无线能量传输原理和方案

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1、智能电压力锅无线能量传输方案设计参赛者：林宝伟、李仕远一、无线电能传输简介：无线电是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波。无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。无线电技术大量的应用于以无线广播、电视、移动通讯和无线数据传输网络中。既然电磁波不需要介质也能向外

2、传递能量，那么我们能不能在电力传送上也采用无线传输的方式呢？所以无线供电技术一直是人们关心的课题，早在上世纪初，NicolaTesla就进行过远距离无线输电的实验研究，虽然该项计划因资金等原因中途夭折，但是远距离无线供电技术一直在进行着。研究表明，远距离传输电力传递能量效率低、辐射大，目前还不现实，但近距离传输能量还是容易做到的。近年来，便携式电子产品大量涌现,如手机、笔记本等移动设备的电池充电时需要一个充电器，一端连在市电电源上，另外一端连在移动设备上，频繁的插拔不但使用不便，而且容易损坏，同时也不

3、安全。在工作环境恶劣的场合，比如水中，应该尽可能避免电气接触。有时，需要对封闭容器内的传感器等电路供电，一般采用电池。然而，电池的使用寿命毕竟有限，当电量耗尽时，将封闭容器打开更换电池是非常麻烦的事情，有时也是不允许的。因此这种近距离无线供电技术有着广泛的应用前景。因此，国际上对无线供电技术的研究蓬勃开展。传感器无线网络技术与MEMS器件的发展，推动了无线供电与无线网络技术的研发，并在理论研究和实用化技术方面取得了初步的成果。二、无线电能传输的原理和方案1.电磁感应（磁耦合）1.1原理电磁感应现象是电

4、磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之问的相互联系和转化。电磁感应是电磁学中的基本原理，变压器就是利用电磁感应的基本原理进行T作的，变压器由一个磁芯和二个线圈，即初级线圈与次级线圈组成。当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。1.2实现方案基于松耦合变压器的全桥谐振变非接触电能传输系统利用疏松感应耦合系统和电力电子技术相结合的方法，实现了电能的无物理连接传输。它将系统的变压器紧密型耦合磁路分开，初、

5、次级绕组分别绕在具有不同磁性的结构上，实现在电源和负载单元之间进行能量传递而不需物理连接。其一次侧、二次侧之间通过电磁感应实现电能传输，因气隙导致的耦合系数的降低由提高一次侧输入电源的频率加以补偿。和传统变压器有很大的不同，较大气隙导致变压器具有较大漏感．其储能降低变压器效率并增加器件应力。因此．利用漏感的电路拓扑如谐振或软开关拓扑是解决这一问题的较优选择。图1所示为初、次级都不加补偿的松耦合谐振变换器，流过变压器的电流近似线性变化。为了得到较高的功率传输比，降低由漏感所引起的开关管的高电压应力，减小

6、变压器对周围环境的电磁辐射，必须在松耦合变压器原副边加入适当的补偿电路，这样，不仅能使电路中的电流尽量正弦化，减小了辐射，也有效地利用了电路中的寄生参数，减小了寄生参数对电路的影响初次级补偿的目的是为了获得一个谐振电路。次级串联补偿时，电容电压补偿了初级绕组漏感上的电压降．从而降低了变换器开关器件的额定电压。同时由于电路实现了谐振，绕组上的电流为正弦波，大大减少了对环境的电磁干扰。次级补偿通常也可采用串联补偿或并联补偿的两种补偿方式串联补偿如下图所示：其中VQ1~VQ4开关的控制设计：图3为控制电路原

7、理图，其核心为谐振控制器UC3861。UC3861是一款高性能的准谐振软开关控制器，主要由压控振荡器、单稳态电路、故障和逻辑精密参考、偏置和5V发生电路等组成。在实验中，CP=CS~=282nF，用Matlab仿真计算所得到的高谐振频率为36kHz，测得电路的实际fo=37kHz，所以设定UC3861输出的最低频率=37kHz，功率管为IGBT，因为IGBT的fs不能很高，所以设定UC3861输出的最高频率f(max)=lOOkHz。通过分析和实验验证可得：①如果变换器的松耦合变压器磁芯之间的距离不变

8、．只是负载在一定范围内变化时．谐振频率基本不变：②如果选取的补偿电容使系统发生频率交叉现象．工作频率应该选择在高谐振点附近；③脉冲频率调制(PFM)的控制方法能很好地应用于松耦合谐振变换器的控制：④开关频率越接近谐振频率，电路中的无功功率就越小，损耗就越小，系统的效率就越高。故在设计这类变换器时。应尽量使开关频率靠近谐振频率。2.电磁共振2.1原理：无线传输电能，有多种方式,其中以电磁共振为基础的无线能量传输,是以电磁共振为主要理论依据,即发射端发射的电