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【工程師6】+實踐類+低功率無線電能傳輸裝置設計與研究

電能的產生與應用無疑為整個人類社會的發展進程提供了強大的推動力。隨著19世紀工業革命期間發電機的問世,各種各樣的電器相繼進入人們的生產生活。隨著電器設備在人們日常生活以及工業生產中的廣泛應用,電能已儼然成為了人類社會賴以生存所必須的能源。步入現代社會中,無論是工業生產中的各種機電設備、航空航天應用中的各種精密儀器還是交通運輸領域的新能源汽車,電能都首當其沖,成為了不可被其它能源所替代的角色。自從電能被應用以來,其一直是采用輸電線路的方式在供電電源和用電負載之間進行傳送。然而,科學技術的不斷發展和進步也讓我們意識到了傳統有線供電方式所存在的不足,進而使得有線供電方式在實際應用中所存在的各種缺陷逐漸顯露出來,例如:

傳統的導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、摩擦產生電火花以及絕緣表皮破損產生放電等現象。這些可能出現在輸電線路上的情況倘若發生,那么必將給人類帶來嚴重的甚至不可挽回的經濟損失和人員傷亡。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。

在某些特定的應用場合,如煤礦井下、水中作業和油田開采等,特殊的工作環境如腐蝕、浸泡等會給傳統的輸電線路帶來非常大的影響。且這些特殊的工作環境嚴禁一切漏電、電火花和靜電的產生。因此,這些特定的應用場合對輸電線路具有非常高的要求,倘若不慎發生漏電、放電等現象,那么在某些防范措施不及時的情況下就會造成非常嚴重倒塌等事故。

隨著科技的發展,現今社會的很多智能電子產品越來越趨向于簡捷化方向發展。然而,在給電子產品充電時,復雜紛繁的充電線路排布會給人們的生活帶來了極大的不便,由于充電問題導致產品的續航能力不足將極大的限制各種智能電子產品的靈活應用。此外,市場上各種品牌、型號的電子產品具有不同的充電標準和充電插頭,這也將為人們的出行帶來不便。在某種程度上來說,這種由于電子產品充電不便所引發的問題實質上也是一種嚴重的資源浪費現象。

在當前石油資源短缺、溫室效應成為人們不可忽視的情形時,以電為驅動力的汽車進入人們的眼球。然而,制約電動汽車投入廣泛應用的關鍵問題并沒有解決。即如何實現電動汽車電池的安全、快速、高效充電。目前,為了普及推廣電動汽車的使用,普遍采用的方法是建造基于導線式充電的供電樁。但采用導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
設計主要用到的是磁共振式電磁感應線圈,
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qmx1998
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2019-09-05 23:51
@qmx1998
設計主要用到的是磁共振式電磁感應線圈,

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,這就是本次設計的核心原理。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備是一整塊的,分開后將一無是處。

此次的設計就改變了我們之前的認識,這個變壓器分成了兩塊,并且可以進行能量的傳輸,表現形式不同,但他與傳統意義上的變壓器原理是相似的,本質上都是電和磁之間的轉換。正如這個模型一樣,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。兩個邊即能量發送端和能量接收端之間的空隙越大,產生的漏磁越大。

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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,這就是本次設計的核心原理。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備是一整塊的,分開后將一無是處。此次的設計就改變了我們之前的認識,這個變壓器分成了兩塊,并且可以進行能量的傳輸,表現形式不同,但他與傳統意義上的變壓器原理是相似的,本質上都是電和磁之間的轉換。正如這個模型一樣,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。兩個邊即能量發送端和能量接收端之間的空隙越大,產生的漏磁越大。

本設計發射端的控制部分STC12C5A60S2對PWM波進行控制,利用IR2104驅動MOSFET對電流進行逆變,用發射線圈把電能轉化為磁能。接收端則是利用線圈將磁能轉化為電能,采用1N4007構成的全橋整流電路將線圈轉化的交流電進行整流,利用電解電容濾波后供負載使用。系統發射端部分主要是為發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現無線供電的關鍵,通常,我們為傳輸能量的線圈匹配補償電容構成兩個LC諧振回路,以此來提高系統傳輸效率[21-23]。接收線圈接收后的電能為交流電,而本系統的LED等負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交流電進行整流,當挑選的整流二極管性能較差時,電能損耗會隨之加大。為了提高系統實用性,本系統除了為室內照明外,還增加了為手機充電的功能,模擬無線電能傳輸系統的多負載供電,由于系統輸出電壓影響因素較多,還應添加一個穩壓模塊輸出5V才能為手機充電。

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2019-09-05 23:53
@qmx1998
本設計發射端的控制部分STC12C5A60S2對PWM波進行控制,利用IR2104驅動MOSFET對電流進行逆變,用發射線圈把電能轉化為磁能。接收端則是利用線圈將磁能轉化為電能,采用1N4007構成的全橋整流電路將線圈轉化的交流電進行整流,利用電解電容濾波后供負載使用。系統發射端部分主要是為發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現無線供電的關鍵,通常,我們為傳輸能量的線圈匹配補償電容構成兩個LC諧振回路,以此來提高系統傳輸效率[21-23]。接收線圈接收后的電能為交流電,而本系統的LED等負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交流電進行整流,當挑選的整流二極管性能較差時,電能損耗會隨之加大。為了提高系統實用性,本系統除了為室內照明外,還增加了為手機充電的功能,模擬無線電能傳輸系統的多負載供電,由于系統輸出電壓影響因素較多,還應添加一個穩壓模塊輸出5V才能為手機充電。[圖片]

串聯諧振電路原理

一個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,當把它們放置于交流電路中時,其端口會顯示出不一樣的性質,包括感性、容性和阻性。這些性質中,有一些是我們不愿意看到的,比如容性和感性,因為它不利于能量的傳輸,會吸收很多能量,增大傳輸過程中的損耗,應該想辦法消除。在實際應用中,我們通過調節系統的工作頻率、改用合適的電容電感,最終達成我們希望的結果,就是電壓和電流方向一致,此時的電路就稱為諧振電路,系統將會節約很多能量。

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2019-09-05 23:54
@qmx1998
串聯諧振電路原理一個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,當把它們放置于交流電路中時,其端口會顯示出不一樣的性質,包括感性、容性和阻性。這些性質中,有一些是我們不愿意看到的,比如容性和感性,因為它不利于能量的傳輸,會吸收很多能量,增大傳輸過程中的損耗,應該想辦法消除。在實際應用中,我們通過調節系統的工作頻率、改用合適的電容電感,最終達成我們希望的結果,就是電壓和電流方向一致,此時的電路就稱為諧振電路,系統將會節約很多能量。[圖片]
并聯諧振時,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定工作。
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2019-09-10 23:33
@qmx1998
并聯諧振時,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。假設這些圖形為脈沖,我們現在要用數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》中所學的面積等效原理。把新產生矩形脈沖的中點和正弦波的中點重合,得到了右半部分的圖形,這就是我們所要使用的PWM波,同樣是按照正弦規律變化的。

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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。假設這些圖形為脈沖,我們現在要用數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》中所學的面積等效原理。把新產生矩形脈沖的中點和正弦波的中點重合,得到了右半部分的圖形,這就是我們所要使用的PWM波,同樣是按照正弦規律變化的。[圖片]

即下來說一下器件的選擇

  電源電壓轉換

系統供電選擇12V供電,同時為IR2104部分供電,但是電路中使用的單片機和數碼管都需要5V供電。LM7805是我們經常使用的穩壓芯片,它可以輸出穩定的5V電壓,使用時為避免芯片發熱影響系統性能,通常輔以散熱器對其降溫,提高性能。本設計使用的LM7805芯片實物圖如圖所示。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采用STC12C5A60S2單片機作為控制系統,該芯片有很強的兼容性,并且速度比普通的51單片機更快,價格與之相差不多。在燒錄程序時也十分方便,使用開發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,使得系統的調試更便捷。STC12C5A60S2系列單片機引腳如圖所示。

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2019-09-10 23:34
@qmx1998
即下來說一下器件的選擇  電源電壓轉換系統供電選擇12V供電,同時為IR2104部分供電,但是電路中使用的單片機和數碼管都需要5V供電。LM7805是我們經常使用的穩壓芯片,它可以輸出穩定的5V電壓,使用時為避免芯片發熱影響系統性能,通常輔以散熱器對其降溫,提高性能。本設計使用的LM7805芯片實物圖如圖所示。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采用STC12C5A60S2單片機作為控制系統,該芯片有很強的兼容性,并且速度比普通的51單片機更快,價格與之相差不多。在燒錄程序時也十分方便,使用開發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,使得系統的調試更便捷。STC12C5A60S2系列單片機引腳如圖所示。[圖片]

驅動電路器件

此設計的驅動電路主要部分是IR2104,該芯片適用于中小功率場合,外圍電路簡單,是常用的MOSFET驅動芯片之一,同時兼容3.3V和5V輸入。IR2104內部結構圖如圖所示。

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2019-09-10 23:35
@qmx1998
驅動電路器件此設計的驅動電路主要部分是IR2104,該芯片適用于中小功率場合,外圍電路簡單,是常用的MOSFET驅動芯片之一,同時兼容3.3V和5V輸入。IR2104內部結構圖如圖所示。[圖片]

SD為保護信號輸入端,HO和LO不論在任何信號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通,驅動的MOSFET幾乎不可能發生擊穿。IR2104這種工作方式有效的保護了器件及電路。

驅動電路兩個橋臂的MOSFET采用IRF3205,由于該芯片的制造工藝技術較為先進,所以導通阻抗是非常低的。同時它轉換速率也是非常快的,HEXFET設計又十分堅固耐用,據了解芯片耐流值為110A,耐壓值為55V。

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qmx1998
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2019-09-10 23:36
@qmx1998
SD為保護信號輸入端,HO和LO不論在任何信號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通,驅動的MOSFET幾乎不可能發生擊穿。IR2104這種工作方式有效的保護了器件及電路。驅動電路兩個橋臂的MOSFET采用IRF3205,由于該芯片的制造工藝技術較為先進,所以導通阻抗是非常低的。同時它轉換速率也是非常快的,HEXFET設計又十分堅固耐用,據了解芯片耐流值為110A,耐壓值為55V。

線圈材料選擇

由于趨膚效應會使線圈電能損耗增大,所以接收線圈和發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,考慮到該設計是為日常照明系統供電,為了日常使用的便攜性,采用平面螺旋線圈結構,該線圈結構具有尺寸體積小、容易集成、不易變形、成本較低等一系列特點,適用于手機、平板電腦小功率電子產品和家用臺燈、風扇等設備的無線供電使用。經過使用電橋儀進行測量,發射線圈電感量為:67.41uF,接收線圈電感量為:65.96uF,測試結果如圖所示。

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2019-09-10 23:36
@qmx1998
線圈材料選擇由于趨膚效應會使線圈電能損耗增大,所以接收線圈和發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,考慮到該設計是為日常照明系統供電,為了日常使用的便攜性,采用平面螺旋線圈結構,該線圈結構具有尺寸體積小、容易集成、不易變形、成本較低等一系列特點,適用于手機、平板電腦小功率電子產品和家用臺燈、風扇等設備的無線供電使用。經過使用電橋儀進行測量,發射線圈電感量為:67.41uF,接收線圈電感量為:65.96uF,測試結果如圖所示。[圖片][圖片]

諧振電容選擇

之前我們介紹過串聯及并聯諧振的原理,當應用到此次的畢業設計中時,會產生很大的影響。其中,諧振電路中的電感線圈通常是由漆包線或者利茲導線繞制而成,補償電容則需要選用耐高壓、高溫的電容構成對應與電感線圈的諧振補償電容組。

發射端為半橋驅動電路,IR2104驅動兩個MOSFET在一個工作周期內交替工作,顧需采用兩個諧振電容與其搭配工作。本設計采用兩個MKPH高壓電容作為補償電容,考慮到這種電容工作在50KHz頻率左右時性能最好,所以初步將PWM波頻率設置為50KHz,后續設計再根據實際情況對頻率和電容的匹配進行優化。

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2019-09-23 12:16
無線傳輸用那個模塊
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