蔡昕晨 李紀嫻 胡安正
(湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北 襄陽 441053)
傳統(tǒng)的以輸電線傳輸電能的方式,不可避免地存在輸電線路磨損、接觸火花和布線不便等問題.因此,發(fā)展無線電能技術是解決傳統(tǒng)有線輸電限制的重要途徑.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)了無線電能傳輸,并具有傳輸距離較遠,傳輸效率較高等優(yōu)點,為進一步的應用提供參考.
磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)脑矸治龇椒煞譃閮煞N:耦合模理論(CMT)和等效電路理論.耦合模理論從系統(tǒng)的能量角度進行分析,比較抽象、不易理解;等效電路理論是通過系統(tǒng)電路搭建物理模型,結合等效參數(shù)完成原理分析,易于理解.磁耦合諧振式可分為4種等效電路模型:串聯(lián)-串聯(lián)、串聯(lián)-并聯(lián)、并聯(lián)-串聯(lián)、并聯(lián)-并聯(lián).本文對串聯(lián)-并聯(lián)理論進行分析.
根據(jù)磁耦合諧振系統(tǒng)的傳輸模型建立如圖1所示的等效電路圖.US為高頻激勵源電壓;RS為高頻激勵源內阻;L1,L2為發(fā)射和接收線圈的等效電感;R1,R2為發(fā)射和接收線圈在高頻下的等效電阻;C1為發(fā)射線圈串聯(lián)補償電容,C2為接收線圈的并聯(lián)補償電容,M12為發(fā)射和接收線圈的互感耦合系數(shù);RL為負載電阻.
圖1 等效電路圖
系統(tǒng)采用STM32作為主控芯片,系統(tǒng)電路主要包括全橋逆變電路,整流濾波電路,采樣電路及電源電路.
全橋逆變電路將直流電轉化為交流電為發(fā)射端提供高頻激勵源,電路如圖2所示.電路采用兩塊半橋驅動芯片IR2104組成一個全橋驅動;MOS管采用IRF840,其具有驅動電流大耐壓值高、開關頻率高等特點.
圖2 全橋逆變電路圖
全橋整流電路采用MBRF30100CT肖特基二極管,具有耐高壓、低導通電壓、低阻抗等特性.二極管采用兩兩并聯(lián)的方式連接,有效地降低二極管的內阻,減少電路中的損耗,電路如圖3所示.
圖3 整流濾波電路圖
本系統(tǒng)軟件的核心是SPWM程序的編寫,SPWM是脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的PWM波形,也稱正弦脈寬調制,按調制脈沖極性關系可分為單極性SPWM和雙極性SPWM兩種.本系統(tǒng)采用雙極性SPWM,通過STM32F103C8T6的高級定時器TIMER1產生兩組互補PWM,普通定時器TIMER3控制正弦波周期,在每個正弦波周期內,將生成的512個點的正弦表依次賦給TIMx_CCRx寄存器從而產生出雙極性SPWM波.
本文基于磁耦合和諧振的物理原理,設計出了一種磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的設計,通過
STM32正弦脈寬調制實現(xiàn)逆變,利用發(fā)射線圈與接收線圈的電磁耦合作用實現(xiàn)電能的無線傳輸,系統(tǒng)實物圖如圖4所示.通過實驗測試,在傳輸距離為10 cm時傳輸效率達60%;負載為1W LED時,傳輸距離可達1 m.該設計具有傳輸距離較遠、傳輸效率較高、易于操作、可靠穩(wěn)定等特點.
圖4 系統(tǒng)實物圖
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