文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.032
中文引用格式: 張?zhí)煊瑁瑥埲鸪?,耿曉紅,,等. 接收端并聯(lián)諧振的耦合式無(wú)線供電系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,,42(1):123-125,,132.
英文引用格式: Zhang Tianyu,Zhang Ruicheng,,Geng Xiaohong,,et al. The coupled resonances wireless power transfer system based on parallel resonance receiver[J].Application of Electronic Technique,2016,,42(1):123-125,,132.
0 引言
進(jìn)入21世紀(jì)后,電氣領(lǐng)域發(fā)展突飛猛進(jìn),,無(wú)線輸電也成為這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向,。早在1889年,美國(guó)科學(xué)家特斯拉便提出了無(wú)線電能傳輸的設(shè)想[1-3]?,F(xiàn)代無(wú)線輸電主要有3種形式:電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸,;諧振耦合式無(wú)線電能傳輸;激光,、微波為載體的無(wú)線電能傳輸[4-5],。2007年,美國(guó)麻省理工大學(xué)MIT研究組成功利用諧振耦合式無(wú)線電能傳輸原理,,將一個(gè)60 W的燈泡在相隔2 m的距離點(diǎn)亮,,且傳輸效率高達(dá)40%~50%,為近年來(lái)無(wú)線電能傳輸?shù)难芯看蛳铝嘶A(chǔ)[6-8],。
1 無(wú)線輸電系統(tǒng)模型及原理
諧振耦合無(wú)線輸電系統(tǒng)示意圖如圖1所示,。系統(tǒng)分為發(fā)射電路與接收電路,直流電源與高頻逆變電路共同組成了高頻正弦交流電源,,再經(jīng)由諧振電容與發(fā)射線圈產(chǎn)生諧振,,使得發(fā)射線圈與接收線圈發(fā)生諧振強(qiáng)耦合,從而大大提高傳輸效率,。
2 高頻逆變電路
為了提高無(wú)線傳輸效率,,通常系統(tǒng)的諧振頻率采用1 MHz~50 MHz的射頻段,為此在逆變電路的設(shè)計(jì)上采用了高頻高效率的E類逆變電路,,其基本原理如圖2所示,。
圖中電源支路的電感L1為扼流電感,使其流過(guò)電流恒定,,其值足夠大即可,,并聯(lián)電容C1主要輔助電路完成諧振,并降低開(kāi)關(guān)管損耗,,RLC支路中電感Lr和電容Cr構(gòu)成諧振回路,,電阻R為負(fù)載,,開(kāi)關(guān)管觸發(fā)信號(hào)采用1 MHz脈沖波。本文中負(fù)載R為無(wú)線發(fā)射線圈及其諧振電容,,通過(guò)逆變后發(fā)射線圈兩端電壓波形如圖3,。
3 無(wú)線收發(fā)電路諧振方式設(shè)計(jì)
3.1 諧振方式研究
接收線圈采用串聯(lián)諧振時(shí),與發(fā)射線圈耦合等效電路如圖4,。
串聯(lián)諧振在理想情況下,,電感與電容上電流為無(wú)窮大,為在發(fā)射線圈上產(chǎn)生較大電流以獲得較強(qiáng)磁場(chǎng),,故在發(fā)射端采用串聯(lián)諧振方式,。
根據(jù)KVL定律,可得:
式中,,Us為電源電壓,,R1為發(fā)射線圈寄生電阻,I1為發(fā)射回路電流(即發(fā)射線圈勵(lì)磁電流),,RL為負(fù)載電阻,,I2為接收回路電流,ω為系統(tǒng)角頻率,,M為兩線圈間互感系數(shù),。通過(guò)公式可以看出,負(fù)載阻抗越大,,傳輸效率越低,。
兩線圈同軸時(shí),互感系數(shù)計(jì)算如下:
式中,,μ0為真空磁導(dǎo)率4.7×10-7H/m,,n1為發(fā)射線圈匝數(shù),n2為接收線圈匝數(shù),,r1為發(fā)射線圈半徑,,r2為接收線圈半徑,,d為兩線圈間距離,。
接收線圈采用并聯(lián)諧振時(shí),與發(fā)射線圈耦合等效電路如圖5,。
根據(jù)KVL定律,,得到:
式中參數(shù)意義同上,通過(guò)公式可以看出,,負(fù)載阻抗越大,,傳輸效率越高。
3.2 諧振線圈參數(shù)設(shè)計(jì)
諧振線圈的設(shè)計(jì)要考慮三個(gè)因素:與諧振電容匹配的電感量,;匝數(shù)與線圈直徑對(duì)傳輸效率的影響,;體積與便攜性,。
線圈匝數(shù)和線圈直徑對(duì)互感系數(shù)影響參考式(6),電感與電容諧振的計(jì)算公式如下:
4 整流電路設(shè)計(jì)
在此整流電路采用典型的不可控全橋整流電路,,由于系統(tǒng)頻率為1 MHz高頻,,所以直接通過(guò)電容濾波后即可得到穩(wěn)定的直流電能。整流電路原理圖如圖6,。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
(1)諧振頻率
利用式(5),、式(6)可得圖7所示的關(guān)系曲線,圖7給出了當(dāng)逆變電源功率一定時(shí)頻率與線圈距離對(duì)效率的影響,,當(dāng)線圈間距離固定,,提高LC諧振頻率可極大地提高無(wú)線傳輸效率。
(2)中繼線圈
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,,兩線圈相距為18 cm時(shí),,接收端接收到的功率不足以點(diǎn)亮小燈,而當(dāng)在兩線圈間加入諧振線圈后,,小燈點(diǎn)亮,,效率約為65%。
由此可知,,中繼線圈可以提高傳輸距離,,改變傳輸方向,可提高傳輸效率,。加入中繼線圈的電路模型如圖8所示,。
(3)線圈直徑
利用式(5)和式(6)可得圖9所示的關(guān)系曲線,分別繪制了線圈直徑為7 cm,、匝數(shù)為25,,線圈直徑為16 cm、匝數(shù)為5時(shí)效率與距離之間的關(guān)系,。
由圖9可知,,當(dāng)線圈電感量不變,線圈直徑增大,、匝數(shù)減少時(shí),,傳輸效率有明顯增加。所以應(yīng)該在勵(lì)磁電流足夠提供所需磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況下,,盡量提高線圈的直徑,。
(4)強(qiáng)耦合造成的頻率分裂
當(dāng)兩線圈距離很近時(shí),使得互感系數(shù)M增大,,這種變化可等效看做改變了電感量,,從而破壞了電感與電容之間的諧振狀態(tài),其諧振頻率也因此改變,。此時(shí),,因?yàn)榘l(fā)射線圈處于失諧狀態(tài),,使得傳輸效率下降。
當(dāng)分析頻率分裂現(xiàn)象時(shí),,電容與電感不可看做完全補(bǔ)償,,即jωL≠j/(ωC)。
對(duì)圖4使用KVL定律,,得:
式中,,L為諧振電感量,C為諧振電容量,,其他物理量同式(5),。圖10所示為關(guān)系曲線圖。
可采用如下方法解決頻率分裂問(wèn)題:①改變兩線圈的中心軸的相對(duì)位置,,從而減弱兩線圈間的互感,;②改變兩線圈之間的旋轉(zhuǎn)角度,可使系統(tǒng)退出頻率分裂區(qū)域,。
(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)以上參數(shù)設(shè)計(jì),,搭建了實(shí)驗(yàn)裝置,電源采用12 V的直流太陽(yáng)能板及蓄電池,,裝置在12 cm處點(diǎn)亮了一個(gè)3 W小燈,,效率約為86%。
6 結(jié)論
設(shè)計(jì)的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)采用了線圈間的諧振式強(qiáng)耦合原理,,首先通過(guò)高頻逆變電路,、發(fā)射接收線圈、整流電路的仿真設(shè)計(jì),,搭建了無(wú)線供電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),,在發(fā)射接收電路的設(shè)計(jì)上采用了發(fā)射端串聯(lián)諧振,接收端并聯(lián)諧振的方式提高傳輸效率,,通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算,,得出了以下結(jié)論:
(1)增大系統(tǒng)諧振頻率,可以提高傳輸效率,,系統(tǒng)一般工作在1 MHz~50 MHz的射頻段,。
(2)在線圈電感量不變的情況下,增加線圈直徑,、減少匝數(shù)比增加線圈匝數(shù),、減小直徑能更有效提高傳輸效率,。
(3)增添中繼線圈,,能顯著提高傳輸距離,并實(shí)現(xiàn)沿曲線路徑的電能傳輸,。
(4)在線圈距離較近時(shí),,兩者會(huì)處于強(qiáng)耦合狀態(tài),,當(dāng)前系統(tǒng)頻率不在能使電感電容諧振,出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象,,傳輸效率降低,。
(5)發(fā)射端采用串聯(lián)諧振方式,當(dāng)接收端采用串聯(lián)諧振時(shí),,負(fù)載阻抗越小,,傳輸效率越大;當(dāng)接收端采用并聯(lián)諧振時(shí),,負(fù)載阻抗越大,,傳輸效率越小。
參考文獻(xiàn)
[1] 李陽(yáng),,楊慶新,,陳海燕,等.無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中影響傳輸功率和效率的因素分析[J].電工電能新技術(shù),,2012,,31(3):31-39.
[2] 汪強(qiáng),李宏.基于磁耦合諧振的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2011,,37(12):72-75.
[3] 陳琛,黃學(xué)良,,孫文慧,,等.金屬障礙物對(duì)磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的影響[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,,29(9):22-26.
[4] 聶一雄,,文波,劉藝.無(wú)接觸功率傳輸技術(shù)[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),,2010,,25(3):13-24.
[5] 李陽(yáng),楊慶新,,閆卓,,等.磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的頻率特性[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2012,,16(7):7-11.
[6] 黃學(xué)良,,譚林林,陳中,,等.無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),,2013,28(10):1-11.
[7] 孫立保.非輻射共振耦合無(wú)接觸電能傳輸系統(tǒng)[D].杭州:浙江大學(xué),,2013.
[8] Andre Kurs,,Aristeidis Karalis,,Robert Moffatt,et al.Wireless power transfervia strongly coupled magnetic resonances[J].Science,,2007,,317(6):83-86.