無線能量傳輸原理和方案

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1、智能電壓力鍋無線能量傳輸方案設(shè)計參賽者：林寶偉、李仕遠(yuǎn)一、無線電能傳輸簡介：無線電是指在自由空間（包括空氣和真空）傳播的電磁波。無線電技術(shù)是通過無線電波傳播信號的技術(shù)。無線電技術(shù)的原理在于，導(dǎo)體中電流強(qiáng)弱的改變會產(chǎn)生無線電波。利用這一現(xiàn)象，通過調(diào)制可將信息加載于無線電波之上。當(dāng)電波通過空間傳播到達(dá)收信端，電波引起的電磁場變化又會在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流。通過解調(diào)將信息從電流變化中提取出來，就達(dá)到了信息傳遞的目的。無線電技術(shù)大量的應(yīng)用于以無線廣播、電視、移動通訊和無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中。既然電磁波不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量，那么我們能不能在電力傳送上也

2、采用無線傳輸?shù)姆绞侥?？所以無線供電技術(shù)一直是人們關(guān)心的課題，早在上世紀(jì)初，NicolaTesla就進(jìn)行過遠(yuǎn)距離無線輸電的實驗研究，雖然該項計劃因資金等原因中途夭折，但是遠(yuǎn)距離無線供電技術(shù)一直在進(jìn)行著。研究表明，遠(yuǎn)距離傳輸電力傳遞能量效率低、輻射大，目前還不現(xiàn)實，但近距離傳輸能量還是容易做到的。近年來，便攜式電子產(chǎn)品大量涌現(xiàn),如手機(jī)、筆記本等移動設(shè)備的電池充電時需要一個充電器，一端連在市電電源上，另外一端連在移動設(shè)備上，頻繁的插拔不但使用不便，而且容易損壞，同時也不安全。在工作環(huán)境惡劣的場合，比如水中，應(yīng)該盡可能避免電氣接觸。有時，需要對封

3、閉容器內(nèi)的傳感器等電路供電，一般采用電池。然而，電池的使用壽命畢竟有限，當(dāng)電量耗盡時，將封閉容器打開更換電池是非常麻煩的事情，有時也是不允許的。因此這種近距離無線供電技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。因此，國際上對無線供電技術(shù)的研究蓬勃開展。傳感器無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與MEMS器件的發(fā)展，推動了無線供電與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)，并在理論研究和實用化技術(shù)方面取得了初步的成果。二、無線電能傳輸?shù)脑砗头桨?.電磁感應(yīng)（磁耦合）1.1原理電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之問的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化。電磁感應(yīng)是電磁學(xué)中的基本原理，變壓器就是利用電磁感

4、應(yīng)的基本原理進(jìn)行T作的，變壓器由一個磁芯和二個線圈，即初級線圈與次級線圈組成。當(dāng)初級線圈兩端加上一個交變電壓時，磁芯中就會產(chǎn)生一個交變磁場，從而在次級線圈上感應(yīng)一個相同頻率的交流電壓，電能就從輸入電路傳輸至輸出電路。1.2實現(xiàn)方案基于松耦合變壓器的全橋諧振變非接觸電能傳輸系統(tǒng)利用疏松感應(yīng)耦合系統(tǒng)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了電能的無物理連接傳輸。它將系統(tǒng)的變壓器緊密型耦合磁路分開，初、次級繞組分別繞在具有不同磁性的結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)在電源和負(fù)載單元之間進(jìn)行能量傳遞而不需物理連接。其一次側(cè)、二次側(cè)之間通過電磁感應(yīng)實現(xiàn)電能傳輸，因氣隙導(dǎo)致的耦合

5、系數(shù)的降低由提高一次側(cè)輸入電源的頻率加以補(bǔ)償。和傳統(tǒng)變壓器有很大的不同，較大氣隙導(dǎo)致變壓器具有較大漏感．其儲能降低變壓器效率并增加器件應(yīng)力。因此．利用漏感的電路拓?fù)淙缰C振或軟開關(guān)拓?fù)涫墙鉀Q這一問題的較優(yōu)選擇。圖1所示為初、次級都不加補(bǔ)償?shù)乃神詈现C振變換器，流過變壓器的電流近似線性變化。為了得到較高的功率傳輸比，降低由漏感所引起的開關(guān)管的高電壓應(yīng)力，減小變壓器對周圍環(huán)境的電磁輻射，必須在松耦合變壓器原副邊加入適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路，這樣，不僅能使電路中的電流盡量正弦化，減小了輻射，也有效地利用了電路中的寄生參數(shù)，減小了寄生參數(shù)對電路的影響初次級補(bǔ)償

6、的目的是為了獲得一個諧振電路。次級串聯(lián)補(bǔ)償時，電容電壓補(bǔ)償了初級繞組漏感上的電壓降．從而降低了變換器開關(guān)器件的額定電壓。同時由于電路實現(xiàn)了諧振，繞組上的電流為正弦波，大大減少了對環(huán)境的電磁干擾。次級補(bǔ)償通常也可采用串聯(lián)補(bǔ)償或并聯(lián)補(bǔ)償?shù)膬煞N補(bǔ)償方式串聯(lián)補(bǔ)償如下圖所示：其中VQ1~VQ4開關(guān)的控制設(shè)計：圖3為控制電路原理圖，其核心為諧振控制器UC3861。UC3861是一款高性能的準(zhǔn)諧振軟開關(guān)控制器，主要由壓控振蕩器、單穩(wěn)態(tài)電路、故障和邏輯精密參考、偏置和5V發(fā)生電路等組成。在實驗中，CP=CS~=282nF，用Matlab仿真計算所得到的高

7、諧振頻率為36kHz，測得電路的實際fo=37kHz，所以設(shè)定UC3861輸出的最低頻率=37kHz，功率管為IGBT，因為IGBT的fs不能很高，所以設(shè)定UC3861輸出的最高頻率f(max)=lOOkHz。通過分析和實驗驗證可得：①如果變換器的松耦合變壓器磁芯之間的距離不變．只是負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時．諧振頻率基本不變：②如果選取的補(bǔ)償電容使系統(tǒng)發(fā)生頻率交叉現(xiàn)象．工作頻率應(yīng)該選擇在高諧振點(diǎn)附近；③脈沖頻率調(diào)制(PFM)的控制方法能很好地應(yīng)用于松耦合諧振變換器的控制：④開關(guān)頻率越接近諧振頻率，電路中的無功功率就越小，損耗就越小，系統(tǒng)的效

8、率就越高。故在設(shè)計這類變換器時。應(yīng)盡量使開關(guān)頻率靠近諧振頻率。2.電磁共振2.1原理：無線傳輸電能，有多種方式,其中以電磁共振為基礎(chǔ)的無線能量傳輸,是以電磁共振為主要理論依據(jù),即發(fā)射端發(fā)射的電