感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸 楊進(jìn)

./感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸特性研究學(xué)號(hào)：14721427：進(jìn)設(shè)計(jì)任務(wù)搭建小型無(wú)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(tái)。設(shè)計(jì)要求在1至3cm距離下實(shí)現(xiàn)電能傳輸點(diǎn)亮12V10W燈泡體積盡可能的小方案設(shè)計(jì)小型無(wú)線電能傳輸?shù)墓ぷ髟韴D1無(wú)線電能傳輸原理小型無(wú)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(chǎng)與副邊線圈電磁感應(yīng)耦合,從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過(guò)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(wú)線電能傳輸裝置的能量接入耦合機(jī)構(gòu)中,原邊線圈與副邊線圈間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(wú)線電能傳輸裝置的功率傳輸能力,減小耦合機(jī)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(duì)原副邊進(jìn)行補(bǔ)償,采用諧振電路來(lái)提高系統(tǒng)的功率傳輸能力。2、耦合補(bǔ)償拓?fù)涞倪x擇小型無(wú)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?。為了最大限度地減少無(wú)功功率的消耗,一般常用電容容抗來(lái)補(bǔ)償電路中的感抗。原邊的電容是為了補(bǔ)償原邊的漏感抗和副邊的反射感抗,從而減少小型無(wú)線電能傳輸裝置電源的視在功率,提高小型無(wú)線電能傳輸裝置電源的功率因數(shù)。副邊的電容補(bǔ)償是為了減小副邊的無(wú)功功率,提高系統(tǒng)的傳輸功率能力。小型無(wú)線電能傳輸裝置中基本的補(bǔ)償拓?fù)溆须娙荽?lián)補(bǔ)償<S>和電容并聯(lián)補(bǔ)償〔P>兩種形式。若原邊和副邊采用串聯(lián)或并聯(lián)組合補(bǔ)償方式,則系統(tǒng)的補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)共4種:串聯(lián)一串聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)?lt;SS>、串聯(lián)一并聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)?lt;SP>、并聯(lián)一串聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)?lt;PS>、并聯(lián)一并聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)?lt;PS>。SS拓?fù)潆娏髦堤?不宜于在設(shè)計(jì)時(shí)選用。而SP拓?fù)湓诒ＷC高的耦合傳輸功率的同時(shí)能夠確保原邊諧振回路電流值不大,是比較理想的小型無(wú)線電能傳輸裝置補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)比PS拓?fù)浜蚉P拓?fù)?PP拓?fù)溆兄叩鸟詈蟼鬏敼β?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(guò)對(duì)比可以看出,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(shì),但是對(duì)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)洹D2SP補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按照主電路補(bǔ)償拓?fù)涞倪x擇,此系統(tǒng)采用原邊串聯(lián)補(bǔ)償,副邊采用并聯(lián)補(bǔ)償<SP補(bǔ)償拓?fù)?gt;。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：其中為原邊逆變橋輸出的電壓,為補(bǔ)償電容,為原邊能量發(fā)送線圈的電感,為原邊的反射阻抗;為副邊拾取到的電壓,副邊能量拾取線圈電感,為副邊補(bǔ)償電容,為副邊阻抗值。則原邊的阻抗為原邊的反射阻抗為,要使原邊諧振,即使原邊阻抗;的虛部為零即當(dāng)副邊工作在諧振頻率點(diǎn)時(shí),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根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式其中為副邊整流電壓,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(jì)一組參數(shù)：頻率20KHz,原邊電容0.47uF,電感113uH,副邊電容0.55uF,電感115uH,負(fù)載12V10W燈泡。3、主電路設(shè)計(jì)圖3H橋原邊負(fù)載電路根據(jù)所選用的SP補(bǔ)償拓?fù)?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(qū)動(dòng)芯片為IR2103,驅(qū)動(dòng)電路圖如圖4所示,由C51單片機(jī)發(fā)出頻率20KHz的脈沖信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片,負(fù)載上獲得交變20KHz的方波電壓。整個(gè)系統(tǒng)屬于開(kāi)環(huán)狀態(tài)。圖4驅(qū)動(dòng)電路4、過(guò)壓保護(hù)由于電路中有電感性負(fù)載,則當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),漏極電流會(huì)產(chǎn)生極高的漏極電壓過(guò)沖,導(dǎo)致管子損壞,因此需對(duì)開(kāi)關(guān)管設(shè)置RCD關(guān)斷緩沖吸收電路以實(shí)施過(guò)壓保護(hù),如圖5所示。圖5RCD緩沖電路RC吸收回路的參數(shù)計(jì)算依據(jù)下式確定<為開(kāi)關(guān)管開(kāi)通上升時(shí)間,為下降時(shí)間,開(kāi)通時(shí)間>,其中:緩沖電容：緩沖電阻：根據(jù)具體選用晶閘管IRFB4310,設(shè)計(jì)電流1安培,=110ns,=78ns,計(jì)算得出電容1.3nF電阻6.8K。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(tái),用于電能傳輸?shù)木€圈要盡可能設(shè)計(jì)小點(diǎn),加鐵心有利于無(wú)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(jì)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(shí)物見(jiàn)圖6。由于電路工作于高頻,普通電容會(huì)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(wú)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(duì)電能傳輸?shù)挠绊懚O(shè)計(jì)了整流電路。整流電路的濾波電容根據(jù)公式計(jì)算波紋0.05條件下算出約10uF實(shí)驗(yàn)選用22uF。其中：為整流電路的脈沖頻率為波紋系數(shù)為整流電路最大輸出電壓為整流電路最大輸出電流四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析對(duì)于感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸,距離限制是其最大的缺點(diǎn),對(duì)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(shí)12V10W但實(shí)際加12V電壓燈泡電流為0.62A即實(shí)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V16.818.821.329.734.235.938.842.250.2功率W9.94510.36610.60812.82713.87514.61615.36718.35820.72效率0.750.720.700.580.540.510.480.410.36表1副邊未整流時(shí)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副邊整流時(shí)電能傳輸數(shù)據(jù)表二為副邊接收端經(jīng)過(guò)整流后,副邊獲得相同的12V電壓時(shí)原邊所需的電壓電流值。對(duì)比表一和表二可以看出在相同距離下經(jīng)過(guò)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(shí)的電壓,功率增加,效率也就相對(duì)降低。對(duì)比兩種情況下的副邊電容波形,下圖中左圖為未整流時(shí)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(shí)也影響傳電的效率。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?jiàn)副邊拾取電壓與原邊電流并不成線性關(guān)系。原邊U〔V55.56.06.57.07.58.08.59.0原邊I〔A0.370.420.470.510.560.610.650.700.75副邊U〔V2.813.303.844.354.855.375.916.457.07原邊U〔V9.510.010.511.011.512.012.513.0原邊I〔A0.800.840.900.940.991.041.091.14副邊U〔V7.848.359.009.6510.411.011.712.4表31.5cm距離下原邊不同電壓副邊拾取電壓對(duì)比原邊補(bǔ)償電容波形：下圖分別是0.5cm、1.0cm、2.0cm、3.0cm條件下原邊補(bǔ)償電容波形,可見(jiàn)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(bǔ)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(gè)原因,原因一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。原因二是距離增加互感M值不斷接近設(shè)計(jì)值,原邊不斷靠近諧振點(diǎn),諧振電壓也就隨之上升。副邊整流濾波之后波形：波形看出波動(dòng)2.5小格至3小格之間即1V至1.2V的電壓波動(dòng),輸出12V,波紋系數(shù)約為0.1,按公式來(lái)算出波紋是不到0.03,但實(shí)際為0.1。理想值與實(shí)際值之間存在很大誤差。七、總結(jié)與體會(huì)在設(shè)計(jì)原副邊電感電容值時(shí),由于有很多不確定因素,給設(shè)計(jì)增加了難度。比如