非接触式供电系统

目 录摘 要IAbstractII1 实验任务及要求11.1 实验任务11.2 实验要求11.3 实验结果说明12 非接触供电系统背景23 无线传输原理33.1微波无线能量传输33.2电磁感应式无线传输33.3 电磁共振式无线能量传输44 磁耦合谐振式无线能量传输系统54.1能量传输系统的构成54.2耦合谐振系统54.3 能量传输过程及其遵循的准则与方程55 非接触供电系统方案设计75.1 高频振荡电路设计75.1.1 设计方案75.1.2 晶振电路的工作原理95.2 功率放大器设计95.2.1 功率放大器原理105.2.2 功率放大器分类105.2.3 设计方案115.2.4功率放大器电路图125.3 AC/DC电路方案125.4 耦合线圈145.4.1 线圈电感145.4.2 线圈互感145.4.3 传输系统的最佳频率范围155.5电路总图及单元电路156方案实现与测试176.1 直流电源176.2 高频晶振振荡电路176.3 高频功率放大器186.4桥式整流电路19 6.5实现非接触式供电196.6 实验结果及说明20六 总结与体会22参考文献23 摘 要 非接触供电是一种能以电气非接触方式，将功率从功率输送机提供到功率接收机的供电系统，其中功率输送组件连接到功率输送机以及功率接收组件连接到功率接收机。功率输送组件具有用于输送功率的多个输送侧线圈以及用于接通/断开输送侧线圈的操作的多个输送侧开关。功率接收组件具有用于接收功率的多个接收侧线圈、用于接通/断开接收侧线圈的操作的多个接收侧开关，另外，具有用于执行控制以便操作在实现最高功率输送效率的组合中的输送侧线圈的任何一个和接收侧线圈的任何一个的判定电路。 非接触供电系统是一种通过非机械接触的方式进行电力和信号输送的技术，主要应用于agv、起重机和ems单轨输送系统中。非接触供电系统的工作原理类似于变压器的初级/次级线圈的变压原理。在变压器中，初级和次级线圈缠绕在一个封闭的磁铁上，cps系统将初级线圈“延伸”为一个很长的回路，而次级线圈则缠绕在一个开放的磁铁上并且围绕着初级线圈，因此可以允许两个线圈互相之间进行移动，并且通过20khz的高频传输频率，使传输性能达到最优化。 关键词：非接触供电 功率放大器 频率振 荡器.AbstractNon-contact electrical power supply is a non-contact method can, will provide power from the power transmission unit to the power supply system receiver, which is connected to the power transmission power conveyor components and power components connected to the power receiver receives . Power transmission components for the transmission power of a transmission side of the coil as well as for multiple on / off operation of the transmission side of the coil multiple transmission-side switch. Power component has received more than one receiver for receiving the power side of the coil, used for on / off operation of the receiver side of multiple receiver coil side switch, the other has used to perform control operations in order to achieve maximum power transfer efficiency combination of any of the delivery side of the coil and the receiving side of a coil to determine any circuit.Non-contact power supply system is a non-mechanical contact by way of power and signal transmission technology, mainly used agv, cranes and monorail transportation system ems. Non-contact power supply system works similar to the transformer primary / secondary coil of the transformer principle. In the transformer, primary and secondary windings wound on the magnet in a closed, cps primary coil system "extension" for a very long loop, and the secondary coil is wound in an open magnet and around the primary coil, it can allow moving between the two coils to each other, and high-frequency transmission frequency by 20khz, so that transmission to optimize performance.Keywords: non-contact power supply frequency oscillator power amplifier1 实验任务及要求1.1 实验任务D功放AC/DC耦合线圈耦合线圈振荡器充电电路电源 在不采用专用器件（芯片）的前提下，设计一个非接触供电系统的电路如下图所示，使其实现对小型电器供电或充电等功能。其结构如图1所示。 图1 非接触供电系统结构框图1.2 实验要求用仿真软件对电路进行验证，使其满足以下功能：1)供电部分输入36V以下的直流电压，具有向多台电器设备非接触供电的 功能。2)在输出功率1W的条件下，转换效率15%3)最大输出功率5W。1.3 实验结果说明实验报告必须包括仿真模型。2 非接触供电系统背景 非接触式供电系统CPS（Con-tackless Power Support），是指能量通过无线传输，实现从能量源传输到电负载的一个过程。这个过程不是传统的用有线来完成，而是通过无线传输来实现。 电线充斥在我们的生活当中，错综复杂的连接方式，给我们带来很大的不便。长距离的输电线路需要大量的空间和金属。科学家们在寻求一种解决方法，可否利用电磁感应原理，通过非接触式的能量传输以达到供电的目的呢？早在了19世纪30年代迈克尔·法拉第就发现，磁场变化后将在电线周围产生电流，这就为非接触式传输电能提供了理论可能。 1913年，既是航海家又是网球选手的法国人罗兰-加洛斯就提出能否从地面为空中飞行器提供动力。 2007年美国麻省理工学院的研究人员在无线传输电力方面取得了新进展，他们用两米外的一个电源，“隔地”点亮了一盏60瓦的灯泡 。 2008年在Intern公司技术峰会上，研究人员声称此项技术可以运用到笔记本电脑上，借此摆脱了电线的束缚。 如果这项技术得以应用，我们的生活将会发生巨大的变化：我们不再需要电线、插座，手机充电比打开蓝牙还要简单，只要你处于一定得区域内，手机就一直可以被充电；同样笔记本电脑也不用担心电池没电了。甚至，可能没有电网这个概念，我们不需要电线了。这极大的鼓舞着人们去进行研究无线传输能量的具体方法。3 无线传输原理根据电能传输原理，可将 WPT 技术分为三种：射频或微波 WPT、电磁感应式WPT、电磁共振式WPT，下面分别予以介绍。3.1微波无线能量传输 所谓微波 WPT，就是以微波(频率在300MHz-300GHz之间的电磁波)为载体在自由空间无线传输电磁能量的技术。利用微波源将电能转变为微波，由天线发射，经长距离的传播后再由天线接收，最后经微波整流器等重新转换为电能使用。 微波频率传输所具备的“定向、可穿透电离层”等特性，使得该能量传送方式早在20世纪60年代初期就受到人们的关注，并在远程甚至超距能量传输场合有着重要的应用价值。微波WPT主要用于如微波飞机、卫星太阳能电站等远距输电场合，其中卫星太阳能电站作为人类应对能源危机的有效策略已成为美国、日本等国大力发展的重要航天项目。目前，限制微波 WPT 技术进一步发展的主要技术瓶颈在于高效微波整流器件、大功率微波天线以及大功率微波电磁场的生物安全性和生态环境的影响问题。然而，由于工作频率高、系统效率较低，微波 WPT 并不适合于能量传输距离较短的应用场合。3.2电磁感应式无线传输 电磁感应式WPT是基于电磁感应原理，利用原、副边分离的变压器，在较近距离条件下进行无线电能传输的技术。目前较成熟的无线供电方式均采用该技术，典型的应用包括新西兰国家地热公园的30kW旅客电动运输车、Splash power 公司的无线充电器等。可以看出，无论是小功率的消费类电子产品还是大功率 EV无线供电系统，电磁感应式WPT技术都可有效实现无线供电。然而，电磁感应式WPT仍存在一系列问题：传输距离较短，距离增大时效率急剧下降；传输效率对非接触变压器的原、副边的错位非常敏感等等。3.3 电磁共振式无线能量传输 电磁共振式WPT，是美国MIT Solja i领导的研究小组在2007年提出的突破性技术。他们使用两个固有谐振频率相等的铜线圈(为方便表述，称其为“变压器”)，在共振激励条件下(即激励频率等于线圈的固有谐振频率)，距离2m处，成功点亮了一个60W的灯泡，其中变压器的效率达到了40%。 压器绕组间错位的敏感度减小，长野日本无线公司给出了原、副边绕组相互垂直的实验图片；此外，利用共振模式对激励频率要求的严格性，可通过合理设 置激励频率，向指定电器供电，提高安全性。然而，目前该方向的研究要么过于理论化，要么为实验研究，缺乏对应用、工程设计有定量指导意义的研究成果，但毋庸置疑，电磁共振式 WPT因为能量的高效耦合将成为 WPT 技术的一个重要研究方向。综上所述，与非接触感应式充电技术相比，磁耦合谐振式无线能量传输的传输距离更有优势；与电磁波形式的无线能量传输技术相比，磁耦合谐振式无线能量传输具有无敏感的方向性、无辐射等优点。4 磁耦合谐振式