感应式无线电能传输 杨进

1、感应无线输电特性研究学生证：14721427姓名：金扬一.设计任务设置一个尽可能轻的小型无线电力传输设备，以便与磁悬浮平台兼容。二、设计要求(1)在1-3厘米的距离内实现输电和点亮12V10W灯泡(2)体积尽可能小三。方案设计1.小型无线电力传输的工作原理图1无线电力传输原理小型无线电力传输装置的基本工作原理如图1所示。高频逆变器产生的高频交流电注入初级线圈。初级线圈中的高频交流电产生高频交变磁场，该高频交变磁场与次级线圈电磁感应耦合以产生感应电动势，该感应电动势可以在通过高频整流电路之后向负载提供直流电能。在小型无线输电装置的能量连接耦合机构中，初级线圈和次级线圈之间存在较大的气隙，因此其耦

2、合系数K较小。为了提高小型无线输电装置的输电能力，减小耦合机构的体积，采用在原副线圈中注入高频交流电的方法来提高松耦合变压器的功率密度。为了提高系统的能量传输效率，通常对一次侧和二次侧进行补偿，并使用谐振电路来提高系统的功率传输能力。2.耦合补偿拓扑的选择在小型无线电力传输设备的系统中，存在大的漏电感，这限制了它传输的有功功率。为了减少无功功率的消耗，容抗常用来补偿电路中的感抗。初级侧的电容用于补偿初级侧的漏电感和次级侧的反射电感，从而降低小型无线输电设备电源的视在功率，提高小型无线输电设备电源的功率因数。二次侧电容补偿是为了降低二次侧的无功功率，提高系统的输电能力。小型无线输电设备的基本补偿

3、拓扑是电容串联补偿和电容并联补偿。如果一次侧和二次侧采用串并联组合补偿，系统的补偿拓扑包括：串并联补偿拓扑、串并联补偿拓扑、并串联补偿拓扑和并并联补偿拓扑4种类型。SS拓扑当前值太大，无法在设计中选择。然而，对于小型无线功率传输设备来说，SP拓扑是一种理想的补偿拓扑，因为它可以确保初级谐振电路中的高耦合传输功率和低电流值。与PS拓扑和PP拓扑相比，PP拓扑具有更高的耦合传输功率，适当选择PP拓扑结构参数，在相同参数下，可以获得比SP拓扑更高的耦合传输功率。通过比较可以看出，PP拓扑在耦合功率传输方面具有其他拓扑无法比拟的优势，但更容易控制SP结构，SP拓扑也能达到理想的耦合功率传输效果。因此，

4、系统选择SP拓扑。图2 SP补偿拓扑根据主电路补偿拓扑的选择，系统一次侧采用串联补偿，二次侧采用并联补偿(SP补偿拓扑)。结构图如图2所示：初级逆变桥输出的电压是补偿电容、初级能量传输线圈的电感和初级侧的反射阻抗。它是由次级侧拾取的电压、次级侧能量拾取线圈的电感、次级侧的补偿电容和次级侧的阻抗值。初级侧的阻抗为初级侧的反射阻抗是，使初级侧谐振，即使初级侧阻抗；的虚部为零当次级侧工作在谐振频率点时，初级侧具有最大的能量传输效率，即以上所述根据所选的SP补偿拓扑，初级特定电路如图3所示。h桥为发射线圈供电，MOS管为IRFB4310，驱动芯片为IR2103。驱动电路图如图4所示。C51单片机向驱动

5、芯片发送频率为20千赫的脉冲信号，负载获得20千赫交变方波电压。整个系统处于开环状态。图4驱动电路4.过压保护由于电路中有感性负载，当开关管关闭时，漏极电流将产生极高的漏极电压过冲，导致管损坏。因此，应在开关管上设置RCD关断缓冲吸收电路，以实现过压保护，如图5所示。图5 RCD缓冲电路钢筋混凝土吸收回路的参数计算根据以下公式(开关管的上升时间、下降时间和打开时间)确定，其中：缓冲电容：缓冲电阻：根据晶闸管IRFB4310的具体选择，设计电流为1安培，=110ns，=78ns，电容为1.3nF，电阻为6.8K5.电容器和电感器线圈的选择和缠绕由于接收线圈将放置在磁悬浮平台上，用于电能传输的线圈

6、应设计得尽可能小。增加铁芯有利于无线输电效果，但铁芯质量太大，不能考虑使用，集中绕组的质量也大于平面绕组。综合考虑使用单层平面盘形电感线圈。输电线圈是一根直径接近0.8毫米的铜芯漆包线。由于原次级侧的电感值几乎相等，线圈被缠绕成直径约为57至58匝的单层圆盘线圈和直径为10.5厘米的平面线圈。具体实物见图6。由于电路工作在高频，普通电容会有寄生参数，可能会产生意想不到的结果，所以选择无电感电容。图6单层圆盘线圈6.次级侧接收整流电路次级接收线圈感应出与初级线圈频率相同的交流电压。为了比较和分析整流对输电的影响，设计了一种整流电路。整流电路的滤波电容根据公式计算。在纹波为0.05的条件下，计算值

7、约为10uF。实验选用22uF。其中：是整流电路的脉冲频率是波纹系数这是整流电路最大输出电压这是整流电路最大输出电流四.实验结果与分析对于感应式无线电力传输，距离限制是其最大的缺点。对于不同距离条件下的电能传输结果，如表1所示，在二次侧接收线圈在不同距离获得12V电压的情况下(二次侧灯泡获得12V交流电压有效值)，一次侧所需的电压和电流值，小灯泡标记为12V10W，但12V电压下的实际灯泡电流为0.62A，即实际功率为7.44W.距离厘米0.50.71.01.41.61.82.02.53.0电压v15.314.613.612.712.512.612.713.414.0当前a0.650.710.

8、781.011.111.161.211.371.48谐振电压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无二次侧整流电能传输数据根据表数据，在距离增加的情况下，一次侧获得二次侧额定电压所需的电压先减小后增大，同时电流不断增大，一次侧提供的功率也在增大。整体效率也在下降。距离厘米0.50.71.01.41.82.02.5电压v18.518.117.416.516.616.718.

9、3当前a0.650.700.791.011.201.281.63谐振电压值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2二次整流期间电能传输数据表2显示了次级侧接收端整流后，次级侧获得相同的12V电压时，初级侧所需的电压和电流。比较表1和表2，可以看出初级侧的所需电流值7.58.08.59.0小学一年级(一)0.370.420.470.510.560.610.650.700.75中学u(五)2.813.303.844.354.855.

10、375.916.457.07小学五年级9.510.010.511.011.512.012.513.0小学一年级(一)0.800.840.900.940.991.041.091.14中学u(五)7.848.359.009.6510.411.011.712.4表3 1.5厘米处一次侧和二次侧不同电压的拾取电压比较初级补偿电容波形：下图显示了初级补偿电容器分别在0.5厘米、1.0厘米、2.0厘米和3.0厘米条件下的波形。可以看出，在0.5厘米的距离处，电容波形的正弦度不高。在一定条件下，补偿电容的谐振电压随着距离的增加而不断增加，波形也接近正弦。不同距离下电压上升有两个主要原因。一个是互感随着距离的增加而减小。根据折射阻抗公式，折射阻抗减小，谐振电压升高。第二个原因是，随着距离的增加，互感M的值保持接近设计值，并且初级侧保持接近谐振点，谐振电压也将上升。二次整流和滤波后的波形：波形显示电压在2.5个电池和3个电池之间波动，即在1V和1.2V之间，输出为12V，纹波系数约为0.1。根据公式，纹波小于0.03，但实际上是0.1。理想值和实际值之间有很大的误差。七.总结和经验在设计原二次侧的电感和电容值时，存在许多不确定因素，使得设计更加困难。例如，特定输电线圈的距离没有完全确定，根据经验公式计算的互感值的可靠性不高，根据互感