非接觸式弱電實(shí)驗(yàn)供電平臺(tái)的設(shè)計(jì)

摘要：非接觸式弱電實(shí)驗(yàn)供電平臺(tái)是一種新型非接觸式電能供應(yīng)系統(tǒng)，通過電磁感應(yīng)耦合，實(shí)現(xiàn)非接觸式能量傳輸，為負(fù)載提供電能。整個(gè)系統(tǒng)主要由電能轉(zhuǎn)換、耦合變壓器和能量調(diào)節(jié)三部分組成。電能轉(zhuǎn)換主要完成能量逆變；耦合變壓器將逆變后的能量耦合到用戶端；能量調(diào)節(jié)主要為提高耦合到用戶端能量的傳輸能力。該平臺(tái)克服了傳統(tǒng)導(dǎo)線多點(diǎn)接觸式電能傳輸方式的不可靠和不可遷移等缺點(diǎn)，為移動(dòng)電氣設(shè)備、易燃易爆環(huán)境和水下設(shè)備的能量供給提供便捷、安全的解決方案。
關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)；非接觸式供電系統(tǒng)；無線供電；弱電實(shí)驗(yàn)箱

0 引言
    感應(yīng)耦合電能傳輸(Inductively coupled Powertransfer，ICPT或Inductively Power Transfer，IPT)技術(shù)是近年來備受國(guó)際學(xué)術(shù)界關(guān)注的一項(xiàng)新型能量傳輸技術(shù)。這一技術(shù)能夠有效地克服有線供電方式存在的設(shè)備移動(dòng)靈活性差，環(huán)境不美觀，容易產(chǎn)生接觸火花等缺陷，特別適用于易燃易爆環(huán)境和水下設(shè)備的安全供電，可廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)吊裝設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備、高層建筑升降式電梯、城市電氣化交通、室內(nèi)電子設(shè)備、生物醫(yī)療等領(lǐng)域中電氣或電子設(shè)備的靈活供電。
    用無線方式輸送電力，這種想法從19世紀(jì)上半葉電磁感應(yīng)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后就已經(jīng)有了。近年來國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和公司，如美國(guó)麻省理工學(xué)院、Powercast(電客)公司等相繼研發(fā)出了短距離和微距的無線供電技術(shù)和產(chǎn)品。2008年2月15日，一種無需插頭與電源線且不直接接觸電源就能充電的新型混合動(dòng)力汽車已在日本投入試運(yùn)行，該汽車?yán)秒姶鸥袘?yīng)原理及電能變換等技術(shù)以無線方式實(shí)現(xiàn)充電，只需停在設(shè)置在路面的電源線圈的正上方就能給車內(nèi)的鋰離子電池快速充電，如果僅使用電力運(yùn)行，充電一次可行駛約15km。
    在理解非接觸供電基本原理的基礎(chǔ)上，本文通過電磁感應(yīng)耦合，實(shí)現(xiàn)非接觸式能量傳輸，為負(fù)載提供電能，以解決傳統(tǒng)導(dǎo)線多點(diǎn)接觸式傳輸電能的不可靠和不可遷移等一系列問題，并將其應(yīng)用到非接觸式弱電實(shí)驗(yàn)箱供電平臺(tái)。

1 基本原理
    圖1表示了一個(gè)典型ICPT系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，它主要由兩個(gè)分離的電氣部分組成。一部分由能量變換裝置組成，其作用是通過線圈回路提供高頻交流電流(通常為10～100 kHz交流電)；另一部分由能量拾取線圈和調(diào)節(jié)裝置組成，通過兩部分之間的電磁感應(yīng)耦合，實(shí)現(xiàn)無接觸的能量傳輸。ICPT典型結(jié)構(gòu)在硬件實(shí)現(xiàn)上一般由4部分實(shí)現(xiàn)：功率變換裝置、高頻載流線圈或電纜、接收線圈和能量調(diào)節(jié)裝置。前兩部分構(gòu)成一側(cè)作為能量發(fā)射系統(tǒng)，后兩部分構(gòu)成另一側(cè)作為能量接收系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)在物理上相互獨(dú)立，工作時(shí)存在磁場(chǎng)耦合，一個(gè)原邊能量發(fā)射源可為多個(gè)用電設(shè)備同時(shí)供電。

    本文以典型ICPT系統(tǒng)為基礎(chǔ)，加以硬件設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)，其中高頻載流線圈與接收線圈采用相近的線圈，以實(shí)現(xiàn)接收端能量的最大化。該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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    該系統(tǒng)主要由能量轉(zhuǎn)換模塊、松耦合變壓器模塊和能量調(diào)節(jié)模塊組成。電能通過能量轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生高頻交流電流，再經(jīng)過松耦合變壓器和能量調(diào)節(jié)模塊，向用戶設(shè)備提供電能。下面詳細(xì)介紹3個(gè)模塊：
    (1)圖2中能量轉(zhuǎn)換模塊的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，由整流、逆變、耦合等環(huán)節(jié)構(gòu)成，主要作用是通過線圈回路提供高頻交流電流。能量轉(zhuǎn)換模塊提供的高質(zhì)量回路電流對(duì)于整個(gè)ICPT系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，是保證電能傳輸效果的前提。

    (2)圖2中耦合變壓器模塊的主要作用就是將能量轉(zhuǎn)換后的高頻電源耦合到用戶端。松耦合部分(可分離式變壓器)是能量傳輸?shù)年P(guān)鍵，結(jié)構(gòu)如圖4所示。設(shè)M為耦合裝置互感，Lp和Ls為初級(jí)、次級(jí)激勵(lì)電感，初級(jí)磁場(chǎng)發(fā)射的高頻載流線圈工作角頻率為ω，電流有效值為ip，則松耦合系統(tǒng)次級(jí)電路接受線圈的開路電壓為voc：
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    因此，增大系統(tǒng)能量傳輸能力的方法有：增大工作頻率f(ω)、增加初級(jí)電流ip、增大互感M或減小次級(jí)自感Ls、增大品質(zhì)因數(shù)Qs。由于品質(zhì)因數(shù)不宜過大，因而有效增大系統(tǒng)傳輸能力的方法是增大工作角頻率ω和初級(jí)電流ip。
    (3)圖2中的能量調(diào)節(jié)模塊主要是提高系統(tǒng)能量的傳輸能力，實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)采用多個(gè)電容串并聯(lián)的方法來實(shí)現(xiàn)能量的調(diào)節(jié)。

2 硬件電路實(shí)現(xiàn)
    圖4中的耦合變壓器一般選擇磁罐繞線，磁力線集中，效率更高。但是很難找到合適的磁罐，所以在本文選擇了空心繞線。
    圖2中的發(fā)射端硬件電路原理圖如圖5所示。12V直流電壓從P1進(jìn)入，經(jīng)過7805穩(wěn)壓芯片輸出5V直流電壓，提供4與非門芯片74HC00工作電壓。由74HC00，1nF電容和10 kΩ滑動(dòng)電阻器(用于來調(diào)節(jié)工作頻率)實(shí)現(xiàn)一個(gè)多諧振蕩器。這樣組成的振蕩器輸出高頻信號(hào)的幅度不夠大。為了提高電能傳輸效率和距離，使用高頻功率放大電路將高頻信號(hào)放大。高頻功放用高頻功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF540N實(shí)現(xiàn)(正常工作時(shí)需要加散熱片)。發(fā)射端有一個(gè)線圈與接收端耦合，發(fā)射和接收線圈的形狀及參數(shù)直接影響電能傳輸效率和距離。本文發(fā)射線圈使用一個(gè)大的空心線圈，直徑為1．5 mm的漆包線繞制，匝數(shù)為10匝(根據(jù)實(shí)際情況可以調(diào)整)。接收線圈按發(fā)射線圈制作的方法繞制。另外接收線圈的放置位置對(duì)能量傳輸有較大影響，需要在制作調(diào)試過程中反復(fù)試驗(yàn)確定。4個(gè)0．1μF的CBB電容先串聯(lián)后并聯(lián)，用來實(shí)現(xiàn)初級(jí)補(bǔ)償。

    圖6所示即為接收端的電路原理圖。電壓經(jīng)耦合變壓器到達(dá)接收端，經(jīng)過次級(jí)補(bǔ)償，再經(jīng)電橋整流后，最后采用7805穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓到5 V輸出到負(fù)載。高頻整流不能用普通的整流二極管，不但效率低而且二極管可能因發(fā)熱而燒壞。因此需要使用快恢復(fù)二極管來整流，本文使用1N4148來實(shí)現(xiàn)整流。[!--empirenews.page--]

3 實(shí)物效果測(cè)試
    非接觸式供電平臺(tái)可透過金屬以外的介質(zhì)傳播實(shí)現(xiàn)供電。圖7(a)為硬件實(shí)物圖，實(shí)物由發(fā)射端和接收端兩部分組成。圖7(b)是實(shí)物測(cè)試時(shí)可達(dá)到的最長(zhǎng)作用距離，經(jīng)實(shí)測(cè)約10 cm。測(cè)試條件：在保證無線發(fā)射端2 W額定功耗以及接收端負(fù)載100 Ω的前提下，無線接收端輸出測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

4 結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)的非接觸式供電平臺(tái)由電能轉(zhuǎn)換、耦合變壓器和能量調(diào)節(jié)三部分組成。使用74HC00、高頻功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF540N和0．1μF的CBB電容等器件實(shí)現(xiàn)了該電路。實(shí)物測(cè)試結(jié)果表明，最大作用距離為10 cm左右，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式能量傳輸。本文設(shè)計(jì)的非接觸式供電平臺(tái)可為移動(dòng)電氣設(shè)備、易燃易爆環(huán)境和水下設(shè)備的能量供給提供安全、綠色、便捷的解決思路。