無線電能傳輸課程設計實驗報告

1、實驗報告1. 實驗原理與無線通信技術一樣擺脫有形介質的束縛，實現(xiàn)電能的無線傳輸是人類多年 的一個美好追求。無線電能傳輸技術（Wireless Power Transfer, WPT）也稱之 為非接觸電能傳輸技術（Contactless PowerTransmission, CPT）,是一種借 于空間無形軟介質（如電場、磁場、微波等）實現(xiàn)將電能由電源端傳遞至用電設 備的一種供電模式，該技術是集電磁場、電力電子、高頻電子、電磁感應和耦合 模理論等多學科交叉的基礎研究與應用研究，是能源傳輸和接入的一次革命性進 步。無線電能傳輸技術解決了傳統(tǒng)導線直接接觸供電的缺陷，是一種有效、安全、 便捷的電能傳輸方

2、法，因而它被美國技術評論雜志評選為未來十大科研方向 之一。該技術不僅在軍事、航空航天、油田、礦井、水下作業(yè)、工業(yè)機器人、電 動汽車、無線傳感器網絡、醫(yī)療器械、家用電器、RFID識別等領域具有重要的應 用價值，而且對電磁理論的發(fā)展亦具有重要科學研究價值和實際意義。在中國科 協(xié)成立五十周年的系列慶?；顒又?，無線能量傳輸技術被列為"10項引領未來 的科學技術”之一。到目前為止，根據電能傳輸原理，無線電能傳輸大致可以分為三類：感應耦 合式、微波輻射式、磁耦合諧振式。作為一個新的無線電能傳輸技術，磁耦合諧 振式是基于近場強耦合的概念，基本原理是兩個具有相同諧振頻率的物體之間可 以實現(xiàn)高效的能量

3、交換，而非諧振物體之間能量交換卻很微弱。磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)膫鬏敵叨冉橛谇皟烧咧g，因此也被稱之為中 尺度（mid-range）能量傳輸技術，其尺度為幾倍的接收設備尺寸（可擴展到幾 米到幾十米）。除了較大的傳輸距離，還存在以下優(yōu)勢：由于利用了強耦合諧振技術，可以 實現(xiàn)較高的功率（可達到kW）和效率；系統(tǒng)采用磁場耦合（而非電場，電場會發(fā) 生危險）和非輻射技術，使其對人體沒有傷害；良好的穿透性，不受非金屬障礙 物的影響。因此該技術已經成為無線電能傳輸技術新的發(fā)展方向?；诖篷詈现C振技術的無線電能傳輸技術主要利用的是近場磁耦合共振技 術，共振系統(tǒng)由多個具有相同本征頻率的物體構成，能量只在系統(tǒng)中

4、的物體間傳 遞，與系統(tǒng)之外的物體基本沒有能量交換，在達到共振時，物體振動的幅度達到 最大。基于磁耦合諧振技術的無線電能傳輸系統(tǒng)一般由髙頻發(fā)射源、發(fā)射系統(tǒng)、接 收系統(tǒng)、負載等部分組成，其中發(fā)射系統(tǒng)和電磁接收系統(tǒng)，是無線電能傳輸系統(tǒng) 的關鍵部分。其典型模型如下圖所示。由下圖可知發(fā)射系統(tǒng)包括勵磁線圈和發(fā)射線圈，它 們之間是通過直接耦合關系把能量從勵磁線圈傳到發(fā)射線圈，勵磁線圈所需能量 直接從髙頻電源處獲得。電磁接收系統(tǒng)包括接收線圈和負載線圈，它們之間也是 通過直接耦合關系把能量從接收線圈傳到負載線圈。發(fā)射線圈與接收線圈之間通 過空間磁場的諧振耦合實現(xiàn)電能的無線傳輸。發(fā)射淞播收恥勵餓圈(O)(OW負般

5、鐮目前國外的學者多利用“耦合?！崩碚搶Υ篷詈现C振技術的無線電能傳輸技 術進行分析，并得到能量高效傳輸?shù)谋匾獥l件13：發(fā)射線圈和接收線圈的固有諧振頻率相同，并具有較高的品質因數(shù)；雖然“耦合?！崩碚搶o線電能傳輸技術基本原理進行了解釋，但是在涉及 具體電路及其參數(shù)的設計問題上“耦合?！崩碚撘灿幸欢ǖ木窒扌?，因此本文利 用互感理論來進一步分析問題，尤其是利用該方法在參數(shù)設計方面進行探索?；诖篷詈现C振技術的無線電能傳輸系統(tǒng)的等效電路模型如下圖所示，勵 磁線圈由激勵源(高頻功放)氏和單匝線圈組成，負載線圈由單匝線圈和負載組 成，發(fā)射和接收線圈均由具有相同諧振頻率的多匝線圈組成。在系統(tǒng)設計時為了 降低設

6、計的復雜性，將發(fā)射和接收線圈設計成相同的尺寸和機械結構，因此，兩線圈的等效參數(shù)可認為是一致的。上圖中激勵源阻為屆，負載電阻為凡；厶1、厶2、£3、叢分別為勵磁線圈射線 圈、接收線圈和負載線圈的等效電感；0、62、©、G分別為勵磁線圈、發(fā)射線 圈、接收線圈和負載線圈的等效電容；丹1、用2、丹3和肝4分別為勵磁圈、發(fā)射 線圈、接收線圈和負載線圈由于趨膚效應等因素產生的損耗電阻；倉adl、金ad2、 用ad3、屆ad4分別為勵磁線圈、發(fā)射線圈、接收線圈和負載線圈的輻射等效電阻。 將勵磁線圈的電路反射到發(fā)射線圈，相當于發(fā)射線圈中加入一個感應電動勢；而 將負載線圈反射到接收線圈相當于

7、接收線圈增加了一個反射阻抗，其等效電路如 下圖所示。設流過發(fā)射線圈和接收線圈的電流分別為/ 1、72,方向如下圖所 示。根據基爾霍夫電壓定律（KVL）,發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)上圖為無線電能傳輸系統(tǒng)的簡化電路。由此圖可推導岀:匸$ = R + 說？ + hi _ jeA/?3厶l jg 丿 0= R3+Ra +jcoL3 + Z9 -jcdMIy、'jg 廠進一步推導得到接收線圈歸一化電壓為Ua = 匚max2（1+2）2十2（1_2）孑十/(2)式中，K 皂色,0為品質因數(shù)，Q 旦二。丿R丄；為耦合因數(shù)，二空。關丁公式的推導 coqCRR過程請參考文獻18和文獻1902. 實驗步驟a. 在印

8、刷電路板上繞制所需電感線圈（發(fā)射極）b. 測量所繞制的電感線圈的電感值Lc. 根據所測得的L值，初定角頻率w,并計算出匹配電容的理論值C。d. 根據匹配電容的理論值C。匹配電容組合，并通過比對示波器上的電壓 電流波形，確定匹配電容的實際值C。3. 實驗過程及數(shù)據先將導線繞入印刷電路板，然后用透明膠粘好，使導線位置固定，然后除去兩頭導線的絕緣層，測量其電感值，如下圖所示:得出所繞制的電感線圈的電感穩(wěn)定值為1.61UH由w2CL=1 可知,定f=200KHz,所以w二1256.64 rad/s,所需匹配電容的值為：C0=393nF如上圖，根據計算的理論電容值，匹配組合岀實際電容值，并通過對比電流、

9、電壓波形，對實際的匹配電容值進行微調。微調直至匹配電容值相應的電流、電 壓波形同相。根據示波器的波形，可以認定匹配電容值達到要求，實際值C.=357nF 根據接收端電路諧振理論電容，微調電容使接收端電路達到諧振狀態(tài)。接收端線圈電感為1 uH,由上公式LO1可算得，接收端電容理論值為 C=633nFo實際微調至C=720nF時接收端電路電壓電流同相，達到諧振狀態(tài)。將匹配好的發(fā)射端電路連接至電源，接收端電路與負載相連。因為我們制作 的電感太小，導致耦合系數(shù)太小，而且實驗條件有限，我們所做實驗的負載為小 燈泡。當電源打開時，負載端的電壓電流很小，只能觀察到小燈泡及其微弱的亮 光。4. 實驗感想1. 由于前期的理論準備不充分，和對課程設計的實驗具體過程不熟悉，導致 實際進行實驗操作時，很多所需實驗數(shù)據都需要花費實驗時間計算。2. 前期制作電感線圈所花費的時間很長，是因為我們的動手