感應(yīng)式無線電能傳輸楊進

1、感應(yīng)式無線電能傳輸特性研究學(xué)號:14721427 姓名：楊進一、設(shè)計任務(wù)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(shè)計要求（1）在1至3cm距離下實現(xiàn)電能傳輸點亮12V10W丁泡（2）體積盡可能的小三、方案設(shè)計1、小型無線電能傳輸?shù)墓ぷ髟韴Di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(chǎn)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(chǎn) 生高頻交變的磁場與副邊線圈電磁感應(yīng)耦合 ，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢， 該感應(yīng)電動勢通過高頻整流電路之后可向負(fù)載提供直流電能供應(yīng)。在小型無線電能傳輸裝置的能量接入耦合機構(gòu)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(shù)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(gòu)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?fù)涞倪x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?shù)挠泄β省榱俗畲笙薅鹊販p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(shù)。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?fù)溆须娙荽?lián)補償 (S) 與電容并聯(lián)補償 (P) 兩種形式。若原邊與副邊采用串聯(lián)或并聯(lián)組合 補償方式,則系統(tǒng)的補償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)共 4種: 串聯(lián)一串聯(lián)補償拓?fù)?(SS)、 串聯(lián)一并聯(lián)補償拓?fù)?(SP) 、并聯(lián)一串聯(lián)補償拓?fù)?(PS) 、并聯(lián)一并聯(lián)補 償拓?fù)?(PS)。SS拓?fù)潆娏髦堤螅灰擞谠谠O(shè)計時選用。而 SP拓?fù)湓诒ＷC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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對比PS拓?fù)渑cPP拓?fù)?pp拓?fù)溆兄叩鸟詈蟼鬏敼β?/p>

4、，而且PP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)選擇適當(dāng) 能夠獲取同樣參數(shù)條件下比 SP拓?fù)涓叩鸟詈蟼鬏敼β?。通過對比 可以瞧出 ,PP 拓?fù)湓隈詈瞎β蕚鬏敺矫嬗兄渌負(fù)洳荒鼙葦M的優(yōu)勢 但就是對于SP結(jié)構(gòu)更易控制,SP拓?fù)湟材軌蜻_(dá)到較為理想的耦合功率傳輸效果。因此系統(tǒng)選用 SP拓?fù)?。LpZs圖2 SP補償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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?fù)涞倪x擇，此系統(tǒng)采用原邊串聯(lián)補償，副邊采 用并聯(lián)補償（SP補償拓?fù)洌Ｆ浣Y(jié)構(gòu)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(dāng)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(jù)經(jīng)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(jù)以上公式以及具體情況設(shè)計一組參數(shù)：頻率20KHZ原邊電容 0、47uF,電感 113uH,副邊

6、電容 0、55uF,電感 115uH,負(fù)載 12V10W燈T泡。根據(jù)所選用的SP補償拓?fù)洌吘唧w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(qū)動芯片為IR2103,驅(qū)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(qū)動芯片， 負(fù)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(qū)動電路4、過壓保護由于電路中有電感性負(fù)載，則當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，漏極電流會產(chǎn)生極高的漏極電壓過沖，導(dǎo)致管子損壞，因此需對開關(guān)管設(shè)置 RCD關(guān)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(shù)計算依據(jù)下式確定 （匕為開關(guān)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(jù)具體選用晶閘管IRFB4310,設(shè)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?shù)木€圈要盡可 能設(shè)計小點，加鐵心有利于無線電能傳輸效果但鐵心質(zhì)量太大不予考 慮使用，集中繞組質(zhì)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(shè)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(shù)以及可能產(chǎn)生意想不到的結(jié)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(yīng)產(chǎn)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?shù)挠绊懚O(shè)計了整流電路。 整流電路的濾波電 容根據(jù)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(shù)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(jié)果與分析對于感應(yīng)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(jié)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(biāo)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(shù)據(jù)根據(jù)表格數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表二為副邊接收端經(jīng)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(jīng)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）?？梢姼边吺叭‰妷号c原邊電流并不成線性關(guān)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(jù)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(shè)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(shù)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(jié)與體會在