磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)頻率特性分析

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院， 新疆 石河子　832003；2.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶　400044)

?

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)頻率特性分析

蘭永均1，龔立嬌1，2，蔡新紅1，李宏偉1

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院， 新疆 石河子832003；2.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶400044)

根據(jù)等效電路模型得出了影響線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)與外接串聯(lián)電容調(diào)諧時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率的因素，分析了這2種系統(tǒng)的頻率特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)沒有發(fā)生頻率分裂現(xiàn)象且具有較大的傳輸功率，而外接串聯(lián)電容調(diào)諧時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)諧振頻率受線圈等效并聯(lián)電容和外接串聯(lián)電容的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)在收發(fā)線圈間距離小于某一臨界值時發(fā)生了頻率分裂現(xiàn)象。

無線電能傳輸； 磁耦合諧振； 頻率特性； 頻率分裂

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160429.1131.015.html

0　引言

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)是利用2個或多個具有相同諧振頻率、高品質(zhì)因數(shù)的電磁系統(tǒng)，當(dāng)其處于諧振狀態(tài)時彼此之間發(fā)生強(qiáng)烈的能量交換，從而通過非輻射近場實(shí)現(xiàn)能量高效率傳輸?shù)囊环N技術(shù)[1-4]。目前國內(nèi)外對該技術(shù)尤其關(guān)于頻率分裂方面的研究還處于起步階段。參考文獻(xiàn)[5]提出在磁耦合諧振式無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)過程中可以由近及遠(yuǎn)地改變收發(fā)線圈間的距離，同時調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出頻率使傳輸效率在每個距離處均達(dá)到最大，這在一定程度上可以減小頻率分裂對能量傳輸?shù)挠绊?，但并沒有從根本上消除頻率分裂現(xiàn)象，而且工作量較大。參考文獻(xiàn)[6]提出在源線圈與發(fā)射線圈、接收線圈與負(fù)載線圈之間加入調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)來消除由于距離變化引起的頻率分裂現(xiàn)象，然而額外的匹配網(wǎng)絡(luò)會增加系統(tǒng)的能量損耗。參考文獻(xiàn)[7-8]對頻率分裂現(xiàn)象的研究主要是針對電磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)，結(jié)論具有一定的局限性。

本文根據(jù)磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中是否外接串聯(lián)電容,將其分為線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)和外接串聯(lián)電容調(diào)諧時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)2種類型，分別建立了這2種系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了影響系統(tǒng)傳輸功率、傳輸效率的關(guān)鍵參數(shù)，并對這2種系統(tǒng)的頻率特性進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，得出了頻率分裂現(xiàn)象發(fā)生的原因。

1　系統(tǒng)建模

1.1線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)

圖1　線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路

根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可得

(3)

由圖1可知

(4)

由于Z12?Z11，所以

(5)

(6)

系統(tǒng)傳輸功率為

(7)

系統(tǒng)傳輸效率為

(8)

1.2外接串聯(lián)電容調(diào)諧時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)

外接串聯(lián)電容調(diào)諧時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)除了外接串聯(lián)電容外，其他部分結(jié)構(gòu)與線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)相同，其等效電路如圖2所示,其中C3，C4分別為與發(fā)射線圈、接收線圈串聯(lián)的電容。

圖2　外接串聯(lián)電容調(diào)諧時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路

由圖2可知，系統(tǒng)發(fā)射端總阻抗為

(9)

接收端總阻抗為

(10)

系統(tǒng)傳輸功率為

(11)

系統(tǒng)傳輸效率為

(12)

1.3模型分析

由式(7)、式(8)、式(11)和式(12)可知：當(dāng)線圈、電源電壓和負(fù)載確定后，線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)與外接串聯(lián)電容調(diào)諧時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率均與頻率和互感系數(shù)有關(guān)，其中互感系數(shù)是關(guān)于收發(fā)線圈間距離的函數(shù)[9-10]。所以，影響2種系統(tǒng)電能傳輸性能的主要參數(shù)為頻率和收發(fā)線圈間距離。此外，外接串聯(lián)電容調(diào)諧時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸性能還與外接串聯(lián)電容密切相關(guān)。

2　實(shí)驗(yàn)分析

2.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在實(shí)驗(yàn)室搭建了線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)，其中發(fā)射線圈和接收線圈采用相同的雙層螺線管線圈，線圈參數(shù)：銅線直徑為0.29mm,線圈外徑為15.4mm,線圈高度為8.0mm,線圈匝數(shù)為52。利用阻抗分析儀LCR-8105測量螺線管線圈的動態(tài)阻抗特性，得到阻抗模、電抗、阻抗角曲線，如圖3所示。

圖3　線圈阻抗模、電抗、阻抗角測試曲線

由圖3可知，頻率約為2.93MHz時，阻抗模達(dá)到最大值15.56kΩ，螺線管線圈發(fā)生并聯(lián)諧振；頻率約為2.88MHz時，電抗(顯感性)達(dá)到最大值。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中，由近及遠(yuǎn)地改變收發(fā)線圈間的距離，同時在各個距離處通過掃頻得到線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)頻率、傳輸功率和收發(fā)線圈間距離的關(guān)系，如圖4所示。其中，使系統(tǒng)傳輸功率在各個距離處達(dá)到最大值時的頻率即為系統(tǒng)的諧振頻率。

圖4　線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)頻率、傳輸功率和收發(fā)線圈間距離的關(guān)系

由圖4可知：① 線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振頻率不隨收發(fā)線圈間距離的變化而改變，始終保持在2.85MHz，該頻率與阻抗分析儀測得的單個線圈諧振頻率略有差別，這是由收發(fā)線圈間電磁耦合作用引起的；② 隨著頻率增加，系統(tǒng)傳輸功率開始緩慢增加，當(dāng)接近諧振頻率后傳輸功率迅速上升，到諧振頻率點(diǎn)時傳輸功率達(dá)到最大值，此后隨著頻率繼續(xù)增加，傳輸功率迅速下降，當(dāng)遠(yuǎn)離諧振頻率后，傳輸功率下降速度減緩；③ 當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時，隨著收發(fā)線圈間距離的增大，開始時傳輸功率下降迅速，大于一定值后下降速度減緩。

在線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在發(fā)射線圈和接收線圈處分別串聯(lián)1個完全相同的電容，當(dāng)電容分別為40，60，80pF時，測得外接串聯(lián)電容調(diào)諧時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)頻率、傳輸功率和收發(fā)線圈間距離的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知：① 外接串聯(lián)電容可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率，且電容的大小對系統(tǒng)傳輸功率也有一定影響，選擇合適的電容能提高系統(tǒng)的傳輸功率；② 外接串聯(lián)電容調(diào)諧時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)在收發(fā)線圈間距離較近時會發(fā)生頻率分裂現(xiàn)象，即當(dāng)收發(fā)線圈間距離小于某一臨界值時，隨著系統(tǒng)工作頻率逐漸變化，系統(tǒng)的傳輸功率會出現(xiàn)2個極大值，而且距離越近，分裂現(xiàn)象越明顯；③ 外接串聯(lián)電容調(diào)諧時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)發(fā)生頻率分裂時，其中一個頻率始終沒有發(fā)生改變，而且該頻率與線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振頻率相近，另一個頻率則隨外接串聯(lián)電容的增大而減小。

2.3結(jié)果分析

線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)沒有發(fā)生頻率分裂現(xiàn)象，且傳輸功率與外接串聯(lián)電容調(diào)諧時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)相比更大。外接串聯(lián)電容調(diào)諧時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)發(fā)生了頻率分裂現(xiàn)象，是因?yàn)槠渲C振頻率不僅受線圈等效并聯(lián)電容的影響，還受外接串聯(lián)電容的影響，二者共同作用導(dǎo)致系統(tǒng)在不同工作頻率下存在多個諧振頻率點(diǎn)：當(dāng)電源電壓頻率達(dá)到串聯(lián)諧振頻率f1時，系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振；當(dāng)電源電壓頻率達(dá)到并聯(lián)諧振頻率f2時，系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。

(a) 外接串聯(lián)電容40 pF

(b) 外接串聯(lián)電容60 pF

(c) 外接串聯(lián)電容80 pF

外接串聯(lián)電容調(diào)諧時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)在收發(fā)線圈間距離小于某一臨界值時出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象，大于該臨界值時頻率分裂現(xiàn)象消失的原因可能與互感系數(shù)有關(guān)。收發(fā)線圈間距離較近，處于f1和f2處系統(tǒng)的有效傳輸距離內(nèi)時，系統(tǒng)傳輸功率在f1和f2處均會出現(xiàn)峰值，產(chǎn)生頻率分裂現(xiàn)象；隨著收發(fā)線圈間距離增加，互感系數(shù)迅速減小，當(dāng)收發(fā)線圈間距離大于f1處系統(tǒng)的有效傳輸距離后，系統(tǒng)傳輸功率在f1處不會出現(xiàn)明顯的峰值，而這個距離還處于f2處系統(tǒng)的有效傳輸距離內(nèi)，所以頻率增大到f2時，系統(tǒng)發(fā)生諧振，傳輸功率達(dá)到峰值。

3　結(jié)語

通過對2種類型的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)頻率特性的分析，得出以下結(jié)果：線圈自諧振時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)隨著工作頻率變化沒有出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象，且傳輸功率較大；外接串聯(lián)電容調(diào)諧時磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)在收發(fā)線圈間距離小于某一臨界值時發(fā)生了頻率分裂現(xiàn)象，原因是系統(tǒng)受外接串聯(lián)電容與線圈等效并聯(lián)電容共同作用，存在串聯(lián)諧振頻率點(diǎn)和并聯(lián)諧振頻率點(diǎn)。因此，實(shí)際應(yīng)用中可以通過合理設(shè)計(jì)線圈，盡量避免外接串聯(lián)電容，從而消除頻率分裂現(xiàn)象。

[1]張國圓,王習(xí),趙端.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸特性分析[J].工礦自動化,2015,41(8):85-88.

[2]王國東,原璐璐.無線電能傳輸系統(tǒng)諧振線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工礦自動化,2014,40(3):53-56.

[3]張獻(xiàn),楊慶新,陳海燕,等.電磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(21):153-158.

[4]ZHANGX,YANGQ,CHENH, et al.Analysisofanovelnear-fieldnon-radiativewirelesspowertransmissionsystem[C]//InternationalConferenceonControl,AutomationandSystemsEngineering,Singapore,2011:1-4.

[5]SAMPLEAP,MEYERDA,SMITHJR.Analysis,experimentalresults,andrangeadaptationofmagneticallycoupledresonatorsforwirelesspowertransfer[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2011,58(2):544-554.

[6]GILERER,HALLKL,KESLERMP, et al.Wirelessenergytransferusingrepeaterresonators:USA,US8587155B2[P].2013-11-19.

[7]封阿明,毛志鑫,秦海鴻.非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的頻率分叉現(xiàn)象及移相控制策略[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,13(1):17-21.

[8]韓騰,卓放,閆軍凱,等.非接觸電能傳輸系統(tǒng)頻率分叉現(xiàn)象研究[J].電工電能新技術(shù),2005,24(2):44-47.

[9]譚林林,黃學(xué)良,黃輝,等.基于頻率控制的磁耦合共振式無線電力傳輸系統(tǒng)傳輸效率優(yōu)化控制[J].中國科學(xué):技術(shù)科學(xué),2011,41(7):913-919.

[10]傅文珍,張波,丘東元,等.自諧振線圈耦合式電能無線傳輸?shù)淖畲笮史治雠c設(shè)計(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(18):21-26.

Analysisoffrequencycharacteristicsofmagneticcoupledresonantwirelesspowertransmissionsystem

LANYongjun1,GONGLijiao1,2,CAIXinhong1,LIHongwei1

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ShiheziUniversity,Shihezi832003,China; 2.StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipmentandSystemSecurityandNewTechnology,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

Factorsthataffecttransmissionpowerandefficiencyofmagneticcoupledwirelesspowertransmissionsystembasedonself-resonancecoilsandmagneticcoupledwirelesspowertransmissionsystembasedonseriescapacitortuningwereobtainedaccordingtoequivalentcircuitmodels,andfrequencycharacteristicsofthetwosystemswereanalyzed.Theexperimentalresultsshowthatthereisnofrequencysplittinginthemagneticcoupledwirelesspowertransmissionsystembasedonself-resonancecoilswithlargertransmissionpower,whilethereisfrequencysplittinginthemagneticcoupledwirelesspowertransmissionsystembasedonseriescapacitortuningwhendistancebetweenreceivingcoilandsendingcoilislessthanacriticalvalue,becauseresonantfrequencyisinfluencedbycoilequivalentshuntcapacitanceandexternalseriescapacitance.

wirelesspowertransmission;magneticcoupledresonance;frequencycharacteristic;frequencysplitting

1671-251X(2016)05-0067-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.05.015蘭永均，龔立嬌，蔡新紅,等.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)頻率特性分析[J].工礦自動化，2016,42(5)：67-70.

2016-01-02；

2016-04-02；責(zé)任編輯：盛男。

國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室訪問學(xué)者項(xiàng)目(2007DA10512713407)。作者簡介：蘭永均(1990-)，男，山西原平人，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線電能傳輸，E-mail:593059677@qq.com。

龔立嬌(1978-)，女，甘肅武威人，副教授，博士，研究方向?yàn)閭鞲袦y試系統(tǒng)及其輸配電技術(shù)，E-mail:glj_mac@shzu.edu.cn。

TD67

A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-04-29 11:31