基于互感線圈的能量傳輸系統(tǒng)設計

林淑玲

(漳州城市職業(yè)學院， 福建 漳州 363000)

0 引言

傳統(tǒng)的電能主要是通過導線或直接接觸進行傳輸?shù)?。在進行大功率充電時，這種充電方式存在高壓觸電的危險，且容易受到腐蝕以及水、灰塵和污物的影響。由于存在摩擦和磨損，系統(tǒng)的安全性、可靠性及使用壽命較低，特別是在化工、采礦等一些易燃、易爆領域，極易引發(fā)事故。在給運動設備進行供電時，如城市交通中的電車，一般是采用滑動接觸的方式，這種方式存在滑動磨損、接觸火花、裸露導體和炭積等弊端[1]。這種接觸式充電方式給人們的生產(chǎn)和生活帶來了不便。目前,使供電系統(tǒng)和電氣設備之間無導體接觸已成為電能傳輸?shù)闹匾芯糠较蛑?，而感應能量傳遞成為首選方法[2]，感應能量傳遞技術比較典型的應用是電機、變壓器等。與電機相比，變壓器傳輸能量有一個突出優(yōu)點，就是不受速度的影響。這種傳統(tǒng)的感應能量傳遞系統(tǒng)的顯著特點是子系統(tǒng)之間位置相對固定。當電工設備與供電電源之間有相對運動時，這種系統(tǒng)的應用必然受到限制，同時大大增加了負載系統(tǒng)的重量[3]。

為彌補上述系統(tǒng)的不足，可以利用現(xiàn)代電力電子能量變換技術、電磁感應原理與磁場耦合技術，實現(xiàn)電能的無接觸傳輸，以進一步拓寬電氣設備的應用范圍[5]。本文介紹如何采用簡易設備來實現(xiàn)系統(tǒng)能量的無線傳輸，從而達到安全、遠程控制的效果。

1 基于互感線圈的能量傳輸系統(tǒng)設計方案

1.1 系統(tǒng)設計原理

在一個電氣系統(tǒng)中，能量的傳輸起著重要的作用。傳統(tǒng)的變壓器是用完整的磁芯連接變壓器的初級和次級線圈，兩者處于緊密耦合狀態(tài)[5]。初級和次級線圈中產(chǎn)生的磁通在磁芯中形成閉合的磁路，進而實現(xiàn)能量的傳輸。而本系統(tǒng)為非接觸供電系統(tǒng)，初級和次級線圈之間沒有采用磁芯連接，兩者之間是空氣。由于空氣的磁導率很小，初級和次級線圈之間處于松耦合狀態(tài)，漏磁大，耦合系數(shù)小[6]。為降低電能傳送時的電路損耗，可以采用高頻交流電(一般在10～100 kHz)在初級和次級之間引起較強的電磁感應。根據(jù)電磁感應定律以及楞次定律，次級可以得到相應的電動勢。由于提高了能量密度，從而使非接觸的供電傳輸具有可行性。

本系統(tǒng)基于以上理論，將100 kHz的PWM信號功率放大后通過線圈耦合，再經(jīng)整流實現(xiàn)非接觸供電的LED照明。系統(tǒng)在市電下實現(xiàn)電能的無線傳輸，將市電轉(zhuǎn)化為DC 12 V和DC 5 V作為系統(tǒng)所需的電源。用STC89C52單片機產(chǎn)生PWM波控制加載在能量發(fā)送線圈上DC 12 V的通斷，通過互感線圈實現(xiàn)能量的無線傳輸，通過LED的亮暗來顯示能量傳輸?shù)某晒εc否。

1.2 系統(tǒng)設計方案

本系統(tǒng)由STC89C52單片機產(chǎn)生PWM波(4種不同占空比分別是1/5、2/5、3/5、4/5)，經(jīng)IRF840使得電路發(fā)送端實現(xiàn)交替通斷，用作互感器的傳輸交流電。開關狀態(tài)功放對PWM信號進行開關調(diào)制和功率放大。通過線圈耦合后，經(jīng)橋式整流轉(zhuǎn)換成直流電壓供給LED照明。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)需要較高的能量傳輸效率。使用高頻大功率MOS管IRF840自制功放，既能實現(xiàn)功率放大，也能利用IRF840的導通特性，將信號通過后級LC諧振耦合出去。

系統(tǒng)工作流程：系統(tǒng)通過發(fā)射不同的PWM信號，來調(diào)節(jié)接收端的LED亮度。PWM信號經(jīng)功放、線圈耦合和整流，最終實現(xiàn)給LED供電。當發(fā)射占空比為1/5的PWM信號時，LED亮度較暗，為等級1；當發(fā)射為2/5占空比的PWM信號時，LED亮度一般，為等級2，依此類推，共有4級亮度，并且可以根據(jù)實際需要，修改單片機程序中的PWM信號的占空比，實現(xiàn)大于4級的亮度顯示。

2 基于互感線圈的能量傳輸系統(tǒng)的軟、硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

通過編程使得P 0.7腳實現(xiàn)高低電平轉(zhuǎn)換即可產(chǎn)生PWM波。仿真情況下產(chǎn)生的PWM波頻率為100 kHz左右。

互感器傳輸部分的電感[7]

(1)

式中：D為所繞線圈銅線的直徑；N為所繞線圈匝數(shù)；W為線圈寬度；H為線圈高度。

計算可得，當直徑D=0.5 mm，匝數(shù)為50(發(fā)射部分L1)和85(接收部分L2)的電感值分別為135 μH和184 μH。

根據(jù)

(2)

可求得收、發(fā)兩端的電容值分別為196 nF和142 nF。

整流部分包括4個IN4007二極管和1個2.2 μF的電解電容，此電容可以使得這部分電流接近直流水平。

LED發(fā)光部分分別用4個10 Ω電阻與LED并接組成。

系統(tǒng)的硬件部分主要包括單片機最小系統(tǒng)電路、電源模塊、能量發(fā)送模塊和LED照明模塊。

能量發(fā)送模塊主要包括STC89C52單片機模塊和高頻功放模塊。由于本系統(tǒng)需要高效率地傳輸電能，從節(jié)省發(fā)射功耗方面考慮，并不需要非常復雜的調(diào)制方式，故不采用載波。直接將STC89C52單片機產(chǎn)生的PWM信號(100 kHz，4種不同占空比)送入處于開關狀態(tài)的大功率MOS管IRF840的G極,將MOS管的S極接地，將MOS管的D極接至發(fā)送部分的電路。這樣，MOS管導通時發(fā)送信號，表示“1”；截止時不發(fā)送信號，表示“0”。通過PWM控制DC 12 V的通斷來模擬交流電的產(chǎn)生，從而滿足互感線圈對發(fā)送電源的要求。根據(jù)變壓器理論和系統(tǒng)設計要求，設計的能量發(fā)送電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路圖

能量發(fā)送模塊由電源產(chǎn)生的DC 12 V直接加載于L1，并通過STC89C52單片機產(chǎn)生的PWM波來控制電路的通斷，從而作為互感線圈傳輸需要的交流電，交流電的頻率跟PWM波的頻率相同。

電源部分主要用于將市電穩(wěn)壓成芯片部分和能量發(fā)送所需的直流電。實現(xiàn)方法：將市電接至變壓器使得輸出為20 V的交流電，經(jīng)過電橋整流后得到穩(wěn)壓芯片LM7812所需的直流輸入電壓，而LM7812的輸出為DC 12 V，可以作為發(fā)送線圈的電源；再將這12 V電壓接至LM7805CT芯片轉(zhuǎn)換成5 V輸出，這樣便可以給芯片部分供電。

LED照明模塊主要包括橋式整流和LED照明。互感線圈通過交流耦合作用在副線圈產(chǎn)生一定的電壓，將此電壓經(jīng)整流后可得到直流電用作負載的電源。

橋式整流部分由D1、D2、D3、D4組成橋式整流電路，將接收到的交流轉(zhuǎn)換為直流給LED供電。LED照明模塊從耦合線圈獲取能量，經(jīng)過橋式整流變換為直流電，給LED供電。L1、C2和C6組成LC諧振回路，使接收電路最大限度地獲取能量。LED照明部分采用并聯(lián)方式連接5個LED，并在每個并聯(lián)支路中加上10 Ω電阻以保護LED，此過程中，不需要將所接收到的進行解調(diào)，只做整流。為更好獲取能量，橋式整流后，加1個470 μF的電容作為儲能元件。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分包括初始化程序、不同占空比的PWM信號產(chǎn)生程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、外部中斷程序、數(shù)字量讀取程序、延時子程序等。

單片機程序主要用于產(chǎn)生頻率為100 kHz的4種不同占空比的PWM信號，分別為1/5、2/5、3/5、4/5，并以中斷的方式進行A/D的啟動轉(zhuǎn)換和讀取數(shù)字量。

如圖3，單片機運行時，首先進入產(chǎn)生占空比為1/5的PWM波的循環(huán)中，并在每次循環(huán)末尾對寄存器R7進行判斷，當寄存器R7的值發(fā)生改變時，單片機產(chǎn)生下一種占空比的PWM波。循環(huán)順序為：1/5、2/5、3/5、4/5。

圖3 主程序流程圖

本系統(tǒng)通過對P0口的一個位置“1”和清零來實現(xiàn)PWM波的產(chǎn)生，而對占空比的控制則是采用延時的方式實現(xiàn)的。不同占空比的PWM波的轉(zhuǎn)換則是通過外部中斷1實現(xiàn)的，當外部中斷1產(chǎn)生時，R7自加1，編程通過不同R7的值對應不同占空比的PWM波實現(xiàn)了不同PWM波之間的轉(zhuǎn)換。 但當R7的值加到4之時，系統(tǒng)會將R7清零，從而實現(xiàn)了R7在0、1、2、3這4個值內(nèi)變化，分別對應單片機產(chǎn)生占空比為1/5、2/5、3/5、4/5的PWM波。

3 基于互感線圈的能量傳輸系統(tǒng)的調(diào)試

3.1 系統(tǒng)調(diào)試

能量發(fā)送線圈和接收線圈均用直徑為0.5 mm的漆包線在直徑60 mm的易拉罐上繞制而成，繞52圈，接收線圈繞85圈，使用電橋在100 kHz條件下測得電感值分別為115 μH和162 μH。

系統(tǒng)發(fā)送和接收電路包括控制部分和負載部分?？刂撇糠职刂菩盘朠WM波的產(chǎn)生，STC89C52單片機產(chǎn)生PWM波加至IRF840的G極來控制IRF840 D、S極的通斷；負載部分包括由4個IN4007組成的整流橋和5路由電阻和LED燈并接而成。發(fā)送部分在調(diào)試中采用占空比為3/5的波作為測試，而互感線圈部分的發(fā)送波形用示波器可測得，如圖4所示。

圖4 發(fā)送和接收調(diào)試的波形圖

由圖4可看出，發(fā)送線圈由于單片機的驅(qū)動能力的限制只能得到峰值為5 V左右的交流電，而在接收端能夠明顯地看到其耦合作用，其接收到的波形呈現(xiàn)明顯的周期性。但由于傳輸效率的限制，其峰值只有1.5 V左右。由于LED燈的驅(qū)動電壓要在1.8 V以上，故將接收線圈的信號經(jīng)LC諧振，才能得到符合驅(qū)動LED燈亮的信號。

3.2 功率計算部分

根據(jù)系統(tǒng)要求，負載消耗的功率應小于5 W，每個燈的電流應不小于5 mA，需在負載端測出電壓及電流數(shù)據(jù)見表1。由表1可以計算出，負載消耗功率為0.020 44 W，符合系統(tǒng)要求。

表1 LED照明發(fā)光電流測試數(shù)據(jù)

4 結語

根據(jù)電磁感應耦合技術和單片機控制技術設計的無接觸供電系統(tǒng)，實現(xiàn)了無線傳輸功能，具有安全、可靠、靈活的特點。這種供電方式，一方面克服了傳統(tǒng)供電方式的諸多弊端，實現(xiàn)了沒有機械連接的大氣隙感應耦合供電；另一方面由于系統(tǒng)的結構靈活，供電不受設備運動狀態(tài)的限制，既可為靜止設備，也可為水平運動或旋轉(zhuǎn)運動的設備供電。