線圈變壓器和信能同傳系統(tǒng)的設(shè)計與分析

劉茜茜 殷曉虎 楊虔吉

摘 要：為了實現(xiàn)信號和能量的同步無線傳輸，采用線圈變壓器和磁耦合諧振技術(shù)實現(xiàn)無線信能同傳即電能和信號的同步無線傳輸，借助MATLAB/Simulink軟件進行系統(tǒng)電路模型搭建，計算并設(shè)置相關(guān)器件參數(shù)，運行仿真，對仿真結(jié)果進行分析和優(yōu)化，結(jié)果表明：幅值調(diào)節(jié)式數(shù)字信號加載方式可有效實現(xiàn)信能同傳并進行信號解調(diào)，同時為了得到最佳傳輸效率的條件分析了系統(tǒng)傳輸效率的影響因素，包括線圈匝數(shù)、傳輸距離、耦合系數(shù)、負載等，結(jié)果表明選擇適當(dāng)?shù)牟牧霞皡?shù)才能使傳輸效率最大化。

關(guān)鍵詞：信能同傳；線圈變壓器；磁耦合諧振；MATLAB/Simulink；傳輸效率

中圖分類號：TM46 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）31-0089-03

Abstract： In order to realize synchronous wireless transmission of signal and energy， coil transformer and magnetic coupling resonance technology are used to realize synchronous wireless transmission of electric energy and signal. The system circuit model is built by MATLAB/Simulink software. The simulation results are analyzed and optimized. The results show that the amplitude-adjusted digital signal loading mode can effectively realize the simultaneous interpretation and demodulation of signals. At the same time， in order to get the best transmission efficiency， the factors that affect the transmission efficiency are analyzed， including coil turns， transmission distance， coupling coefficient， load and so on. The results show that the transmission efficiency can be maximized by choosing the appropriate materials and parameters.

Keywords： simultaneous interpretation； coil transformer； magnetic coupling resonance； MATLAB/Simulink； transmission efficiency

引言

自尼古拉特斯拉提出并實現(xiàn)無線電能傳輸過程后，該技術(shù)因可避免沉重而繁瑣的線纜，節(jié)省空間，并能減小因線纜老化遇水著火而發(fā)生事故的可能性被不斷研究并改進，而后相繼出現(xiàn)了三種傳輸方式：感應(yīng)耦合式、微波輻射式、磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)，但前兩者技術(shù)自身傳輸距離小，輻射大，傳輸效率低等缺點也不斷被發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)研究集中在磁耦合諧振式電能無線傳輸技術(shù)[1-2]，該技術(shù)將線圈做成線圈變壓器并使原副邊處于同一諧振頻率從而實現(xiàn)電能無線傳輸，具有傳輸效率高、傳輸過程快、低輻射等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用在電動牙刷、電動汽車充電等領(lǐng)域。

同時，由于通信技術(shù)的發(fā)展一直是建立在電磁場環(huán)境中，在此基礎(chǔ)上研究還發(fā)現(xiàn)可同時傳輸數(shù)字信號，即信能同傳，這一技術(shù)讓那些需要電能傳輸同時還需要信息傳輸?shù)脑O(shè)備得以實現(xiàn)，如一些可植入醫(yī)療設(shè)備，機器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，WIFI充電器等，為進一步研究提供了良好的基礎(chǔ)，[3]但由于無線信能同傳技術(shù)出現(xiàn)較晚，在此之前國內(nèi)外專家學(xué)者主要致力于研究基于磁耦合諧振技術(shù)的能量傳輸，著重于傳輸效率的影響因素，文獻[5]、[6]中便詳細分析了線圈半徑，傳輸距離，負載，頻率，線圈匝數(shù)等因素對傳輸效率的影響。但對基于磁耦合諧振的信能同傳技術(shù)研究甚少。

基于以上理論，論文在磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)基礎(chǔ)上提出了一種新技術(shù)來實現(xiàn)信能同傳，利用交流電本身的高頻特性作為攜帶信號的載波，實現(xiàn)信能同傳。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)概述

無線信能同傳技術(shù)旨在實現(xiàn)信號和電能的同步無線傳輸，以法拉第電磁感應(yīng)定律為原理，線圈變壓器為核心器件，高頻逆變、電容補償、整流濾波、調(diào)制解調(diào)等為技術(shù)支持，利用磁耦合諧振實現(xiàn)電能的高效無線傳輸，通過幅值調(diào)節(jié)方法加入兩個不同幅值的交流電實現(xiàn)數(shù)字信號的調(diào)制解調(diào)。此間數(shù)字信號傳輸用理想開關(guān)控制兩個交流電信號的幅度和頻率使其呈現(xiàn)101010形式，并在副邊得到解調(diào)。

1.2 線圈變壓器

在信能同傳系統(tǒng)中線圈變壓器起著關(guān)鍵性作用，由于其原副邊電感線圈之間相互分離、非接觸、沒有導(dǎo)線連接，因此該系統(tǒng)被稱作無線信能同傳系統(tǒng)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通電線圈周圍可以產(chǎn)生磁場，該磁場又可以產(chǎn)生電場，從而實現(xiàn)了電能和信號的無線傳輸，此間線圈變壓器的性能由線圈線徑，匝數(shù)及放置距離決定。

1.3 高頻逆變及整流濾波電路

將直流電轉(zhuǎn)化成交流電的過程稱為逆變過程，而將交流電轉(zhuǎn)化成直流電的過程為逆變過程的逆過程，稱為整流濾波過程。無線信能同傳系統(tǒng)中為使變壓器原邊產(chǎn)生交流電以便產(chǎn)生所需磁場，在原邊電路中添加高頻逆變電路將直流電逆變成高頻高壓的交流電，而為負載充電需要恒定的直流電，因此在副邊電路中需添加整流濾波電路，將磁場中產(chǎn)生的高頻交流電轉(zhuǎn)化成直流電，同時添加穩(wěn)壓器件來優(yōu)化電能。

1.4 功率補償電路

電器設(shè)備在使用時均會產(chǎn)生呈電感特性的無功功率使電源容量的使用效率降低，通過在電路系統(tǒng)中適當(dāng)增加電容的方式可以改善這種情況，因此信能同傳系統(tǒng)中在可分離變壓器兩邊分別添加電容構(gòu)成功率補償電路，其中原邊的無功功率補償可增加電源的功率因數(shù)而副邊的無功功率補償可增加系統(tǒng)的傳輸功率，從兩方面改善了整個系統(tǒng)的性能，使得系統(tǒng)具有更高的經(jīng)濟作用。功率補償電路通常有以下四種結(jié)構(gòu)，分別為串聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)（如下圖），以及串聯(lián)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，并聯(lián)并聯(lián)結(jié)構(gòu)。

對于不同的補償方式，所需補償電容大小也不同。從已有文獻中已知補償電容值與工作頻率、原副邊電感、互感及負載阻值有關(guān)，當(dāng)工作頻率為ω，原邊線圈電感為L1，副邊線圈電感為L2，耦合系數(shù)為K，互感為M，負載電阻為RL，系統(tǒng)達到耦合諧振時原邊補償電容值計算如下：

SS：C= （1）

SP：C= （2）

PS：C=（3）

PP：C= （4）

文獻[7]，[8]中詳細對比了四種補償結(jié)構(gòu)的特性，得出了SS結(jié)構(gòu)具有更好的抗干擾性能和傳輸特性，因此論文中選用原邊串聯(lián)，副邊串聯(lián)結(jié)構(gòu)（SS）的功率補償，其他參量之間又有如下關(guān)系：

諧振頻率：？棕= （5）

耦合系數(shù)：K= （6）

線圈電感：L=？滋0rN2（ln-2） （7）

互感：M= （8）

2 系統(tǒng)搭建及仿真分析

2.1 無線信能同傳系統(tǒng)電路設(shè)計

實驗中借助MATLAB/Simulink軟件進行信能同傳系統(tǒng)的電路設(shè)計，電路模型搭建，然后設(shè)置各器件參數(shù)，運行仿真，通過萬用表和示波器觀察仿真結(jié)果，得出結(jié)論。研究中利用交流電源進行傳輸，通斷器代替單刀雙擲開關(guān)，設(shè)置相應(yīng)頻率、幅度及延時，實現(xiàn)信號和電能同步傳輸。

2.2 參數(shù)選擇

此實驗設(shè)置工作頻率為30KHZ，交流電源選擇20V和30V，原邊及副邊線圈電感值均為50uH，補償電容值分別為0.22nH，負載阻值10歐姆。

2.3 仿真結(jié)果

系統(tǒng)仿真結(jié)果如下：

通過示波器觀察線圈變壓器原副邊線圈上電壓，如上圖第一、二行所示，此時可以清晰地看出所加載的信號為101010形式，載波為交流電自身波形，原邊線圈電壓大于副邊線圈電壓，傳輸效率約為60%，這是由于變壓器原副邊分離耦合系數(shù)下降使得電能傳輸有損耗。圖中第三、四行分別為負載上電壓和電流，由于負載為10歐姆，所以電壓和電流幅值相差10倍。數(shù)字信號可準確解調(diào)得到101010形式。

3 影響因素分析

從仿真結(jié)果可以看出電能在經(jīng)過線圈變壓器進行傳輸時有損耗，傳輸效率不能達到百分百，分析其影響因素，主要有線圈匝數(shù)，耦合系數(shù)，傳輸距離，負載阻值，通過MATLAB編輯器探索影響因素對系統(tǒng)的影響趨勢如下。串聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)的傳輸功率和傳輸效率分別為：

P= （9）

？濁=（10）

線圈匝數(shù)及傳輸距離對互感M的影響如圖4：

耦合系數(shù)K在0-1范圍內(nèi)變化時傳輸功率和傳輸效率變化趨勢如圖5：

4 結(jié)束語

實驗表明，利用線圈變壓器可實現(xiàn)信能同傳。此間幅值調(diào)節(jié)式信號加載簡單易操作，并能進行無失真解調(diào)，且信號傳輸和電能傳輸互不干擾。但傳輸效率和傳輸功率受耦合系數(shù)和負載的影響，耦合系數(shù)越大，傳輸功率和傳輸效率就越大，但耦合系數(shù)又受傳輸距離的影響，因此綜合考慮線圈匝數(shù)、傳輸距離和負載的選擇才能使傳輸功率最大。

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