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磁耦合諧振式電能無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐
摘 要：電能無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)不依賴(lài)于有線(xiàn)的傳輸媒介進(jìn)行供電，對(duì)于有線(xiàn)供電不便的特殊環(huán)境有著重要的應(yīng)用價(jià)值。本文以CD4060和L6384D高壓半橋驅(qū)動(dòng)芯片為核心，設(shè)計(jì)并搭建了無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)腟SSP型實(shí)驗(yàn)電路。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，分析了無(wú)線(xiàn)電能傳輸效率與傳輸距離、負(fù)載電阻之間的關(guān)系，為今后無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)南嚓P(guān)研究提供參考，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：四線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的SSSP型無(wú)線(xiàn)電能傳輸裝置傳輸效率并不像其他類(lèi)型傳輸裝置那樣隨距離的增加而減小，而是隨著傳輸距離的增加成倒“V”字形變化。
關(guān)鍵詞：電能無(wú)線(xiàn)傳輸 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 傳輸效率 磁耦合諧振
傳統(tǒng)的電能傳輸通過(guò)有線(xiàn)方式進(jìn)行，該方式會(huì)產(chǎn)生線(xiàn)路老化、尖端放電嚴(yán)重等不可避免的問(wèn)題，這對(duì)用電設(shè)備的可靠性和安全性提出了更高的挑戰(zhàn)。一方面，在一些特殊場(chǎng)合，如礦井、水下、加油站等，傳統(tǒng)電纜線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患，并可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失;另一方面，生活中使用的大量用電設(shè)備需電源線(xiàn)，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)電線(xiàn)交叉繁雜的不便。
無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)(WPT)，又稱(chēng)無(wú)接觸能量傳輸(Contactless Power Transmission，CPT)技術(shù)，顧名思義，即以非接觸的無(wú)線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)電源與用電設(shè)備之間的能量傳輸。早在1890年，由著名電氣工程師尼古拉・特斯拉(Nikola Tesla) 提出，因而有人稱(chēng)他為無(wú)線(xiàn)電能傳輸之父;2007年6月麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在短距離內(nèi)的無(wú)線(xiàn)電力傳輸，他們通過(guò)電磁感應(yīng)利用磁耦合共振原理成功地點(diǎn)亮了離電源2m多遠(yuǎn)處的一個(gè)60w燈泡。
迄今為止，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的方式主要有電磁感應(yīng)式、核磁共振式、輻射式等三種方式如圖1所示。
一、磁耦合諧振的工作原理
磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)輸電是非接觸式無(wú)線(xiàn)能量傳輸方式的其中一種，該方式的特別之處在于共振環(huán)節(jié)中的兩個(gè)共振線(xiàn)圈會(huì)發(fā)生高頻自激振蕩，使線(xiàn)圈的回路阻抗為最小值，從而使大部分能量在諧振的路徑上傳遞。
一個(gè)完整的磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)如圖2所示，除兩個(gè)發(fā)生自激振蕩的開(kāi)路線(xiàn)圈外，還必須有帶有發(fā)射線(xiàn)圈的高頻發(fā)射功率源和帶有接收線(xiàn)圈的接收功率設(shè)備。
圖2中，高頻振蕩電路用于控制諧振頻率;由于振蕩電路的驅(qū)動(dòng)能力很弱，需要用高頻功率放大電路驅(qū)動(dòng)后面用于電磁交換的空心線(xiàn)圈 ;空心線(xiàn)圈 能將電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，并將其感應(yīng)到與他相鄰的發(fā)射線(xiàn)圈 上;高頻共振環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)能量無(wú)線(xiàn)傳遞的發(fā)射線(xiàn)圈 和接收線(xiàn)圈 。電阻用于測(cè)量電流;負(fù)載回路中的將磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能。為了減少接收線(xiàn)圈 自激振頻率受到負(fù)載回路電抗的影響， 的感抗應(yīng)該盡量小，負(fù)載回路可認(rèn)為是純電阻回路，它反射到線(xiàn)圈 的阻抗即為純電阻，單匝線(xiàn)圈 從線(xiàn)圈 上感應(yīng)到的能量給負(fù)載 供電，從而完成整個(gè)能量的無(wú)線(xiàn)傳輸。
1、磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸基本諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)通常需要對(duì)發(fā)射端和接收端繞線(xiàn)電感進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)發(fā)射端補(bǔ)償環(huán)節(jié)接收端補(bǔ)償環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)的不同，可分PSSS，PSSP，SSSS，SSSP這4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中， (Parallel)代表并聯(lián)型補(bǔ)償， (series)代表串聯(lián)型補(bǔ)償。圖中， 為電壓型磁共振電能傳輸系統(tǒng)經(jīng)過(guò)高頻逆變電路之后的等效電壓源; 為電流型磁共振電能傳輸，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)高頻逆變電路之后的等效電流源; 、 分別為共振線(xiàn)圈1和共振線(xiàn)圈2的電感; 分別為發(fā)射端和接收端電感 的補(bǔ)償電容; 分別為發(fā)射端和接收端的等效串聯(lián)電阻; 分別為共振線(xiàn)圈1，2的等效串聯(lián)電阻; 為負(fù)載; 為接收端到共振線(xiàn)圈2的反射阻抗; 為共振線(xiàn)圈2到共振線(xiàn)圈1的反射阻抗; 為共振線(xiàn)圈1 到發(fā)射端的反射阻抗; 為發(fā)射端和共振線(xiàn)圈1之間的互感系數(shù); 為兩共振線(xiàn)圈之間的互感系數(shù); 為共振線(xiàn)圈2和接收端之間的互感系數(shù)。
諧振電容實(shí)際是通過(guò)多個(gè)電容并聯(lián)達(dá)到所要用到的值，由于每個(gè)電容電感都不是完全相同，所以最終計(jì)算出來(lái)的諧振頻率也并不一致，但基本保持256KHz。實(shí)驗(yàn)中各個(gè)主要元件的相關(guān)參數(shù)如表1所示。
發(fā)射模塊原理如圖4所示，本設(shè)計(jì)采用15V直流電源供電，晶振電路產(chǎn)生8.192MHz頻率方波信號(hào)，通過(guò)CD4060芯片5分頻后產(chǎn)生256KHz的頻率脈沖，由于該脈沖的驅(qū)動(dòng)能力弱，這里采用了L6384D高壓半橋驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該芯片產(chǎn)生的兩個(gè)獨(dú)立電位，分別控制功率場(chǎng)效應(yīng)管工作來(lái)產(chǎn)生交變信號(hào)，通過(guò)串聯(lián)諧振電路發(fā)射能量。
實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，利用晶振電路產(chǎn)生256KHz的高頻信號(hào)，采用15V直流電源供給發(fā)射模塊(5)，通過(guò)高壓半橋驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在發(fā)射線(xiàn)圈(1)上具有一定功率的正弦電磁波，經(jīng)過(guò)共振線(xiàn)圈(2)將能量傳遞到共振線(xiàn)圈(3)上，接收線(xiàn)圈(4)接收共振線(xiàn)圈(3)上的能量，經(jīng)過(guò)接收模塊(6)供給負(fù)載(7)使用。這里的4個(gè)線(xiàn)圈直徑均為20cm，共振線(xiàn)圈(3)由細(xì)銅線(xiàn)繞制而成，其他3個(gè)由粗銅線(xiàn)繞制而成。
二、實(shí)驗(yàn)與分析
為保持4個(gè)線(xiàn)圈都在通一條直線(xiàn)上，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上貼了黑膠帶，另用黑膠帶對(duì)線(xiàn)圈進(jìn)行固定，防止因線(xiàn)圈的晃動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的產(chǎn)生干擾。發(fā)射線(xiàn)圈(1)共振線(xiàn)圈(2)之間的距離和共振線(xiàn)圈(3)接收線(xiàn)圈(4)均保持在D=10cm，共振線(xiàn)圈(2)和共振線(xiàn)圈(3)之間的距離記為S，當(dāng)負(fù)載阻值R為10Ω時(shí)，從S=5cm開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，每隔5cm測(cè)一組數(shù)據(jù)，總共測(cè)6組。同理對(duì)負(fù)載阻值R為20Ω、30Ω時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
通過(guò)信號(hào)發(fā)生器直接讀出供給的電流值和電壓值，用萬(wàn)用表測(cè)量出流過(guò)負(fù)載的電流和負(fù)載兩端的電壓。利用公式分別求裝置的出輸入功率和輸出功率，利用公式求出裝置的傳輸效率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表2、表3和表4。
從以上實(shí)驗(yàn)得出：負(fù)載R相同的條件下，隨著距離S的增加，傳輸效率先增大后迅速減小;距離較近時(shí)，傳輸效率處在一個(gè)比較高的水平上;距離較遠(yuǎn)時(shí)，傳輸效率很低，基本處于難以有效利用狀態(tài)。距離S相同的條件下，隨著負(fù)載R的增加，傳輸效率也會(huì)有增加，但后期效果不明顯。
三、結(jié)語(yǔ)
采用四線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸裝置的設(shè)計(jì)，相比兩線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，很大程度的隔離了電源和負(fù)載對(duì)諧振線(xiàn)圈的影響，傳輸距離和傳輸效率也有了進(jìn)一步的提升。目前，磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸正在得到更多、更深入的研究，裝置的傳輸距離、傳輸效率和裝置小型化等方面還有待解決，相信不遠(yuǎn)的將來(lái)，利用磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的產(chǎn)品會(huì)逐漸普及。
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