电能无线传输装置论文.doc
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1、一、设计任务1、 背景 电能无线传输一直是人类的梦想,多年来国外一些科学家执着地开展着这项研究,但进展甚微。2007 年MIT 的科学家在电能无线传输原理上有了突破性进展,他们利用电磁谐振原理实现了中距离的电能无线传输,在2 m 多距离内将一个60 W 的灯泡点亮,且传输效率达到40%左右。谐振耦合电能无线传输与以往提出的电能无线传输技术相比,具有以下本质性的不同:1)与利用电磁感应原理的电能无线传输技术相比,传输距离大大提高,突破了电磁感应原理的无线传输距离仅在1 cm 以内的限制,且理论表明若不考虑空间其它物体影响,传输距离将进一步提高;2)与利用微波原理的电能无线传输技术相比,具有传输功
2、率大的特点,将微波电能无线传输几毫瓦至100 mW的数量级提高到几十瓦至几百瓦的数量级。目前,非接触能量无线传输发展已比较成熟,主要应用于磁悬浮列车,医学上用于体内微摄像机供电等。与此比较而言,基于谐振原理的电能无线传输将是一种应用范围更宽的新型技术,并且低电磁辐射,可满足电磁兼容的要求。然而,现阶段谐振耦合无线传输技术仍处于起步阶段,相关理论和实验研究还比较欠缺,尤其传输效率的分析还不够全面。2、 任务设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置,其结构框图如图1所示。图1 电能无线传输装置结构框图3、 要求 (1)保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm、输入直流电压U1=15V时,调整负
3、载使接收端输出直流电流I2=0.5A,输出直流电压U28 V,尽可能提高该无线电能传输装置的效率。(45分)(2)输入直流电压U1=15V,输入直流电流不大于1A,接收端负载为2只串联LED灯(白色、1W)。在保持LED灯不灭的条件下,尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。(45分)(3)其他自主发挥(10分)4、 说明 (1) 发射与接收线圈为空心线圈,线圈外径均202cm;发射与接收线圈间介质为空气。(2) I2=因为连续电流。(3) 测试时,除15V直流电源外,不得使用其他电源。(4) 在要求(1)效率测试时,负载采用可变电阻器;效率。(5) 制作时须考虑测试需要,合理设置测试点,以方便
4、测量相关电压、电流。2、 方案论证2.1现有无线电能传输方案2.1.1电磁感应式电磁感应式电能传输系统主要由三大部分组成,即能量发送部分(Transmitter)、分离式变压器(Transformer) 和能量接收部分(Receiver)。系统的工作原理,输入的交流电经过整流、滤波、稳压变为直流电,之后通过高频逆变器进行逆变,逆变所产生的高频交变电流输入分离式变压器的初级线圈,与次级线圈耦合,从而产生感应电动势,再通过高频整流滤波后为负载供电。图2 电磁感应方式示意图2.1.2磁耦合谐振式磁耦合谐振式由美国麻省理工学院于2007年研制成功,主要是利用物理学的“谐振”原理,两个振动频率相同的物体
5、能高效传输能量。当电源发送端的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时,接收端产生共振,实现能量的无线传输。在这项技术中,发送端和接收端的线圈被调校成了一个磁共振系统,通电后能够以固定的频率振动。能量传输不受空间障碍物影响,与电磁感应方式比较传输距离远,传输效率较高。由此可以知道传输效率与发送、接收能量单元的直径相关,传送面积越大,传输效率越高;传输效果与振动频率有关。图3 磁耦合谐振方式示意图2.1.3磁辐射式该方式主要采用微波进行电能传输。微波的波长介于无线电波和红外线之间的电磁波。由于频率较高,能顺利通过电离层而不反射。微波输电利用电磁辐射原理,由电源送出电力,通过微波转换器将交流电变换成微
6、波,再通过发射站的微波发射天线送到空间,然后传输到地面微波接收站,接收到的微波通过转换器将微波变换成交流电,供用户使用。其有效传输距离为几千米,属于远程传输。电磁辐射方式电能传输主要有无线电波、微波、激光和超声波等方式。图4 磁辐射方式示意图2.1.4三种方式比较谐振耦合电能无线传输与以往提出的电能无线传输技术相比,具有以下本质性的不同:1)与利用电磁感应原理的电能无线传输技术相比,传输距离大大提高,突破了电磁感应原理的无线传输距离仅在1 cm 以内的限制,且理论表明若不考虑空间其它物体影响,传输距离将进一步提高;2)与利用微波原理的电能无线传输技术相比,具有传输功率大的特点,将微波电能无线传
7、输几毫瓦至100 mW的数量级提高到几十瓦至几百瓦的数量级。目前,非接触能量无线传输发展已比较成熟,主要应用于磁悬浮列车,医学上用于体内微摄像机供电等。与此比较而言,基于谐振原理的电能无线传输将是一种应用范围更宽的新型技术,并且低电磁辐射,可满足电磁兼容的要求。 然而,现阶段谐振耦合无线传输技术仍处于起步阶段,相关理论和实验研究还比较欠缺,尤其传输效率的分析还不够全面18-19。本文从线圈等效耦合模型出发,分析电能无线传输机理及传输效率与距离、频率、线圈本身等因素之间的关系,提出最大效率条件及无线传输系统的优化设计方法,并设计制作多组谐振耦合线圈进行能量无线传输,以验证所提方法的有效性,为进一
8、步谐振耦合无线能量传输的闭环控制研究奠定理论和实验基础。2.2方案的具体设计与论证本设计整体设计框图如下:图5 整体设计示意图2.2.1 振荡电路方案对比2.2.1.1 采用NE555构成振荡器在振荡信号电路设计部分,采用NE555构成频率可调的多谐振荡器。555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件,它性能优良,适用范围很广,外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成谐振荡器,以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。NE555可稳定输出1MHz以下的方波,并且占空比可调,电路调试容易,成本较低。电路图如下:图6 N
9、E555构成频率可调的多谐振荡器但是NE555555电路比较简单,不能做到很高的频率,1M以下还可以,再高就做不了。2.2.1.2 采用晶振构成振荡器选用晶振振荡电路,频率稳定度高,一般可以频率稳定度为30PPM。可以做到1M-100M都没有问题,但电路比较复杂,常用电路如下图所示:图7 晶体振荡器2.2.1.3 采用无稳态多谐振荡器无稳态多谐振荡器是一种简单的振荡电路。它不需要外加激励信号就便能连续地、周期性地自行产生矩形脉冲,该脉冲是由基波和多次谐波构成,因此称为多谐振荡器电路。多谐振荡器可以由三极管构成,也可以用555或者通用门电路等来构成。用两只三极管组成的多谐振荡器,通常叫做三极管无
10、稳态多谐振荡器。常用的无稳态多谐振荡器电路如下所示:图8 无稳态多谐振荡器由以上分析可见,若采用NE555,仅仅以NE555 输出的方波驱动后级功放电路会由于驱动能力不足使场管不导通,所以需要加一级驱动电路,相应加大了电路的复杂程度;若采用晶体振荡器,则由于频率单一,发射端和接收端的频率耦合调整很麻烦;因此,本设计采用无稳态多谐振荡器,电路简单,不需要专门的驱动电路,频率方便可调。2.3单元电路设计2.3.1振荡电路模块的设计振荡电路如图所示:图9 振荡电路振荡电路采用无稳态多谐振荡电路,电路采用两个MOS管,开始三脚开关出于断开状态,当把开关打开,MOS管G极电压达到导通电压而导通,由于两个
11、MOS管参数不完全相同,总会有一个先导通,假设MOS管Q1先导通,则由于二极管的钳位作用使MOS管Q2的G极电压限制在二极管的导通电压(0.7V左右),此时Q2不会导通,同时电路对电容充电,当Q1达到饱和,D极电压近似为0或为负电压,此时电感和电容对地放电,G极电压变为负电压,Q1截止,同时解除对Q2的钳位,Q2开始导通,然后经历相同的过程,这样Q1和Q2分别导通,产生振荡信号,然后经发射线圈发射出去。2.3.2发射和接收模块的设计发射和接收模块均采用LC并联谐振回路,L使用自己绕制的线圈,采用无氧铜漆包线绕制,直径为2mm,并调节电容和电感使发射和接收端达到匹配,以获得最大传输效率。演示图如
12、下:图10 发射和接收模型2.3.3整流滤波模块的设计经接受端接收到的信号是交流信号,要想得到直流输出需经过整流滤波,由于本设计频率较高,采用集成的整流桥速度跟不上,故采用分立的高速开关二极管做整流电路,输出端采用滤波电容滤除不需要的分量,电路图如下:图11 桥式整流电路其中滤波电容滤波的计算比较麻烦,因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法: 一种是在RLC=(35)T/ 2的条件下,近似认为VL=VO=1.2V2。(或者,电容滤波要获得较好的效果,工程上也通常应满足wRLC610。) 桥式整流的电容量一般在几十至几百微法,这里我们采用FR304做整流
13、二极管,滤波电容采用两个47uf并联。2.3.4扩展模块的设计考虑到本题目可以做到电能无线传输,为方便实际应用,我们可以设计一个恒压输出模块作为充电电源,可以为手机、手电筒等充电,简单方便。电路图如下:我们采用LM317稳压芯片,接收线圈收到的信号经整流滤波直接接在LM317的输入端,调整滑动变阻器可以调节稳压的电压值。图12 LM317构成的稳压模块2.4 软件的设计本产品使用MSP430里的ADC12对输出电压进行采样,并在液晶显示屏上显示,软件流程图如下:三、理论分析与计算磁耦合谐振式无线能量传输技术的原理如图:图11 磁耦合谐振式无线能量传输技术的原理源线圈 S,与一个振荡电路电感 A
14、 耦合,接收端设备线圈 D 与电阻负载电感 B 耦合。自谐振线圈 S 和 D 依赖于内部的分布电感和分布电容而达到谐振。能量通过电源振荡电路 A 耦合到源线圈 S,源线圈 S 与接收线圈 D 由于具有相同的谐振频率,在磁场的作用下产生谐振,接收线圈 D 与负载线圈 B 通过耦合实现能量传递,在此结构中,距离 KS 与 KD 都是近距离耦合,K 是远距离的耦合谐振。在本作品中,需要考虑接收端功率大小,以及传输距离,影响因素主要有发射线圈与接收线圈的耦合强度、线圈的品质因数、谐振频率以及趋肤效应,相应的计算公式如下:1、耦合强度设L1和L2的电压和电流分别为 u1、i1 和u2 、i2 ,且都取关
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