任興寶 郭魯
沈陽工學院
磁耦合諧振式無線電能傳輸節(jié)能裝置
任興寶 郭魯
沈陽工學院
本文利用磁耦合諧振理論進行無線電能傳輸,同時采用超聲波測距的方式進行節(jié)能保護。掌握了電能傳輸?shù)淖罴丫嚯x,從而提高整個無線電能傳輸系統(tǒng)的效率,同時對無線電能傳輸有效的節(jié)能。
磁耦合諧振電路 無線電能傳輸裝置 超聲波測距
在無線電能傳輸過程中,為了達到電能傳輸?shù)淖罴褷顟B(tài),可以通過修改發(fā)射部分和接收部分之間的距離來實現(xiàn)。通過顯示裝置調(diào)整好發(fā)射部分與接收部分間的最佳距離,可以達到提高無線電能傳輸?shù)男省?/p>
基于磁場耦合諧振的無線電能傳輸裝置由高頻驅(qū)動電路、發(fā)射回路和接收回路構成,其中發(fā)射回路包括驅(qū)動線圈和發(fā)射諧振線圈,接收回路包括接收諧振線圈及負載線圈電路。發(fā)射線圈和接收線圈均為兩個固有諧振頻率相同的LC電路,當驅(qū)動信號頻率與線圈固有諧振頻率相同時,發(fā)射、接收線圈發(fā)生諧振,在磁場的作用下兩線圈之間產(chǎn)生很強的耦合,實現(xiàn)電能的無線傳輸,如下圖1所示就是本設計的簡化模型。
圖1 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)簡化示意圖
磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)主要由高頻驅(qū)動信號、驅(qū)動線圈、發(fā)射線圈、接收線圈、諧振電容和負載回路等構成。為簡化系統(tǒng)分析,僅對發(fā)生諧振耦合的發(fā)射和接收兩線圈進行等效分析。諧振耦合式電能無線傳輸系統(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),RL為負載電阻,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 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路
負載電流有效值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。
對于確定的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)(諧振頻率ω0以及RS、RD、RL已定),當系統(tǒng)的頻率ω變化時,傳輸效率η也發(fā)生變化。當系統(tǒng)的驅(qū)動信號頻率與線圈的諧振頻率相同即ω=ω0時,傳輸效率η最大;當系統(tǒng)的驅(qū)動信號頻率偏離線圈的諧振頻率時,傳輸效率逐漸下降。
本程序利用超聲波測距模塊,運用51單片機進行編程控制以顯示發(fā)射端與接收端的實時距離,以起到實時監(jiān)控無線傳輸電能動態(tài)的功能,當電壓、電流過大時,通過單片機控制,發(fā)射端電源斷電以起到保護電路的作用,當電壓、電流過小時,發(fā)射端電源也進行斷電工作,以實現(xiàn)節(jié)約環(huán)保的目的。
分別對有節(jié)能保護裝置和無節(jié)能保護裝置的磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置進行數(shù)據(jù)分析如下表1所示。
表1 測試結果(數(shù)據(jù))
綜合上述兩種方法的分析,可以看出裝有節(jié)能保護裝置的磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置的時間短、效率高的完成任務,能夠很好地滿足實際生產(chǎn)要求,可以給予磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置提供有效的指導。
[1]余萍,李然,賈惠彬.通信電子電路[M].北京:清華大學出版社,2010:30-36
[2]胡宴如,耿蘇燕.高頻電子線路[M].北京:高等教育出版社,2009:13-21
[3]何茜,朱棟山,潘銀松.無線電能傳輸系統(tǒng)原理分析與設計[J].微型機與應用,2009,28:3-6
郭魯