黑龙江赛区ti杯竞赛f题无线电能传输装置设计报告

1、摘 要 无线传输技术为一种脱离金属导线的新型电能传输装置，避免了繁杂导线给人们带来的不便，也对医学、航天的发展起到了推动的作用。本作品为磁耦合谐振式无线电能传输装置，该装置设计就是采用空心线圈进行能量的传递，可以将15v直流电经驱动电路转换为交流并通过发射线圈传递到接收线圈，最终通过电能变换装置转换为直流电输出，来使负载进行工作。本设计采用全桥逆变电路进行ac/da的转换，ne555为核心进行频率的升高，使能够达到预期的效果，采用dds（数字信号处理）将方波信号转换为正弦信号传输给发射线圈，,发射端串联谐振接收端并联谐振的方法，将信号传输过去，使1w白光led发光，获得更大的电压，达到更高的效

2、率，并成功获得更大的传输距离。关键字： 无线传输、磁耦合、并联谐振 目 录1. 设计任务 12. 方案论证 12.1驱动电路模块的论证和选择12.2发射、接收电路的选择13系统理论分析与计算23.1 电路设计的分析23.2驱动电路的分析23.3发射、接收模块的分析43.4电能变换模块的分析74测试结果与误差分析74.1测试方案74.2测试条件与仪器74.3测试结果及分析. 7 4.3.1测试结果（数据）.7 4.3.2误差分析.85结论、心得体会.8附录1：电路原理图9附录2：元器件表1011f题：无线电能传输装置1设计任务（1）保持发射线圈与接收线圈间距离x =10cm、输入直流电压u1=1

3、5v时，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。（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。（3）其他自主发挥。2方案论证2.1 驱动电路模块的论证和选择方案一：由mos管、变压器构成逆变器次逆变器主要由mos 场效应管，普通电源变压器构成。其输出功率取决于mos 场效应管和电源变压器的功率。通过mos管的通断来将直流电逆变为交流电，并通过变压器来提高输出电压。此方法操作简单，电路容易构造，但因其含变压器，容易与发射、接

4、收端的线圈形成电磁干扰，影响电路总体效率。方案二：由单片机构成逆变器此电路以stc单片机为核心，对单片机进行编程来控制电路的通断来达到输出交流信号的目的，由于电路以单片机为核心，故其外围电路较为简单，抗静电、抗干扰能力强，工作温度范围宽，能够稳定输出交变电流。此电路需要对单片机系统有一定的研究，并具有独立编写单片机程序的能力。方案三：由ne555构成的脉冲发生器此电路以ne555为核心构成斯密特触发器，并将其改造成频率可调的多谐振荡电路，将其输出的方波通过dds电路产生正弦波，并用正弦波控制全桥逆变电路输出所需的方波信号。此电路所输出的方波频率较高，波形稳定。经过以上三种方案的实际操作对比，最

5、终选择方案三为最终方案。2.2 发射、接收电路的选择发射、接收电路均采用lc谐振电路，依据线圈的数量设计如下方案：方案一：采用等匝双线圈结构： 等匝双线圈结构是在发射、接收两端各放置一个线圈，利用电源侧的线圈与电容构成的谐振电路，使电源侧的线圈产生交变磁场并耦合到负载端的线圈，从而形成电能的传递。由于两线圈匝数相同，两线圈的谐振频率便于统一，此方案为最常见的基本结构，简单易行，利于计算参数。方案二：采用四线圈结构： 四线圈结构在两个谐振线圈的基础上，增加了两个感应线圈，使电源与发射线圈隔离，负载与接受线圈隔离。四线圈结构相比于两线圈结构，其优点在于能够进行电源以及负载匹配，能够很大程度上隔离电

6、源和负载对谐振线圈的影响。但由于本次比赛要求线圈手工缠制，线圈数量增加会使误差增大，加大了调制的难度。 对比以上两种方案，基于本小组的能力水平以及时间关系，选择方案一为最终方案。3系统理论分析与计算3.1电路设计的分析本文设计了一个输出电流0.5a，输出电压8v的无线传输装置，该电路包括驱动电路模块，发射、接收模块，电能变换模块四部分。从输入的15v直流电开始，通过ne555谐振电路输出5v的高频方波信号，经dds电路转化为正弦信号后，通过全桥逆变电路输出所需高压高频正弦波，通过发射线圈谐振耦合到接受线圈中，最后经电能变换模块将方波信号转换为供负载使用的直流电。3.2驱动电路的分析（1）ne5

7、55多谐振荡电路ne555多谐振荡电路如图1所示：rbract图1 ne555电路原理图工作原理：把充放电通路利用二极管的单向导电性引导，并使充、放电的路径分开，使定时电容有不同的充、放电通路。充电是通过ra、da和ct，放电是通过db和rb到放电端。由于ra和rb可以单独调节，便构成了脉冲宽度、频率都可调的矩形波发生器。图2 ne555引脚图（2）dds电路dds同 dsp（数字信号处理）一样，是一项关键的数字化技术。dds是直接数字式频率合成器的意思。与传统的频率合成器相比，dds具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技

8、术。本试验中的dds电路是以ir21844芯片为核心构建的正弦波信号发生器，可以将ne555谐振电路发出的方波信号转化为正弦波输出。图3 dds电路原理图ir21844引脚说明：pin1(in)是逻辑输入控制端；pin2(sd)输出关闭控制端；pin3(vss)逻辑电路接地端；pin4(dt)可调的死区时间输入端；pin5(com)低端电源公共端；pin6（lo）低端输出；pin7(vcc)低端电源电压；pin11(vs)高端浮置电源公共端；pin12(ho)高端输出；pin13(vb)高端浮置电源电压；图4 ir21844引脚图（3）全桥逆变电路图5 全桥逆变电路原理图输出电压定量分析uo成

9、傅里叶级数 基波幅值 基波有效值 以此作为线圈l1的输入电压可以做到输入电压峰值为15v。3.3发射、接收电路模块的分析驱动电路给发射线圈供电，频率为系统谐振频率。此时发射线圈发生谐振。即使在不高的供电电压下，因为发生谐振，也能产生较大的电流，从而建立起较强的电磁场。发射线圈中的电容的电场能因为谐振与电感线圈中的磁场能不断地进行交换。而发射端电感线圈中磁场有一部分铰链到接收端的电感线圈，交变的磁场在接收线圈中感应出电流，因此能量传递到了接收端。在接收端，电容中的电场能和电感线圈重的磁场能也因为谐振在不断地进行能量交换，最终把能量传递给点能变换模块。（1）串联谐振电路的特性分析谐振是由r、l、c

10、元件组成的电路在一定条件下发生的一种特殊现象。首先，我们来分析r、l、c串联电路发生谐振的条件和谐振时电路的特性。图7所示r、l、c串联电路，在正弦电压u作用下，其复阻抗为： 式中电抗xxlxc是角频率的函数，x随变化的情况如图6所示。当从零开始向变化时，x从向变化，在o时、x0，电路为容性；在o时，x0，电路为感性；在o时 图7串联谐振电路原理图此时电路阻抗z(o)r为纯电阻。电压和电流同相，我们将电路此时的工作状态称为谐振。由于这种谐振发生在r、l、c串联电路中，所以又称为串联谐振。下式就是串联电路发生谐振的条件。由此式可求得谐振角频率o如下：谐振频率为由此可知，串联电路的谐振频率是由电路

11、自身参数l、c决定的与外部条件无关，故又称电路的固有频率。当电源频率一定时，可以调节电路参数l或c，使电路固有频率与电源频率一致而发生谐振；在电路参数一定时，可以改变电源频率使之与电路固有频率一致而发生谐振。本电路采用16圈直径为20cm线圈，由lcr数字电桥仪器测得电感值:l=84.6uh（2）品质因数的确定：q=wlr=1wrc品质因数又称共振系数，有时简称为q值。它是由电路参数r、l、c共同决定的一个无量纲的量。由lcr数字电桥仪器测量在谐振频率等于249.86.品质因数q值越大，电路传输越稳定。（3）并联谐振电路的特性分析在电阻、电容、电感并联电路中，出现电路端电压和总电流同相位的现象

12、，叫做并联谐振，其特点是：并联谐振是一种完全的补偿，电源无需提供无功功率，只提供电阻所需要的有功功率，谐振时，电路的总电流最小，而支路电流往往大于电路中的总电流，因此，并联谐振也叫电流谐振。 图8 并联谐振电路图由图可得电路的复导纳y = +jc = +jc - = g + jb并联谐振时，端口电压与电流同相，此时电路表现为纯阻性，电路的电纳为零，即复导纳的虚部为零，则并联谐振的条件为：c - = 0 即：c = 在实际电路中，由于均满足q远大于1的条件即0l远大于r，上式可化简为：0l 所以q远大于1时，并联谐振电路发生谐振时的角频率和频率分别为：0 = f0 = 调节l、c的参数值，或该变

13、电源频率，均可发生谐振。（4）谐振阻抗关联谐振时，回路阻抗为纯电阻，端口电压与总电流同相，在q远大于1时，电路阻抗为最大值，电路导纳为最小值。谐振阻抗的模|z0|为：|z0| = = = = q0l = q= = q2r = 在电子技术中，因为q远大于1，所以并联谐振电路的谐振阻抗很大，一般在几十千欧姆至几百千欧姆之间。（5）并联谐振时电路的端电压若并联谐振电路外接电流源，则谐振时电路的端口电压为：u= isz0 = is 由于谐振时电路的阻抗接近最大值，因而在电流源激励下电路两端的电压最大。（6）并联谐振时电路的电流在上图（教材图5-4-2）所示电路中，设谐振时回路的端电压为u0 则：u0

14、= i0z0 = i0q0li0q 电感和电容支路的电流分别为：ic0= u0 / = j0c u0 = jq i0il0= = i0q0l(- j) = - jq i0上式表明，并联谐振时，在q远大于1的条件下，电容支路电流和电感支路电流的大小近似相等，是总电流i0的q倍，所以并联谐振又称为电流谐振，3.4电能变换模块的分析本电路所使用的点能变换模块为最常见的整流桥电路，由4个二极管组成，其作用就是能够通过二极管的单向导通的特性将电平在零点上下浮动的交流电转换为单向的直流电来供负载使用，此种电路构造简单，应用广泛，是最便捷的整流电路。图9 整流桥电路原理图4测试结果与误差分析4.1测试方案硬

15、件测试：（1）测试线圈间距10cm时的传输效率：负载采用可变电阻，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，测量输入、输出电流i1、i2，以及输出电压u2，计算效率（2）测试点亮led灯的最大距离：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）。找到led灯熄灭的临界点，用直尺测量出最大距离x。4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：健cs-5400 100m双踪示波器，安捷伦六位半数字万用表，同惠th2826/a高频lcr数字电

16、桥，直尺。4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)（1）当输入直流电压u1为15v时，测量结果如表1表1 装置效率测量u1u2i1i21500v5.40a1.50a0.34a8%（2）输入直流电压u1=15v，输入直流电流不大于1a， led灯熄灭的临界点，用直尺测量出最大距离x= 60cm4.3.2误差分析1.由于线圈均为手工绕制，变形以及两匝线圈之间的空隙均可对线圈的耦合产生影响。2.由于使用的元器件均为普通器件，精确度低，自身含有一定误差，故与理论值有一定偏差。3.驱动电路较为复杂，损耗的功率过大，导致使用效率降低。5结论、心得体会通过本次活动，我们对多谐振荡电路、dds电路、全桥逆变器以及无线传输技术等有了深刻的认识，增长了自己的知识面，通过为时一周的比赛，令自己的知识不局仅仅限于书本，而是真正动手将知识应用到了实践当中，即锻炼了自己的动手能力，也同时把印象中抽象的原理图同实际电路图相结合。在本次比赛中也遇到了很多难以解决的问题，大家在一起互相讨论、印证，使我们深刻体会到了团结协作的重要性，附录1：电路总原理图附录2：器件清单名称注释个数ne555 174hc14178