無(wú)線電能傳輸裝置設(shè)計(jì)報(bào)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(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除。 無(wú)線電能傳輸裝置設(shè)計(jì)報(bào)告摘要磁耦合諧振式無(wú)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(wú)線電能傳輸距離已經(jīng)能夠達(dá)到米級(jí)的范圍,甚至有些技術(shù)還能穿透障礙物,相信當(dāng)無(wú)線傳輸距離問(wèn)題解決以后該技術(shù)無(wú)疑對(duì)無(wú)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(yùn)用磁耦合諧振無(wú)限能量傳輸?shù)脑碓O(shè)計(jì)制作的小型無(wú)線電能傳輸設(shè)備。該設(shè)備主要包括驅(qū)動(dòng)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(dá)到諧振頻率時(shí)即可實(shí)現(xiàn)能量的最大傳輸。該設(shè)備在題目要求下可實(shí)現(xiàn)10cm以上,效率高達(dá)26%的能量傳輸,而且能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)亮30cm以外的2W的燈泡。關(guān)鍵詞磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸發(fā)射距離接收效率一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)磁耦合諧振式無(wú)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(shí),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(wú)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(zhǎng)發(fā)射線圈與接收線圈間距離x。二、

方案論證

2.1驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路。無(wú)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(diǎn),其專門用于無(wú)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(wú)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(shí)時(shí)監(jiān)控。其主要特點(diǎn)為:

1.自動(dòng)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(dòng)頻率鎖定

3.

自動(dòng)負(fù)檢測(cè)負(fù)載

4.

自動(dòng)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(cè)系統(tǒng),免調(diào)試方案二:采用MOS管無(wú)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(duì)稱的振蕩器電路,原理圖如下所示:該方案電路簡(jiǎn)單明了,元器件少,而且操作起來(lái)簡(jiǎn)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(guò)磁場(chǎng)耦合感應(yīng)聯(lián)系。該電路的優(yōu)點(diǎn)包括存在較大氣隙,使得原副邊無(wú)電接觸,可實(shí)現(xiàn)無(wú)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(diǎn)包括傳輸距離短,實(shí)際上多在mm級(jí)。電磁感應(yīng)方式傳輸控制不好,在其范圍內(nèi)的金屬都會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)消耗電源能量,另外還會(huì)使設(shè)備的線路感應(yīng)發(fā)熱,嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(jì)算機(jī)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(gè)相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)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(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線傳輸。該方式的優(yōu)點(diǎn)包括。利用磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)近場(chǎng)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(diǎn)包括諧振耦合方式安全實(shí)現(xiàn)問(wèn)題比較嚴(yán)重,要想更好的實(shí)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(wú)線電波式(輻射式)該方案類似于早期使用的礦石收音機(jī),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(wú)線電波能量,在隨負(fù)載做出調(diào)整的同時(shí)保持穩(wěn)定的直流電壓。但其缺點(diǎn)有微波無(wú)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(diǎn)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(xiàng)要求,要求功率傳輸效率較高,同時(shí)距離要盡可能較大,我們選擇方案二,諧振耦合方式進(jìn)行信號(hào)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(jìn)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(dá)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(shí)間變化,而且半波整流是以犧牲一般交流為代價(jià)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(duì)二極管半波整流的一種改進(jìn),橋式整流利用四個(gè)二極管兩兩對(duì)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(shí),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(duì)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(jìn)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(dá)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(shí)間變化,而且半波整流是以犧牲一般交流為代價(jià)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(duì)二極管半波整流的一種改進(jìn),橋式整流利用四個(gè)二極管兩兩對(duì)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(shí),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(duì)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(lái)提高效率的目的。

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

采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,由于單片機(jī)采集數(shù)據(jù)速度較快,會(huì)使得顯示的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,有很很大的漂移。因此我們?cè)诮邮斩颂砑恿苏鞣€(wěn)壓電路,本次比賽我們采用線性可調(diào)穩(wěn)壓器LM317進(jìn)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(jī)的使用相對(duì)成熟,網(wǎng)上有豐富的關(guān)于該單片機(jī)的資源,而且IO口操作簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜等?？墒侨绻@樣控制模塊就會(huì)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(duì)較高,而且功耗低,處理能力強(qiáng),系統(tǒng)工作穩(wěn)定,可是控制起來(lái)相對(duì)復(fù)雜。在本次比賽中,我們選用方案二。三．理論分析與計(jì)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(wú)線電能傳輸,主要方案選取了兩個(gè)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(guò)后期的整流穩(wěn)壓處理,經(jīng)過(guò)單片機(jī)的控制能夠在12864液晶上顯示出來(lái)。圖3-1系統(tǒng)整體方案圖3.2

發(fā)射端諧振驅(qū)動(dòng)電路

原理分析:圖中左半部分電位器R1實(shí)際是一個(gè)撥碼開關(guān),當(dāng)開關(guān)合上時(shí)兩個(gè)MOS管都被上拉電阻驅(qū)動(dòng),但此時(shí)的工作狀態(tài)是暫穩(wěn)態(tài),而且在接通電源的瞬間,兩個(gè)MOS并不是同時(shí)導(dǎo)通的,總會(huì)有一個(gè)接通的更快,另一個(gè)MOS管關(guān)閉。當(dāng)導(dǎo)通的MOS管的柵極電壓經(jīng)過(guò)二極管驅(qū)動(dòng)到零之后另一個(gè)MOS管被切斷,諧振回路的電壓會(huì)上升,當(dāng)電壓上升到某點(diǎn)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(shí)另一路MOS管開始工作。如此重復(fù)就形成交變電壓。此時(shí)高頻厄流電感充當(dāng)電流源,一旦經(jīng)過(guò)它的電壓變成了交流,從而使電路中產(chǎn)生狡辯磁場(chǎng)。此時(shí),電路的電流將被限制到一個(gè)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(wú)限能量傳輸就是利用兩個(gè)具有相同諧振頻率的線圈在相距一定的距離時(shí),由于磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生諧振,進(jìn)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(dú)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(gè)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(shí),粗導(dǎo)線線圈會(huì)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(duì)傳輸距離的影響。3.4主要元器件參數(shù)計(jì)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(huì)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(lái)改變諧振頻率從而達(dá)到發(fā)射功率最大。同樣,接收端也是經(jīng)過(guò)改變電容值來(lái)調(diào)整諧振頻率,從而與前級(jí)達(dá)到匹配。線圈的電感值大小可經(jīng)過(guò)下面公式來(lái)計(jì)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(gè)的實(shí)驗(yàn)過(guò)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(dá)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(jìn)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(dá)到較高的部分進(jìn)行傳輸,因此此次試驗(yàn)就需要我們自己根據(jù)題目要求來(lái)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(hù)LM317。計(jì)算公式為:Uo=(1+R2/R1)*1.25四.測(cè)試結(jié)果與誤差分析:

4.1

硬件測(cè)試

經(jīng)過(guò)上述的理論分析與計(jì)算,按照設(shè)計(jì)出的原理圖進(jìn)行硬件焊接,并對(duì)電路進(jìn)行一系列的調(diào)試。上電測(cè)試,利用直流穩(wěn)壓電源輸出15V,加到發(fā)送端上,剛上電時(shí),由于我們沒(méi)有意識(shí)到,要想讓自激式振蕩電路起振,必須讓電源同時(shí)瞬時(shí)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(huì)引起瞬間大電流脈沖,燒壞MOS管,加電時(shí)直接接上電源較低電壓,再慢慢往上升,可是,MOS管總會(huì)出現(xiàn)一個(gè)管子很熱,另一個(gè)不工作的狀態(tài)。后來(lái)經(jīng)過(guò)測(cè)試,總結(jié),我們決定在MOS管前加一個(gè)撥碼開關(guān),來(lái)控制這個(gè)自激振蕩電路能夠起振,正常工作。在經(jīng)過(guò)這個(gè)改正后我們將輸出接在示波器上觀察振蕩波形。并經(jīng)過(guò)LC諧振網(wǎng)絡(luò)估計(jì)其振蕩頻率與實(shí)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(dá)到題目所給的要求,必須滿足傳輸效率要較高,因此要達(dá)到發(fā)射與接受的匹配,在本次比賽中,我們?yōu)榱艘_(dá)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(dá)到題目對(duì)接受端電壓,電流,功率的要求,我們經(jīng)過(guò)多次繞制,按照一定的順序,改進(jìn)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(wú)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(shí)其電感量經(jīng)測(cè)量大約在2uH—3uH之間,品質(zhì)因數(shù)在3左右),能夠達(dá)到較好的效果。可是在之前的分析中我們知道,要想讓振蕩電路發(fā)射端發(fā)射的功率達(dá)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(guò)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(gè)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(guò)整流后,在滑動(dòng)變阻器做負(fù)載的情況下,可得到超過(guò)8V的電壓,電流基本可達(dá)到0.5V,滿足題目(1)的要求。同時(shí)當(dāng)負(fù)載換成兩個(gè)串聯(lián)的1W

LED燈的時(shí)候,距離可達(dá)到35cm左右的距離,滿足題目(2)的要求。4.3實(shí)物照片整體電路實(shí)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(huì)經(jīng)過(guò)幾十天的日夜奮斗,小組成員互相協(xié)作,團(tuán)結(jié)互助,完成了實(shí)驗(yàn)