任興寶 郭魯

沈陽(yáng)工學(xué)院

磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸節(jié)能裝置

任興寶 郭魯

沈陽(yáng)工學(xué)院

本文利用磁耦合諧振理論進(jìn)行無(wú)線電能傳輸，同時(shí)采用超聲波測(cè)距的方式進(jìn)行節(jié)能保護(hù)。掌握了電能傳輸?shù)淖罴丫嚯x，從而提高整個(gè)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的效率，同時(shí)對(duì)無(wú)線電能傳輸有效的節(jié)能。

磁耦合諧振電路 無(wú)線電能傳輸裝置 超聲波測(cè)距

在無(wú)線電能傳輸過(guò)程中，為了達(dá)到電能傳輸?shù)淖罴褷顟B(tài)，可以通過(guò)修改發(fā)射部分和接收部分之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)顯示裝置調(diào)整好發(fā)射部分與接收部分間的最佳距離，可以達(dá)到提高無(wú)線電能傳輸?shù)男省?/p>

1 磁耦合諧振式電能傳輸工作原理分析及計(jì)算

基于磁場(chǎng)耦合諧振的無(wú)線電能傳輸裝置由高頻驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)射回路和接收回路構(gòu)成，其中發(fā)射回路包括驅(qū)動(dòng)線圈和發(fā)射諧振線圈，接收回路包括接收諧振線圈及負(fù)載線圈電路。發(fā)射線圈和接收線圈均為兩個(gè)固有諧振頻率相同的LC電路，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率與線圈固有諧振頻率相同時(shí)，發(fā)射、接收線圈發(fā)生諧振，在磁場(chǎng)的作用下兩線圈之間產(chǎn)生很強(qiáng)的耦合，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸，如下圖1所示就是本設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化模型。

圖1 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖

磁諧振耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)主要由高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)、驅(qū)動(dòng)線圈、發(fā)射線圈、接收線圈、諧振電容和負(fù)載回路等構(gòu)成。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)分析，僅對(duì)發(fā)生諧振耦合的發(fā)射和接收兩線圈進(jìn)行等效分析。諧振耦合式電能無(wú)線傳輸系統(tǒng)等效電路模型如圖2所示，其中U為理想高頻信號(hào)源，頻率為分別為發(fā)射線圈、接收線圈在高頻下的電感量，分別是發(fā)射、接收線圈在高頻下的寄生電阻，分別為發(fā)射、接收線圈的匹配電容(線圈自身分布電容可以忽略不計(jì))，RL為負(fù)載電阻，M為兩線圈之間的互感系數(shù)，D為兩線圈之間的距離。

圖2 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)等效電路

負(fù)載電流有效值IL、輸出功率P0：

其中，P1為發(fā)射線圈上損耗的功率，P2為接收線圈上損耗的功率。

對(duì)于確定的磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)(諧振頻率ω0以及RS、RD、RL已定)，當(dāng)系統(tǒng)的頻率ω變化時(shí)，傳輸效率η也發(fā)生變化。當(dāng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率與線圈的諧振頻率相同即ω=ω0時(shí)，傳輸效率η最大；當(dāng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率偏離線圈的諧振頻率時(shí)，傳輸效率逐漸下降。

2 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸?shù)墓?jié)能保護(hù)的設(shè)計(jì)

本程序利用超聲波測(cè)距模塊，運(yùn)用51單片機(jī)進(jìn)行編程控制以顯示發(fā)射端與接收端的實(shí)時(shí)距離，以起到實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o線傳輸電能動(dòng)態(tài)的功能，當(dāng)電壓、電流過(guò)大時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制，發(fā)射端電源斷電以起到保護(hù)電路的作用，當(dāng)電壓、電流過(guò)小時(shí)，發(fā)射端電源也進(jìn)行斷電工作，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約環(huán)保的目的。

3 預(yù)測(cè)結(jié)果的比較和分析

分別對(duì)有節(jié)能保護(hù)裝置和無(wú)節(jié)能保護(hù)裝置的磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)分析如下表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)）

綜合上述兩種方法的分析，可以看出裝有節(jié)能保護(hù)裝置的磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸裝置的時(shí)間短、效率高的完成任務(wù)，能夠很好地滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，可以給予磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸裝置提供有效的指導(dǎo)。

[1]余萍,李然,賈惠彬．通信電子電路[M]．北京：清華大學(xué)出版社,2010：30-36

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