沈承舒

(貴陽學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,貴州 貴陽 550005)

無線電能傳輸技術(shù)主要包括磁場耦合式、電場耦合式、微波式、激光式和超聲式五大類,可實(shí)現(xiàn)不同距離和功率等需求的能量傳輸。[1]在低頻無線電能傳輸系統(tǒng)中核心原理是運(yùn)用磁耦合諧振技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。磁場耦合諧振器補(bǔ)償?shù)淖饔糜葹橹匾?磁耦合諧振器補(bǔ)償電路起到了優(yōu)化系統(tǒng)的功率傳輸能力和降低電源容量需求的重要作用。[2]為掌握補(bǔ)償電路對磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率的影響,本文擬對不同補(bǔ)償方式下電能傳輸?shù)男蔬M(jìn)行測試,便于后續(xù)研究及電路設(shè)計。

1 磁耦合諧振電路補(bǔ)償原理

電磁共振式無線電能傳輸電路大多數(shù)是基于線圈兩端加補(bǔ)償電容的形式。[3]如圖1所示,根據(jù)補(bǔ)償電容的連接方式不同,分為發(fā)射側(cè)和接收側(cè)。同時串聯(lián)電容,稱為串-串聯(lián)諧振方式(S/S);發(fā)射側(cè)串聯(lián)電容,接收側(cè)并聯(lián)電容,稱為串-并聯(lián)諧振方式(S/P);發(fā)射側(cè)和接收側(cè)同時并聯(lián)電容,稱為并-并聯(lián)諧振方式(P/P);發(fā)射側(cè)并聯(lián)電容,接收側(cè)串聯(lián)電容,稱為并-串聯(lián)諧振方式(P/S);發(fā)射側(cè)和接收側(cè)同時加LC補(bǔ)償,稱為LCL-LCL諧振方式,發(fā)射側(cè)和接收側(cè)同時加LCC補(bǔ)償,稱為LCC-LCC諧振方式。

圖1 無線電能傳輸電磁共振式諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

補(bǔ)償回路中存在電感和電容,當(dāng)電源頻率變化時,電路的感抗和容抗將隨著頻率變化,從而導(dǎo)致電路的工作狀態(tài)隨著頻率變化。在含有電阻、電感和電容的交流電路中,傳輸電路的兩端電壓與其電流一般是不同相的,如果調(diào)節(jié)電路參數(shù)或電源頻率,使電流與電壓同相,則電路工作在諧振狀態(tài),電路呈電阻性。

1.1 串聯(lián)補(bǔ)償原理

串聯(lián)諧振補(bǔ)償電路如圖2所示,補(bǔ)償電容C和傳輸線圈等效電感L串聯(lián),電阻R為回路等效電路電阻。

圖2 RLC串聯(lián)補(bǔ)償電路

由向量法則可知,圖2中回路的輸入阻抗為：

(1)

串聯(lián)諧振頻率特性為：

(2)

則回路輸入阻抗可變換為：

(3)

1.2 并聯(lián)補(bǔ)償原理

并聯(lián)補(bǔ)償電路如圖3所示,補(bǔ)償電容C和傳輸線圈等效電感L并聯(lián),電阻R可等效為負(fù)載電阻。

圖3 RLC并聯(lián)補(bǔ)償電路

電路中流過電感L和電容C的電流分別為：

(4)

信號源輸出總電流為：

(5)

則電路的總阻抗為：

(6)

2 不同補(bǔ)償方式下無線電能傳輸?shù)臏y試

無線電能傳輸系統(tǒng)因分為發(fā)射部分和接收部分,如圖1所示,根據(jù)補(bǔ)償電容的連接方式不同,本次測試針對串-串聯(lián)諧振方式(S/S)、串-并聯(lián)諧振方式(S/P)、并-并聯(lián)諧振方式(P/P)和并-串聯(lián)諧振方式(P/S)進(jìn)行試驗(yàn)測試。以下測試數(shù)據(jù)中C為補(bǔ)償電路諧振電容,Vi為發(fā)射端線圈電壓,Ii為發(fā)射端線圈電流,Vo為接收端線圈電壓,Io為接收端線圈電流,Wi為發(fā)射端發(fā)射功率,Wo為接收端耦合功率,η為傳輸效率。

2.1 串-串聯(lián)補(bǔ)償諧振方式(S/S)測試

測試原理圖如圖1(a)所示,發(fā)射端與接收端均采用串聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞?實(shí)驗(yàn)發(fā)射頻率為95 KHz,傳輸距離為1 cm。發(fā)射線圈線徑為0.1 mm,匝數(shù)為5匝,電感為12.65 μH,內(nèi)阻為0.105 Ω。接收線圈線徑為0.1 mm,匝數(shù)為5匝,電感為12.89 μH,內(nèi)阻為0.102 Ω,負(fù)載為10.6 Ω。當(dāng)同時改變補(bǔ)償電容從0.22 μF至3.3 μF時,實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 串-串聯(lián)補(bǔ)償諧振電路改變補(bǔ)償電容實(shí)測數(shù)據(jù)表

當(dāng)補(bǔ)償電容取值為1 μF時,實(shí)測波形如圖4所示。

圖4 串-串聯(lián)諧振補(bǔ)償下各測試點(diǎn)電壓波形圖

2.2 串-并聯(lián)補(bǔ)償諧振方式(S/P)測試

測試原理圖如圖1(b)所示,發(fā)射端采用串聯(lián)補(bǔ)償方式,接收端采用并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞?。系統(tǒng)參數(shù)與串-串聯(lián)相同,系統(tǒng)傳輸測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 串-并聯(lián)補(bǔ)償諧振電路改變補(bǔ)償電容實(shí)測數(shù)據(jù)表

當(dāng)補(bǔ)償電容取值為1μF時,實(shí)測波形如圖5所示。

圖5 串-并聯(lián)諧振補(bǔ)償下各測試點(diǎn)電壓波形圖

2.3 并-串聯(lián)補(bǔ)償諧振方式(P/S)測試

測試原理圖如圖1(c)所示,發(fā)射端采用并聯(lián)補(bǔ)償方式,接收端采用串聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞?。系統(tǒng)參數(shù)與串-串聯(lián)相同,系統(tǒng)傳輸測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 并-串聯(lián)補(bǔ)償諧振電路改變補(bǔ)償電容實(shí)測數(shù)據(jù)表

當(dāng)補(bǔ)償電容取值為1 μF時,實(shí)測波形如圖6所示。

圖6 并-串聯(lián)諧振補(bǔ)償下各測試點(diǎn)電壓波形圖

2.4 并-并聯(lián)補(bǔ)償諧振方式(P/P)測試

測試原理圖如圖1(d)所示,發(fā)射端與接收端均采用并聯(lián)補(bǔ)償方式。系統(tǒng)參數(shù)與串-串聯(lián)相同,系統(tǒng)傳輸測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 并-串聯(lián)補(bǔ)償諧振電路改變補(bǔ)償電容實(shí)測數(shù)據(jù)表

當(dāng)補(bǔ)償電容取值為1 μF時,實(shí)測波形如圖7所示。

圖7 并-并聯(lián)諧振補(bǔ)償下各測試點(diǎn)電壓波形圖

3 結(jié)論

對低頻磁耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的諧振補(bǔ)償電路進(jìn)行理論分析,并在補(bǔ)償電容分別采用串-串聯(lián)(S/S)、串-并聯(lián)(S/P)、并-串聯(lián)(P/S)、并-并聯(lián)(P/P)連接時對系統(tǒng)的傳輸參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,并得到系統(tǒng)的傳輸效率。根據(jù)傳輸效率的數(shù)據(jù)顯示,不同補(bǔ)償方式下,補(bǔ)償電容的取值也會對系統(tǒng)造成一定的影響,不同的系統(tǒng)參數(shù)需要匹配適合系統(tǒng)的補(bǔ)償方式及補(bǔ)償電容。