張 旭，史湘?zhèn)ィ軙缬睿瑒⒀┝?，袁順東，陳文娟

(中國石油大學(華東)，山東 青島 266580)

無線輸電技術(shù)是近年來備受國際學術(shù)界關(guān)注的一項新的能量傳輸技術(shù)?；谠摷夹g(shù)的無線輸電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電能傳輸系統(tǒng)相比，克服了設(shè)備移動靈活性差及環(huán)境不美觀等缺點，還解決了大氣高頻電磁污染、接觸火花、機構(gòu)磨損和大電流載體不安全裸露等影響環(huán)境清潔的問題［1-3］。目前，無線輸電技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域較少，尚沒有形成規(guī)模。文章中率先提出了采用太陽能供電的無線輸電演示儀，應(yīng)用電磁耦合共振技術(shù)進行電能的無線傳輸，并且采用數(shù)碼管電壓與電流顯示電路，定量顯示無線輸電的效率，從而達到了良好的演示效果。

1 電磁耦合共振技術(shù)的原理

如圖1所示為無線電能傳輸?shù)闹饕夹g(shù)即電磁耦合共振技術(shù):將傳統(tǒng)變壓器原副線圈分離成疏松磁耦合，以空氣為磁介質(zhì)傳輸電能。當發(fā)射端接通電源后，經(jīng)初級變換器轉(zhuǎn)換為高頻交變電流，由發(fā)射線圈將其以電磁波的形式輻射到周圍空間［4］。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場產(chǎn)生變化的電場，接收線圈因感應(yīng)耦合產(chǎn)生感應(yīng)電動勢從而獲取電能經(jīng)次級變換器為負載供電。通過上述幾部分的發(fā)展完善和優(yōu)化設(shè)計組合，可大幅提高互感耦合，從而提高電能傳輸效率及電能傳輸容量，實現(xiàn)真正的無線電能傳輸。___________

圖1 電磁耦合結(jié)構(gòu)示意圖

2 實驗原理與裝置

2.1 實驗原理框圖

無線輸電演示儀的電路組成系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 演示儀原理圖

2.2 實驗裝置

無線輸電演示儀結(jié)構(gòu)見圖3，圖中，1-太陽能電池板，2-無線發(fā)射模塊，3-無線接收模塊，4-LED燈，5-電壓顯示器，6-電流顯示器。使用時，左右兩部分隔有一段距離，約7～10 cm，且中間無任何連接。將1太陽能電池板正對陽光，2中蓄電池將進行充電;打開右邊電流表、電壓表的開關(guān)，電流，電壓均顯示0，4LED燈不亮;經(jīng)過一段時間，打開2無線發(fā)射模塊的開關(guān)，可以觀察到電壓表5、電流表6均有示數(shù)，LED燈變亮。LED燈變亮說明電能被無線傳輸了，而電流表與電壓表則可定量顯示功率，從而形象地展示了該演示儀無線輸電的效率。圖4為該演示儀實物圖。

圖3 演示儀主體部分結(jié)構(gòu)圖

圖4 演示儀實物圖

3 電路組成

3.1 太陽能供電系統(tǒng)

太陽能供電系統(tǒng)電路由太陽能電池方陣、太陽能控制器、直流蓄電池、穩(wěn)壓輸出電路組成。太陽能控制器以LM7815集成穩(wěn)壓器為核心組成穩(wěn)壓電路，控制蓄電池對電能的采集，肖恩特二極管防止電壓反沖，對蓄電池起到保護作用［5-6］。

3.2 無線發(fā)射電路

圖5 無線發(fā)射模塊電路圖

無線發(fā)射模塊搭建的電路見圖5。由于CD4000系列的CMOS電路的極限電壓是18 V，不穩(wěn)的交流12V電壓整流濾波后的空載電壓可能會超過18 V，所以，CD4069的電源電壓另用穩(wěn)壓二極管提供［7］。CMOS電路所有不用的輸入端應(yīng)接上適當?shù)倪壿嬰娖?Vdd或Vss)，不得懸空，否則電路的工作狀態(tài)將不確定，并且會增加電路的功耗。因此，CD4069的不用的輸入端通過R5接到電源端［8-9］。

3.3 無線接收電路

接收線圈位于發(fā)射線圈產(chǎn)生的電磁場中，發(fā)射線圈磁通量的高頻變化在接收線圈中產(chǎn)生一定幅值的高頻感應(yīng)電動勢。當接收線圈與發(fā)射線圈靠近時，在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，當接收線圈回路的諧振頻率與發(fā)射頻率相同時產(chǎn)生諧振，電壓達到最大值［10-11］。接收電路見圖6。

圖6 無線接收模塊電路圖

3.4 數(shù)字顯示電路

該無線輸電演示儀的特色功能之一就是增加了電壓、電流顯示電路，它主要用以測量并顯示接收模塊負載兩端的電壓和電流。由于在調(diào)整兩線圈之間距離的過程中，電壓電流不斷發(fā)生變化，因此可以更直觀地表現(xiàn)功率的變化，進而展示出其傳輸效率［12］。由于該裝置增加了較精確的數(shù)字電壓電流顯示電路，因此既可以直觀顯示調(diào)整過程中的瞬態(tài)電壓電流，又提供了可定量分析的多重實驗數(shù)據(jù)，從而能更精確地解釋演示實驗的原理特征。

4 實驗數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 電壓電流與兩線圈的距離的關(guān)系

通過理論分析可以知道，隨著初級線圈和次級線圈間距的增大，該系統(tǒng)的漏磁增大，互感減少，自感基本不變［13-15］。通過實驗測量接收端負載的電壓和電流，見表1。發(fā)現(xiàn)其功率逐漸減小。因此在實際應(yīng)用過程中應(yīng)根據(jù)實際需要來調(diào)節(jié)其之間的距離。關(guān)系曲線見圖7。

表1 接收端電壓電流與距離的關(guān)系數(shù)據(jù)表

圖7 關(guān)系曲線圖

4.2 發(fā)射模塊振蕩頻率與傳輸效率的關(guān)系

研究了頻率的變化對該系統(tǒng)傳輸效率的影響。當掃頻范圍為1-30 MHz時，感應(yīng)參數(shù)的變化見表2，從表2中可以得出結(jié)論:無芯PCB變壓器線圈的感應(yīng)參數(shù)隨頻率的變化不大。

表2 自感、互感和漏磁隨頻率的變化

5 結(jié) 論

文章中介紹了基于電磁耦合共振技術(shù)的太陽能無線輸電演示儀，獨創(chuàng)性地將太陽能引入到了無線輸電演示實驗裝置的研制中，對于綠色環(huán)保新技術(shù)的認識和推廣有著積極意義;并有電流電壓顯示器定量顯示，演示效果明顯。采用新穎的有機玻璃結(jié)構(gòu)造型，所有功能部件均為通體透明一目了然，增強了物理演示實驗的精確度和可信度，在物理演示實驗教學中能讓學生學會如何運用知識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

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