Multisim仿真-無(wú)線(xiàn)電能傳輸項(xiàng)目設(shè)計(jì)[技術(shù)學(xué)習(xí)]

1、 無(wú)線(xiàn)電能傳輸項(xiàng)目設(shè)計(jì)一 預(yù)備知識(shí) （一）項(xiàng)目設(shè)計(jì)的目的：（1）在實(shí)踐中對(duì)現(xiàn)代電工技術(shù)的理論知識(shí)做進(jìn)一步鞏固；（2）鍛煉對(duì)綜合運(yùn)用能力。（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求：D功放AC/DC耦合線(xiàn)圈耦合線(xiàn)圈振蕩器充電電路電源在不采用專(zhuān)用器件（芯片）的前提下，設(shè)計(jì)一個(gè)非接觸供電系統(tǒng)。原理電路如下圖所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)小型電器供電或充電等功能。（三）要求用仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行驗(yàn)證，使其滿(mǎn)足以下功能：（1）供電部分輸入36V以下的直流電壓，具有向多臺(tái)電器設(shè)備非接觸供電的 功能。（2）在輸出功率1W的條件下，轉(zhuǎn)換效率15%，最大輸出功率5W。（3）設(shè)計(jì)報(bào)告必須包括建模仿真結(jié)果（4）利用multisim生成PCB板二 無(wú)線(xiàn)電能傳

2、輸技術(shù)（一）無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)介紹根據(jù)電能傳輸原理，可將 WPT 技術(shù)分為三種：射頻或微波 WPT、電磁感應(yīng)式 WPT、電磁共振式 WPT，下面分別予以介紹。1微波無(wú)線(xiàn)能量傳輸所謂微波 WPT，就是以微波(頻率在 300MHz-300GHz 之間的電磁波)為載體在自由空間無(wú)線(xiàn)傳輸電磁能量的技術(shù)。利用微波源將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉?，由天線(xiàn)發(fā)射，經(jīng)長(zhǎng)距離的傳播后再由天線(xiàn)接收，最后經(jīng)微波整流器等重新轉(zhuǎn)換為電能使用。微波頻率傳輸所具備的“定向、可穿透電離層”等特性，使得該能量傳送方式早在20世紀(jì)60年代初期就受到人們的關(guān)注，并在遠(yuǎn)程甚至超距能量傳輸場(chǎng)合有著重要的應(yīng)用價(jià)值。微波WPT主要用于如微波飛機(jī)、衛(wèi)星太陽(yáng)能

3、電站等遠(yuǎn)距輸電場(chǎng)合，其中衛(wèi)星太陽(yáng)能電站作為人類(lèi)應(yīng)對(duì)能源危機(jī)的有效策略已成為美國(guó)、日本等國(guó)大力發(fā)展的重要航天項(xiàng)目。目前，限制微波 WPT 技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸在于高效微波整流器件、大功率微波天線(xiàn)以及大功率微波電磁場(chǎng)的生物安全性和生態(tài)環(huán)境的影響問(wèn)題。然而，由于工作頻率高、系統(tǒng)效率較低，微波 WPT 并不適合于能量傳輸距離較短的應(yīng)用場(chǎng)合。2電磁感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)能量傳輸電磁感應(yīng)式 WPT 是基于電磁感應(yīng)原理，利用原、副邊分離的變壓器，在較近距離條件下進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)募夹g(shù)。目前較成熟的無(wú)線(xiàn)供電方式均采用該技術(shù)，典型的應(yīng)用包括新西蘭國(guó)家地?zé)峁珗@的 30kW 旅客電動(dòng)運(yùn)輸車(chē)、Splash power 公

4、司的無(wú)線(xiàn)充電器等。可以看出，無(wú)論是小功率的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品還是大功率 EV 無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)，電磁感應(yīng)式 WPT 技術(shù)都可有效實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)供電。然而，電磁感應(yīng)式 WPT 仍存在一系列問(wèn)題：傳輸距離較短，距離增大時(shí)效率急劇下降；傳輸效率對(duì)非接觸變壓器的原、副邊的錯(cuò)位非常敏感等等。3電磁共振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸電磁共振式 WPT，是美國(guó) MIT Solja i 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在 2007 年提出的突破性技術(shù)。他們使用兩個(gè)固有諧振頻率相等的銅線(xiàn)圈(為方便表述，稱(chēng)其為“變壓器”)，在共振激勵(lì)條件下(即激勵(lì)頻率等于線(xiàn)圈的固有諧振頻率)，距離 2m 處，成功點(diǎn)亮了一個(gè) 60W的燈泡，其中變壓器的效率達(dá)到了 40%。壓器繞

5、組間錯(cuò)位的敏感度減小，長(zhǎng)野日本無(wú)線(xiàn)公司給出了原、副邊繞組相互垂直的實(shí)驗(yàn)圖片；此外，利用共振模式對(duì)激勵(lì)頻率要求的嚴(yán)格性，可通過(guò)合理設(shè)置激勵(lì)頻率，向指定電器供電，提高安全性。然而，目前該方向的研究要么過(guò)于理論化，要么為實(shí)驗(yàn)研究，缺乏對(duì)應(yīng)用、工程設(shè)計(jì)有定量指導(dǎo)意義的研究成果，但毋庸置疑，電磁共振式 WPT因?yàn)槟芰康母咝я詈蠈⒊蔀?WPT 技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。綜上所述，與非接觸感應(yīng)式充電技術(shù)相比，磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)膫鬏斁嚯x更有優(yōu)勢(shì)；與電磁波形式的無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)相比，磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸具有無(wú)敏感的方向性、無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)。（二）磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)1能量傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成能量傳輸系統(tǒng)

6、包括電源端與負(fù)載端兩部分。電源端包含導(dǎo)線(xiàn)繞制并與電容并聯(lián)的線(xiàn)圈(源線(xiàn)圈)，以及為線(xiàn)圈提供電能的高頻電源；相隔一段距離的接收端包含另一個(gè)導(dǎo)線(xiàn)繞制并與電容并聯(lián)的線(xiàn)圈(接收線(xiàn)圈)，以及消耗線(xiàn)圈電磁能的負(fù)載。2能量傳輸系統(tǒng)的工作原理導(dǎo)線(xiàn)繞制的線(xiàn)圈可視為電感與電容相連構(gòu)成諧振體，諧振體包含的能量在電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間以其自諧振頻率在空間自由振蕩，產(chǎn)生以線(xiàn)圈為中心以空氣為傳輸媒質(zhì)的時(shí)變磁場(chǎng)；與該諧振體相隔一定距離的具有相同諧振頻率的諧振體感應(yīng)磁場(chǎng)，所感應(yīng)的磁場(chǎng)能同樣在電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間以其自諧振頻率在空間自由振蕩，同時(shí)兩個(gè)諧振體之間不斷地有磁場(chǎng)能交換，因此產(chǎn)生以?xún)蓚€(gè)線(xiàn)圈為中心以空氣為媒質(zhì)的時(shí)變磁場(chǎng)。兩諧振體內(nèi)電場(chǎng)能

7、與磁場(chǎng)能振蕩交換的同時(shí)諧振體之間也存在著以相同頻率振蕩的能量交換，即兩諧振體組成耦合諧振系統(tǒng)。三 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)由電源電路、高頻振蕩電路、高頻功率放大電路、發(fā)射、接收線(xiàn)圈和高頻整流濾波電路五部分組成。非接觸供電系統(tǒng)框架如下圖1所示，最后給可充電電池充電。從無(wú)線(xiàn)電路傳輸?shù)脑砩峡矗娔?、磁能隨著電場(chǎng)與磁場(chǎng)的周期變化以電磁波的形式向空間傳播，要產(chǎn)生電磁波首先要有電磁振蕩，電磁波的頻率越高其向空間輻射能力的強(qiáng)度就越大，電磁振蕩的頻率至少要高于100kHZ，才有足夠的電磁輻射。圖1 非接觸供電系統(tǒng)框圖（一）高頻振蕩電路設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)方案方案一：采用LC諧振回路產(chǎn)生所需的頻率。優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生任意所

8、需載波，缺點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度比較低（見(jiàn)圖2）。方案二：采用有源晶振。有源晶振只要加上電源就可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的載波。優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，頻率穩(wěn)定。缺點(diǎn)就是不能產(chǎn)生任意頻率的載波（見(jiàn)圖3）。方案論證：本設(shè)計(jì)對(duì)頻率沒(méi)有具體要求，而且無(wú)需產(chǎn)生多個(gè)頻率，所以采用方案二。而且具有電路簡(jiǎn)單，頻率穩(wěn)定的有點(diǎn)。圖2 LC諧振回路圖3 晶振電路2晶振電路的工作原理晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱(chēng)。它用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱(chēng)為壓控振蕩器（VCO）。晶振在

9、數(shù)字電路的基本作用是提供一個(gè)時(shí)序控制的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻。數(shù)字電路的工作是根據(jù)電路設(shè)計(jì)，在某個(gè)時(shí)刻專(zhuān)門(mén)完成特定的任務(wù)，如果沒(méi)有一個(gè)時(shí)序控制的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻，整個(gè)數(shù)字電路就會(huì)成為“聾子”，不知道什么時(shí)刻該做什么事情了。晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過(guò)電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低 的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，

10、晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄， 所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱(chēng)的諧振頻率。晶振是為電路提供頻率基準(zhǔn)的元器件，通常分成有源晶振和無(wú)源晶振兩個(gè)大類(lèi)。3晶體振蕩器仿真圖4晶體振蕩器仿真經(jīng)過(guò)大概測(cè)算，晶體振蕩器在輸出頻率在1.5MHz左右，電路圖達(dá)到預(yù)期目的。（二）功率放大器設(shè)計(jì)利用三極管的電流控制作用或場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的

11、功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號(hào)變化的電流。因?yàn)槁曇羰遣煌穹筒煌l率的波，即交流信號(hào)電流，三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的倍，是三極管的交流放大倍數(shù)，應(yīng)用這一點(diǎn)，若將小信號(hào)注入基極，則集電極流過(guò)的電流會(huì)等于基極電流的倍，然后將這個(gè)信號(hào)用隔直電容隔離出來(lái)，就得到了電流(或電壓)是原先的倍的大信號(hào)，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過(guò)不斷的電流放大，就完成了功率放大。1功率放大器原理高頻功率放大器用于發(fā)射級(jí)的末級(jí)，作用是將高頻已調(diào)波信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿(mǎn)足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過(guò)天線(xiàn)將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收級(jí)可以接收到滿(mǎn)意的信號(hào)電平，并且不干擾相鄰信道的通信。高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝

12、置的重要組件。高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有：輸出功率、效率、功率增益、帶寬和諧波抑制度（或信號(hào)失真度）等。這幾項(xiàng)指標(biāo)要求是互相矛盾的，在設(shè)計(jì)放大器時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求，突出一些指標(biāo)，兼顧其他一些指標(biāo)。例如實(shí)際中有些電路，防止干擾是主要矛盾，對(duì)諧波抑制度要求較高，而對(duì)帶寬要求可適當(dāng)降低等。功率放大器的效率是一個(gè)突出的問(wèn)題，其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關(guān)系。放大器的工作狀態(tài)可分為甲類(lèi)、乙類(lèi)和丙類(lèi)等。為了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙類(lèi)、丙類(lèi)，即晶體管工作延伸到非線(xiàn)性區(qū)域。2功率放大器分類(lèi)功率放大器可分為A類(lèi)放大器、B類(lèi)放大器、AB類(lèi)放大器、D類(lèi)放大器及T類(lèi)放大器等五大類(lèi)。A類(lèi)放大器的

13、主要特點(diǎn)是：放大器的工作點(diǎn)Q設(shè)定在負(fù)載線(xiàn)的中點(diǎn)附近，晶體管在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有25%，且有較大的非線(xiàn)性失真。由于效率比較低 現(xiàn)在設(shè)計(jì)基本上不在再使用。 B類(lèi)放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的靜態(tài)點(diǎn)在(VCC，0)處，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi)，Q1導(dǎo)通Q2截止，輸出端正半周正弦波；同理，當(dāng)Vi為負(fù)半波正弦波(如圖虛線(xiàn)部分所示)，所以必須用兩管推挽工作。其特點(diǎn)是效率較高(78%)，但是因放大器有一

14、段工作在非線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)，故其缺點(diǎn)是交越失真較大。即當(dāng)信號(hào)在-0.6V 0.6V之間時(shí)， Q1 Q2都無(wú)法導(dǎo)通而引起的。所以這類(lèi)放大器也逐漸被設(shè)計(jì)師摒棄。 AB類(lèi)放大器的主要特點(diǎn)是：晶體管的導(dǎo)通時(shí)間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作?？梢员苊饨辉绞д?。交替失真較大，可以抵消偶次諧波失真。有效率較高，晶體管功耗較小的特點(diǎn)。 D類(lèi)放大器是一種將輸入模擬音頻信號(hào)或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖寬度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈沖信號(hào),然后用PWM或PDM的脈沖信號(hào)去控制大功率開(kāi)關(guān)器件通/斷音頻功率放大器，也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)點(diǎn)。1 具有很高的效率，通常能夠達(dá)到85%以上。 2 體積小

15、，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。 3 無(wú)裂噪聲接通。4 低失真，頻率響應(yīng)曲線(xiàn)好。外圍元器件少，便于設(shè)計(jì)調(diào)試。 T類(lèi)功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制D類(lèi)功率放大器相同，功率晶體管也是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，效率和D類(lèi)功率放大器相當(dāng)。它和普通D類(lèi)功率放大器不同的是：1、它不是使用脈沖調(diào)寬的方法，2、它的功率晶體管的切換頻率不是固定的，無(wú)用分量的功率譜并不是集中在載頻兩側(cè)狹窄的頻帶內(nèi)，而是散布在很寬的頻帶上, 3、T類(lèi)功率放大器的動(dòng)態(tài)范圍更寬，頻率響應(yīng)平坦。3設(shè)計(jì)方案方案一，采用集成芯片?，F(xiàn)有許多高頻大功率的集成放大器(如AD815)可以用來(lái)設(shè)計(jì)高頻功放。集成功放具有穩(wěn)定度高，需要調(diào)整的參數(shù)少的特點(diǎn)

16、，缺點(diǎn)是效率較低（集成功放一般采用線(xiàn)性放大），不滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)功耗及傳輸距離的要求。方案二，采用分立元件的功率放大器。采用分立元件的高頻電路受分布參數(shù)影響大，而且不易調(diào)整，但其電路結(jié)構(gòu)比較靈活，對(duì)應(yīng)于不同要求的信號(hào)，可以設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的放大器以獲得最大的效率，而且輸出功率可以設(shè)計(jì)的較大，價(jià)格也相對(duì)低廉。采用功放管，前級(jí)的緩沖級(jí)，一是控制能量發(fā)射模塊的增益，二是給提供足夠的驅(qū)動(dòng)功率。方案論證：本題目要求不能采用專(zhuān)用芯片和模塊。能量發(fā)射模塊功率上限為5W，需要較大功率的功放管，故選用方案二。4功率放大器電路圖圖5 功率放大器原理電路圖5功率放大器仿真圖6 功率放大器仿真（三）整流電路設(shè)計(jì)圖8 橋式整流電

17、路2設(shè)計(jì)方案半波整流電路最為簡(jiǎn)單，但是性能較全波整流和橋式整流不好。橋式整流電路與全波整流電路相比，前者電源變壓器五中心抽頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且伏安容量小。綜此比較，整流電路選擇橋式整流電路，橋式整流電路圖見(jiàn)圖8。3整流電路仿真圖9整流電路圖10整流前后對(duì)比（四）耦合線(xiàn)圈磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸是以時(shí)變磁場(chǎng)為媒介，當(dāng)外加激勵(lì)源的頻率與系統(tǒng)的諧振頻率相等時(shí)，諧振體耦合諧振實(shí)現(xiàn)能量傳遞達(dá)到最好狀態(tài)。因此，兩諧振體諧振頻率相同，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)耦合諧振的前提。耦合模理論，不計(jì)損耗情況下，具有相同諧振頻率的諧振體之間可實(shí)現(xiàn)能量的完全交換；當(dāng) 時(shí)，即耦合能力遠(yuǎn)大于自身?yè)p耗的情況下，具有相同諧振頻率的諧振體之間“強(qiáng)耦

18、合”作用，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)能量傳輸。耦合系數(shù)體現(xiàn)了諧振體之間的耦合能力，對(duì)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)能量傳輸起到至關(guān)重要的作用。損耗系數(shù)在能量傳輸系統(tǒng)中的作用絲毫不遜于耦合系數(shù)，二者共同決定了系統(tǒng)的耦合程度。系統(tǒng)中損耗功率增加，則通過(guò)磁場(chǎng)從一端耦合到另一端的功率所占比重減小，因此，損耗系數(shù)的減小與耦合系數(shù)的增加均可以增大系統(tǒng)的耦合程度。1線(xiàn)圈電感從幾何形狀看，線(xiàn)圈的種類(lèi)繁多，如圓形線(xiàn)圈、方形線(xiàn)圈、環(huán)形線(xiàn)圈等。相對(duì)于其他幾何形狀的線(xiàn)圈，圓柱線(xiàn)圈具有的最大優(yōu)勢(shì)在于：每單位體積繞線(xiàn)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)最大。對(duì)于采用密繞的圓柱單層螺旋線(xiàn)圈，導(dǎo)線(xiàn)采用電導(dǎo)率較大的銅芯漆包線(xiàn)，以減小線(xiàn)圈自身電阻。根據(jù)傳輸距離、功率的不同要求，采用不同尺寸的線(xiàn)圈。 密繞環(huán)形電感線(xiàn)圈的電感可由下式計(jì)算：2線(xiàn)圈互感磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)能量傳輸是多方位的能量傳輸，諧振體(諧振線(xiàn)圈)之間沒(méi)有嚴(yán)格的方向?qū)?yīng)關(guān)系，又線(xiàn)圈互感與線(xiàn)圈的尺寸、方位有關(guān)。 同軸平行的線(xiàn)圈之間的互感 圖9中線(xiàn)圈模型的互感計(jì)算：式中 N1,2 分別為線(xiàn)圈 1,2 的匝數(shù)；r1,2 分別為線(xiàn)圈1,2的半徑；d 兩線(xiàn)圈兩軸線(xiàn)中心距離。圖11同軸平行的線(xiàn)圈模型3傳輸系統(tǒng)的最佳頻率范圍兩個(gè)諧振線(xiàn)圈的尺寸完全相同，諧振電容相等，且諧振線(xiàn)圈在同軸線(xiàn)上“強(qiáng)耦合”關(guān)系式：式中 0 真空磁導(dǎo)率