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【工程師6】+實(shí)踐類+低功率無線電能傳輸裝置設(shè)計(jì)與研究

電能的產(chǎn)生與應(yīng)用無疑為整個(gè)人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程提供了強(qiáng)大的推動(dòng)力。隨著19世紀(jì)工業(yè)革命期間發(fā)電機(jī)的問世,各種各樣的電器相繼進(jìn)入人們的生產(chǎn)生活。隨著電器設(shè)備在人們?nèi)粘I钜约肮I(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用,電能已儼然成為了人類社會(huì)賴以生存所必須的能源。步入現(xiàn)代社會(huì)中,無論是工業(yè)生產(chǎn)中的各種機(jī)電設(shè)備、航空航天應(yīng)用中的各種精密儀器還是交通運(yùn)輸領(lǐng)域的新能源汽車,電能都首當(dāng)其沖,成為了不可被其它能源所替代的角色。自從電能被應(yīng)用以來,其一直是采用輸電線路的方式在供電電源和用電負(fù)載之間進(jìn)行傳送。然而,科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步也讓我們意識(shí)到了傳統(tǒng)有線供電方式所存在的不足,進(jìn)而使得有線供電方式在實(shí)際應(yīng)用中所存在的各種缺陷逐漸顯露出來,例如:

傳統(tǒng)的導(dǎo)線式供電線路存在絕緣老化、線路表皮破損以及線路之間相互摩擦等情況,這就使得輸電線路之間存在短路、摩擦產(chǎn)生電火花以及絕緣表皮破損產(chǎn)生放電等現(xiàn)象。這些可能出現(xiàn)在輸電線路上的情況倘若發(fā)生,那么必將給人類帶來嚴(yán)重的甚至不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。然而這些潛在的安全隱患并不能在輸電線路上被完全杜絕。

在某些特定的應(yīng)用場合,如煤礦井下、水中作業(yè)和油田開采等,特殊的工作環(huán)境如腐蝕、浸泡等會(huì)給傳統(tǒng)的輸電線路帶來非常大的影響。且這些特殊的工作環(huán)境嚴(yán)禁一切漏電、電火花和靜電的產(chǎn)生。因此,這些特定的應(yīng)用場合對(duì)輸電線路具有非常高的要求,倘若不慎發(fā)生漏電、放電等現(xiàn)象,那么在某些防范措施不及時(shí)的情況下就會(huì)造成非常嚴(yán)重倒塌等事故。

隨著科技的發(fā)展,現(xiàn)今社會(huì)的很多智能電子產(chǎn)品越來越趨向于簡捷化方向發(fā)展。然而,在給電子產(chǎn)品充電時(shí),復(fù)雜紛繁的充電線路排布會(huì)給人們的生活帶來了極大的不便,由于充電問題導(dǎo)致產(chǎn)品的續(xù)航能力不足將極大的限制各種智能電子產(chǎn)品的靈活應(yīng)用。此外,市場上各種品牌、型號(hào)的電子產(chǎn)品具有不同的充電標(biāo)準(zhǔn)和充電插頭,這也將為人們的出行帶來不便。在某種程度上來說,這種由于電子產(chǎn)品充電不便所引發(fā)的問題實(shí)質(zhì)上也是一種嚴(yán)重的資源浪費(fèi)現(xiàn)象。

在當(dāng)前石油資源短缺、溫室效應(yīng)成為人們不可忽視的情形時(shí),以電為驅(qū)動(dòng)力的汽車進(jìn)入人們的眼球。然而,制約電動(dòng)汽車投入廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題并沒有解決。即如何實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池的安全、快速、高效充電。目前,為了普及推廣電動(dòng)汽車的使用,普遍采用的方法是建造基于導(dǎo)線式充電的供電樁。但采用導(dǎo)線供電方式的充電樁,在使用過程中同樣面臨著輸電線路老化、漏電等問題。

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qmx1998
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2019-09-05 23:51
設(shè)計(jì)主要用到的是磁共振式電磁感應(yīng)線圈,
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2019-09-05 23:51
@qmx1998
設(shè)計(jì)主要用到的是磁共振式電磁感應(yīng)線圈,

無線供電工作原理無線供電工作原理

我們有一句十分熟悉的話:電生磁,磁生電,這就是本次設(shè)計(jì)的核心原理。各種場合的變壓器都是基于這一原理工作的,它通過交變磁場把電源輸出的能量傳送到負(fù)載。生活中各處我們都能看見變壓器,雖然制作它的材料可能并不相同,但很明顯的就是這種設(shè)備是一整塊的,分開后將一無是處。

此次的設(shè)計(jì)就改變了我們之前的認(rèn)識(shí),這個(gè)變壓器分成了兩塊,并且可以進(jìn)行能量的傳輸,表現(xiàn)形式不同,但他與傳統(tǒng)意義上的變壓器原理是相似的,本質(zhì)上都是電和磁之間的轉(zhuǎn)換。正如這個(gè)模型一樣,他的兩邊之間有很大的空隙,這中間存在很大的漏磁,造成的后果就是能量的損耗。兩個(gè)邊即能量發(fā)送端和能量接收端之間的空隙越大,產(chǎn)生的漏磁越大。

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qmx1998
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2019-09-05 23:52
@qmx1998
無線供電工作原理無線供電工作原理我們有一句十分熟悉的話:電生磁,磁生電,這就是本次設(shè)計(jì)的核心原理。各種場合的變壓器都是基于這一原理工作的,它通過交變磁場把電源輸出的能量傳送到負(fù)載。生活中各處我們都能看見變壓器,雖然制作它的材料可能并不相同,但很明顯的就是這種設(shè)備是一整塊的,分開后將一無是處。此次的設(shè)計(jì)就改變了我們之前的認(rèn)識(shí),這個(gè)變壓器分成了兩塊,并且可以進(jìn)行能量的傳輸,表現(xiàn)形式不同,但他與傳統(tǒng)意義上的變壓器原理是相似的,本質(zhì)上都是電和磁之間的轉(zhuǎn)換。正如這個(gè)模型一樣,他的兩邊之間有很大的空隙,這中間存在很大的漏磁,造成的后果就是能量的損耗。兩個(gè)邊即能量發(fā)送端和能量接收端之間的空隙越大,產(chǎn)生的漏磁越大。

本設(shè)計(jì)發(fā)射端的控制部分STC12C5A60S2對(duì)PWM波進(jìn)行控制,利用IR2104驅(qū)動(dòng)MOSFET對(duì)電流進(jìn)行逆變,用發(fā)射線圈把電能轉(zhuǎn)化為磁能。接收端則是利用線圈將磁能轉(zhuǎn)化為電能,采用1N4007構(gòu)成的全橋整流電路將線圈轉(zhuǎn)化的交流電進(jìn)行整流,利用電解電容濾波后供負(fù)載使用。系統(tǒng)發(fā)射端部分主要是為發(fā)射端諧振回路提供高頻交流電。兩電感線圈之間的能量傳輸是實(shí)現(xiàn)無線供電的關(guān)鍵,通常,我們?yōu)閭鬏斈芰康木€圈匹配補(bǔ)償電容構(gòu)成兩個(gè)LC諧振回路,以此來提高系統(tǒng)傳輸效率[21-23]。接收線圈接收后的電能為交流電,而本系統(tǒng)的LED等負(fù)載需要供直流電才能工作,因此需要性能良好的整流濾波電路對(duì)交流電進(jìn)行整流,當(dāng)挑選的整流二極管性能較差時(shí),電能損耗會(huì)隨之加大。為了提高系統(tǒng)實(shí)用性,本系統(tǒng)除了為室內(nèi)照明外,還增加了為手機(jī)充電的功能,模擬無線電能傳輸系統(tǒng)的多負(fù)載供電,由于系統(tǒng)輸出電壓影響因素較多,還應(yīng)添加一個(gè)穩(wěn)壓模塊輸出5V才能為手機(jī)充電。

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2019-09-05 23:53
@qmx1998
本設(shè)計(jì)發(fā)射端的控制部分STC12C5A60S2對(duì)PWM波進(jìn)行控制,利用IR2104驅(qū)動(dòng)MOSFET對(duì)電流進(jìn)行逆變,用發(fā)射線圈把電能轉(zhuǎn)化為磁能。接收端則是利用線圈將磁能轉(zhuǎn)化為電能,采用1N4007構(gòu)成的全橋整流電路將線圈轉(zhuǎn)化的交流電進(jìn)行整流,利用電解電容濾波后供負(fù)載使用。系統(tǒng)發(fā)射端部分主要是為發(fā)射端諧振回路提供高頻交流電。兩電感線圈之間的能量傳輸是實(shí)現(xiàn)無線供電的關(guān)鍵,通常,我們?yōu)閭鬏斈芰康木€圈匹配補(bǔ)償電容構(gòu)成兩個(gè)LC諧振回路,以此來提高系統(tǒng)傳輸效率[21-23]。接收線圈接收后的電能為交流電,而本系統(tǒng)的LED等負(fù)載需要供直流電才能工作,因此需要性能良好的整流濾波電路對(duì)交流電進(jìn)行整流,當(dāng)挑選的整流二極管性能較差時(shí),電能損耗會(huì)隨之加大。為了提高系統(tǒng)實(shí)用性,本系統(tǒng)除了為室內(nèi)照明外,還增加了為手機(jī)充電的功能,模擬無線電能傳輸系統(tǒng)的多負(fù)載供電,由于系統(tǒng)輸出電壓影響因素較多,還應(yīng)添加一個(gè)穩(wěn)壓模塊輸出5V才能為手機(jī)充電。[圖片]

串聯(lián)諧振電路原理

一個(gè)電路中存在多種多樣的器件,電容、電感、電阻是我們十分常見的,當(dāng)把它們放置于交流電路中時(shí),其端口會(huì)顯示出不一樣的性質(zhì),包括感性、容性和阻性。這些性質(zhì)中,有一些是我們不愿意看到的,比如容性和感性,因?yàn)樗焕谀芰康膫鬏?,?huì)吸收很多能量,增大傳輸過程中的損耗,應(yīng)該想辦法消除。在實(shí)際應(yīng)用中,我們通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作頻率、改用合適的電容電感,最終達(dá)成我們希望的結(jié)果,就是電壓和電流方向一致,此時(shí)的電路就稱為諧振電路,系統(tǒng)將會(huì)節(jié)約很多能量。

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2019-09-05 23:54
@qmx1998
串聯(lián)諧振電路原理一個(gè)電路中存在多種多樣的器件,電容、電感、電阻是我們十分常見的,當(dāng)把它們放置于交流電路中時(shí),其端口會(huì)顯示出不一樣的性質(zhì),包括感性、容性和阻性。這些性質(zhì)中,有一些是我們不愿意看到的,比如容性和感性,因?yàn)樗焕谀芰康膫鬏?,?huì)吸收很多能量,增大傳輸過程中的損耗,應(yīng)該想辦法消除。在實(shí)際應(yīng)用中,我們通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作頻率、改用合適的電容電感,最終達(dá)成我們希望的結(jié)果,就是電壓和電流方向一致,此時(shí)的電路就稱為諧振電路,系統(tǒng)將會(huì)節(jié)約很多能量。[圖片]
并聯(lián)諧振時(shí),我們很少考慮其器件的耐壓問題,更重要的是考慮電路中器件是否能承受大電流而穩(wěn)定工作。
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qmx1998
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2019-09-10 23:33
@qmx1998
并聯(lián)諧振時(shí),我們很少考慮其器件的耐壓問題,更重要的是考慮電路中器件是否能承受大電流而穩(wěn)定工作。[圖片]

PWM控制原理

 把圖中的正弦圖形分成寬度相等的N等份,顯然這N份的幅值必定不相同。假設(shè)這些圖形為脈沖,我們現(xiàn)在要用數(shù)量相同的矩形脈沖來替代它們,利用的就是我們在《電力電子技術(shù)》中所學(xué)的面積等效原理。把新產(chǎn)生矩形脈沖的中點(diǎn)和正弦波的中點(diǎn)重合,得到了右半部分的圖形,這就是我們所要使用的PWM波,同樣是按照正弦規(guī)律變化的。

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qmx1998
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2019-09-10 23:34
@qmx1998
PWM控制原理 把圖中的正弦圖形分成寬度相等的N等份,顯然這N份的幅值必定不相同。假設(shè)這些圖形為脈沖,我們現(xiàn)在要用數(shù)量相同的矩形脈沖來替代它們,利用的就是我們在《電力電子技術(shù)》中所學(xué)的面積等效原理。把新產(chǎn)生矩形脈沖的中點(diǎn)和正弦波的中點(diǎn)重合,得到了右半部分的圖形,這就是我們所要使用的PWM波,同樣是按照正弦規(guī)律變化的。[圖片]

即下來說一下器件的選擇

  電源電壓轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)供電選擇12V供電,同時(shí)為IR2104部分供電,但是電路中使用的單片機(jī)和數(shù)碼管都需要5V供電。LM7805是我們經(jīng)常使用的穩(wěn)壓芯片,它可以輸出穩(wěn)定的5V電壓,使用時(shí)為避免芯片發(fā)熱影響系統(tǒng)性能,通常輔以散熱器對(duì)其降溫,提高性能。本設(shè)計(jì)使用的LM7805芯片實(shí)物圖如圖所示。從左到右依次為輸入腳,接地腳以及輸出腳。

控制芯片

本無線電能傳輸系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制系統(tǒng),該芯片有很強(qiáng)的兼容性,并且速度比普通的51單片機(jī)更快,價(jià)格與之相差不多。在燒錄程序時(shí)也十分方便,使用開發(fā)板或者下載器都可以給其下載程序,且可以多次擦除和燒錄,使得系統(tǒng)的調(diào)試更便捷。STC12C5A60S2系列單片機(jī)引腳如圖所示。

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2019-09-10 23:34
@qmx1998
即下來說一下器件的選擇  電源電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)供電選擇12V供電,同時(shí)為IR2104部分供電,但是電路中使用的單片機(jī)和數(shù)碼管都需要5V供電。LM7805是我們經(jīng)常使用的穩(wěn)壓芯片,它可以輸出穩(wěn)定的5V電壓,使用時(shí)為避免芯片發(fā)熱影響系統(tǒng)性能,通常輔以散熱器對(duì)其降溫,提高性能。本設(shè)計(jì)使用的LM7805芯片實(shí)物圖如圖所示。從左到右依次為輸入腳,接地腳以及輸出腳。[圖片]控制芯片本無線電能傳輸系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制系統(tǒng),該芯片有很強(qiáng)的兼容性,并且速度比普通的51單片機(jī)更快,價(jià)格與之相差不多。在燒錄程序時(shí)也十分方便,使用開發(fā)板或者下載器都可以給其下載程序,且可以多次擦除和燒錄,使得系統(tǒng)的調(diào)試更便捷。STC12C5A60S2系列單片機(jī)引腳如圖所示。[圖片]

驅(qū)動(dòng)電路器件

此設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路主要部分是IR2104,該芯片適用于中小功率場合,外圍電路簡單,是常用的MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片之一,同時(shí)兼容3.3V和5V輸入。IR2104內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖所示。

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2019-09-10 23:35
@qmx1998
驅(qū)動(dòng)電路器件此設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路主要部分是IR2104,該芯片適用于中小功率場合,外圍電路簡單,是常用的MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片之一,同時(shí)兼容3.3V和5V輸入。IR2104內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖所示。[圖片]

SD為保護(hù)信號(hào)輸入端,HO和LO不論在任何信號(hào)下輸出的都是相反的電平。這樣就不可能讓上下橋臂完全導(dǎo)通,驅(qū)動(dòng)的MOSFET幾乎不可能發(fā)生擊穿。IR2104這種工作方式有效的保護(hù)了器件及電路。

驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)橋臂的MOSFET采用IRF3205,由于該芯片的制造工藝技術(shù)較為先進(jìn),所以導(dǎo)通阻抗是非常低的。同時(shí)它轉(zhuǎn)換速率也是非常快的,HEXFET設(shè)計(jì)又十分堅(jiān)固耐用,據(jù)了解芯片耐流值為110A,耐壓值為55V。

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2019-09-10 23:36
@qmx1998
SD為保護(hù)信號(hào)輸入端,HO和LO不論在任何信號(hào)下輸出的都是相反的電平。這樣就不可能讓上下橋臂完全導(dǎo)通,驅(qū)動(dòng)的MOSFET幾乎不可能發(fā)生擊穿。IR2104這種工作方式有效的保護(hù)了器件及電路。驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)橋臂的MOSFET采用IRF3205,由于該芯片的制造工藝技術(shù)較為先進(jìn),所以導(dǎo)通阻抗是非常低的。同時(shí)它轉(zhuǎn)換速率也是非??斓?,HEXFET設(shè)計(jì)又十分堅(jiān)固耐用,據(jù)了解芯片耐流值為110A,耐壓值為55V。

線圈材料選擇

由于趨膚效應(yīng)會(huì)使線圈電能損耗增大,所以接收線圈和發(fā)射線圈均不采用單股漆包線而用多股銅芯線,以此增大電流流通的截面積,減少線圈上的電能損耗。同時(shí),考慮到該設(shè)計(jì)是為日常照明系統(tǒng)供電,為了日常使用的便攜性,采用平面螺旋線圈結(jié)構(gòu),該線圈結(jié)構(gòu)具有尺寸體積小、容易集成、不易變形、成本較低等一系列特點(diǎn),適用于手機(jī)、平板電腦小功率電子產(chǎn)品和家用臺(tái)燈、風(fēng)扇等設(shè)備的無線供電使用。經(jīng)過使用電橋儀進(jìn)行測量,發(fā)射線圈電感量為:67.41uF,接收線圈電感量為:65.96uF,測試結(jié)果如圖所示。

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2019-09-10 23:36
@qmx1998
線圈材料選擇由于趨膚效應(yīng)會(huì)使線圈電能損耗增大,所以接收線圈和發(fā)射線圈均不采用單股漆包線而用多股銅芯線,以此增大電流流通的截面積,減少線圈上的電能損耗。同時(shí),考慮到該設(shè)計(jì)是為日常照明系統(tǒng)供電,為了日常使用的便攜性,采用平面螺旋線圈結(jié)構(gòu),該線圈結(jié)構(gòu)具有尺寸體積小、容易集成、不易變形、成本較低等一系列特點(diǎn),適用于手機(jī)、平板電腦小功率電子產(chǎn)品和家用臺(tái)燈、風(fēng)扇等設(shè)備的無線供電使用。經(jīng)過使用電橋儀進(jìn)行測量,發(fā)射線圈電感量為:67.41uF,接收線圈電感量為:65.96uF,測試結(jié)果如圖所示。[圖片][圖片]

諧振電容選擇

之前我們介紹過串聯(lián)及并聯(lián)諧振的原理,當(dāng)應(yīng)用到此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中時(shí),會(huì)產(chǎn)生很大的影響。其中,諧振電路中的電感線圈通常是由漆包線或者利茲導(dǎo)線繞制而成,補(bǔ)償電容則需要選用耐高壓、高溫的電容構(gòu)成對(duì)應(yīng)與電感線圈的諧振補(bǔ)償電容組。

發(fā)射端為半橋驅(qū)動(dòng)電路,IR2104驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOSFET在一個(gè)工作周期內(nèi)交替工作,顧需采用兩個(gè)諧振電容與其搭配工作。本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)MKPH高壓電容作為補(bǔ)償電容,考慮到這種電容工作在50KHz頻率左右時(shí)性能最好,所以初步將PWM波頻率設(shè)置為50KHz,后續(xù)設(shè)計(jì)再根據(jù)實(shí)際情況對(duì)頻率和電容的匹配進(jìn)行優(yōu)化。

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2019-09-23 12:16
無線傳輸用那個(gè)模塊
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