无线远距离电能传输.docx

超长距离,高频,无线电能传输装置研制

引言：电能无线传输一直是人类的梦想，许多国内外科学家对此进行不断的研究。人们提出了三种电能无线传输方式：一是微波线电能传输方式。该方式利用无线电波收发原理传输电能，传输功率只能在几毫瓦至一百毫瓦之间，应用范围不大；二是电磁感应无线电能传输方式。该方式利用变压器原副边耦合原理传输电能，传输功率大，效率高，但距离很近，仅在1cm内，目前已在轨道交通方面应用；三是谐振耦合电能无线传输方式。该方式利用电路中电感电容谐振原理传输电能，理论上电能的传输功率、传输距离不受限制。第一种方案原理就像我们常用的变压器，初级线圈和次级线圈并没有接触交变的电场和磁场起到了传输电能的作用，该方案效率相对而言比较高；而第二种方案是通过对载波进行与解调从而实现电能传输，广泛用于无线广播等领域，效率非常低；第三种方案是前两种方案的综合，想通过共振原理实现电能的有效传输就必须在发射和接收端下工夫，传统的效率底下的调制方法是不能实现电能的有效传输，我们小组将着重在电磁耦合方案上进行探索。

摘要：电能给人类带来巨大的发展。然而错综复杂的输电线分布在生活的各个角落，它给人们带来极大的不便。因此人类一直有摆脱电线的束缚实现电能无线传输的梦想。综合考虑到实际应用上传输效率和传输距离等因素，我们小组给出了一种用电磁耦合阵列定位最大耦合系数的电力传输方案。

关键字：无线电能传输谐振传输效率电磁耦合传输距离耦合阵列
1整体方案设计及理论分析（第1部分标题，请根据此标题进行论文整理）
2、硬件电路设计（第3部分标题，请根据此标题进行论文整理）
3、控制方法与软件设计（第4部分标题，请根据此标题进行论文整理）
4、实验及结果（第5部分标题，请根据此标题进行论文整理）
1、整体方案设计及理论分析
1.1电磁耦合能量无线传输系统由能量发送器(Transmitter)，分离式功率变压器(Transformer)，和能量接收器(Receiver)三部分组成，如图1所示。

能量发送器由三部分组成，第一部分整流滤波得到高压直流电流；第二部分为高频逆变电路，由CPLD控制载波频率，将直流进行SPWM斩波；第三部分为滤波电路，将第二部分电流滤波后形成高频交流通过线圈发送耦合到用电器线圈。
分离式变压器由发送端的电磁耦合阵列和接收端的线圈共同构成。
能量接收器将接到得高频交流经过整流滤波后得到稳定的直流供用电器使用。

图2图3
1.2能量传输的效率

在整个系统中，能量的损耗主要包括线圈损耗，逆变器的开关损耗，和电磁耦合过程中的磁泄漏。开关损耗可以通过软件来控制合适的载波频率和合适的死区时间来减小。
耦合损耗是该系统能耗的主要部分，因为磁场传输介质中包括磁导率很低的空气磁路段，造成感应效率较低，在本课题采用高频(10~30kHz)传输磁场和电磁耦合阵列（图2）发送能量。耦合阵列为一系列不同方向的线圈组成，每个线圈通过一个采样电阻，用CPLD检测采样电阻上的电流来反映此线圈的发送功率，并输出控制信号来调整线圈关断，从而使耦合效率达到最高。另一方面，传输效率又取决于初级和次级耦合线圈的耦合因子和各线圈上的阻抗值。图3为一组发射—接收线圈示意图。

2、硬件电路设计
如图4选用AT89C52单片机来控制液晶显示次级线圈功率和初级线圈功率之比（即显示传输效率），用CPLD来控制AD芯片进行采集电流，进行初级线圈电流采集的AD我们选用精度为8位的AD7822（图5），AD7822具有5M的采样数率，能够有效迅速的采集阵列线圈中的各个电流值。采用双口RAM来存储AD7822的采样值并输出给DA芯片，DA芯片我们采用的是DAC7801，该芯片的精度为12位，采用CPLD来控制MOS管的关断从而实现产生SPWM波。图8为接收端的滤波电路原理图。

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图4

图5

图6

图7

图8

3、控制方法与软件设计
3.1CPLD控制设计
CPLD用MAX2系列的EPM240足以进行8位数据的快速采集，设计一个20位的分频器，按需求将输入50M晶振频率分频做定时采集信号，定时器填充数据可调，由单片机做键盘部分和CPLD接口，CPLD采集完一帧数据将存入缓存双口RAM中，待一页数据存满后，既可以将数据读出给单片机进行简单的数字滤波，然后返回控制信号给DA芯片来控制电磁感应阵列的关断,达到最大效率的传输。
单片机主要负责将从双口RAM中读出的数据显示在液晶上，并接受按键的设置，返回控制信号给CPLD，达到辅助控制和建立友好的人机界面。3.2谐振耦合效率分析由图3，谐振耦合电能无线传输的模型可以由方程（1）表示。

(1)为简化分析，将收发回路阻抗分别记为z1、z2，则
由式（1）可求得两回路电流如下:
(2)则发射回路的输入功率pin和接收回路中负载rl上的功率即输出功