Multisim仿真无线电能传输项目设计.docx

1、Multisim仿真无线电能传输项目设计无线电能传输项目设计预备知识(一)项目设计的目的：(1)在实践中对现代电工技术的理论知识做进一步巩固;(2)锻炼对综合运用能力。(二)实验内容和要求: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。原理电 路如下图所示，实现对小型电器供电或充电等功能。(三)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%最大输出功率5W(3)设计报告必须包括建模仿真结果(4)利用 multisim 生成 PCB板无线电能传输技术（一）无

2、线能量传输技术介绍根据电能传输原理，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。1微波无线能量传输所谓微波WPT就是以微波（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

3、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。2电磁感应式无线能量传输电磁感应式 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 powe

4、r 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

5、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。（二） 磁耦合谐振式无线能量传输系统

6、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。2能量传输系统的工作原理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

7、生以两个线圈为中心 以空气为媒质的时变磁场。两谐振体内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。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1非接触供电系统框图（一）高频振荡电路设计1设计方

8、案波,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 缺点是频率稳定度比较低（见图 2）。波。3）。方案二：采用有源晶振。有源晶振只要加上电源就可以产生频率稳定的载 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（见图方案论证：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，频率稳定的有点。（b）拾取井联调谐图2 LC谐振回路图3晶振电路2晶振电路的工作原理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。咼级

9、的精度更咼。有些晶振还可以由 外加电压在一定范围内调整频率，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

10、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，在这个极窄的频率范围内，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范围很窄， 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。3晶体振荡器仿真图4晶体振荡器仿真经过大概测算，晶体振荡器在输出频率

11、在左右，电路图达到预期目的。（二）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B倍，B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，则集电极流过的电流会等于基极电 流的B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B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。1功率放大器原理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

12、天线将其辐射到空间，保证在一定区域 内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 几项指标要求是互相矛盾的，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，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

13、，即晶体管工作延伸到非线性区域。2功率放大器分类功率放大器可分为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内均导通。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范围内，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，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

14、周期内，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 域内，故其缺点是交越失真较大。即当信号在之间时，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P

15、W或PDM勺脉冲信号去控 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 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内，而是 散布在很宽的频带上，3、T类功率放

16、大器的动态范围更宽，频率响应平坦。3设计方案方案一，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。本题目要求不能采用专用芯片和

17、模块。能量发射模块功率上限为 5W需要 较大功率的功放管，故选用方案二4功率放大器电路图图5功率放大器原理电路图5功率放大器仿真ti ggTime119-397 lisChanneljA18,393VChannel12 sa119.397 US13.393 VT2-TIO.QOCsD.OOC VChannel AChannel BOscilloscope -XSC1UiScale; hMiv 自込回 1C V/bivScale： W 阪Edge：S3.irA：-X poSr(Div): 0Y pos.fDiv): 0V pOL(Piv0； 0Level;0 v函画鉅函lAcjLJld迢亘国Ty

18、peSng. | f-Jor, 4uto NonEExt, triggerTimebase图6功率放大器仿真（三）整流电路设计图8桥式整流电路2设计方案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，桥式整流电路图见图 8。3整流电路仿真r inhl图10整流前后对比（四）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

19、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K T时，即耦合能力远大于自身损耗的情况下，具有相 同谐振频率的谐振体之间“强耦合”作用，可实现无线能量传输。耦合系数体现了谐振体之间的耦合能力，对实现无线能量传输起到至关重 要的作用。损耗系数在能量传输系统中的作用丝毫不逊于耦合系数，二者共同 决定了系统的耦合程度。系统中损耗功率增加，则通过磁场从一端耦合到另一 端的功率所占比重减小，因此，损耗系数的减小与耦合系数的增加均可以增大 系统的耦合程度。1线圈电感从几何形状看，线圈的种类繁多，如圆形线圈、方形线圈、环形线圈等。 相对于其他几何形状的线圈，圆柱线圈具有的最大

20、优势在于：每单位体积绕线 所产生的磁场最大。对于采用密绕的圆柱单层螺旋线圈，导线采用电导率较大的铜芯漆包线， 以减小线圈自身电阻。根据传输距离、功率的不同要求，采用不同尺寸的线 圈。密绕环形电感线圈的电感可由下式计算：Z = 7V?rbi()-1.752线圈互感磁耦合谐振式无线能量传输是多方位的能量传输，谐振体(谐振线圈)之间 没有严格的方向对应关系，又线圈互感与线圈的尺寸、方位有关。同轴平行的线圈之间的互感 图9中线圈模型的互感计算：式中N1,2 分别为线圈1,2的匝数；r1,2 分别为线圈1,2的半 径；d 两线圈两轴线中心距离。M二牛宀pr 人）2（匚 + d yp图11同轴平行的线圈模

21、型3传输系统的最佳频率范围两个谐振线圈的尺寸完全相同，谐振电容相等，且谐振线圈在同轴线上“强耦合”关系式：t R1L R 弧（r-+/）Jl1 2式中 卩0 真空磁导率，卩0=4nX 10-7 取铜导线的电导率c铜=X 107S/m。中距离的无线能量传输，线圈半径r与传输距离d是同一数量级的，线 圈导线线径D为是10-3m数量级。因此，若要“强耦合” （k t ）关系式成立，则系统的谐振频率f至少为106Hz上下。另一方面，磁耦合谐振无线能 量传输系统是以时变磁场为传输媒介，不向外辐射电磁能，所以电磁波长远大 于传输距离（入d）。中距离无线能量传输的距离传输范围大体为几十厘米到几 米，因此能量

22、传输系统典型频率 f范围为25MHz最好。四方案实现与测试根据上章原理，运用multisim仿真实现方案的设计（一）系统整体电路图12非接触供电系统电路原理总图（二）系统各部分电路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五部分组成。 a L d EIJGI. BdlildB b E I. 4 li 4 Hi I. S I.w咼频振荡电路-1 3B p SBTme l.OOJins 1.007 ms 0.000sOharnel_A -LlSBnV l.lfiSnV0.000 VChannel_ETimebaseChannel AChannel

23、BScale： lcisrvScale: 2 gwScale： 5 V/DivSpcK.(piv)r 0Y pos.W）： 叵叵邑 ：Y pos.(Div: 0阿亍叵-nTragerEdge： fiBrVlLeviel; q vT/peSing” Nor.，俎ito. tone图14晶体振荡器仿真图15高频功率放大电路图16功率放大器仿真图17高频整流滤波电路OsdJlocape图18整流前后对比图19接收电路(三)仿真结果(1)最大输出功率5WV/a ttmet e r-X W M1Po曰-factor:XWM1:J :4H、 * a * 18 B 81?牛 p） 10.678 W0738Curr 亡 nt/I tag 已图20输出最大功率大于5W符合实验要求。(2)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:图21以2V左右的直流电压，向两个LED灯非接触供电，符合要求。(3)在输出功率1W勺条件下，转换效率15%由上可知输出功率大于1W此时的转换效率约为38%15%符合要求。（四）实物图24图25