非接触式供电系统.docx

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非接触式供电系统

非接触式供电系统

武汉科技大学“学科基础课程群设计”报告

条目

摘要........................................................摘要..........................................................二1实验任务和要领探索.............................................1

|The.............................................11.2实验要求.............................................11.3实验结果解释.................背景.............................12非接触供电系统..........................................23无线传输原理............................................................3

3.1微波无线能量传输...................................33.2电磁感应无线传输...........................................33.3电磁共振无线能量传输......................................44磁耦合谐振无线能量传输系统................................5

4.1能量传输系统的组成...........................................54.2耦合谐振系统..........................................54.3能量传输过程及其原理和方程.........的方案设计...................55非接触供电系统...................................6

5.1高频振荡器电路设计...................................7

5.1.1设计方案.............................................75.1.2晶体振荡器电路的原理.............................95.2功率放大器设计............................................9

5.2.1功率放大器原理................................105.2.2功率放大器的分类................................105.2.3设计方案......................................115.2.4功率放大器电路图..............................125.3交流/DC电路方案.............................................125.4耦合线圈................................................13

5.4.1线圈电感.............................................14

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5.4.2线圈互感的最佳频率范围.............................................145.4.3..............................155.5电路总图和单元电路......................的实现和测试................156计划................................................17

6.1DC电源................................................176.2高频晶体振荡器电路...........................................176.3高频功率放大器..............................................186.4桥式整流器电路.............................................196.5实现无接触供电................................根据19

6.6的实验结果和解释，迈克尔·法拉第在XXXX年发现了.............................................磁场改变后，电线周围会产生电流，这为电能的无接触传输提供了理论上的可能性。

1913年，法国航海家和网球运动员罗兰·伽罗斯（RolandGalos）问自己是否能从地面为飞行器提供动力。

在

年的XXXX，麻省理工学院的研究人员在无线电力传输方面取得了新的进展。

他们用两米外的电源“穿过地面”点亮一个60瓦的灯泡在

XXXX，在实习生技术峰会上，研究人员声称该技术可以应用于笔记本电脑，从而打破了电线的束缚。

如果这项技术得到应用，我们的生活将会发生巨大的变化:

我们不再需要电线和插座，手机充电比打开蓝牙更简单。

只要你在某个区域，手机就可以一直充电。

同样，笔记本电脑也不必担心电池没电。

甚至，可能没有电网的概念，我们不再需要电线了。

这极大地鼓励人们研究无线能量传输的具体方法。

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3无线传输原理

根据电能传输原理，WPT技术可分为三种类型:

射频或微波WPT、电磁感应型WPT、电磁谐振型WPT，分别介绍如下

3.1微波无线能量传输

所谓的微波WPT是一种使用微波（频率在300兆赫和300千兆赫之间的电磁波）作为载波在自由空间无线传输电磁能量的技术微波源用于将电能转换成微波，微波由天线发射，经长距离传播后由天线接收，最后通过微波整流器等再次转换成电能使用。

微波频率传输的“方向性和可穿透的电离层”等特点，使得这种能量传输方式早在XXXX早期就引起了人们的关注，并在远距离甚至超远距离的能量传输场合具有重要的应用价值。

微波WPT主要用于微波飞机、卫星太阳能电站等远距离传输场合，其中卫星太阳能电站已成为美、日等国大力发展的重要空间项目，是人类应对能源危机的有效战略。

目前，制约微波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、大功率微波天线和大功率微波电磁场的生物安全性以及对生态环境的影响。

然而，由于高工作频率和低系统效率，微波WPT不适合能量传输距离短的应用。

3.2电磁感应无线传输

电磁感应WPT是一种基于电磁感应原理的技术，利用一次侧和二次侧分开的变压器在相对较短的距离内进行无线电力传输目前，比较成熟的无线供电方式都采用这种技术。

典型应用包括新西兰国家地热公园的30kW电动客运车辆和Splashpower公司的无线充电器。

可见，电磁感应WPT技术可以有效实现低功耗消费电子产品和大功率电动汽车无线供电系统的无线供电。

但是，电磁感应WPT仍然存在一系列问题:

传输距离短，效率随着距离的增加而急剧下降；传输效率对非接触式变压器的一次侧和二次侧的错位非常敏感

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3.3电磁谐振无线能量传输

电磁谐振WPT是由XXXX麻省理工学院索利亚一中领导的研究团队提出的一项突破性技术他们使用两个具有相同固有谐振频率的铜线圈（为了描述方便，称为“变压器”）。

在谐振激励条件下（即激励频率等于线圈的固有谐振频率），60W灯泡在2m距离处成功点亮，变压器效率达到40%降低了

电压互感器绕组之间位错的敏感性。

长野日本无线公司提供了一次和二次绕组相互垂直的实验图片

。

此外，通过利用谐振模式对激励频率要求的严格性，可以通过合理地设置激励频率向指定的电器供电，从而提高安全性。

然而，目前这方面的研究要么过于理论化，要么过于实验化，缺乏对应用和工程设计具有定量指导意义的研究成果。

然而，由于能量的有效耦合，电磁共振WPT无疑将成为WPT技术的一个重要研究方向。

综上所述，与非接触感应充电技术相比，磁耦合谐振无线能量传输在传输距离上更具优势。

与电磁波形式的无线能量传输技术相比，磁耦合共振无线能量传输具有非敏感方向性、非辐射性等优点。

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4磁耦合谐振无线能量传输系统

4.1能量传输系统组成

能量传输系统包括电源端和负载端两部分电源端子包括由导线缠绕并与电容器并联的线圈（源线圈），以及用于向线圈提供电能的高频电源；相隔一定距离的接收端包括由另一根导线缠绕并与电容器并联的线圈（接收线圈）和消耗线圈电磁能量的负载

4.2耦合谐振系统的

线缠绕的线圈可以看作是由电感和电容连接而成的谐振体。

谐振体中包含的能量在空间中自由振荡，其自谐振频率在电场和磁场之间，产生以线圈为中心、空气为传输介质的时变磁场。

与谐振体相隔一定距离的具有相同谐振频率的谐振体感应出磁场，感应出的磁场也可以以其自谐振频率在电场和磁场之间的空间自由振荡，同时磁场能量在两个谐振体之间不断交换，从而产生以两个线圈为中心、空气为介质的时变磁场

共振体中的电场能量和磁场能量振荡交换，同时共振体之间也存在以相同频率振荡的能量交换，即两个共振体形成耦合共振系统。

4.3的能量传输过程及其遵循的原理和方程

的源线圈被提供正弦电流，该电流在线圈电感周围产生随时间变化的磁场并对电容器充电。

线圈电感接收线圈感应磁场，产生电动势，同时给电容器充电当正弦电流的频率等于线圈的谐振频率时，源线圈电流的方向改变，而交变磁场的方向改变，接收线圈感应电动势，并且接收线圈的电容放电正弦电流的方向周期性变化，接收线圈的电流逐渐放大，直到接收线圈的电磁能量达到最大。

如果系统没有负载（包括线圈的寄生电阻）并消耗能量，源线圈和接收线圈两侧包含的能量交替达到最大值（两个线圈在每个时刻包含的能量之和）

如果每个系统都有消耗能量的负载，源线圈将不断向负载线圈传输能量，实现无线能量传输

根据全电流定律，源线圈周围产生的磁场应遵循以下公式:

公式2-1

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J1-武汉理工大学

报告“学科基础课程群设计”中源线圈的传导电流密度；源线圈的位移电流密度；源线圈周围产生的H1磁场根据电磁感应定律，接收线圈感应的电动势应遵循以下方程:

方程2-2

方程E2-接收线圈感应的电场强度；B12——源线圈和接收线圈之间铰链的磁场；μ0-真空渗透性

J2=γE等式2-3等式2-3表示接收线圈中电场E和电流密度j之间的关系

如果没有负载消耗能量，源线圈和负载线圈之间铰链的电磁能量通过使用矢量磁势来计算:

W2=∫A12？

在J2公式2-4中，W2——是源线圈和接收线圈交替振荡的磁场能量/电场能量；源线圈在接收线圈位置产生的A12矢量磁势

源线圈和接收线圈之间的交流无功功率由公式2-4得出，如下所示:

Q2=dW2/dt=（∫A12？

J2dV）/dt=d（i2？

ψ12）/dt公式Q2——在公式2-5中——接收线圈中包含的无功功率；源线圈和接收线圈的ψ12耦合磁通链当磁场是单频激励源时，功率表达式2-5简化为集中参数形式:

Q=j？

？

M

？

公式2-6中的ω1

-源线圈激励的磁场角频率变化；I1，2-源线圈和接收线圈的电流；线圈的磁场效应可以看作是两个线圈之间的互感。

耦合谐振系统的子参数包括线圈自感、互感、谐振电容、线圈电阻和消耗电能的负载电阻。

5非接触供电系统方案设计

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无线供电系统由供电电路、高频振荡电路、高频功率放大电路、发射和接收线圈以及高频整流滤波电路五部分组成下面的图1示出了非接触供电系统的框架。

最后，可充电电池被充电根据无线电传输原理，电能和磁能以电磁波的形式在电场和磁场的周期性变化中传播到空间。

要产生电磁波，首先需要电磁振荡。

电磁波的频率越高，它们向太空辐射的能力就越强。

只有当电磁振荡频率至少高于100千赫兹时，才能有足够的电磁辐射。

图2非接触供电系统框图

非接触供电系统由供电电路、高频振荡电路、高频功率放大电路、发射和接收线圈以及高频整流滤波电路组成。

最后，充电电池充电根据无线电传输原理，电能和磁能以电磁波的形式在电场和磁场的周期性变化中传播到空间。

要产生电磁波，首先需要电磁振荡。

电磁波的频率越高，它们向太空辐射的能力就越强。

只有当电磁振荡频率至少高于100千赫兹时，才能有足够的电磁辐射。

5.1高频振荡电路的设计

5.1.1设计方案

振荡电流是一种非常高频率的交流电。

它不能通过在磁场中旋转线圈产生，而只能通过振荡电路产生振荡电路有以下两个过程:

充电过程:

电场能量增加，磁场能量减少，电路中的电流减少，电容器上的电量增加从能量的角度来看:

磁场能量正在转化为电场能量

放电过程:

电场能量减少，磁场能量增加，回路电流增加，电容器电量减少从能量的角度来看:

电场能量正在转化为磁场能量

在正弦波振荡器中，主要有液晶振荡器电路、应时晶体振荡器电路和RC振荡器电路

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等等RC振荡器电路由于其低工作频率和低频率稳定性而未被考虑。

下面重点比较液晶振荡器电路和应时晶体振荡器电路

选项1:

采用液晶谐振电路产生所需频率优点是可以产生任何所需的载波，缺点是频率稳定性相对较低，如图3所示。

选项2:

采用有源晶体振荡器有源晶体振荡器只需增加电源就能产生频率稳定的载波。

其优点是电路简单，频率稳定。

缺点是不能产生任何频率的载波，如图4所示。

图3LC谐振回路

图4有源晶体振荡器

方案演示:

本设计对频率没有具体要求，不需要产生多个频率，因此采用方案2而且电路简单，频率稳定。

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5.1.2晶体振荡器电路原理

晶体振荡器是晶体振荡器的简称它使用一种能将电能和机械能相互转换的晶体，在共振状态下工作，提供稳定而精确的单频振荡。

在正常工作条件下，普通晶体振荡器频率的绝对精度可以达到百万分之五十。

高级精度更高一些晶体振荡器也可以通过施加电压在一定范围内调节频率，这被称为压控振荡器数字电路中

晶体振荡器的基本功能是提供一个标准的定时控制力矩。

数字电路的工作是根据电路设计在某一时刻完成特定的任务。

如果没有标准的定时控制时刻，整个数字电路将变得“聋”，并且不知道在任何时刻做什么。

晶体振荡器的功能是为系统提供基本的时钟信号。

通常，一个系统共享一个晶体振荡器，这便于保持所有部分同步。

一些通信系统的基频和射频使用不同的晶体振荡器，而电子频率调节则用于保持同步。

晶体振荡器可以在电学上等效于一个两端网络，其中电容器和电阻器并联，电容器串联。

电子方面，该网络有两个谐振点，低频为串联谐振，高频为并联谐振由于晶体自身的特性，两个频率之间的距离相当近。

在这个极窄的频率范围内，晶体振荡器相当于一个电感，因此只要晶体振荡器的两端与适当的电容并联，就会形成一个并联谐振电路。

该并联谐振电路可以被添加到负反馈电路，以形成正弦波振荡器电路。

由于等效于电感的晶体振荡器的频率范围很窄，即使其他元件的参数变化很大，该振荡器的频率也不会变化很大。

晶体振荡器有一个重要参数，即负载电容值。

通过选择等于负载电容值的并联电容器，可以获得晶体振荡器的标称谐振频率晶体振荡器是为电路提供频率参考的元件。

它们通常分为两类:

有源晶体振荡器和无源晶体振荡器

5.2功率放大器设计

利用三极管的电流控制功能或场效应管的电压控制功能，将电源转换为根据输入信号变化的电流因为声音是振幅和频率不同的波，即交流信号电流，所以三极管的集电极电流总是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大系数。

此时，如果一个小信号注入基极，流经集电极的电流将等于基极电流的β倍，然后信号将被一个阻塞电容隔离。

得到

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信号，比原β值大256倍。

这种现象成为三极管的放大效应。

恒流放大后，功率放大完成。

5.2.1功率放大器的原理

高频功率放大器用于发射级的最后一级。

其功能是放大高频调制波信号以满足发射功率的要求，然后通过天线将其辐射到空间，以确保某个区域的接收级能够接收到令人满意的信号电平，而不干扰相邻信道的通信。

高频功率放大器是通信系统中发射机的重要组成部分。

高频功率放大器的主要技术指标包括:

输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制（或信号失真）等。

这些指标的要求是矛盾的。

设计放大器时，应根据具体要求突出一些指标，考虑其他指标。

例如，在实际的一些电路中，抗干扰是主要矛盾，这需要更高的谐波抑制和更低的带宽要求。

功率放大器的效率是一个突出的问题。

其效率与放大器的工作状态直接相关。

放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类为了提高放大器的工作效率，它通常工作在B类和C类，即晶体管工作延伸到非线性区域

5.2.2功率放大器的分类

功率放大器可分为五类:

a类放大器、b类放大器、AB类放大器、d类放大器和t类放大器

A放大器的主要特点是放大器的工作点q设置在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内导通。

放大器可以在单管或推挽模式下工作。

由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，瞬态失真和交变失真很小。

电路简单，调试方便。

但是，效率低，晶体管功耗大，理论最大功率只有25%，并且存在很大的非线性失真。

因为效率相对较低，目前的设计基本上不再使用。

乙类放大器的主要特点是放大器的静态点在（VCC，0）。

当没有信号输入时，输出几乎不消耗功率。

在V1的正半周期，Q1接通，Q2关断，输出正半周期正弦波。

同样，当Vi为负半波正弦波时（如虚线所示），必须使用两个管进行推挽操作。

它的特点是高效率（78%），但由于放大器在一段时间内工作在非线性区域，它的缺点是交叉失真大。

也就是说，当信号在-0.6v和0.6v之间时，Q1·Q2不能接通因此，这些放大器逐渐被设计者拒绝。

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AB类放大器的主要特点是晶体管的导通时间略长于半个周期，必须使用两个推挽管工作。

可以避免交叉失真交变失真很大，甚至可以抵消谐波失真。

晶体管的高效率和低功耗。

D类放大器是一种音频功率放大器，它将输入的模拟音频信号或脉冲编码调制数字信息转换成脉冲宽度调制（脉宽调制）或脉冲密度调制（脉冲密度调制）脉冲信号，然后使用脉冲宽度调制或脉冲密度调制脉冲信号来控制大功率开关器件（也称为开关放大器）的开/关。

它具有高效的突出优势:

1。

它有很高的效率，通常达到85%以上2.体积小，比模拟放大电路能节省很多空间3.无裂纹噪音

4。

低失真，良好的频率响应曲线外围组件少，便于设计和调试。

T类功率放大器的功率输出电路与脉宽调制D类功率放大器相同，功率晶体管也工作在开关状态，其效率相当于D类功率放大器。

它与普通d类功率放大器的不同之处在于:

1.它不使用脉宽调制方法；2.其功率晶体管的开关频率不固定，无用元件的功率谱不集中在载波频率两侧的窄频带内，而是分散在一个较宽的频带内；3.t类功率放大器具有更宽的动态范围和平坦的频率响应

5.2.3设计方案

方案1采用集成芯片许多现有的高频和高功率集成放大器（如AD815）可用于设计高频功率放大器。

该集成功率放大器具有稳定性高、需要调整的参数少的特点。

其缺点是效率低（集成功率放大器一般采用线性放大），不符合系统对功耗和传输距离的要求。

方案2:

使用分立元件的功率放大器使用分立元件的高频电路受分布参数影响很大，不易调整，但其电路结构相对灵活，对应不同要求的信号，可以设计不同结构的放大器以获得最大效率，输出功率可以设计得更大，价格相对较低。

功率放大器管和前级的缓冲级用于控制能量发射模块的增益并提供足够的驱动功率。

方案演示:

本主题要求不能使用特殊的芯片和模块。

能量发射模块的功率上限是5W，这需要更高的功率放大管。

因此，选择了选项2。

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5.2.4功率放大器电路图

图5采用分立元件功率放大器

5.3交流/DC电路方案

交流/DC（交流这是交流电的整流过程。

整流电路主要由整流二极管组成潮流方向可以是双向的，从电源到负载的潮流称为“整流”，从负载到电源的潮流称为“主动逆变”

整流器电路有半波整流器、全波整流器、桥式整流器半波整流电路是最简单的，但它的性能比全波整流和桥式整流差。

与全波整流电路相比，桥式整流电路具有电力变压器的五个中心抽头，结构简单，伏安容量小。

因此，可以大致获得以下三种滤波器整流电路方案

选项1:

采用半波整流滤波电路半波整流电路是最简单的整流电路它由电源变压器B、整流二极管D和负载电阻RL组成变压器转换市电电压（主要是

武汉理工大学“课题基础课分组课程设计”报告

课程设计作业

学生姓名:

专业课:

教师:

艾工作单位:

信息工程学院课题:

非接触供电系统初始条件:

1，使用PROTEL等软件进行硬件设计；

2、使用EWB、MULTISIM、MATLAB等软件进行仿真设计

要求完成的主要任务:

（包括课程设计的工作量及其技术要求，以及手工编写等具体要求）在不使用特殊设备（芯片）的前提下，设计一个非接触供电系统电路，使其能够实现小型电器的供电或充电等功能。

使用仿真软件对电路进行验证，使其满足以下功能:

（1）电源部分输入低于36V的DC电压，并具有对多个电气设备进行非接触供电的功能；

（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课程表，理论讲解，教师布置的课程设计题目，学生根据题目寻找材料；2.课程设计时间为2周:

（1）确定技术方案和电路，并进行2天的分析计算；

（2）模拟设计和分析，时间6天；

（3）总结结果，并在两天内写一份课程设计报告

讲师签名:

系主任（或负责老师）日期:

年份