2022年电子技术新进展课程分析方案参考 .docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 数理与信息工程学院电子技术新进展课程报告题 目： 非接触电能传输技术综述专 业： 电子信息工程班 级： 081 班姓 名：学号：成 绩：1 / 10 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 非接触电能传输技术综述姓名： 学号：班级：摘要： 介绍了非接触电能传输 传输电能；目前实现非接触电能传输主要有以下几种方案：1.1 无线电波实现电能非接触传输无线电波充电的基本原理类似于早期使用的矿石收音机2；美国 PowerCast公司利用这一原理开发了一款充电器,可为各种电子产品充

2、电或供电,诸如手机、MP3随身听、温度传感器、助听器,甚至汽车零部件和医疗仪器；整个系统主要包含了两个部件,称为PowerCaster的发射器模块和称为PowerHarvester的接收器模块,前者可插入在插座上,后者就嵌入在电子产品上；该充电器的微型高效接收电路,可2 / 10 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 以捕获到从墙壁弹回的无线电波能量,在随负载作出调整的同时保持稳固的直流电压实现将无线电波转化成直流电,在约 1.2 微波实现电能非接触传输5M 范畴内为不同电子装置的电池充电；一般应用在较大的空间,许多前

3、人提出了许多的方案；在 1980 年,加拿大的通 信讨论中心制造了一架小型飞机,这种飞机能够接收从地面而来的能量源；利用这一能量,这架小飞机能够以21 公里海拔的高度,在2 公里的范畴内飞行；最重要的是,这架飞机能够一次飞行数个月的时间；长时间飞行的隐秘就在于地面上有一个 大型微波发射器,机身上也有一个圆型的硅整流二极管天线,能够将接收到的微波 转换成直流电2；1.3 非辐射性谐振磁耦合实现电能非接触传输这个方法也称为共振感应耦合,以区分于一般电磁感应耦合,它使用单层线 圈,两端放置一个平板电容器,共同组成谐振回路,削减能量的铺张；由麻省理工学院MIT 物理教授 Marin Soljacic

4、带领的讨论团队利用该技术点亮了两M 外的一盏 50cm,仍60 瓦灯泡,并将该技术取名为WiTricity3 ；该试验中使用的线圈直径达到无法实现商用化,假如要缩小线圈尺寸,接收功率自然也会下降；因此,他们估计 在将来几年内,最终开发出能够安全为笔记本电脑和其它设备充电的非接触充电产 品；1.4 感应耦合实现电能非接触传输最早有关感应电能传输的技术是日本国家讨论院与Yaskawa电气公司于 20 世纪八十岁月联合提出来的,到了九十岁月初期,新西兰奥克兰高校电子电气工程系电 力电子学讨论中心以 Pro.B0ys 为中心的课题小组开头对其绽开讨论,并将其正式定名为感应耦合电能传输技术Inducti

5、vely Coupled Power Transfer,简称 ICPT,即变压器松耦合非接触供电 4；在这之后, Pro.Boys 及他所领导的课题小组对感应耦合 电能传输技术进行了一系列的深化讨论,系统地探究了谐振技术在 ICPT 技术中的 应用；对这几种方案进行分析结合各个方案的原理资料可看出：1、无线电波充电虽然可对5M 范畴内的电子设备进行充电但频率要达到900MHz 左右才能达到较高效率,通过墙壁进行反射,能量掌握较难实现；2、微波供电方案一般应用在较远距离的非接触供电,在近距离中非接触供电应 用成本较高,而且微波发射接收设备很复杂,可行性不大；3、非辐射性谐振磁耦合技术讨论刚开头,

6、存在许多问题；如充电线圈直径太3 / 10 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 大,无法商用,对人们佩带的金属质项圈、项链等也会造成影响,以及串扰和线圈方向的问题；4、变压器松耦合充电采纳松耦合变压器实现非接触充电,虽然只能对几厘 M范畴内设备充电,但只需要 证；500KHz 左右的频率,能量掌握较简洁,效率也可以保综上,变压器松耦合充电是目前实现电能非接触传输的有效方案；2 感应耦合实现非接触电能传输2.1 感应耦合技术实现非接触电能传输的原理采纳感应耦合技术实现非接触电能传输的原理框图如图2.1 所示；用电 设备

7、用电 设备电能传输方向松耦合变压器（可分别变压器）初级回路次级回路电网整流滤波高频原 边 绕 组副 边 绕 组整流滤波功率因数电流功率调剂校正次级回路 n图 2.1感应耦合技术实现非接触电能传输的原理框图采纳感应耦合技术实现的非接触电能传输系统由初级回路和次级回路两部分构 成,这两个回路分别与原级电源系统和用电设备相连接,初、次级通过磁场实现非 接触电能传输；初级回路的作用是将原有电源系统经高频变换后在发射线圈中产生 高频电流,次级回路中的拾取机构在初级回路发射线圈邻近的变化磁场中拾取能 量,经过功率变换器将高频能量转化为用电设备需要的能量形式,从而完成了整个 非接触电能传输过程；通常一路发射

8、线圈可为多个拾取线圈供电,实现多种用电设 备的同时供电；与传统的电源供电系统相比,非接触电能传输系统最大的优势就是能够实现电 能的非接触传输,而实现这一过程主要是通过发射线圈和拾取机构之间的磁耦合实 现的；因此,它与变压器的原理相像,但它们之间是有区分的,非接触电能传输系 统的导轨线圈与拾取机构有较大的空气磁路,而且是可以移动的；依据磁路的欧姆 定律和安培环路定律,考虑到空气的磁阻远大于磁芯的磁阻,因此磁路的磁动势降4 / 10 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 主要分布在空气磁路上,随着空气磁路磁阻的增加,就需要

9、在初级回路导轨中产生 较大的鼓励电流,而鼓励电流的增大一方面会增大电磁机构的体积和质量,另一方 面会降低松耦合电磁机构的传输效率；为了提高系统的电能传输效率,减小器件的 体积,提高功率密度,就需要在松耦合电磁机构的初级回路导轨中产生高频电流,通过高频化来提高整个系统的功率密度,减小器件体积,提高电能传输效率；因此需要在初级回路加入整流及高频逆变环节5,提高松耦合电磁机构的初级回路导轨电流频率,达到减小系统体积、提高系统的传输功率密度和效率的目的；2.2 高频电流产生6,通过查阅文献,高频电流产生分两种情形,大功率场合一般采纳高频逆变小功率场合可以采纳振荡产生高频电流再进行功率放大；2.3 松耦

10、合变压器分析2.3.1 松耦合变压器特点系统中的松耦合变压器是重要的组成部分,处于松耦合状态,属于可分别变压 器；同常规变压器一样,松耦合变压器也是应用电磁感应原理实现电能从原边到副 边的变换；不同的是,常规变压器的气隙接近为零,原副边电路可以通过变压器线 圈匝比进行电气变换；而松耦合变压器的原、副边是分别的,气隙大,漏磁大,耦合系数小,能量传输的才能和效率低7,其原、副边电路电压不符合变压器线圈匝比；一般变压器与可分别变压器结构示意图见图 2.3.1；图 2.3.1 变压器示意图2.3.2 互感模型互感模型是一种描述原、副边绕组电磁耦合关系的电路模型；该模型使用感应 电压和反应电压的概念来描

11、述变压器原、副边绕组的耦合关系；感应电压和反应电 压都通过互感来表达,松耦合变压器的耦合性能较差,处于松耦合状态,原、副边 电压不满意绕组匝数比例关系；因此,用互感模型来表示松耦合变压器的等效电路 5 / 10 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 模型是合适的 8；图 2.3.2 给出了松耦合变压器互感模型的等效电路；该模型忽视了原、副边绕组的电阻,其中,、分别为原、副边绕组电压；、分别为原、副边绕组电感；、分别为原、副边绕组电流；为系统频率；为变压器的互感；为副边绕组电流 在原边的反应电压；为原边绕组电流 在副边的

12、感应电压；图 2.3.2 松耦合变压器互感模型由此,可以得到变压器原边绕组端电压为1）副边绕组端电压为2）2.3.3 参数设计在非接触感应电能传输系统中,松耦合变压器原、副边电路相互影响；其电能传输关系由多个参数打算,且这些参数相互制约；下文对松耦合变压器的耦合系数、补偿拓扑等几个重要参数给出设计方案；a.耦合系数变压器原、副边绕组的耦合系数为3）耦合系数K 表示变压器原、副边绕组的耦合程度,与变压器铁芯材料、绕组的相对位置及气隙大小有关；b.变压器的铁芯材料对非接触感应电能传输系统中松耦合变压器的铁芯材料的挑选,一般有以下几 个要求：磁导率要高；具有很小的矫顽力狭窄的磁滞回线；电阻率要高；

13、有足够大的饱和磁感应强度；磁损率要小；居里温度要高；一般,铁氧体、铁 镍软磁合金、非晶合金都能满意非接触感应电能传输系统中变压器铁芯材料的要 6 / 10 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 求；从性能上看,非晶合金总体性能优于其他软磁材料；非晶合金中的铁基微晶是 其中最优的磁性材料；在选用时,要对成本、性能等进行综合考虑 7；c.气隙大小气隙大小是松耦合变压器耦合系数的关键因素之一；在非接触感应电能传输系 统中,应依据变压器气隙大小和变化范畴选取合适的变压器结构和工作状态,使变 压器在气隙规定变化范畴内,保证耦合系

14、数变化较小,保持较高的耦合系数,这样有利于系统的优化设计和效率的提高；图 系 7；2.3.4是样机耦合系数与气隙大小的变化关图 2.3.4 耦合系数与气隙的关系2.4 补偿理论无接触感应电能传输系统中,存在着较大的漏电感,限制了其传输的有功功 率；为了尽量削减系统消耗的无功功率,一般采纳补偿容抗来平稳电路中的感抗；原边的补偿电容是为了平稳原边的漏感抗和副边的反应感抗,从而减小感应电源的视在功率,提高感应电源的功率因数；副边的补偿电容是为了减小副边的无功功率,增大感应电源的输出功率8；基本的补偿拓扑有电容串联补偿和电容并联补偿两种形式；如原、副边分别采纳串联或并联补偿方式,就系统的补偿拓扑方式共

15、有4 种：串联 -串联补偿拓扑、串联-并联补偿拓扑、并联-串联补偿拓扑并联并联补偿拓扑见图 2.4.1所示；7 / 10 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2.4.1 原副边补偿拓扑2.5 采纳 PCB螺旋电感线圈来制作松耦合变压器 文献 9 介绍了将初、次级绕组分别印制在两块印刷电路板上,从而可使手机的厚度、大小和重量大大减小,文献10提及了手机的无接触充电；此类设备无接触供电的方案为：初级绕组和高频电源放置在充电器中,充电器可以与一般的电压线 相连,次级绕组与整流器和电池置于设备中,充电器和电气设备都由塑料

16、盒子封 装；当把设备放进充电器时,初、次级绕组相互对正,充电过程开头；这类无接触 供电应用的共同点是：体积小、重量轻、牢靠性高；可以掌握电池充电,保证充电 正常、安全；3 CPT 技术的应用在轨道交通、航空航天、机器人、医疗器械、照明、便携式电子产品等场合,非接触感应电能传输技术有着广泛的应用前景11；非接触感应电能传输技术解决了传统导线直接接触供电的缺陷,是一种有效、安全的电能传输方法；新型无接触供 电系统的讨论应用领域广泛,传输功率相差较大,小到用于生物移植的几十毫瓦、8 / 10 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - -

17、 - 小型设备的几十瓦功率的供电,大到电动汽车或运动机器人的上千瓦功率以及磁悬浮列车应用的上兆瓦功率的供电；3.1 小功率应用 医学上,如心脏起搏器12等；一些小电器,例如电动剃须刀、电动牙刷；这些电器常常会在潮湿的环境下使用,电气连接的存在可能会导致事故；无接触的电能 传递使充电过程中没有裸漏导体,从而将大大提高电器的牢靠性和安全性；近来随 着移动电话的显现,这一技术正被讨论用于手机电池的非接触充电；3.2 大功率应用第一就是在充电站给汽车蓄电池充电；其次主要集中在给恶劣环境下工作的移 动设备供电,如电动汽车、起重机、运货车以及水下、井下设备 13 ；4 CPT 技术的进展前景CPT 技术仍

18、旧会向小功率和大功率两个方向进展,大功率应用是难点,进展潜 力也更大；在推动非接触充电商用时应做好电磁安全性的检测；在推动非接触充电商用时也应当推动非接触充电标准的统一化、规范化 产生活带来庞大的便利；5 终止语11；CPT 技术的进展必将给生2022 年 9 月 1 日,全球首个推动无线充电技术的标准化组织无线充电联盟: 83 86. 4 Green A W, Boys J T. 10kHz inductively coupled power transfer-concept and controlA. Fifth International Conference on Power Elec

19、tronics and Variable-Speed DrivesC. 1994. 694699. 5 陈国东 .非接触电能传输系统恒流技术讨论D. 重庆 :重庆高校 ,2022:37. 6 陈坚 .一种无接触式充电电路的讨论 D. 浙江 :浙江高校 ,2005:26-60. 7 詹厚剑 ,吴杰康 ,赵 楠等 . 非接触感应电能传输系统松耦合变压器参数设计 J. 现代电力,2022,261:4143. 8 刘建 .基于松耦合变压器的全桥谐振变换器的讨论D. 南京：南京航空航天高校,2022:1213. 9 Byungcho C, Jaehyun N, Honnyong C, et al. De

20、sign and implementation of low-profilecontactless battery charger using planar printed circuit board windings as energy transfer deviceJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004, 511: 140 147. 10 Yungtaek J, Jovanovic M M. A contactless electrical energy transmission system forportable-tel

21、ephone battery chargersJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2003,503: 520527. 11 王晓静 .基于 RFID 技术的无线充电系统讨论D. 北京 :北京邮电高校 ,2022:1-3,44. 12 郑晓晨 ,汪木兰 ,Hung T. Nguyen. 心脏起搏器用无线充电系统设计 J. 机电产品开发与创新,2022,225:37. 13唐春森.非接触电能传输系统软开关工作点讨论及应用D .重庆:重庆高校,2022:1-57. 10 / 10 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 10 页