无线供电系统的设计毕业论文(编辑修改稿)

无线供电系统的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

θ21/dt=M21* dI1/dt 同理可得 U1 =﹣ dθ 12/dt=M12 *dI2/dt 可以看出感应电动势由互感系数决定，所以在变压器线圈中，加入了铁芯，这样就可以提高互感系数，在本设计中由于线圈分离，所以为了提高能量的传输效率，引入了谐振技术， 下面介 绍共振原理，模型图如图所示 14 所示 图 14 共振模型图 在图中若两音叉的固有频率一致时，在左端施以动能使其发声，这时在右端也能听到声音，这就是共振，本设计中主要把共振技术加入到磁耦合技术中，接下来介绍一个电路，称作串联谐振电路，如图 15 所示： 图 15 串联谐振电路 图中当电路发生谐振时，其谐振频率为 F0= LCπ2 1 ,F0 是由电路本身的固有参数决定的，即当电源驱动频率和和电路的谐振频率一致时，其电路才发 生谐振，所以要加入谐振回路，这样可以提高能量传输效率。 5 磁耦合谐振式无线供电系统组成 磁耦合谐振无线供电主要利用磁耦合谐振技术，若要进行能量的传输，在发射回路和接收回路则需发生谐振，该系统主要包括发射部分和接收部分。 如图 16 所示： 发 射 回 路接 收 回 路交流电整流滤波耦合发射线圈高频逆变耦合接收线圈高频滤波整流负载控制电路补偿电容驱动电路电源补偿电容 图 16 谐振式无线供电系统组成 其中发射回路包括整流滤波电路，高频逆变电路，驱动电路，控制电路，供给电源，耦合发射线圈和补偿电 容；接收回路包括耦合接收线圈，补偿电容，高频滤波整流电路和负载； 耦合发射线圈和补偿电容组成发射回路的谐振电路，另外，耦合接收线圈和补偿电容则组成接收回路的谐振电路。 下面从几个核心技术介绍其功能： 高频逆变技术：在该系统中，高频逆变技术主要将输入的直流电转化为高频的交流电，该部分影响整个传输系统的性能，使得具有一定的转化效率和功率输出，并且控制简单。 谐振补偿技术：该技术的主要作用是为了提高系统的传输效率，主要对发射和接收的回路进行谐振补偿，可以分为串串（ SS)，并串（ PS)，串并（ SP)，并并（ PP)这 4种不同的结构 磁耦合谐振技术：该技术是实现能量传输的基础，当系统工作时，在发射线圈上会产生交变的磁场和电场，经过磁耦合谐振原理，在接收线圈上会产生感应电压，发射和接收线圈处于谐振状态。 磁耦合谐振无线供电系统的工作原理 磁耦合谐振式无线供电技术主要利用两个有相同频率的谐振电路，通过磁场耦合实现能量从电源端向用电设备吸收端的无线传输。 其中 A,S组成发射回路， D,B组成接收回路。 能量则是由 ASDB传输，能量可以在空间无线传输。 其简化原理如图 17所示 6 图 17 磁耦合谐振无线供电系统工作原理 本设计研究的主要内容 本设计研究的是一种基于磁耦合谐振式无线供电技术，相同谐振体之间通过磁场耦合进行能量的无线传输，本设计的目的在于如何提高系统的传输效率，分析各个因素对传输效率的影响输出功率和传输距离，通过实验数据和波形图，得到提高系统传输效率的方法及设计的科学性和电路设计的合理性。 谐振耦合谐振式电能无线传输技术与上述两种电能传输技术相比较有以下不同地方：与微波原理的电能无线传输技术比较，有传输效率高，传输功率大 和无方向性的特点，并且传输功率提高到千瓦级，传输效率大大提高，可达到 80%；和电磁感应原理的电能无线传输技术相比，传输距离提高了很多，而电磁感应原理的传输距离仅在毫米电机以内，相比来看，突破很大。 由以上几种技术的对比及自身特点，最终设计中选择磁耦合谐振式无线供电技术为设计的方案，主要是由于对小功率传输来说，它有传输效率高，传输距离较远等特点，较为适合本设计小功率近距离无线供电实验设计。 7 磁耦合谐振无线供电的传 输效率很容易受到外界的干扰，由于整个传输的系统中，各个模块是高度相关联的，它们自身的特性都会对这个系统的传输效率造成影响， 研究参数对传输系统的影响，传输效率很容易受到外界各种因素的影响，因此要对各种影响因素进行分析，已达到实验的严谨性，磁耦合传输效率 Φ 通常用负载吸收功率 P2与发射回路的输入功率 P1 之比表示： Φ =P2/P1*100% 磁耦合谐振回路的影响 电路中，消耗能量的有纯电阻，不消耗能量的是电容，电感，它们的主要作用是完成电能和磁场能的相互转化，导致电能在传输过程中损耗较 多，这样能量传输效率也会降低，针对这个，可引入补偿电容，作用是在电路发生谐振时，可使电容和电感上消耗的无功功率近似为 0 接收回路补偿电路 对接收端回路进行谐振补偿也可减少接收端的无功功率，提高输出。 品质因数的影响 在无线能量传输过程中，品质因数是一个很重要的参数，电磁学中，品质因数 Q定义为储能元件所储能量与耗散能量之比， Q值越高，谐振回路的选择性越高 另外线圈间的距离，输入功率，线圈半径也会对传输效率产生影响，下面主要会对其进行试验研究。 8 2 系统整体设计 设计方案总框图及说明 无线输电供电方框图如图 21 所示，让电磁波发射器同接收设备在相同频率上产生共振，它们之间就可以进行能量互换。 即：发射部分将电能转化为磁能，然后由接收部分将磁能转化为电能，经历了二次转换，电能和磁能相辅相成，如图 21所示 图 21 系统整体框图 图中主要包括滤波整流，高频逆变，发射回路和接收回路组成，本设计中负载接的是20W的小灯泡，其中高频逆变部分要有一定的输出功率和转换效率。 发射回路的设计 发射回路电路部分设计如下图 22所示 ： 图 22 发射回路电路 9 整个发射回路主要由驱动电路，串联回路和两个高频变换开关电路组成，其中驱动电路信号由函数信号发生器产生，能输出可调的矩形波，锯齿波，正弦波，波形稳定，在发射线圈则是由输出稳定，可调电压的电压源提供。 逆变电路在整个系统中起着很重要的作用，作用主要是将直流电转化为交流电给发射回路提供能量，高频逆变电路要满足以下几点：电路工作频 率要满足实验需求；转换效率较高且抗干扰能力强；有一定安全性和稳定性，根据主回路拓扑结构不同，可分为全桥拓扑，半桥拓扑，推挽式拓扑等等；这里选择的是全桥拓扑和半桥拓扑逆变器。 全桥逆变器电路原理图如图所示 23所示 图 23 全桥逆变电路图 在其中 Q1， Q2， Q3， Q4组成全桥逆变器的四个桥臂，电感 L1和电容 C1组成发射电路，电感 L2和电容 C2则组成接收电路 其工作原理为：在驱动电路下， Q1， Q2， Q3， Q4轮流导通和截止，导通，截止的时间不超过一个。