非接触式供电系统方案.docx

1、非接触式供电系统方案摘 要 非接触供电是一种能以电气非接触方式，将功率从功率输送机提供到功率接收机的供电系统，其中功率输送组件连接到功率输送机以及功率接收组件连接到功率接收机。功率输送组件具有用于输送功率的多个输送侧线圈以及用于接通/断开输送侧线圈的操作的多个输送侧开关。功率接收组件具有用于接收功率的多个接收侧线圈、用于接通/断开接收侧线圈的操作的多个接收侧开关，另外，具有用于执行控制以便操作在实现最高功率输送效率的组合中的输送侧线圈的任何一个和接收侧线圈的任何一个的判定电路。 非接触供电系统是一种通过非机械接触的方式进行电力和信号输送的技术，主要应用于agv、起重机和ems单轨输送系统中。非

2、接触供电系统的工作原理类似于变压器的初级/次级线圈的变压原理。在变压器中，初级和次级线圈缠绕在一个封闭的磁铁上，cps系统将初级线圈“延伸”为一个很长的回路，而次级线圈则缠绕在一个开放的磁铁上并且围绕着初级线圈，因此可以允许两个线圈互相之间进行移动，并且通过20khz的高频传输频率，使传输性能达到最优化。 关键词：非接触供电 功率放大器 频率振 荡器.AbstractNon-contact electrical power supply is a non-contact method can, will provide power from the power transmission uni

3、t to the power supply system receiver, which is connected to the power transmission power conveyor components and power components connected to the power receiver receives . Power transmission components for the transmission power of a transmission side of the coil as well as for multiple on / off o

4、peration of the transmission side of the coil multiple transmission-side switch. Power component has received more than one receiver for receiving the power side of the coil, used for on / off operation of the receiver side of multiple receiver coil side switch, the other has used to perform control

5、 operations in order to achieve maximum power transfer efficiency combination of any of the delivery side of the coil and the receiving side of a coil to determine any circuit.Non-contact power supply system is a non-mechanical contact by way of power and signal transmission technology, mainly used

6、agv, cranes and monorail transportation system ems. Non-contact power supply system works similar to the transformer primary / secondary coil of the transformer principle. In the transformer, primary and secondary windings wound on the magnet in a closed, cps primary coil system extension for a very

7、 long loop, and the secondary coil is wound in an open magnet and around the primary coil, it can allow moving between the two coils to each other, and high-frequency transmission frequency by 20khz, so that transmission to optimize performance.Keywords: non-contact power supply frequency oscillator

8、 power amplifier1 实验任务及要求1.1 实验任务在不采用专用器件（芯片）的前提下，设计一个非接触供电系统的电路如下图所示，使其实现对小型电器供电或充电等功能。其结构如图1所示。 图1 非接触供电系统结构框图1.2 实验要求用仿真软件对电路进行验证，使其满足以下功能：1) 供电部分输入36V以下的直流电压，具有向多台电器设备非接触供电的 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。1.3 实验结果说明实验报告必须包括仿真模型。2 非接触供电系统背景 非接触式供电系统CPS（Con-tackless Power Support），是指能量通过无线传输

9、，实现从能量源传输到电负载的一个过程。这个过程不是传统的用有线来完成，而是通过无线传输来实现。 电线充斥在我们的生活当中，错综复杂的连接方式，给我们带来很大的不便。长距离的输电线路需要大量的空间和金属。科学家们在寻求一种解决方法，可否利用电磁感应原理，通过非接触式的能量传输以达到供电的目的呢？早在了19世纪30年代迈克尔法拉第就发现，磁场变化后将在电线周围产生电流，这就为非接触式传输电能提供了理论可能。 1913年，既是航海家又是网球选手的法国人罗兰-加洛斯就提出能否从地面为空中飞行器提供动力。 2007年美国麻省理工学院的研究人员在无线传输电力方面取得了新进展，他们用两米外的一个电源，“隔地

10、”点亮了一盏60瓦的灯泡 。 2008年在Intern公司技术峰会上，研究人员声称此项技术可以运用到笔记本电脑上，借此摆脱了电线的束缚。 如果这项技术得以应用，我们的生活将会发生巨大的变化：我们不再需要电线、插座，手机充电比打开蓝牙还要简单，只要你处于一定得区域，手机就一直可以被充电；同样笔记本电脑也不用担心电池没电了。甚至，可能没有电网这个概念，我们不需要电线了。这极大的鼓舞着人们去进行研究无线传输能量的具体方法。3 无线传输原理根据电能传输原理，可将 WPT 技术分为三种：射频或微波 WPT、电磁感应式WPT、电磁共振式WPT，下面分别予以介绍。3.1微波无线能量传输 所谓微波 WPT，就

11、是以微波(频率在300MHz-300GHz之间的电磁波)为载体在自由空间无线传输电磁能量的技术。利用微波源将电能转变为微波，由天线发射，经长距离的传播后再由天线接收，最后经微波整流器等重新转换为电能使用。 微波频率传输所具备的“定向、可穿透电离层”等特性，使得该能量传送方式早在20世纪60年代初期就受到人们的关注，并在远程甚至超距能量传输场合有着重要的应用价值。微波WPT主要用于如微波飞机、卫星太阳能电站等远距输电场合，其中卫星太阳能电站作为人类应对能源危机的有效策略已成为美国、日本等国大力发展的重要航天项目。目前，限制微波 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

12、天线以及大功率微波电磁场的生物安全性和生态环境的影响问题。然而，由于工作频率高、系统效率较低，微波 WPT 并不适合于能量传输距离较短的应用场合。3.2电磁感应式无线传输 电磁感应式WPT是基于电磁感应原理，利用原、副边分离的变压器，在较近距离条件下进行无线电能传输的技术。目前较成熟的无线供电方式均采用该技术，典型的应用包括新西兰国家地热公园的30kW旅客电动运输车、Splash power 公司的无线充电器等。可以看出，无论是小功率的消费类电子产品还是大功率 EV无线供电系统，电磁感应式WPT技术都可有效实现无线供电。然而，电磁感应式WPT仍存在一系列问题：传输距离较短，距离增大时效率急剧下

13、降；传输效率对非接触变压器的原、副边的错位非常敏感等等。3.3 电磁共振式无线能量传输 电磁共振式WPT，是美国MIT Solja i领导的研究小组在2007年提出的突破性技术。他们使用两个固有谐振频率相等的铜线圈(为方便表述，称其为“变压器”)，在共振激励条件下(即激励频率等于线圈的固有谐振频率)，距离2m处，成功点亮了一个60W的灯泡，其中变压器的效率达到了40%。 压器绕组间错位的敏感度减小，长野日本无线公司给出了原、副边绕组相互垂直的实验图片；此外，利用共振模式对激励频率要求的严格性，可通过合理设 置激励频率，向指定电器供电，提高安全性。然而，目前该方向的研究要么过于理论化，要么为实验

14、研究，缺乏对应用、工程设计有定量指导意义的研究成果，但毋庸置疑，电磁共振式 WPT因为能量的高效耦合将成为 WPT 技术的一个重要研究方向。综上所述，与非接触感应式充电技术相比，磁耦合谐振式无线能量传输的传输距离更有优势；与电磁波形式的无线能量传输技术相比，磁耦合谐振式无线能量传输具有无敏感的方向性、无辐射等优点。4 磁耦合谐振式无线能量传输系统4.1能量传输系统的构成能量传输系统包括电源端与负载端两部分。电源端包含导线绕制并与电容并联的线圈(源线圈)，以及为线圈提供电能的高频电源；相隔一段距离的接收端包含另一个导线绕制并与电容并联的线圈(接收线圈)，以及消耗线圈电磁能的负载。4.2耦合谐振系

15、统 导线绕制的线圈可视为电感与电容相连构成谐振体，谐振体包含的能量在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，产生以线圈为中心以空气为传输媒质的时变磁场；与该谐振体相隔一定距离的具有相同谐振频率的谐振体感应磁场，所感应的磁场能同样在电场与磁场之间以其自谐振频率在空间自由振荡，同时两个谐振体之间不断地有磁场能交换，因此产生以两个线圈为中心以空气为媒质的时变磁场。两谐振体电场能与磁场能振荡交换的同时谐振体之间也存在着以相同频率振荡的能量交换，即两谐振体组成耦合谐振系统。4.3 能量传输过程及其遵循的准则与方程源线圈通正弦电流，线圈电感周围产生时变磁场，同时向电容充电；接收线圈感应磁场，线圈电感产

16、生电动势，同时向其电容充电。当正弦电流的频率与线圈的谐振频率相等时，源线圈电流方向改变的同时，交变磁场方向改变，接收线圈感生电动势，接收线圈的电容放电。正弦电流的方向周期性变化，接收线圈的电流被逐渐放大，直到接收线圈的电磁能达到最大。若系统没有负载(包括线圈的寄生电阻)消耗能量，源线圈与接收线圈两侧所包含的能量交替达到最大值(各时刻两线圈包含的能量之和)。若各部系统有负载消耗能量，源线圈将源源不断的向负载线圈传递能量，实现无线能量传输。根据全电流定律，源线圈周围产生磁场应遵循方程：公式2-1式中 J1 源线圈的传导电流密度； Dt/dt 源线圈的位移电流密度；H1 源线圈周围产生磁场。根据电磁

17、感应定律，接收线圈感生电动势应遵循方程：公式2-2式中 E2 接收线圈感应电场强度；B12 源线圈与接收线圈铰链的磁场；0 真空磁导率。 J2 = E 公式2-3公式2-3表示接收线圈中，电场E与电流密度J的关系。 若没有负载消耗能量，应用矢量磁位计算源线圈与负载线圈铰链的电磁能为：W2 = A12J2 dV 公式2-4式中 W2 源线圈与接收线圈振荡交替的磁场能/电场能；A12 源线圈在接收线圈位置产生的矢量磁位。由式2-4得到源线圈与接收线圈之间交替的无功功率为：Q2= dW2/ dt=(A12J2 dV)/ dt=d(i212)/dt 公式2-5 式中 Q2 接收线圈包含的无功功率；12

18、 源线圈与接收线圈的耦合磁链。磁场为单一频率激励源时，功率表达式2-5简化为集中参数形式：Q = jM 公式2-6式中1 源线圈激励的磁场变化角频率；i1,2 分别为源、接收线圈的电流；线圈的磁场作用可看作是两线圈之间的互感抗。构成耦合谐振系统的分参数包括：线圈自感、互感、谐振电容、线圈电阻，以及消耗电能的负载电阻。5 非接触供电系统方案设计 无线供电系统由电源电路、高频振荡电路、高频功率放大电路、发射、接收线圈和高频整流滤波电路五部分组成。非接触供电系统框架如下图1所示，最后给可充电电池充电。从无线电路传输的原理上看，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播，要产生电磁波首

19、先要有电磁振荡，电磁波的频率越高其向空间辐射能力的强度就越大，电磁振荡的频率至少要高于100KHZ，才有足够的电磁辐射。图2 非接触供电系统框图非接触供电系统由电源电路、高频振荡电路、高频功率放大电路、发射、接收线圈和高频整流滤波电路5 部分组成，最后给可充电电池充电。从无线电路传输的原理上看，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播，要产生电磁波首先要有电磁振荡，电磁波的频率越高其向空间辐射能力的强度就越大，电磁振荡的频率至少要高于100KHZ，才有足够的电磁辐射。5.1 高频振荡电路设计 振荡电流是一种交变电流，是一种频率很高的交变电流，它无法用线圈在磁场中转动产生，只能

20、是由振荡电路产生。 振荡电路有以下两个个过程：充电过程：电场能在增加，磁场能在减小，回路中电流在减小，电容器上电量在增加。从能量看：磁场能在向电场能转化。 放电过程：电场能在减少，磁场能在增加，回路中电流在增加，电容器上的电量在减少。从能量看：电场能在向磁场能转化。 在正弦波振荡器中，主要有LC振荡电路、石英晶体振荡电路和RC振荡电路等几种。RC振荡电路由于工作频率较低，频率稳定度不高，故不予考虑。下面着重比较LC振荡电路、石英晶体振荡电路两种方案。 方案一：采用LC谐振回路产生所需的频率。优点是可以产生任意所需载波，缺点是频率稳定度比较低，如图3所示。 方案二：采用有源晶振。有源晶振只要加上

21、电源就可以产生频率稳定的载波。优点是电路简单，频率稳定。缺点就是不能产生任意频率的载波，如图4所示。图3 LC谐振振荡回路图4 有源晶振振荡电路方案论证：本设计对频率没有具体要求，而且无需产生多个频率，所以采用方案二。而且具有电路简单，频率稳定的优点。 晶振是晶体振荡器的简称。它用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定围调整频率，称为压控振荡器（VCO）。 晶振在数字电路的基本作用是提供一个时序控制的标准时刻。数字电路的工作是根据电路设计，在某个时

22、刻专门完成特定的任务，如果没有一个时序控制的标准时刻，整个数字电路就会成为“聋子”，不知道什么时刻该做什么事情了。晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各 部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低 的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率围，晶振等效为一个电感，所以只要晶 振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联

23、谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率围很窄， 所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。晶振是为电路提供频率基准的元器件，通常分成有源晶振和无源晶振两个大类。5.2 功率放大器设计利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电

24、流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。高频功率放大器用于发射级的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域的接收级可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。这几项指标要互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路

25、，防止干扰是主要矛盾，对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。 功率放大器可分为A类放大器、B类放大器、AB类放大器、D类放大器及T类放大器等五大类。 A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性围，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，

26、功率的理论最大值仅有25%，且有较大的非线性失真。由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用。 B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波(如图虚线部分所示)，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域，故其缺点是交越失真较大。即当信号在-0.6V 0.6V之间时， Q1 Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。 AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交

27、越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。 D类放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点：1 具有很高的效率，通常能够达到85%以上。 2 体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。 3 无裂噪声接通。4 低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。 T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当。它和普通

28、D类功率放大器不同的是：1、它不是使用脉冲调宽的方法，2、它的功率晶体管的切换频率不是固定的，无用分量的功率谱并不是集中在载频两侧狭窄的频带，而是散布在很宽的频带上, 3、T类功率放大器的动态围更宽，频率响应平坦。 方案一，采用集成芯片。现有许多高频大功率的集成放大器(如AD815)可以用来设计高频功放。集成功放具有稳定度高，需要调整的参数少的特点，缺点是效率较低（集成功放一般采用线性放大），不满足系统对功耗及传输距离的要求。 方案二，采用分立元件的功率放大器。采用分立元件的高频电路受分布参数影响大，而且不易调整，但其电路结构比较灵活，对应于不同要求的信号，可以设计不同结构的放大器以获得最大的

29、效率，而且输出功率可以设计的较大，价格也相对低廉。采用功放管，前级的缓冲级，一是控制能量发射模块的增益，二是给提供足够的驱动功率。方案论证：本题目要求不能采用专用芯片和模块。能量发射模块功率上限为5W，需要较大功率的功放管，故选用方案二。图5 采用分立元件的功率放大器5.3 AC/DC电路方案 AC/DC（Alternating Current/Direct Current）其作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。

30、整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流。半波整流电路最为简单，但是性能较全波整流和桥式整流不好。桥式整流电路与全波整流电路相比，前者电源变压器五中心抽头，结构简单，且伏安容量小。由此可大致得到以下三种滤波整流电路方案。 方案一：采用半波整流滤波电路。半波整流电路是一种最简单的整流电路。它由电源变压器B 、整流二极管D 和负载电阻RL ，组成。变压器把市电电压（多为220伏）变换为所需要的交变电压e2，D 再把交流电变换为脉动直流电。如图6所示。 方案二：采用全波整流电路。全波整流电路，可以看作是由两个半波整流电路组合成的。变压器次级线圈中间需要引出一个抽头，把次组线圈分成两个对称的绕组，从而引

31、出大小相等但极性相反的两个电压e2a 、e2b ，构成e2a 、D1、RL与e2b 、D2、RL ，两个通电回路。如图7所示。图6 半波整流滤波电路 图7 全波整流滤波电路 方案三：桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成“桥”式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。如图6所示。桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，D1，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、D1、RL 、D3通电回路，在RL ，上形成上正下负的半波整洗电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4

32、导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz 、D4通电回路，同样在RL 上形成上正下负的另外半波的整流电压。 图8 桥式整流电路方案论证：半波整流电路最为简单，但是性能较全波整流和桥式整流不好。桥式整流电路与全波整流电路相比，前者电源变压器五中心抽头，结构简单，且伏安容量小。综此比较，整流电路选择桥式整流电路。5.4 耦合线圈 磁耦合谐振式无线能量传输是以时变磁场为媒介，当外加激励源的频率与系统的谐振频率相等时，谐振体耦合谐振实现能量传递达到最好状态。因此，两谐振体谐振频率相同，是实现系统耦合谐振的前提。 耦合模理论，不计损耗情况下，具有相同谐振频率的谐振体之间可实现能量的完全交换；当 时，即耦合能力远大于自身损耗的情况下，具有