無線電能傳輸(課程設(shè)計)實驗報告

1、實驗報告與無線通信技術(shù)一樣擺脫有形介質(zhì)的束縛， 實現(xiàn)電能的無線傳輸是人類多年 的一個美好追求。無線電能傳輸技術(shù) Wireless Power Transfer, WPT也稱之 為非接觸電能傳輸技術(shù) Contactless PowerTransmission, CPT ，是一種借 于空間無形軟介質(zhì)如電場、磁場、微波等實現(xiàn)將電能由電源端傳遞至用電設(shè) 備的一種供電模式，該技術(shù)是集電磁場、電力電子、高頻電子、電磁感應(yīng)和耦合 模理論等多學(xué)科交叉的根底研究與應(yīng)用研究， 是能源傳輸和接入的一次革命性進 步。無線電能傳輸技術(shù)解決了傳統(tǒng)導(dǎo)線直接接觸供電的缺陷， 是一種有效、平安、 便捷的電能傳輸方法， 因而它被

2、美國 ?技術(shù)評論? 雜志評選為未來十大科研方向 之一。該技術(shù)不僅在軍事、航空航天、油田、礦井、水下作業(yè)、工業(yè)機器人、電 動汽車、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療器械、家用電器、RFID識別等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，而且對電磁理論的開展亦具有重要科學(xué)研究價值和實際意義。 在中國科 協(xié)成立五十周年的系列慶?；顒又?，無線能量傳輸技術(shù)被列為“ 10 項引領(lǐng)未來 的科學(xué)技術(shù)之一。到目前為止， 根據(jù)電能傳輸原理， 無線電能傳輸大致可以分為三類： 感應(yīng)耦 合式、微波輻射式、磁耦合諧振式。作為一個新的無線電能傳輸技術(shù)，磁耦合諧 振式是基于近場強耦合的概念， 根本原理是兩個具有相同諧振頻率的物體之間可 以實現(xiàn)高效的能量交換

3、，而非諧振物體之間能量交換卻很微弱。磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)膫鬏敵叨冉橛谇皟烧咧g， 因此也被稱之為中 尺度 mid-range 能量傳輸技術(shù)，其尺度為幾倍的接收設(shè)備尺寸可擴展到幾 米到幾十米。除了較大的傳輸距離， 還存在以下優(yōu)勢： 由于利用了強耦合諧振技術(shù)， 可以 實現(xiàn)較高的功率可到達kW和效率；系統(tǒng)采用磁場耦合而非電場，電場會發(fā) 生危險和非輻射技術(shù)，使其對人體沒有傷害；良好的穿透性，不受非金屬障礙 物的影響。因此該技術(shù)已經(jīng)成為無線電能傳輸技術(shù)新的開展方向?；诖篷詈现C振技術(shù)的無線電能傳輸技術(shù)主要利用的是近場磁耦合共振技 術(shù)，共振系統(tǒng)由多個具有相同本征頻率的物體構(gòu)成， 能量只在系統(tǒng)中的物體

4、間傳 遞，與系統(tǒng)之外的物體根本沒有能量交換， 在到達共振時，物體振動的幅度到達 最大?；诖篷詈现C振技術(shù)的無線電能傳輸系統(tǒng)一般由高頻發(fā)射源、 發(fā)射系統(tǒng)、接 收系統(tǒng)、負載等局部組成，其中發(fā)射系統(tǒng)和電磁接收系統(tǒng)，是無線電能傳輸系統(tǒng) 的關(guān)鍵局部。其典型模型如以下圖所示。由以下圖可知發(fā)射系統(tǒng)包括勵磁線圈和發(fā)射線 圈，它們之間是通過直接耦合關(guān)系把能量從勵磁線圈傳到發(fā)射線圈，勵磁線圈所需能量直接從高頻電源處獲得。電磁接收系統(tǒng)包括接收線圈和負載線圈，它們之 間也是通過直接耦合關(guān)系把能量從接收線圈傳到負載線圈。發(fā)射線圈與接收線圈 之間通過空間磁場的諧振耦合實現(xiàn)電能的無線傳輸。目前國內(nèi)外的學(xué)者多利用“耦合模理論

5、對磁耦合諧振技術(shù)的無線電能傳輸 技術(shù)進行分析，并得到能量高效傳輸?shù)谋匾獥l件 13:發(fā)射線圈和接收線圈的固有諧振頻率相同，并具有較高的品質(zhì)因數(shù)；/肚 津.雖然“耦合模理論對無線電能傳輸技術(shù)根本原理進行了解釋，但是在涉及 具體電路及其參數(shù)的設(shè)計問題上“耦合模理論也有一定的局限性，因此本文利 用互感理論來進一步分析問題，尤其是利用該方法在參數(shù)設(shè)計方面進行探索?；诖篷詈现C振技術(shù)的無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路模型如以下圖 所示， 勵磁線圈由鼓勵源高頻功放VS和單匝線圈組成，負載線圈由單匝線圈和負載 組成，發(fā)射和接收線圈均由具有相同諧振頻率的多匝線圈組成。在系統(tǒng)設(shè)計時為了降低設(shè)計的復(fù)雜性，將發(fā)射和接收線圈

6、設(shè)計成相同的尺寸和機械結(jié)構(gòu)，因此, 兩線圈的等效參數(shù)可認為是一致的接收純附負我純慮上圖中鼓勵源內(nèi)阻為RS,負載電阻為RL； L1、L2、L3、L4分別為勵磁線圈射線圈、接收線圈和負載線圈的等效電感；C1、C2、C3、C4分別為勵磁線圈、發(fā)射線圈、接收線圈和負載線圈的等效電容；RP1、RP2、RP3和RP4分別為勵磁圈、發(fā)射線圈、接收線圈和負載線圈內(nèi)由于趨膚效應(yīng)等因素產(chǎn)生的損耗電阻；Rradl、Rrad2、Rrad3、FTad4分別為勵磁線圈、發(fā)射線圈、接收線圈和負載線圈的輻射等效電阻。將勵磁線圈的電路反射到發(fā)射線圈，相當于發(fā)射線圈中參加一個感應(yīng) 電動勢；而將負載線圈反射到接收線圈相當于接收線圈

7、增加了一個反射阻抗，其等效電路如以下圖 所示。設(shè)流過發(fā)射線圈和接收線圈的電流分別為I 1、12，方 向如以下圖 所示。根據(jù)基爾霍夫電壓定律KVL，發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)上圖為無線電能傳輸系統(tǒng)的簡化電路。由此圖可推導(dǎo)出:71 -(1)0 = & + 7?2 jeZ? + ,Jg丿( . 10 = R? + & +佃厶+ _嚴J3 J進一步推導(dǎo)得到接收線圈歸一化電壓為式中,0為品質(zhì)因數(shù)，仔:/?為耦合因數(shù)，“二嗎關(guān)丁公式的推導(dǎo)R眩程請參考文獻18和文獻19。a.在印刷電路板上繞制所需電感線圈發(fā)射極b測量所繞制的電感線圈的電感值Lc. 根據(jù)所測得的L值，初定角頻率w,并計算出匹配電容的理論

8、值Cood. 根據(jù)匹配電容的理論值 Co匹配電容組合，并通過比對示波器上的電壓 電流波形，確定匹配電容的實際值 Co先將導(dǎo)線繞入印刷電路板，然后用透明膠粘好，使導(dǎo)線位置固定，然后除去 兩頭導(dǎo)線的絕緣層，測量其電感值，如以下圖所示:由 w/CL=1可知，定 f=200KHz,所以w=1256.64 rad/s,所需匹配電容的值為：C0=393nF如上圖，根據(jù)計算的理論電容值，匹配組合出實際電容值，并通過比照電流、 電壓波形，對實際的匹配電容值進行微調(diào)。 微調(diào)直至匹配電容值相應(yīng)的電流、 電 壓波形同相。根據(jù)示波器的波形，可以認定匹配電容值到達要求，實際值C實際=357nF根據(jù)接收端電路諧振理論電容

9、，微調(diào)電容使接收端電路到達諧振狀態(tài)。接收端線圈電感為1 uH，由上公式 LC=1可算得，接收端電容理論值為C=633nF實際微調(diào)至C=720nF寸接收端電路電壓電流同相，至U達諧振狀態(tài)。將匹配好的發(fā)射端電路連接至電源， 接收端電路與負載相連。因為我們制作 的電感太小，導(dǎo)致耦合系數(shù)太小，而且實驗條件有限，我們所做實驗的負載為小 燈泡。當電源翻開時，負載端的電壓電流很小，只能觀察到小燈泡及其微弱的亮 光。1. 由于前期的理論準備不充分，和對課程設(shè)計的實驗具體過程不熟悉， 導(dǎo)致 實際進行實驗操作時，很多所需實驗數(shù)據(jù)都需要花費實驗時間計算。2. 前期制作電感線圈所花費的時間很長，是因為我們的動手操作能力缺乏，