無接觸電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)踐

白亞男，李興根，盧慧芬，楊西同

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027)

0 引言

早在1899年，美國(guó)發(fā)明家尼古拉·特斯拉就已初步進(jìn)行了無接觸電能傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)研究[1]。與傳統(tǒng)的電能傳輸技術(shù)比較，無接觸電能傳輸技術(shù)克服了傳統(tǒng)導(dǎo)線傳輸技術(shù)的弊端，提高了電能傳輸?shù)陌踩院捅憷?，尤其適合一些極端特殊的用電環(huán)境，因而具有廣闊的工程應(yīng)用前景。因此，開發(fā)無接觸電能傳輸技術(shù)一直是人類孜孜以求的奮斗目標(biāo)。

無接觸電能傳輸技術(shù)大致可分為三類:①基于變壓器原理的感應(yīng)耦合技術(shù)，它具有傳輸效率高、傳輸功率大等優(yōu)點(diǎn)，但存在傳輸距離短的不足。②基于電磁波原理的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射技術(shù)，這種技術(shù)它具有傳輸距離遠(yuǎn)但效率低、輻射污染嚴(yán)重。③美國(guó)麻省理工學(xué)院Kurs教授課題組于2006年提出的諧振式共振耦合技術(shù)，又稱為Witricity技術(shù)[2]。它具有無電磁污染、傳輸效率高和距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電能的無接觸傳輸。繼其之后，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)非輻射共振耦合無接觸電能傳輸技術(shù)的研究也呈現(xiàn)出空前繁榮的景象[3-6]。

為將此新研究成果融入本科生的課程教學(xué)，激發(fā)學(xué)生對(duì)新理論和新技術(shù)的渴望，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，同步于無接觸電能傳輸理論和技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，我們?cè)趥鹘y(tǒng)的“自動(dòng)控制元件”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了基于非輻射共振耦合的無接觸電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不僅涵蓋了最新的磁耦合諧振式無線電能傳輸理論和技術(shù)的基本內(nèi)涵，更可以綜合利用了電力電子、單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等知識(shí)，因此它對(duì)培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新能力具有一定的促進(jìn)作用。

1 無接觸電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的基本原理是“兩個(gè)具有相同諧振頻率的系統(tǒng)耦合度最強(qiáng)”。為此，我們利用兩個(gè)諧振頻率完全相同的平面螺旋線圈(分別稱為發(fā)射、接收線圈)實(shí)現(xiàn)電能的無接觸傳輸，實(shí)驗(yàn)的原理電路圖如圖1所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括高頻信號(hào)發(fā)生器、高頻功率放大器、諧振線圈(發(fā)射、接收)、饋電線圈和負(fù)載等。

圖1 無接觸電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

1.2 諧振線圈

諧振線圈包括發(fā)射線圈和接收線圈。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選定平面螺旋線圈作為無接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸線圈，這主要是因?yàn)檫@類線圈擴(kuò)展性比較好，且制作也相對(duì)簡(jiǎn)單。其基本構(gòu)造如圖2所示。

圖2 平面螺旋線圈示意圖

圖中，以FR4絕緣板作為線圈支架，在該絕緣板的兩面分別粘附由銅片構(gòu)成的電感線圈或電容貼片;并在其中一面粘附一單匝線圈作為饋電線圈。該線圈起主要作用的參數(shù)為分布參數(shù):包括分布電感、分布電容和分布電阻。為計(jì)算該線圈的諧振頻率，本文首先通過對(duì)平面螺旋線圈的抽象分析，得出相應(yīng)的分布電感、分布電容以及分布電阻;然后根據(jù)相應(yīng)的電路拓?fù)?，建立線圈的等效電路模型[7]。在此基礎(chǔ)上通過仿真計(jì)算可得到線圈的諧振頻率。

1.3 高頻功率放大器

基于非輻射共振耦合無接觸電能傳輸?shù)墓ぷ黝l率一般為2～30 MHz。相應(yīng)的高頻功率放大器提供無接觸傳能系統(tǒng)的功率輸出，是系統(tǒng)的重要組成部分。同時(shí)，功率放大器與傳輸線圈的匹配也會(huì)影響傳輸效率?？紤]到不同諧振線圈的諧振頻率差別較大，在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)高頻功率放大器的開發(fā)過程中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種適合于無接觸電能傳輸研究的寬頻帶(2-30 MHz)、50 W AB類射頻功率放大器，其等效原理圖見圖3。該放大器的主要性能指標(biāo)為:①頻率范圍(BW):2-30 MHz;②輸出功率(Po):50 W(約為47 dBm);③功率附加效率(PAE):40%;④增益平坦度(G):1 dB;⑤增益(G):23 dB;⑥直流供電電壓:DC 50 V。

圖3 功率放大器的等效原理圖

1.4 線圈自動(dòng)尋向系統(tǒng)

在無接觸電能傳輸系統(tǒng)中，傳輸效率是系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。在一個(gè)無線傳能系統(tǒng)尤其是多輸入、多輸出系統(tǒng)中，電能的傳輸效率除受系統(tǒng)自身性能的限制外，一些其它環(huán)境因素也會(huì)對(duì)傳輸效率產(chǎn)生影響，比如距離、接收和發(fā)射線圈的相對(duì)方向等。在使用時(shí)，為了達(dá)到最佳的傳輸效果，必須使發(fā)射和接收系統(tǒng)處于最佳的傳能狀態(tài)。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了接收線圈自動(dòng)尋向控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搜尋、定位接收和發(fā)射線圈間的最佳傳輸方向，實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸。該系統(tǒng)主要由下述模塊組成:

(1)整流濾波模塊:將接收線圈上的高頻交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。

(2)線圈電壓AD轉(zhuǎn)換模塊:系統(tǒng)以接收線圈感應(yīng)的電壓值大小作為線圈方向匹配度的參考量，電壓值最大的方向即為線圈的最佳方向。通過AD轉(zhuǎn)換，將模擬的電壓值變換成數(shù)字電壓值，并由微控制器進(jìn)行判斷與分析。

(3)微控制器模塊:微控制器是系統(tǒng)的中樞。它可以存儲(chǔ)、搜索和分析經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后的電壓采樣值。并對(duì)各種運(yùn)行情況進(jìn)行分析和判斷。

(4)驅(qū)動(dòng)模塊:驅(qū)動(dòng)模塊是系統(tǒng)的執(zhí)行部分，它一方面驅(qū)動(dòng)線圈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行AD采樣，最后再帶動(dòng)線圈旋轉(zhuǎn)到最佳方向。本文采用步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

自動(dòng)尋向系統(tǒng)的總體框圖如圖4所示。

圖4 接收線圈自動(dòng)尋向系統(tǒng)總體框圖

2 無接觸電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)踐

傳統(tǒng)的本科生實(shí)驗(yàn)一般是給定實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)定實(shí)驗(yàn)步驟，觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證物理或工程原理/理論。前已述及，無接觸電能傳輸技術(shù)綜合應(yīng)用了電路、電磁場(chǎng)、電力電子、單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等理論和知識(shí)。為最大限度地激發(fā)學(xué)生的獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力，在無接觸電能傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中，我們嘗試在實(shí)驗(yàn)過程中引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和出現(xiàn)的問題;啟發(fā)學(xué)生思考解決問題的方法;最后給出可供選擇的解決方案。

主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括:①原理驗(yàn)證和線圈諧振頻率的測(cè)量;②影響系統(tǒng)傳能效率的因素;③線圈自動(dòng)跟蹤系統(tǒng);④單輸入、多輸出系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容①和內(nèi)容②的實(shí)驗(yàn)電路如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)①和②的實(shí)驗(yàn)電路

在實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)射線圈連接高頻功率放大器，接收裝置分別采用兩種不同尺寸和匝數(shù)的線圈:一個(gè)是與發(fā)射線圈完全一致的接收線圈(線圈1)，而另一個(gè)則是大小和匝數(shù)與發(fā)射線圈完全不同的接收線圈(線圈2)。顯然，線圈1的諧振頻率與發(fā)射線圈的諧振頻率完全一致而線圈2則不然。在此實(shí)驗(yàn)過程中，這兩個(gè)接收線圈分別驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，在完全相同的條件下，連續(xù)調(diào)節(jié)信號(hào)源的頻率，通過觀察不同接收線圈驅(qū)動(dòng)的發(fā)光二極管的亮度，可觀測(cè)對(duì)應(yīng)的發(fā)射、接收線圈耦合的強(qiáng)弱和傳輸電能的能力。顯然，線圈1驅(qū)動(dòng)的二極管的亮度將高于線圈2驅(qū)動(dòng)的二極管的亮度。由此現(xiàn)象不難證明“兩個(gè)具有相同諧振頻率的系統(tǒng)耦合度最強(qiáng)”的原理。同理，對(duì)于諧振頻率的測(cè)量，我們僅需觀察線圈1作為接收線圈時(shí)對(duì)應(yīng)發(fā)光二極管最亮的頻率即為線圈的諧振頻率。此外，為避免人為因素的影響，實(shí)驗(yàn)過程中我們除觀察發(fā)光二極管的亮度外，同時(shí)用示波器觀測(cè)接收線圈的電壓波形和幅值。對(duì)應(yīng)電壓波最大幅值的頻率即為線圈的諧振頻率。

在上述實(shí)驗(yàn)過程中，我們還有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生注意觀察同一線圈具有不同的諧振頻率問題，并要求學(xué)生課后分析形成不同諧振頻率的原因，進(jìn)而闡明同一個(gè)電路/電子系統(tǒng)其高頻和低頻響應(yīng)完全不同的原因。在影響系統(tǒng)傳能效率有哪些因素的實(shí)驗(yàn)中，我們則有意引導(dǎo)學(xué)生注意兩個(gè)線圈相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)發(fā)光二極管的亮度變化。由此說明這種無接觸傳能系統(tǒng)的方向性問題，進(jìn)而要求學(xué)生解決這一問題。經(jīng)過思考和討論之后，他們會(huì)提出可能的解決方案，即采用線圈自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。

單輸入、多輸出系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)示意圖如圖6所示。在進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，我們分別設(shè)計(jì)了2對(duì)大小和匝數(shù)不同，諧振頻率完全一樣的諧振線圈。以一個(gè)大線圈作為發(fā)射線圈，兩個(gè)小線圈分別構(gòu)成兩個(gè)接收子系統(tǒng)，觀測(cè)信號(hào)源發(fā)出諧振頻率信號(hào)時(shí)，單輸入、多輸出無接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸能力。由此進(jìn)一步說明:對(duì)于任意形狀結(jié)構(gòu)的線圈，只要接收線圈的諧振頻率與發(fā)射線圈一致，即可實(shí)現(xiàn)磁耦合共振和無接觸電能傳輸。

圖6 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容④的示意圖

3 結(jié)語

同步于無接觸電能傳輸理論和技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展進(jìn)程，本文進(jìn)行了磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)和技術(shù)的開發(fā)和實(shí)踐研究。希望通過本次努力吸引我國(guó)高校教師將合適的科研成果應(yīng)用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，由此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和進(jìn)行科研創(chuàng)新工作的熱情。

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