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      無線電能傳輸裝置的設(shè)計與分析

      2015-05-30 00:09:17林柏林
      中國新通信 2015年6期
      關(guān)鍵詞:傳輸

      林柏林

      【摘要】 無線電能傳輸是借助于電磁場或者電磁波進(jìn)行能量傳輸?shù)囊环N技術(shù)。電能給人類帶來巨大的發(fā)展和便利,然而錯綜復(fù)雜的輸電線分布在生活的各個角落,既不美觀又不方便,因此人類一直想要擺脫電線的束縛而能夠?qū)崿F(xiàn)電能無線傳輸?shù)膲粝?。本文章介紹了無線電能傳輸?shù)膸追N方式,并通過比較他們的利與弊,選擇最合適的方式,以追求最大的利益。

      【關(guān)鍵詞】 無線電能 傳輸 諧振耦合 MRPT

      一、系統(tǒng)設(shè)計方案及論證

      1.1 無線電能發(fā)射部分

      發(fā)射電路作為無線電能傳輸傳輸系統(tǒng)中的重要組成部分該部分設(shè)計的好壞對總的傳輸功率也有著十分重要的影響。因此在給系統(tǒng)中設(shè)計出一個高效的發(fā)射電路也是十分重要的一環(huán)。本設(shè)計使用門極諧振電路驅(qū)動MOS管,其開關(guān)速度快,屬于軟開關(guān),可以實現(xiàn)較低信號,產(chǎn)生較高電壓來驅(qū)動MOS管,利于能量傳輸,效率高。

      1.2 無線電能傳輸部分

      采用兩個自諧振線圈。電感線圈的設(shè)計和制作方法中我們了解到在高頻狀況下,線圈匝間電容和集膚效應(yīng)將會是導(dǎo)致電阻增加而造成Q值降低,在空心電感的設(shè)計上都是應(yīng)該考慮的。但這些因素恰恰是引起線圈諧振所必需的,在諧振耦合中好似加以利用的。另外提到有關(guān)線圈電感量計算公式中,都沒有關(guān)于線圈所用繞線直徑方面的內(nèi)容,這就表明了線圈的電感量與線徑無關(guān)。

      但實際上,線徑大小雖然不影響線圈的電感量,卻對線圈性能有影響。也就是說,線徑越細(xì),線圈的等效串聯(lián)電阻就越大,Q值就越低,線圈性能就越差。

      1.3 無線電能接收部分

      無線電能的接受由三大部分組成,分別是整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。整流是為了方便接收線圈將高頻率的正弦交流電壓轉(zhuǎn)化成我們負(fù)載所需要的電壓。整流有半波整流和橋式整流。通過實驗比較可知,橋式電流的效率以及對二極管的保護(hù)能力相對于其他方案要占優(yōu)勢一些。雖然整流可以將高頻的交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓,但是輸出電壓會由很大的脈動成分,這樣在給諧波進(jìn)行供電時會受到很大的諧波干擾,因為我們還需要濾波。

      濾波分為有源濾波與無源濾波,因為本實驗是給兩個LED燈供電,沒有太高要求,因此我們采用無源濾波。而無源濾波又分為電容濾波,電感濾波和復(fù)式濾波,但是電容濾波比較簡單,因此采用無源濾波。在經(jīng)過了整流和濾波后,雖然高頻交流電變成了直流電并且消除了濾波干擾,但是輸出的電壓卻不穩(wěn)定,為了滿足要求,我們就需要添加穩(wěn)壓器件,把電壓控制在要求的電壓值。

      1.4 顯示處理部分

      為了便于觀察實驗結(jié)果,采取單片機驅(qū)動液晶同時進(jìn)行A/D裝換。

      二、系統(tǒng)理論分析與計算

      2.1無線電能傳輸理論分析

      在本實驗中,我們采用的是諧振耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)。 在本實驗中就是采用的兩個線圈,當(dāng)線圈中通交流電時,線圈周圍就會產(chǎn)生隨時間變化的電場,于是空間就會有一系列的電場和磁場效應(yīng),能量從線圈上發(fā)射,變化的磁場與變化的電場一起向外輻射,就產(chǎn)生了電磁波,從而就可以達(dá)到無線傳遞能量的目的。

      在此無線諧振耦合電路中,由于電磁耦合無線電能傳輸?shù)闹C振頻率都在兆赫茲,而逆變電路的最高逆變頻率只在幾百K赫茲,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到諧振器的工作頻率,因此選用高頻振蕩電路作為信號源。另外在試驗中發(fā)現(xiàn)頻率一個很小的變化對整個系統(tǒng)的影響都非常大,由于所涉及振蕩電路頻率可調(diào)的范圍有限,所以用八兆有源晶振搭建的信號源,通過門極諧振電路來驅(qū)動MOS管,降低前級驅(qū)動損耗,再驅(qū)動后極E類射頻放大電路。

      2.2無線電能傳輸理論計算

      松耦合變壓器模塊的主要作用就是將能量轉(zhuǎn)換后的高頻電源耦合到用戶端。松耦合部分(可分離式變壓器)是能量傳輸?shù)年P(guān)鍵。松耦合系統(tǒng)通過大間隔的耦合電感傳輸電能,所以產(chǎn)生很大的漏感,造成原邊電流很大部分通過耦合電感流回電源,因而效率較低。為了提高效率并減小設(shè)備體積,辦法是提高工作頻率并使其工作于諧振狀態(tài),這時工作電流近似為正弦波形。設(shè)M為耦合裝置互感,LP和LS為初級、次級激勵電感,初級磁場發(fā)射的高頻載流線圈工作角頻率為w,電流有效值為iP,則松耦合系統(tǒng)次級電路接受線圈的開路電壓為Voc:

      相應(yīng)地,次級線圈的諾頓等效電流Isc為:

      次級電路品質(zhì)因數(shù)為QS:

      R為次級電路等效電阻。

      無線供電系統(tǒng)的能量傳輸能力,即次級線圈能夠獲得的最大功率Pm為:

      其中,松耦合變壓模塊如圖1所示。

      因此,增大系統(tǒng)能量傳輸能力的方法有:增大工作頻率f(w)、增加初級電流iP、增大互感M或減小次級自感LS、增大品質(zhì)因數(shù)QS。由于品質(zhì)因數(shù)不宜過大,因而有效系統(tǒng)傳輸能力的方法是增大工作角頻率w和初級電流iP。

      能量調(diào)節(jié)模塊主要是調(diào)節(jié)電流,其主要作用是提高系統(tǒng)能量的傳輸能力,實際電路設(shè)計時采用多個電容串并聯(lián)的方法來實現(xiàn)功率補償調(diào)控。

      由于線圈拾取機構(gòu)與導(dǎo)軌間的距離總是處于一種隨機變化狀態(tài),導(dǎo)致拾取線圈中的感生電動勢幅值也不斷發(fā)生改變。因此,由其形成的電壓源不能直接驅(qū)動負(fù)載,必須經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié),才能以穩(wěn)恒電壓源的形式給負(fù)載提供穩(wěn)定、有效供電。同時為了改善負(fù)載性質(zhì),使其在初級側(cè)的反射阻抗呈純阻性,提高系統(tǒng)的傳輸功率和效率,需在整流前加入一個功率補償電路。

      三、電路設(shè)計圖

      此電路主要是由發(fā)射裝置,傳輸裝置以及接收裝置所組成。主要有三大部分,分別是穩(wěn)壓模塊,射頻放大電路以及橋式整流電路,完成給兩只串聯(lián)LED燈供電。

      3.1穩(wěn)壓模塊

      線性穩(wěn)壓器7805能有效的將15V的電壓轉(zhuǎn)換為5V供其他模塊使用,且成本低廉,效果好。

      3.2射頻放大電路

      信號源通過74hc14對信號進(jìn)行整流,然后通過門極諧振電路來驅(qū)動MOS管,組成E類射頻放大電路,進(jìn)行能量發(fā)送,其電路如圖2所示。

      3.3橋式整流電路

      橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。其中的變壓器起變壓的作用,二極管相當(dāng)于單向?qū)щ娮饔茫膫€二極管二二輪流導(dǎo)通與截止使波形完整,電路如圖3示。

      四、測試方案及試驗結(jié)果

      功率(W)

      距離(cm) 實驗數(shù)據(jù) 理論數(shù)據(jù)

      0 0.98 14.7

      5 1.33 14.5

      10 0.413 14.3

      為了驗證理論設(shè)計和實際裝置測試值的正確性,同時也為了論證設(shè)計達(dá)到指標(biāo)要求,對樣機進(jìn)行了實驗研究。上為試驗數(shù)據(jù)。

      從表中可知理論數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)有一定差別,其主要原因:一部分是元器件參數(shù)存在的誤差,另一部分在高頻情況下,元器件會產(chǎn)生內(nèi)部寄生電容,并且還要考慮導(dǎo)線的電感。并且射頻放大模塊本身效率不高導(dǎo)致與理論相差較大。

      五、設(shè)計總結(jié)

      本次設(shè)計,主要是實現(xiàn)無線能量傳輸?shù)墓δ?,并且要達(dá)到一定的效率,整個過程中想過多種方案,最終確定為E類射頻放大電路,但在調(diào)試過程中實驗數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)差別較大,提高效率是今后努力的方向。

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