感應式無線電能傳輸楊進

1、感應式無線電能傳輸特性研究學號:14721427 姓名：楊進一、設計任務搭建小型無線電能傳輸裝置，裝置盡可能輕量化，以便與加于磁 懸浮平臺。二、設計要求（1）在1至3cm距離下實現電能傳輸點亮12V10W丁泡（2）體積盡可能的小三、方案設計1、小型無線電能傳輸的工作原理圖i無線電能傳輸原理小型無線電能傳輸裝置的基本工作原理如圖1所示:高頻逆變部 分產生的高頻交變電流注入原邊線圈，原邊線圈中的高頻交變電流產 生高頻交變的磁場與副邊線圈電磁感應耦合 ，從而產生感應電動勢， 該感應電動勢通過高頻整流電路之后可向負載提供直流電能供應。在小型無線電能傳輸裝置的能量接入耦合機構中 ，原邊線圈與副 邊線圈間

2、存有較大的空氣間隙，因此其耦合系數K較小。為了提高小 型無線電能傳輸裝置的功率傳輸能力，減小耦合機構的體積，采用在 原邊線圈中注入高頻交變電流的方法 , 以提高松耦合變壓器的功率密 度。為了提高系統(tǒng)的能量傳輸效率 ,一般對原副邊進行補償 , 采用諧振 電路來提高系統(tǒng)的功率傳輸能力。2、耦合補償拓撲的選擇小型無線電能傳輸裝置的系統(tǒng)中 ,存在著較大的漏電感 , 限制了 其傳輸的有功功率。為了最大限度地減少無功功率的消耗 , 一般常用 電容容抗來補償電路中的感抗。 原邊的電容就是為了補償原邊的漏感 抗與副邊的反射感抗 , 從而減少小型無線電能傳輸裝置電源的視在功 率, 提高小型無線電能傳輸裝置電源的

3、功率因數。副邊的電容補償就是為了減小副邊的無功功率 , 提高系統(tǒng)的傳輸 功率能力。小型無線電能傳輸裝置中基本的補償拓撲有電容串聯補償 (S) 與電容并聯補償 (P) 兩種形式。若原邊與副邊采用串聯或并聯組合 補償方式,則系統(tǒng)的補償拓撲結構共 4種: 串聯一串聯補償拓撲 (SS)、 串聯一并聯補償拓撲 (SP) 、并聯一串聯補償拓撲 (PS) 、并聯一并聯補 償拓撲 (PS)。SS拓撲電流值太大，不宜于在設計時選用。而 SP拓撲在保證高 的耦合傳輸功率的同時能夠確保原邊諧振回路電流值不大 , 就是比較 理想的小型無線電能傳輸裝置補償拓撲結構。對比PS拓撲與PP拓撲,pp拓撲有著更高的耦合傳輸功率

4、，而且PP拓撲結構參數選擇適當 能夠獲取同樣參數條件下比 SP拓撲更高的耦合傳輸功率。通過對比 可以瞧出 ,PP 拓撲在耦合功率傳輸方面有著其它拓撲不能比擬的優(yōu)勢 但就是對于SP結構更易控制,SP拓撲也能夠達到較為理想的耦合功率傳輸效果。因此系統(tǒng)選用 SP拓撲。LpZs圖2 SP補償拓撲結構IPQUp Zp Cp二R iJS原邊的反射阻抗；Us為副邊拾取到的電壓,Ls副邊能量拾取線圈電按照主電路補償拓撲的選擇，此系統(tǒng)采用原邊串聯補償，副邊采 用并聯補償（SP補償拓撲）。其結構圖如圖2所示：其中Up為原邊逆變 橋輸出的電壓，Cp為補償電容，Lp為原邊能量發(fā)送線圈的電感，Zsr為感,Cs為副邊補償

5、電容，Zs為副邊阻抗值。則原邊的阻抗為ZpZpLpZsr原邊的反射阻抗為Zsr,2 2ZM RZsrR 1 LsCs2l 2s3 2 2 2.M CsRLsCs1 LsjR 1LsCsLs要使原邊諧振，即使原邊阻抗Zp；的虛部為零即2LpCp 1Cp3M 2 CsR22LsCs1Lsoo292R212 LsCs2Ls當副邊工作在諧振頻率點時，原邊傳輸能量的效率最大即將上式帶入原邊阻抗虛部可以得Cp1p 0 Lp M /Ls根據經驗公式1.15*LsM其中U s為副邊整流電壓，Up為原邊輸入直流電壓根據以上公式以及具體情況設計一組參數：頻率20KHZ原邊電容 0、47uF,電感 113uH,副邊

6、電容 0、55uF,電感 115uH,負載 12V10W燈T泡。根據所選用的SP補償拓撲，原邊具體電路如圖3所示,采用H橋 給發(fā)射線圈供電，MOS管選用IRFB4310,驅動芯片為IR2103,驅動電路 圖如圖4所示，由C51單片機發(fā)出頻率20KHZ的脈沖信號給驅動芯片， 負載上獲得交變20KHZ的方波電壓。整個系統(tǒng)屬于開環(huán)狀態(tài)。圖4驅動電路4、過壓保護由于電路中有電感性負載，則當開關管關斷時，漏極電流會產生極高的漏極電壓過沖，導致管子損壞，因此需對開關管設置 RCD關斷 緩沖吸收電路以實施過壓保護，如圖5所示圖5 RCD緩沖電路RC吸收回路的參數計算依據下式確定 （匕為開關管開通上升時 間,

7、tf為下降時間，ton開通時間），其中:緩沖電容：C H tr tfVce緩沖電阻：R如3C根據具體選用晶閘管IRFB4310,設計電流1安培，tr=110ns, tf=78ns, 計算得出電容1、3nF電阻6、8K。5、電容、電感線圈選擇與繞制由于要將接收線圈置于磁懸浮平臺，用于電能傳輸的線圈要盡可 能設計小點，加鐵心有利于無線電能傳輸效果但鐵心質量太大不予考 慮使用，集中繞組質量也大于平面繞組，綜合考慮選用單層平面盤狀 電感線圈。傳電線圈選用直徑將近0、8毫米的銅芯漆包線，由于原副 邊電感值設計的幾乎相等繞成單層盤狀線圈約57至58圈,平面線圈直徑10、5cm。具體實物見圖6。由于電路工作

8、于高頻，普通電容會有寄生參數以及可能產生意想不到的結果，所以選用無感電容圖6單層盤狀線圈6、副邊接收整流電路副邊接收線圈感應產生與原邊相同頻率的交流電壓 ，為了比較分 析整流之后對電能傳輸的影響而設計了整流電路。 整流電路的濾波電 容根據公式計算波紋0、05條件下算出約10uF實驗選用22uF。C 0.2891f * Acv * U其中：f為整流電路的脈沖頻率Acv為波紋系數U為整流電路最大輸出電壓I為整流電路最大輸出電流四、實驗結果與分析對于感應式無線電能傳輸，距離限制就是其最大的缺點，對于不 同距離條件下電能傳輸結果記錄如表1,在不同距離下使副邊接收線圈獲得12V的電壓的條件下（副邊燈泡獲

9、得12V交流電壓有效值）,原 邊所需要的電壓以及電流值，小燈泡標識12V10V但實際加12V電壓燈泡電流為0、62A即實際功率為7、44W距離cm0、50、71、01、41、61、82、02、53、0電壓V15、314、613、612、712、512、612、713、414、0電流A0、650、710、781、011、111、161、211、371、48諧振 電壓V16、818 821、329、734、235、93& 842、250、2功率W9、94510、36610、60812、82713、87514、61615、36718、35820、72效率0、750、720、700、580、540、5

10、10、480、410、36表1副邊未整流時電能傳輸數據根據表格數據顯示：在距離增加的條件下，副邊獲得額定電壓原 邊所需電壓先減少后增加，而電流在不斷上升，原邊所提供的功率也 在上升。整體效率也在下降。距離cm0、50、71、01、41、82、02、5電壓V18 518 117、416、516、616、718 3電流A0、650、700、791、011、201、281、63諧振電 壓值V21、418 127、336、244、747、164、4功率W12、02512、6713、74616、66519、9221、 37629、829效率0、620、590、540、450、370、350、25表2副邊

11、整流時電能傳輸數據表二為副邊接收端經過整流后，副邊獲得相同的12V電壓時原邊 所需的電壓電流值。對比表一與表二可以瞧出在相同距離下經過整流 之后的原邊所需電流值幾乎相同但所需電壓卻高于未整流時的電壓，功率增加，效率也就相對降低。對比兩種情況下的副邊電容波形，下圖 中左圖為未整流時副邊電容波形，右圖為副邊整流之后副邊電容波形 整流之后傳電的波形發(fā)生變化同時也影響傳電的效率。IB.2 VT- JVJfc.2 V字均*tacm匡可応萬戰(zhàn)豐皤CHJ珂所很nrChj囲駟.?Chi 二m # ii * & KMain il p Q.OaDtQ 9-fi-T革肉-2TV* tiTf#hi云H均冃沖wU *l

12、lf門燈申1!A .亠TXT表三為1、5cm條件下原邊施加不同電壓值副邊所拾取的電壓值（未整流）。可見副邊拾取電壓與原邊電流并不成線性關系原邊U(V)55、56、06、57、07、58、0& 59、0原邊1(A)0、370、420、470、510、560、610、650、700、75副邊U(V)2、813、303、844、354、855、375、916、457、07原邊U(V)9、510、010、511、011、512、012、513、0原邊1(A)0、800、840、900、940、991、041、091、14副邊U(V)7、848、359、009、6510、411、011、712、4表3

13、1、5cm距離下原邊不同電壓副邊拾取電壓對比原邊補償電容波形：下圖分別就是0、5cm、1、0cm 2、0cm 3、0cm條件下原邊補 償電容波形，可見0、5cm距離下電容波形正弦度不高，在一定條件下 隨著距離增加補償電容諧振電壓不斷升高，波形也不斷接近正弦。不 同距離條件下電壓升高主要有兩個原因，原因一就是距離增加互感減 少,根據折射阻抗公式其折射阻抗減少諧振電壓上升。原因二就是距 離增加互感 M值不斷接近設計值，原邊不斷靠近諧振點，諧振電壓也 就隨之上升。*1耳方Id ursravrhi ETBOnT &4 IrnVChi 器詔卅.iMJiriiuif nllr!平均TV3V r 2畚透電平

14、咼眩f-1A； SQ.4V 1： -72-4枠螺一Ehl 5.00 V 雷僚 ID J. V Ail 9.CU.1 A tbl Z:Jp平珂KftRW*非咼聊；rrrI-TV麗罕丙 日62旳右糜 3N JI V| AW1S1 ILl 生M Jt y Mio.ops A. cni /7VKJ nWznr如川pchi s an vis汕沖搟 M加A CM I Z0.(10粹環(huán)- 之碩FT SLUUUU口 5;俯量忸r鏑1B糟電辛IfijS副邊整流濾波之后波形波形瞧出波動2、5小格至3小格之間即1V至1、2V的電壓波動， 輸出12V,波紋系數約為0、1,按公式來算出波紋就是不到 0、03,但 實際為0、1。理想值與實際值之間存在很大誤差。A： 3.04 V :- 1,28 VCh1周期均方根咖根1 眉期均方恨12.0 V低信號幅值Chil-57ooVCh 212.00 V 20.0ms A| Ch1 J 0.00 V7 10月201413：40：27七、總結與體會在