無線電能傳輸裝置設(shè)計報告樣本

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。 無線電能傳輸裝置設(shè)計報告摘要磁耦合諧振式無線電能傳輸是眾多短距離電能特殊傳輸技術(shù)之一,它因其便捷,節(jié)能環(huán)保而受到廣泛關(guān)注?，F(xiàn)在磁耦合諧振式無線電能傳輸距離已經(jīng)能夠達到米級的范圍,甚至有些技術(shù)還能穿透障礙物,相信當(dāng)無線傳輸距離問題解決以后該技術(shù)無疑對無線電能技術(shù)的發(fā)展具有重大的意義。該文主要講述了運用磁耦合諧振無限能量傳輸?shù)脑碓O(shè)計制作的小型無線電能傳輸設(shè)備。該設(shè)備主要包括驅(qū)動發(fā)射線圈電路,磁耦合諧振傳輸電路,磁耦合諧振接收電路,整流濾波電路,以及顯示電路模塊等。當(dāng)發(fā)射和接收端都達到諧振頻率時即可實現(xiàn)能量的最大傳輸。該設(shè)備在題目要求下可實現(xiàn)10cm以上,效率高達26%的能量傳輸,而且能夠?qū)崿F(xiàn)點亮30cm以外的2W的燈泡。關(guān)鍵詞磁耦合諧振無線電能傳輸發(fā)射距離接收效率一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一個磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

要求:(1)保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x

=10cm、輸入直流電壓U1=15V時,調(diào)整負(fù)載使接收端輸出直流電流I2=0.5A,輸出直流電壓U2≥8

V,盡可能提高該無線電能傳輸裝置的效率η。

(2)輸入直流電壓U1=15V,輸入直流電流不大于1A,接收端負(fù)載為2只串聯(lián)LED燈(白色、1W)。在保持LED燈不滅的條件下,盡可能延長發(fā)射線圈與接收線圈間距離x。二、

方案論證

2.1驅(qū)動發(fā)射線圈電路方案一:采用集成發(fā)射芯片XKT408和T5336搭建發(fā)射驅(qū)動電路。無線充電/供電主控制芯片XKT-408A,采用CMOS制程工藝,具有精度高穩(wěn)定性好等特點,其專門用于無線感應(yīng)智能充電、供電管理系統(tǒng)中,可靠性能高。XKT-408A芯片負(fù)責(zé)處理該系統(tǒng)中的無線電能傳輸功能,采用電磁能量轉(zhuǎn)換原理并配合接收部分做能量轉(zhuǎn)換及電路的實時監(jiān)控。其主要特點為:

1.自動適應(yīng)供電電壓調(diào)節(jié)功能使之能夠在較寬的電壓下均能工作

2.自動頻率鎖定

3.

自動負(fù)檢測負(fù)載

4.

自動功率控制

5.高速能量輸電傳送

6.高效電磁能量轉(zhuǎn)換7.智能檢測系統(tǒng),免調(diào)試方案二:采用MOS管無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,由兩路MOS管,高頻扼流圈和二極管組成對稱的振蕩器電路,原理圖如下所示:該方案電路簡單明了,元器件少,而且操作起來簡單。綜上所述,我們選擇方案二。2.2

磁耦合諧振傳輸和接收電路

方案一:電磁感應(yīng)式傳輸方式電能傳輸電路的基本特征是原邊與副邊電路分離,經(jīng)過磁場耦合感應(yīng)聯(lián)系。該電路的優(yōu)點包括存在較大氣隙,使得原副邊無電接觸,可實現(xiàn)無線傳輸,較大的氣隙的存在使得系統(tǒng)構(gòu)成的耦合關(guān)系屬于松耦合,使得漏磁與激磁相當(dāng),甚至比激磁高。缺點包括傳輸距離短,實際上多在mm級。電磁感應(yīng)方式傳輸控制不好,在其范圍內(nèi)的金屬都會產(chǎn)生電磁感應(yīng)消耗電源能量,另外還會使設(shè)備的線路感應(yīng)發(fā)熱,嚴(yán)重時會損壞設(shè)備。方案二:諧振耦合方式該方案是由麻省理工學(xué)院物理系,電子工程,計算機科學(xué)系,以及軍事納米技術(shù)研究所得研究人員提出的。系統(tǒng)采用兩個相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強的相互耦合,能量在兩物題間交互,利用線圈及放置兩端的平板電容器共同組成諧振電路,實現(xiàn)能量的無線傳輸。該方式的優(yōu)點包括。利用磁場經(jīng)過近場傳輸,輻射小,具有方向性。中等距離傳輸,傳輸效率高。能量傳輸不受空間障礙物的影響。傳輸效果與頻率及天線尺寸密切。缺點包括諧振耦合方式安全實現(xiàn)問題比較嚴(yán)重,要想更好的實現(xiàn)諧振耦合,需要傳輸頻率在幾兆到幾百兆赫茲之間,而這一段頻率又是產(chǎn)生諧振最困難的波段。

其原理圖如下所示:圖2-2

諧振耦合式電能傳輸原理圖

方案三:無線電波式(輻射式)該方案類似于早期使用的礦石收音機,主要由微波發(fā)射裝置和微波接收裝置組成,接收電路能夠捕捉到從墻壁彈回的無線電波能量,在隨負(fù)載做出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。但其缺點有微波無線能量傳輸技術(shù)當(dāng)前尚處于研發(fā)階段,其技術(shù)優(yōu)點是成本較低,技術(shù)瓶頸是效率太低,而且容易發(fā)熱,損壞設(shè)備。綜合本題目的各項要求,要求功率傳輸效率較高,同時距離要盡可能較大,我們選擇方案二,諧振耦合方式進行信號和能量的傳輸。

2.3

整流濾波電路模塊

方案一:半波整流電路半波整流是指利用二極管的單向?qū)щ娦赃M行整流,在輸入為標(biāo)準(zhǔn)正弦波的情況下,輸出獲得正弦波的正半部分,負(fù)半部分則損失掉。其電路圖如下所示半波整流電路雖然達到了整流的目的,可是負(fù)載電壓及負(fù)載電流的大小隨時間變化,而且半波整流是以犧牲一般交流為代價而換取整流效果的,電流利用率很低。

方案二:橋式整流電路橋式整流是對二極管半波整流的一種改進,橋式整流利用四個二極管兩兩對接,輸入正弦波的正版部分得出正的輸出;輸入正弦波的負(fù)半部分時,另兩只管導(dǎo)通,由于這兩只管是反接的,因此輸出還是得到正弦波的正半部分。橋式整流器對輸入正弦波的利用效率比半波整流高了一倍。因此我們采用的是橋式整流。其電路圖如下所示.

2.3

整流濾波電路模塊

方案一:半波整流電路半波整流是指利用二極管的單向?qū)щ娦赃M行整流,在輸入為標(biāo)準(zhǔn)正弦波的情況下,輸出獲得正弦波的正半部分,負(fù)半部分則損失掉。其電路圖如下所示圖2-3

半波整流電路圖半波整流電路雖然達到了整流的目的,可是負(fù)載電壓及負(fù)載電流的大小隨時間變化,而且半波整流是以犧牲一般交流為代價而換取整流效果的,電流利用率很低。方案二:橋式整流電路橋式整流是對二極管半波整流的一種改進,橋式整流利用四個二極管兩兩對接,輸入正弦波的正版部分得出正的輸出;輸入正弦波的負(fù)半部分時,另兩只管導(dǎo)通,由于這兩只管是反接的,因此輸出還是得到正弦波的正半部分。橋式整流器對輸入正弦波的利用效率比半波整流高了一倍。因此我們采用的是橋式整流。其電路圖如下所示圖2-4:橋式整流電路圖

綜合題目分析,我們選擇橋式整流電路,來提高效率的目的。

2.4整流穩(wěn)壓模塊由于在接受過程中,會受到周圍環(huán)境的影響,因此如果直接利用單片機的AD

采集模塊進行數(shù)據(jù)采集,由于單片機采集數(shù)據(jù)速度較快,會使得顯示的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,有很很大的漂移。因此我們在接收端添加了整流穩(wěn)壓電路,本次比賽我們采用線性可調(diào)穩(wěn)壓器LM317進行穩(wěn)壓,使得輸出電壓得以穩(wěn)定,便于顯示。2.5顯示控制模塊方案一:選用AT89C51控制12864顯示輸出電壓和電流,該方案的有利之處該單片機的使用相對成熟,網(wǎng)上有豐富的關(guān)于該單片機的資源,而且IO口操作簡單,價格便宜等?？墒侨绻@樣控制模塊就會顯得很龐大,而且IO口不多,功耗大。方案二:選用TI公司的開發(fā)板msp430,該控制板執(zhí)行速度和效率相對較高,而且功耗低,處理能力強,系統(tǒng)工作穩(wěn)定,可是控制起來相對復(fù)雜。在本次比賽中,我們選用方案二。三．理論分析與計算:

3.1系統(tǒng)整體模塊

本系統(tǒng)整體采用磁耦合諧振式無線電能傳輸,主要方案選取了兩個MOS管輪流導(dǎo)通,LC并聯(lián)諧振,將直流電能轉(zhuǎn)化成高頻電磁波發(fā)射出去,接受端與發(fā)射端諧振匹配,最大限度接受高頻電磁波,在經(jīng)過后期的整流穩(wěn)壓處理,經(jīng)過單片機的控制能夠在12864液晶上顯示出來。圖3-1系統(tǒng)整體方案圖3.2

發(fā)射端諧振驅(qū)動電路

原理分析:圖中左半部分電位器R1實際是一個撥碼開關(guān),當(dāng)開關(guān)合上時兩個MOS管都被上拉電阻驅(qū)動,但此時的工作狀態(tài)是暫穩(wěn)態(tài),而且在接通電源的瞬間,兩個MOS并不是同時導(dǎo)通的,總會有一個接通的更快,另一個MOS管關(guān)閉。當(dāng)導(dǎo)通的MOS管的柵極電壓經(jīng)過二極管驅(qū)動到零之后另一個MOS管被切斷,諧振回路的電壓會上升,當(dāng)電壓上升到某點后促使導(dǎo)通二極管的g極電壓突變?yōu)?,然后MOS管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?同時另一路MOS管開始工作。如此重復(fù)就形成交變電壓。此時高頻厄流電感充當(dāng)電流源,一旦經(jīng)過它的電壓變成了交流,從而使電路中產(chǎn)生狡辯磁場。此時,電路的電流將被限制到一個恒定值。右半部分由電容和發(fā)射線圈組成LC諧振電路,所謂磁耦合諧振式無限能量傳輸就是利用兩個具有相同諧振頻率的線圈在相距一定的距離時,由于磁場耦合產(chǎn)生諧振,進行能量傳輸。耦合的效率決定了的代數(shù)和,而且與施感電流呈線性關(guān)系,是各施感電流獨立產(chǎn)生的磁通鏈疊加的結(jié)果。設(shè)發(fā)射線圈和接收線圈的電壓和電流分別為u1,i1和u2,i2,且都取關(guān)聯(lián)參考方向,互感為M,則兩耦合電感的電壓電流關(guān)系為:耦合因數(shù)用k表示,有的大小與兩個線圈的結(jié)構(gòu)和相互位置以及周圍磁介質(zhì)有關(guān)。改變或調(diào)整她們的相互位置有可能改變耦合因數(shù)的大小。3.3

接收端諧振電路

3.3.1電路如下圖所示:圖3-3

接收端諧振回路由上述分析可知發(fā)射與接收電路的諧振頻率是關(guān)鍵,其次就是發(fā)射與接收線圈的品質(zhì)因數(shù),品質(zhì)因數(shù)越高,能量的損耗越小。需要注意的是要考慮趨膚效應(yīng),趨膚效應(yīng)本質(zhì)上是衰減電磁波向?qū)w內(nèi)傳播引起的效應(yīng),當(dāng)線圈固有頻率較高時,粗導(dǎo)線線圈會受到趨膚效應(yīng)的影響而使導(dǎo)線的利用率降低,因此必須考慮趨膚效應(yīng)對傳輸距離的影響。3.4主要元器件參數(shù)計算根據(jù)題目要求輸入電壓為15V,電流為1A左右,因此輸入功率會大于15W,在綜合考慮MOS管的工作電壓和電流,此處我們采用的是IRF640,根據(jù)電路參整流二極管選用1N4148即可滿足,其它類似的高速二極管也可滿足。高頻厄流電感采用的是47uH,此處可根據(jù)電路做適當(dāng)調(diào)整。發(fā)射線圈選用高品質(zhì)因數(shù)的銅線繞成的,這部分電路我們是采用改變電容值來改變諧振頻率從而達到發(fā)射功率最大。同樣,接收端也是經(jīng)過改變電容值來調(diào)整諧振頻率,從而與前級達到匹配。線圈的電感值大小可經(jīng)過下面公式來計算:

為取得最大的接收功率,接收端選用同樣參數(shù)的線圈和電容。在整個的實驗過程中,發(fā)射端與接收端的電感與電容值的選取是最重要的,它們共同決定了傳輸電磁波的頻率,要想達到能量(功率)傳輸,我們應(yīng)該選取電磁波頻率較低的部分進行傳輸,可是要想令電磁波傳輸一定的距離,則需要電磁波的頻率達到較高的部分進行傳輸,因此此次試驗就需要我們自己根據(jù)題目要求來選取合適的電磁波頻率即可。

圖3-4

穩(wěn)壓模塊原理圖1,2腳之間為1.25V電壓基準(zhǔn)。為保證穩(wěn)壓器的輸出性能,R1應(yīng)小于240歐姆。改變R2阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。D1,D2用于保護LM317。計算公式為:Uo=(1+R2/R1)*1.25四.測試結(jié)果與誤差分析:

4.1

硬件測試

經(jīng)過上述的理論分析與計算,按照設(shè)計出的原理圖進行硬件焊接,并對電路進行一系列的調(diào)試。上電測試,利用直流穩(wěn)壓電源輸出15V,加到發(fā)送端上,剛上電時,由于我們沒有意識到,要想讓自激式振蕩電路起振,必須讓電源同時瞬時加到電路中,才能讓電路正常工作,害怕電路一瞬間加太大的的電壓會引起瞬間大電流脈沖,燒壞MOS管,加電時直接接上電源較低電壓,再慢慢往上升,可是,MOS管總會出現(xiàn)一個管子很熱,另一個不工作的狀態(tài)。后來經(jīng)過測試,總結(jié),我們決定在MOS管前加一個撥碼開關(guān),來控制這個自激振蕩電路能夠起振,正常工作。在經(jīng)過這個改正后我們將輸出接在示波器上觀察振蕩波形。并經(jīng)過LC諧振網(wǎng)絡(luò)估計其振蕩頻率與實際輸出波形的振蕩頻率相比較,發(fā)現(xiàn)兩者基本相近。

可是要想達到題目所給的要求,必須滿足傳輸效率要較高,因此要達到發(fā)射與接受的匹配,在本次比賽中,我們?yōu)榱艘_到匹配,我們令發(fā)射部分與接受部分采用相同材質(zhì)的漆包線繞制的20cm直徑的發(fā)射接受線圈,為了達到題目對接受端電壓,電流,功率的要求,我們經(jīng)過多次繞制,按照一定的順序,改進這電感值和品質(zhì)因數(shù),用1mm漆包線繞制10圈,用1mm漆包線繞制5圈,用1mm漆包線兩匝并饒繞制2圈等多種線圈。最后,我們發(fā)現(xiàn)用無氧銅2mm漆包線繞制的20cm直徑的發(fā)射接受線圈,且用兩股并繞兩圈的方式(此時其電感量經(jīng)測量大約在2uH—3uH之間,品質(zhì)因數(shù)在3左右),能夠達到較好的效果?？墒窃谥暗姆治鲋形覀冎?要想讓振蕩電路發(fā)射端發(fā)射的功率達到最大,我們需要將諧振頻率,調(diào)諧在電路固有頻率上,經(jīng)過多次改變與線圈并聯(lián)的電容值,我們最后得到了發(fā)射端諧振頻率與自激振蕩固有頻率,與接收端諧振頻率基本諧振在同一個諧振頻率上,使得接收端接受得到較平滑的正弦波,幅度也較大,滿足題目要求,經(jīng)過整流后,在滑動變阻器做負(fù)載的情況下,可得到超過8V的電壓,電流基本可達到0.5V,滿足題目(1)的要求。同時當(dāng)負(fù)載換成兩個串聯(lián)的1W

LED燈的時候,距離可達到35cm左右的距離,滿足題目(2)的要求。4.3實物照片整體電路實物圖:發(fā)射接收線圈:直流穩(wěn)壓模塊:整流模塊:五、結(jié)論、心得體會經(jīng)過幾十天的日夜奮斗,小組成員互相協(xié)作,團結(jié)互助,完成了實驗