無(wú)線遠(yuǎn)距離電能傳輸

1、超長(zhǎng)距離, 高頻,無(wú)線電能傳輸裝置研制引言：電能無(wú)線傳輸一直是人類的夢(mèng)想，許多國(guó)內(nèi)外科學(xué)家對(duì)此進(jìn)行不斷的研究。人們提出了三種電能無(wú)線傳輸方式：一是微波線電能傳輸方式。該方式利用無(wú)線電波收發(fā)原理傳輸電能，傳輸功率只能在幾毫瓦至一百毫瓦之間，應(yīng)用范圍不大；二是電磁感應(yīng)無(wú)線電能傳輸方式。該方式利用變壓器原副邊耦合原理傳輸電能，傳輸功率大，效率高，但距離很近，僅在1cm內(nèi)，目前已在軌道交通方面應(yīng)用；三是諧振耦合電能無(wú)線傳輸方式。該方式利用電路中電感電容諧振原理傳輸電能，理論上電能的傳輸功率、傳輸距離不受限制。第一種方案原理就像我們常用的變壓器，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈并沒(méi)有接觸交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)起到了傳輸電能

2、的作用，該方案效率相對(duì)而言比較高；而第二種方案是通過(guò)對(duì)載波進(jìn)行與解調(diào)從而實(shí)現(xiàn)電能傳輸，廣泛用于無(wú)線廣播等領(lǐng)域，效率非常低；第三種方案是前兩種方案的綜合，想通過(guò)共振原理實(shí)現(xiàn)電能的有效傳輸就必須在發(fā)射和接收端下工夫，傳統(tǒng)的效率底下的調(diào)制方法是不能實(shí)現(xiàn)電能的有效傳輸，我們小組將著重在電磁耦合方案上進(jìn)行探索。摘要：電能給人類帶來(lái)巨大的發(fā)展。然而錯(cuò)綜復(fù)雜的輸電線分布在生活的各個(gè)角落，它給人們帶來(lái)極大的不便。因此人類一直有擺脫電線的束縛實(shí)現(xiàn)電能無(wú)線傳輸?shù)膲?mèng)想。綜合考慮到實(shí)際應(yīng)用上傳輸效率和傳輸距離等因素，我們小組給出了一種用電磁耦合陣列定位最大耦合系數(shù)的電力傳輸方案。關(guān)鍵字：無(wú)線 電能傳輸 諧振 傳輸效率

3、 電磁耦合 傳輸距離 耦合陣列 1 整體方案設(shè)計(jì)及理論分析（第1部分標(biāo)題，請(qǐng)根據(jù)此標(biāo)題進(jìn)行論文整理）2、硬件電路設(shè)計(jì)（第3部分標(biāo)題，請(qǐng)根據(jù)此標(biāo)題進(jìn)行論文整理）3、控制方法與軟件設(shè)計(jì)（第4部分標(biāo)題，請(qǐng)根據(jù)此標(biāo)題進(jìn)行論文整理）4、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果（第5部分標(biāo)題，請(qǐng)根據(jù)此標(biāo)題進(jìn)行論文整理）1、整體方案設(shè)計(jì)及理論分析1.1電磁耦合能量無(wú)線傳輸系統(tǒng)由能量發(fā)送器 (Transmitter)，分離式功率變壓器(Transformer) ，和能量接收器 (Receiver)三部分組成，如圖 1所示。能量發(fā)送器由三部分組成，第一部分整流濾波得到高壓直流電流；第二部分為高頻逆變電路，由CPLD控制載波頻率，將直流進(jìn)行S

4、PWM斬波；第三部分為濾波電路，將第二部分電流濾波后形成高頻交流通過(guò)線圈發(fā)送耦合到用電器線圈。分離式變壓器由發(fā)送端的電磁耦合陣列和接收端的線圈共同構(gòu)成。能量接收器將接到得高頻交流經(jīng)過(guò)整流濾波后得到穩(wěn)定的直流供用電器使用。圖2 圖31.2能量傳輸?shù)男?在整個(gè)系統(tǒng)中，能量的損耗主要包括線圈損耗，逆變器的開(kāi)關(guān)損耗，和電磁耦合過(guò)程中的磁泄漏。開(kāi)關(guān)損耗可以通過(guò)軟件來(lái)控制合適的載波頻率和合適的死區(qū)時(shí)間來(lái)減小。耦合損耗是該系統(tǒng)能耗的主要部分，因?yàn)榇艌?chǎng)傳輸介質(zhì)中包括磁導(dǎo)率很低的空氣磁路段，造成感應(yīng)效率較低，在本課題采用高頻 (1030kHz)傳輸磁場(chǎng)和電磁耦合陣列（圖2）發(fā)送能量。耦合陣列為一系列不同方向的

5、線圈組成，每個(gè)線圈通過(guò)一個(gè)采樣電阻，用CPLD檢測(cè)采樣電阻上的電流來(lái)反映此線圈的發(fā)送功率，并輸出控制信號(hào)來(lái)調(diào)整線圈關(guān)斷，從而使耦合效率達(dá)到最高。另一方面，傳輸效率又取決于初級(jí)和次級(jí)耦合線圈的耦合因子和各線圈上的阻抗值。圖3為一組發(fā)射接收線圈示意圖。2、硬件電路設(shè)計(jì)如圖4選用AT89C52單片機(jī)來(lái)控制液晶顯示次級(jí)線圈功率和初級(jí)線圈功率之比（即顯示傳輸效率），用CPLD來(lái)控制AD芯片進(jìn)行采集電流，進(jìn)行初級(jí)線圈電流采集的AD我們選用精度為8位的AD7822（圖5），AD7822具有5M的采樣數(shù)率，能夠有效迅速的采集陣列線圈中的各個(gè)電流值。采用雙口RAM來(lái)存儲(chǔ)AD7822的采樣值并輸出給DA芯片，DA

6、芯片我們采用的是DAC7801，該芯片的精度為12位，采用CPLD來(lái)控制MOS管的關(guān)斷從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生SPWM波。圖8為接收端的濾波電路原理圖。圖4 圖5圖6圖7圖83、控制方法與軟件設(shè)計(jì)3.1 CPLD控制設(shè)計(jì)CPLD用MAX2系列的EPM240足以進(jìn)行8位數(shù)據(jù)的快速采集，設(shè)計(jì)一個(gè)20位的分頻器，按需求將輸入50M晶振頻率分頻做定時(shí)采集信號(hào)，定時(shí)器填充數(shù)據(jù)可調(diào)，由單片機(jī)做鍵盤部分和CPLD接口，CPLD采集完一幀數(shù)據(jù)將存入緩存雙口RAM中，待一頁(yè)數(shù)據(jù)存滿后，既可以將數(shù)據(jù)讀出給單片機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)字濾波，然后返回控制信號(hào)給DA芯片來(lái)控制電磁感應(yīng)陣列的關(guān)斷,達(dá)到最大效率的傳輸。單片機(jī)主要負(fù)責(zé)將從雙口R

7、AM中讀出的數(shù)據(jù)顯示在液晶上，并接受按鍵的設(shè)置，返回控制信號(hào)給CPLD，達(dá)到輔助控制和建立友好的人機(jī)界面。3.2 諧振耦合效率分析由圖3，諧振耦合電能無(wú)線傳輸?shù)哪Ｐ涂梢杂煞匠蹋?）表示。 (1) 為簡(jiǎn)化分析，將收發(fā)回路阻抗分別記為z1、z2，則由式（1）可求得兩回路電流如下:(2)則發(fā)射回路的輸入功率pin和接收回路中負(fù)載rl上的功率即輸出功率pout為 (3) (4)傳輸效率為（5)將z1、z2及互感（k為耦合系數(shù)），代入式（5），則式（5）變?yōu)?(6)諧振時(shí)有z1=r1，z2=r2+r1，則式(5)或(6)又可寫為 (7)由式（6）可知，諧振耦合電能無(wú)線傳輸?shù)男逝c很多因素有關(guān)。當(dāng)諧振參數(shù)

8、確定時(shí)，諧振電容即確定，而，r1, r2隨諧振電感變化而變化。因此，諧振線圈電感量最為重要。在工作過(guò)程中，除制作偏差導(dǎo)致諧振電感偏離理論計(jì)算值外，線圈周圍的環(huán)境，電路中寄生參數(shù)及電路溫升的變化都會(huì)導(dǎo)致線圈電感量變化。要保持諧振線圈的電感量與理論計(jì)算值完全一致比較困難，即容易導(dǎo)致lc諧振耦合回路的固有諧振頻率發(fā)生變化，從而使系統(tǒng)失諧。一旦失諧，諧振耦合的效率會(huì)下降，因此需要分析線圈電感量變化對(duì)效率的影響。 設(shè)諧振耦合頻率為1mhz，根據(jù)文獻(xiàn)20給出的e類雙管諧振逆變器計(jì)算公式可得圖1中諧振耦合參數(shù)的理論計(jì)算值分別為：l1=2.35mh，c1=12nf，l2=25mh，c2=1.0nf。高頻條件下

9、，空心線圈寄生電阻主要包括線圈損耗電阻ro和輻射損耗電阻rr，它們的定義分別為15： (8) (9)式中0為空間磁導(dǎo)率；r為線圈半徑；n為線圈匝數(shù)a為導(dǎo)線半徑；為電導(dǎo)率；l為導(dǎo)線長(zhǎng)度；0為空氣介電常數(shù)；h為線圈寬度；c為光速。諧振耦合無(wú)線電能傳輸距離與互感關(guān)系式 13 (10)式(9)可知，諧振耦合電能無(wú)線傳輸互感與距離三次方成反比，即距離越遠(yuǎn)，耦合越小，效率越低。對(duì)于諧振耦合電能無(wú)線傳輸系統(tǒng)，其最佳自諧振頻率一般為150 mhz，此時(shí)一般有rr<< ro，即可忽略輻射損耗，則線圈寄生電阻主要為線圈損耗電阻。為盡量減少諧振電感線圈的寄生參數(shù)，本文設(shè)計(jì)發(fā)射回路和接收回路的空心線圈l1

10、及l(fā)2的尺寸參數(shù)分別為：a1=0.725mm，a2=0.362mm；n1=2，n2=10；r1=r2=5cm，根據(jù)（8）式則可計(jì)算出l1和l2的寄生電阻分別為r1=0.014，r2=0.139。為方便分析線圈電感量變化對(duì)效率的影響，將耦合系數(shù)k及負(fù)載rl固定為一常數(shù)，諧振耦合為弱耦合，k值可以取得比較小，如本文取k=0.02，而根據(jù)主電路負(fù)載匹配原理可取rl=10。將具體參數(shù)分別代入(6)，(7)兩式，以發(fā)射電感線圈l1及接收電感線圈l2，傳輸距離d及頻率f為自變量，傳輸效率為應(yīng)變量，得到的效率與各影響因素的關(guān)系當(dāng)發(fā)射線圈電感量偏移理論值±0.05mh，即±2%的理論值時(shí)，

11、傳輸效率下降了30%以上；而當(dāng)接收線圈電感量偏移理論值相同比例時(shí)，效率變化卻不大。由此可知，發(fā)射線圈電感量的微小變化（也即失諧）是影響電能無(wú)線傳輸效率的主要因素，它遠(yuǎn)超過(guò)接收線圈電感量變化對(duì)效率的影響。傳輸效率隨諧振頻率的上升逐漸增加，隨距離的增加迅速減小，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳輸距離和諧振頻率一旦確定，對(duì)應(yīng)的傳輸效率即確定。因此，諧振電感量變化是導(dǎo)致系統(tǒng)工作過(guò)程中效率下降的主要原因之一。從而，本文設(shè)計(jì)了自調(diào)諧電能無(wú)線傳輸系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)射線圈電感量發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整發(fā)射頻率，使發(fā)射端始終工作在諧振點(diǎn)上，從而保證無(wú)線傳輸系統(tǒng)不會(huì)因失諧而導(dǎo)致效率迅速下降。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果5 結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)lc諧振耦合電能無(wú)線

12、傳輸?shù)睦碚摲治?，本文發(fā)現(xiàn)CPLD能夠有效的鎖定發(fā)射陣列線圈中，傳輸效率最大的線圈組合，并控制逆變器發(fā)射合適的載波頻率，進(jìn)行功率傳輸。并且當(dāng)發(fā)射線圈的電感量發(fā)生微小變化時(shí)，傳輸效率大大減小，而接收線圈的電感變化對(duì)傳輸效率影響并不明顯。在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用電磁感應(yīng)陣列的方案，用電器無(wú)論在何方位都能以最大效率獲得發(fā)送端送來(lái)的電能，從而解決了諧振耦合電能無(wú)線傳輸中由于電磁場(chǎng)方向的不確定性導(dǎo)致耦合因子低下問(wèn)題，有利于該技術(shù)的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 武瑛,嚴(yán)陸光,徐善綱. 運(yùn)動(dòng)設(shè)備無(wú)接觸供電系統(tǒng)耦合特性的研究j. 電工電能新技術(shù),2005,24(3) 2 周雯琪,馬皓,何湘寧. 基于動(dòng)態(tài)方程的電流源感應(yīng)耦合電能傳輸電路的頻率分析j. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(3)