諧振條件下傳輸技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

諧振條件下傳輸技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

0電磁諧振式無(wú)線供電技術(shù)高頻無(wú)線技術(shù)是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和相關(guān)行業(yè)開始研究的一個(gè)新領(lǐng)域。它在多學(xué)科的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究、電流電子、高頻電子、電磁感應(yīng)和耦合理論等方面進(jìn)行了基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。這是世界上能源輸送領(lǐng)域的優(yōu)先事項(xiàng)。迄今為止,無(wú)線供電技術(shù)的研究大部分還是集中于電磁感應(yīng)式和電磁輻射式。與以上兩種無(wú)線供電技術(shù)相比,電磁諧振式無(wú)線供電技術(shù)的理論傳輸距離能達(dá)到5m,傳輸效率能達(dá)到40%以上,且傳輸?shù)墓β誓苓_(dá)到幾十瓦,它在移動(dòng)電話、筆記本電腦和電動(dòng)汽車充電方面的應(yīng)用前景很好,是一種應(yīng)用范圍更寬的新型技術(shù)。與電磁感應(yīng)式無(wú)線供電技術(shù)相比,電磁諧振式無(wú)線供電技術(shù)采用的磁場(chǎng)要弱很多,而傳輸距離卻更大;與電磁輻射式無(wú)線供電技術(shù)相比,電磁諧振式無(wú)線供電在能量傳輸時(shí)逸散要少得多。然而現(xiàn)階段對(duì)電磁諧振式無(wú)線供電技術(shù)的研究還處于起步階段,相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究還很少,尤其是對(duì)傳輸效率影響的分析研究還很不夠。本文在諧振條件下對(duì)無(wú)線供電系統(tǒng)初、次級(jí)繞組相對(duì)位置(氣隙、中心偏移量和偏轉(zhuǎn)角)變化時(shí),對(duì)傳輸性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。1電磁諧振耦合電路保護(hù)圖諧振現(xiàn)象廣泛地存在于自然界中,根據(jù)最大能量傳輸定理和諧振理論,當(dāng)工作頻率和系統(tǒng)(初級(jí)、次級(jí)電路)固有頻率相同時(shí),能夠獲得最大傳輸效能。電磁諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)的基本原理是讓高頻功率源的頻率和初、次級(jí)繞組的固有頻率相同,從而構(gòu)成一個(gè)高頻磁耦合諧振系統(tǒng)。電磁諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)的首要條件是初、次級(jí)繞組工作在同一個(gè)諧振頻率。當(dāng)高頻功率源和初、次級(jí)端電感-電容的固有諧振頻率一致時(shí),初級(jí)端和次級(jí)端的阻抗最低,流經(jīng)負(fù)載的電流最大,此時(shí)在一定的傳輸距離內(nèi),大部分的能量能傳輸?shù)截?fù)載,從而得到較大的傳輸效率;相反,如果系統(tǒng)處于失諧狀態(tài),則大部分能量就不能傳輸?shù)截?fù)載。因此高頻功率源和電感-電容固有諧振頻率一致時(shí),不發(fā)生失諧是實(shí)現(xiàn)電磁諧振式無(wú)線供電的關(guān)鍵。電磁諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)除了初、次級(jí)繞組外,還有高頻功率源和負(fù)載。圖1所示為L(zhǎng)C串聯(lián)諧振耦合電路。圖1中U1為初級(jí)端高頻功率源的電壓,Rρ1、Rρ2分別為初、次級(jí)諧振電感線圈的電阻,C1、C2分別為初、次級(jí)繞組的串聯(lián)諧振電容,RL為負(fù)載電阻,L1、L2分別為初、次級(jí)繞組的電感,M為初、次級(jí)繞組間的互感,d為傳輸距離,I1、I2分別為初、次級(jí)繞組的電流。當(dāng)初、次級(jí)繞組采用如圖1所示的串聯(lián)諧振耦合電路時(shí),初、次級(jí)繞組的阻抗Z1、Z2分別為:{Ζ1=1jωC1+jωL1+Rρ1Ζ2=Rρ2+RL+j(ωL2-1ωC2)(1){Z1=1jωC1+jωL1+Rρ1Z2=Rρ2+RL+j(ωL2?1ωC2)(1)式中:j為虛數(shù)單位,即j2=-1;ω為串聯(lián)諧振耦合電路的諧振頻率。故初、次級(jí)繞組的電壓平衡方程為:{U1=Ζ1Ι1-jωΜΙ2jωΜΙ1=Ζ1Ι2(2){U1=Z1I1?jωMI2jωMI1=Z1I2(2)式中:jωMI1為初級(jí)繞組電流I1在次級(jí)繞組中的感應(yīng)電壓值;jωMI2為次級(jí)繞組電流I2在初級(jí)繞組中的感應(yīng)電壓值。聯(lián)立式(1)和式(2)可以得到:{Ι1=Ζ1U1/[Ζ1Ζ2+(ωΜ)2]Ι2=-jωΜU1/[Ζ1Ζ2+(ωΜ)2](3){I1=Z1U1/[Z1Z2+(ωM)2]I2=?jωMU1/[Z1Z2+(ωM)2](3)則初級(jí)端的輸入功率P1和負(fù)載端的輸出功率P2分別為:{Ρ1=U1Ι1=U21|Ζ2|/|Ζ1Ζ2+(ωΜ)2|Ρ2=Ι22RL=U21(ωΜ)2RL/|[Ζ1Ζ2+(ωΜ)2]2|{P1=U1I1=U21|Z2|/∣∣Z1Z2+(ωM)2∣∣P2=I22RL=U21(ωM)2RL/∣∣[Z1Z2+(ωM)2]2∣∣于是得到初、次級(jí)繞組采用串聯(lián)諧振耦合電路時(shí)的系統(tǒng)傳輸效率η為:η=Ρ2Ρ1=(ωΜ)2RL|Ζ2[Ζ1Ζ2+(ωΜ)2]|×100%(4)η=P2P1=(ωM)2RL|Z2[Z1Z2+(ωM)2]|×100%(4)由于系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí),Z1=Rρ1、Z2=Rρ2+RL,所以式(4)可以寫為:η=(ωΜ)2RL|(Rρ2+RL)[Rρ1(Rρ2+RL)+(ωΜ)2]|×100%(5)η=(ωM)2RL|(Rρ2+RL)[Rρ1(Rρ2+RL)+(ωM)2]|×100%(5)由式(5)可知,電磁諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)的傳輸效率與ω、Rρ1、Rρ2、RL和互感M有關(guān)。當(dāng)諧振系統(tǒng)的諧振電容確定以后,ω、Rρ1和Rρ2就和互感M相關(guān),故初、次級(jí)繞組互感值的確定對(duì)電磁諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)的傳輸效率的計(jì)算很重要。由于初、次級(jí)線圈氣隙(即傳輸距離d)的改變會(huì)影響互感值的大小,而中心偏移量Δ和偏轉(zhuǎn)角α的變化實(shí)際上也間接地改變了氣隙的大小,氣隙的存在減弱了磁場(chǎng)。因?yàn)榇怕分杏袣庀稌r(shí),磁通會(huì)對(duì)外擴(kuò)張,造成邊緣效應(yīng),增加了氣隙的有效面積,從而減弱了磁場(chǎng)。故本文將在諧振條件下對(duì)無(wú)線供電系統(tǒng)初、次級(jí)繞組相對(duì)位置(氣隙、中心偏移量和偏轉(zhuǎn)角)變化時(shí)對(duì)傳輸性能的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。電感分別為L(zhǎng)1、L2的初、次級(jí)線圈的相對(duì)位置如圖2所示。圖2中,Δ為中心偏移量,α為偏轉(zhuǎn)角,d為氣隙(即傳輸距離);r1、r2分別為初、次級(jí)線圈的半徑。2諧振電容的選擇系統(tǒng)采用高頻正弦交流電壓源供電,電源電壓在0～10V范圍內(nèi)調(diào)節(jié),頻率調(diào)節(jié)范圍為0～10MHz。發(fā)射端和接收端的諧振電感是由銅芯漆包線繞制的緊密圓柱單層螺旋線圈。電容是電磁諧振式無(wú)線供電的重要元件,薄膜電容器具有無(wú)極性、損耗因數(shù)小、高穩(wěn)定性、可以承受較大的峰值電流和電流的有效值等特點(diǎn),故選薄膜電容作為電磁諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)的諧振電容。在此需要提到的是,由于線圈的繞制存在誤差和實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的各種干擾因素會(huì)在初、次級(jí)線圈各種參數(shù)相同的情況下,使固有諧振頻率存在較小的差異,為了消除這種差異,在初、次級(jí)線圈的諧振電容上分別并聯(lián)一個(gè)可調(diào)電容,通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電容的大小使初、次級(jí)線圈的固有諧振頻率相同。實(shí)驗(yàn)中用的可調(diào)電容的調(diào)節(jié)范圍為0～250PF。實(shí)驗(yàn)用的電壓源為SONY-Tektronix公司的AFG310型信號(hào)發(fā)生器,示波器為泰克公司的TDS2012B數(shù)字示波器。為了驗(yàn)證電磁諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)的性能,設(shè)計(jì)了表1所示的幾組線圈參數(shù)。2.1不同傳輸距離的情況下系統(tǒng)傳輸性能研究傳輸距離d對(duì)電磁諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)傳輸性能的影響時(shí),圖2中取d≠0、Δ=0、α=0。選表1中第1、第2、第3組線圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中初級(jí)端的輸入電壓U1=10V,實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖3所示。從圖3所示可以看出,隨著傳輸距離的增大,次級(jí)端的輸出電壓會(huì)顯著下降,當(dāng)傳輸距離較大時(shí),次級(jí)端的輸出電壓就穩(wěn)定在一個(gè)較小的值,這表明和電磁感應(yīng)式無(wú)線供電系統(tǒng)一樣,傳輸距離的增大會(huì)顯著降低電磁諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)的傳輸性能。將圖3中第1、第2組線圈的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以看出,在傳輸距離和輸入電壓相同時(shí),第2組線圈的輸出電壓比第1組線圈的輸出電壓大,所以第2組線圈的傳輸性能較好,這表明初、次級(jí)線圈的匝數(shù)越多,系統(tǒng)的傳輸性能就越好。將第1、第3組線圈的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以看到,在傳輸距離和輸入電壓相同時(shí),第3組線圈的輸出電壓比第1組線圈的輸出電壓大,所以第3組線圈的傳輸性能較好,這說(shuō)明初、次級(jí)線圈半徑越大,系統(tǒng)傳輸性能越好。在使用第1組線圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),初、次級(jí)線圈之間的傳輸距離為40cm左右時(shí)能點(diǎn)亮功率為3W的燈泡,當(dāng)使用第3組線圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),將功率為3W的燈泡點(diǎn)亮的距離能增大到110cm左右。所以初、次級(jí)線圈半徑增大對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的提高十分明顯。2.2初、次級(jí)線圈間的傳輸距離對(duì)磁通系統(tǒng)運(yùn)行的影響研究中心偏移量Δ對(duì)電磁諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)傳輸性能的影響時(shí),圖2中取d≠0、Δ≠0、α=0。選擇表1中第1組線圈進(jìn)行該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。其中圖4a中的實(shí)驗(yàn)條件為初級(jí)輸入電壓U1=8V,初、次級(jí)線圈之間的傳輸距離d=10cm,負(fù)載燈泡的額定功率為3W;圖4b中的實(shí)驗(yàn)條件為初級(jí)輸入電壓U1=10V,初、次級(jí)線圈之間的傳輸距離d=5cm,沒有負(fù)載。從圖4所示中可以看出,在中心偏移量Δ較小時(shí),次級(jí)端輸出電壓的變化很小,而當(dāng)中心偏移量Δ增大到一定值時(shí)(實(shí)驗(yàn)中為初級(jí)線圈的圓周附近,即Δ=r1),次級(jí)端的輸出電壓會(huì)顯著下降,這表明磁通主要集中在以初級(jí)線圈圓心為軸心的圓柱體空間內(nèi),這和電磁感應(yīng)式無(wú)線供電系統(tǒng)中中心偏移量對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響是不同的。當(dāng)中心偏移量增大到較大的值時(shí)(實(shí)驗(yàn)中為20cm左右),次級(jí)端的輸出電壓就趨于0。2.3過(guò)次級(jí)線圈的磁通研究偏轉(zhuǎn)角α對(duì)電磁諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)傳輸性能的影響時(shí),圖2中取d≠0、Δ=0、α≠0。當(dāng)次級(jí)線圈與初級(jí)線圈之間存在偏轉(zhuǎn)角α?xí)r,次級(jí)線圈在初級(jí)線圈上的投影為一個(gè)橢圓。次級(jí)線圈在初級(jí)線圈上的投影面積會(huì)隨著偏轉(zhuǎn)角α增大而減少,相應(yīng)地穿過(guò)次級(jí)線圈的磁通量也會(huì)減小,于是由功率源經(jīng)初級(jí)線圈通過(guò)電磁耦合傳輸?shù)酱渭?jí)線圈的能量也相應(yīng)地減少。所以,從理論上講,初、次級(jí)線圈相對(duì)位置存在偏轉(zhuǎn)角時(shí)會(huì)造成漏感的增加,能量損耗增大。故從理論上講,初、次級(jí)線圈之間的相對(duì)位置存在的偏轉(zhuǎn)角越小越好。選擇表1中第1組線圈進(jìn)行該項(xiàng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)時(shí)初級(jí)輸入電壓U1=10V,初、次級(jí)線圈之間的傳輸距離d=12cm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,隨著偏轉(zhuǎn)角的增大,次級(jí)輸出電壓值略有增大,這與前面的理論分析結(jié)果相悖。這是因?yàn)楫?dāng)有偏轉(zhuǎn)角時(shí),次級(jí)繞組有一半面積的線圈與初級(jí)繞組的線圈之間的氣隙變得更小,使初、次級(jí)繞組的公共磁通增加。只有當(dāng)偏轉(zhuǎn)角增大到接近90°時(shí),次級(jí)輸出電壓才會(huì)急劇下降,這表明電磁諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)受偏轉(zhuǎn)角的影響很小,能量的集中度比較高。3系統(tǒng)傳輸性能隨機(jī)偏移的變化本文對(duì)電磁諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)進(jìn)行了介紹,著重分析了電磁諧振式無(wú)線供電系統(tǒng)傳輸效率等性能指標(biāo),并在此分析的基礎(chǔ)上研制了電磁諧振式無(wú)線供電系