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【工程师6】+实践类+低功率无线电能传输装置设计与研究

电能的产生与应用无疑为整个人类社会的发展进程提供了强大的推动力。随着19世纪工业革命期间发电机的问世,各种各样的电器相继进入人们的生产生活。随着电器设备在人们日常生活以及工业生产中的广泛应用,电能已俨然成为了人类社会赖以生存所必须的能源。步入现代社会中,无论是工业生产中的各种机电设备、航空航天应用中的各种精密仪器还是交通运输领域的新能源汽车,电能都首当其冲,成为了不可被其它能源所替代的角色。自从电能被应用以来,其一直是采用输电线路的方式在供电电源和用电负载之间进行传送。然而,科学技术的不断发展和进步也让我们意识到了传统有线供电方式所存在的不足,进而使得有线供电方式在实际应用中所存在的各种缺陷逐渐显露出来,例如:

传统的导线式供电线路存在绝缘老化、线路表皮破损以及线路之间相互摩擦等情况,这就使得输电线路之间存在短路、摩擦产生电火花以及绝缘表皮破损产生放电等现象。这些可能出现在输电线路上的情况倘若发生,那么必将给人类带来严重的甚至不可挽回的经济损失和人员伤亡。然而这些潜在的安全隐患并不能在输电线路上被完全杜绝。

在某些特定的应用场合,如煤矿井下、水中作业和油田开采等,特殊的工作环境如腐蚀、浸泡等会给传统的输电线路带来非常大的影响。且这些特殊的工作环境严禁一切漏电、电火花和静电的产生。因此,这些特定的应用场合对输电线路具有非常高的要求,倘若不慎发生漏电、放电等现象,那么在某些防范措施不及时的情况下就会造成非常严重倒塌等事故。

随着科技的发展,现今社会的很多智能电子产品越来越趋向于简捷化方向发展。然而,在给电子产品充电时,复杂纷繁的充电线路排布会给人们的生活带来了极大的不便,由于充电问题导致产品的续航能力不足将极大的限制各种智能电子产品的灵活应用。此外,市场上各种品牌、型号的电子产品具有不同的充电标准和充电插头,这也将为人们的出行带来不便。在某种程度上来说,这种由于电子产品充电不便所引发的问题实质上也是一种严重的资源浪费现象。

在当前石油资源短缺、温室效应成为人们不可忽视的情形时,以电为驱动力的汽车进入人们的眼球。然而,制约电动汽车投入广泛应用的关键问题并没有解决。即如何实现电动汽车电池的安全、快速、高效充电。目前,为了普及推广电动汽车的使用,普遍采用的方法是建造基于导线式充电的供电桩。但采用导线供电方式的充电桩,在使用过程中同样面临着输电线路老化、漏电等问题。

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qmx1998
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2019-09-05 23:51
设计主要用到的是磁共振式电磁感应线圈,
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qmx1998
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2019-09-05 23:51
@qmx1998
设计主要用到的是磁共振式电磁感应线圈,

无线供电工作原理无线供电工作原理

我们有一句十分熟悉的话:电生磁,磁生电,这就是本次设计的核心原理。各种场合的变压器都是基于这一原理工作的,它通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载。生活中各处我们都能看见变压器,虽然制作它的材料可能并不相同,但很明显的就是这种设备是一整块的,分开后将一无是处。

此次的设计就改变了我们之前的认识,这个变压器分成了两块,并且可以进行能量的传输,表现形式不同,但他与传统意义上的变压器原理是相似的,本质上都是电和磁之间的转换。正如这个模型一样,他的两边之间有很大的空隙,这中间存在很大的漏磁,造成的后果就是能量的损耗。两个边即能量发送端和能量接收端之间的空隙越大,产生的漏磁越大。

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qmx1998
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2019-09-05 23:52
@qmx1998
无线供电工作原理无线供电工作原理我们有一句十分熟悉的话:电生磁,磁生电,这就是本次设计的核心原理。各种场合的变压器都是基于这一原理工作的,它通过交变磁场把电源输出的能量传送到负载。生活中各处我们都能看见变压器,虽然制作它的材料可能并不相同,但很明显的就是这种设备是一整块的,分开后将一无是处。此次的设计就改变了我们之前的认识,这个变压器分成了两块,并且可以进行能量的传输,表现形式不同,但他与传统意义上的变压器原理是相似的,本质上都是电和磁之间的转换。正如这个模型一样,他的两边之间有很大的空隙,这中间存在很大的漏磁,造成的后果就是能量的损耗。两个边即能量发送端和能量接收端之间的空隙越大,产生的漏磁越大。

本设计发射端的控制部分STC12C5A60S2对PWM波进行控制,利用IR2104驱动MOSFET对电流进行逆变,用发射线圈把电能转化为磁能。接收端则是利用线圈将磁能转化为电能,采用1N4007构成的全桥整流电路将线圈转化的交流电进行整流,利用电解电容滤波后供负载使用。系统发射端部分主要是为发射端谐振回路提供高频交流电。两电感线圈之间的能量传输是实现无线供电的关键,通常,我们为传输能量的线圈匹配补偿电容构成两个LC谐振回路,以此来提高系统传输效率[21-23]。接收线圈接收后的电能为交流电,而本系统的LED等负载需要供直流电才能工作,因此需要性能良好的整流滤波电路对交流电进行整流,当挑选的整流二极管性能较差时,电能损耗会随之加大。为了提高系统实用性,本系统除了为室内照明外,还增加了为手机充电的功能,模拟无线电能传输系统的多负载供电,由于系统输出电压影响因素较多,还应添加一个稳压模块输出5V才能为手机充电。

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qmx1998
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2019-09-05 23:53
@qmx1998
本设计发射端的控制部分STC12C5A60S2对PWM波进行控制,利用IR2104驱动MOSFET对电流进行逆变,用发射线圈把电能转化为磁能。接收端则是利用线圈将磁能转化为电能,采用1N4007构成的全桥整流电路将线圈转化的交流电进行整流,利用电解电容滤波后供负载使用。系统发射端部分主要是为发射端谐振回路提供高频交流电。两电感线圈之间的能量传输是实现无线供电的关键,通常,我们为传输能量的线圈匹配补偿电容构成两个LC谐振回路,以此来提高系统传输效率[21-23]。接收线圈接收后的电能为交流电,而本系统的LED等负载需要供直流电才能工作,因此需要性能良好的整流滤波电路对交流电进行整流,当挑选的整流二极管性能较差时,电能损耗会随之加大。为了提高系统实用性,本系统除了为室内照明外,还增加了为手机充电的功能,模拟无线电能传输系统的多负载供电,由于系统输出电压影响因素较多,还应添加一个稳压模块输出5V才能为手机充电。[图片]

串联谐振电路原理

一个电路中存在多种多样的器件,电容、电感、电阻是我们十分常见的,当把它们放置于交流电路中时,其端口会显示出不一样的性质,包括感性、容性和阻性。这些性质中,有一些是我们不愿意看到的,比如容性和感性,因为它不利于能量的传输,会吸收很多能量,增大传输过程中的损耗,应该想办法消除。在实际应用中,我们通过调节系统的工作频率、改用合适的电容电感,最终达成我们希望的结果,就是电压和电流方向一致,此时的电路就称为谐振电路,系统将会节约很多能量。

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qmx1998
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2019-09-05 23:54
@qmx1998
串联谐振电路原理一个电路中存在多种多样的器件,电容、电感、电阻是我们十分常见的,当把它们放置于交流电路中时,其端口会显示出不一样的性质,包括感性、容性和阻性。这些性质中,有一些是我们不愿意看到的,比如容性和感性,因为它不利于能量的传输,会吸收很多能量,增大传输过程中的损耗,应该想办法消除。在实际应用中,我们通过调节系统的工作频率、改用合适的电容电感,最终达成我们希望的结果,就是电压和电流方向一致,此时的电路就称为谐振电路,系统将会节约很多能量。[图片]
并联谐振时,我们很少考虑其器件的耐压问题,更重要的是考虑电路中器件是否能承受大电流而稳定工作。
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qmx1998
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2019-09-10 23:33
@qmx1998
并联谐振时,我们很少考虑其器件的耐压问题,更重要的是考虑电路中器件是否能承受大电流而稳定工作。[图片]

PWM控制原理

 把图中的正弦图形分成宽度相等的N等份,显然这N份的幅值必定不相同。假设这些图形为脉冲,我们现在要用数量相同的矩形脉冲来替代它们,利用的就是我们在《电力电子技术》中所学的面积等效原理。把新产生矩形脉冲的中点和正弦波的中点重合,得到了右半部分的图形,这就是我们所要使用的PWM波,同样是按照正弦规律变化的。

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qmx1998
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2019-09-10 23:34
@qmx1998
PWM控制原理 把图中的正弦图形分成宽度相等的N等份,显然这N份的幅值必定不相同。假设这些图形为脉冲,我们现在要用数量相同的矩形脉冲来替代它们,利用的就是我们在《电力电子技术》中所学的面积等效原理。把新产生矩形脉冲的中点和正弦波的中点重合,得到了右半部分的图形,这就是我们所要使用的PWM波,同样是按照正弦规律变化的。[图片]

即下来说一下器件的选择

  电源电压转换

系统供电选择12V供电,同时为IR2104部分供电,但是电路中使用的单片机和数码管都需要5V供电。LM7805是我们经常使用的稳压芯片,它可以输出稳定的5V电压,使用时为避免芯片发热影响系统性能,通常辅以散热器对其降温,提高性能。本设计使用的LM7805芯片实物图如图所示。从左到右依次为输入脚,接地脚以及输出脚。

控制芯片

本无线电能传输系统采用STC12C5A60S2单片机作为控制系统,该芯片有很强的兼容性,并且速度比普通的51单片机更快,价格与之相差不多。在烧录程序时也十分方便,使用开发板或者下载器都可以给其下载程序,且可以多次擦除和烧录,使得系统的调试更便捷。STC12C5A60S2系列单片机引脚如图所示。

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qmx1998
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2019-09-10 23:34
@qmx1998
即下来说一下器件的选择  电源电压转换系统供电选择12V供电,同时为IR2104部分供电,但是电路中使用的单片机和数码管都需要5V供电。LM7805是我们经常使用的稳压芯片,它可以输出稳定的5V电压,使用时为避免芯片发热影响系统性能,通常辅以散热器对其降温,提高性能。本设计使用的LM7805芯片实物图如图所示。从左到右依次为输入脚,接地脚以及输出脚。[图片]控制芯片本无线电能传输系统采用STC12C5A60S2单片机作为控制系统,该芯片有很强的兼容性,并且速度比普通的51单片机更快,价格与之相差不多。在烧录程序时也十分方便,使用开发板或者下载器都可以给其下载程序,且可以多次擦除和烧录,使得系统的调试更便捷。STC12C5A60S2系列单片机引脚如图所示。[图片]

驱动电路器件

此设计的驱动电路主要部分是IR2104,该芯片适用于中小功率场合,外围电路简单,是常用的MOSFET驱动芯片之一,同时兼容3.3V和5V输入。IR2104内部结构图如图所示。

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qmx1998
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2019-09-10 23:35
@qmx1998
驱动电路器件此设计的驱动电路主要部分是IR2104,该芯片适用于中小功率场合,外围电路简单,是常用的MOSFET驱动芯片之一,同时兼容3.3V和5V输入。IR2104内部结构图如图所示。[图片]

SD为保护信号输入端,HO和LO不论在任何信号下输出的都是相反的电平。这样就不可能让上下桥臂完全导通,驱动的MOSFET几乎不可能发生击穿。IR2104这种工作方式有效的保护了器件及电路。

驱动电路两个桥臂的MOSFET采用IRF3205,由于该芯片的制造工艺技术较为先进,所以导通阻抗是非常低的。同时它转换速率也是非常快的,HEXFET设计又十分坚固耐用,据了解芯片耐流值为110A,耐压值为55V。

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qmx1998
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2019-09-10 23:36
@qmx1998
SD为保护信号输入端,HO和LO不论在任何信号下输出的都是相反的电平。这样就不可能让上下桥臂完全导通,驱动的MOSFET几乎不可能发生击穿。IR2104这种工作方式有效的保护了器件及电路。驱动电路两个桥臂的MOSFET采用IRF3205,由于该芯片的制造工艺技术较为先进,所以导通阻抗是非常低的。同时它转换速率也是非常快的,HEXFET设计又十分坚固耐用,据了解芯片耐流值为110A,耐压值为55V。

线圈材料选择

由于趋肤效应会使线圈电能损耗增大,所以接收线圈和发射线圈均不采用单股漆包线而用多股铜芯线,以此增大电流流通的截面积,减少线圈上的电能损耗。同时,考虑到该设计是为日常照明系统供电,为了日常使用的便携性,采用平面螺旋线圈结构,该线圈结构具有尺寸体积小、容易集成、不易变形、成本较低等一系列特点,适用于手机、平板电脑小功率电子产品和家用台灯、风扇等设备的无线供电使用。经过使用电桥仪进行测量,发射线圈电感量为:67.41uF,接收线圈电感量为:65.96uF,测试结果如图所示。

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qmx1998
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2019-09-10 23:36
@qmx1998
线圈材料选择由于趋肤效应会使线圈电能损耗增大,所以接收线圈和发射线圈均不采用单股漆包线而用多股铜芯线,以此增大电流流通的截面积,减少线圈上的电能损耗。同时,考虑到该设计是为日常照明系统供电,为了日常使用的便携性,采用平面螺旋线圈结构,该线圈结构具有尺寸体积小、容易集成、不易变形、成本较低等一系列特点,适用于手机、平板电脑小功率电子产品和家用台灯、风扇等设备的无线供电使用。经过使用电桥仪进行测量,发射线圈电感量为:67.41uF,接收线圈电感量为:65.96uF,测试结果如图所示。[图片][图片]

谐振电容选择

之前我们介绍过串联及并联谐振的原理,当应用到此次的毕业设计中时,会产生很大的影响。其中,谐振电路中的电感线圈通常是由漆包线或者利兹导线绕制而成,补偿电容则需要选用耐高压、高温的电容构成对应与电感线圈的谐振补偿电容组。

发射端为半桥驱动电路,IR2104驱动两个MOSFET在一个工作周期内交替工作,顾需采用两个谐振电容与其搭配工作。本设计采用两个MKPH高压电容作为补偿电容,考虑到这种电容工作在50KHz频率左右时性能最好,所以初步将PWM波频率设置为50KHz,后续设计再根据实际情况对频率和电容的匹配进行优化。

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2019-09-23 12:16
无线传输用那个模块
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