama yöntemi. Uygulamalı Mekanik ve Mühendislikte Bilgisayar Yöntemleri, 2000, 186 (2-4): 311-338.
WANG CS, COVIC G A, STIELAU O H.Losely coupled endüktif güç transfer sistemlerinin güç transfer kapasitesi ve çatallanma fenomeni Endüstriyel Elektronik IEEE İşlemleri, 2004, 51 (1): 148-157.
AZAD U, JING H C, Wang Y E. Endüktif olarak bağlı rezonant döngülerin bütçe ve kapasite performansı bağlantısı Antenler ve Yayılma, IEEE İşlemleri, 2012, 60 (5): 2453-2461.
