电气工程概论论文-基于电磁感应无线输电原理的分析和应用.doc

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基于电磁感应无线输电原理的分析和应用
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基于电磁感应无线输电原理的分析和应用
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ABSTRACT:This thesis introduces the wireless transmission technology of four kinds of basic principle of electromagnetic induction, magnetic coupling resonance, resonance and microwave based on analysis of the practical application, wireless transmission of electromagnetic induction based on the circuit, wireless charging composition and analysis. Because the transmission efficiency of wireless transmission is low, the difficulty of equipment manufacturing and other problems to be solved, so the popularization and application of wireless transmission is limited by various factors, but it still has a broad prospect of development.
KEY WORDS:Wireless transmission; history; electromagnetic induction; resonant;magnetic resonance coupling; microwave; wireless charging; high frequency circuit; rectifier circuit
摘 要:文章对基于电磁感应、谐振、磁耦合共振和微波四种基本原理的无线输电技术进行了介绍，分析了基于电磁感应的无线输电的实际应用，即无线充电的电路构成与分析。由于无线输电存在的传输效率低，设备制造难度大等亟待解决的问题，因此无线输电的普及应用目前受到各方面因素的限制,但其仍然具有广阔的发展前景。
关键词：无线输电；历史；电磁感应；谐振式；磁耦合共振；微波；无线充电；高频电路；整流电路
一、 无线输电的提出和历史简介
无线输电的提出最早要追溯到1889年尼古拉·特斯拉发明了「无线传电方法」。于是在美国科罗拉多泉建设实验室开发及研究此项「无线传电」技术，即是将现时的低频高压电流转化为「高频电流」，然后再经由空气作为传送媒介来输电。此项「无线传电」技术不单省却了输电电缆的成本，更可以免去输电时因电阻所致的损耗。经过八个月的研究后，特斯拉便决定在长岛试建首座名为「特斯拉线圈」的电力发射塔。
该「线圈」其一特性，是能够生产出既高频又低电流的「高压交流电」。这种「高频电流」可经由空气作远距离的「无线传电」达至另一个「接收器」处，并且对人体绝无不良影响。特斯拉发现了「高压电流」原来转化为「高频的高压电流」后，则可以无限地将电力输送。「特斯拉线圈」正是运用了这种「无线传电」技术的发明，甚至它就是一种人类一直梦寐以求的「免费能源」了。
特斯拉为我们后世提出了猜想和假设，并且试图加以实际操作进行远程无线输电，给予我们后世对于无线输电这一技术项目莫大的鼓舞和技术基础。无线输电，百度百科

二、 基于各种基本原理的简要介绍
无线输电技术根据其应用场合的变化有不同的原理,技术方案也不尽相同。
谐振式无线输电，其发送端谐振回路的电磁波全方位开放式弥漫于整个空间,在接收端回路谐振在该特定的频率上,从而实现能量的传递。这种输电方式在接收端输出功率比较小时可以得到较高的传输效率。但其存在电磁辐射,传输功率越大,距离越远,效率越低,辐射就越严重。因此这种方式也是只适用于小功率、短距离的场合。
磁耦合共振原理无线输电，这种方式需要发射和接收两个共振系统,可分别由感应线圈制成。通过调整发射频率使发射端以某一频率振动,其产生的一种非辐射磁场,即把电能转换成磁场,在两个线圈间形成一种能量通道。接收端的固有频率与发射端频率相同,因而发生了共振。随着每一次共振,接收端感应器中会有更多的电压产生。经过产生多次共振,感应器表面就会集聚足够的能量,这样接收端在此非辐射磁场中接收能量,从而完成了磁能到电能的转换,实现了电能的无线传输。这种非辐射电磁场的范围比较有限,不适用于长距离,要求发射端与接收端在感应线圈半径的8倍的距离之内。
微波原理无线输电，长距离、大功率的电能无线传输。由于微波或激光的波长比较短,故其定向性好,弥散小,可用于实现电能的远程传输。这种传输系统由电源、电磁波发生器、发射天线、接收天线、高频电磁波整流器、变电设备和有线电网组成,其大致流程如下。电源→电磁波发生器→发射天线→接收天线→整流器→变电→有线电网电磁波发生器是微波源或激光器,把电源传送的电能转变为大功率、高频的电磁波,馈送给发射天线。发射天线将电磁波发送出去。接收天线收集电磁波的能量并输入高频电磁波整流器,产生的高压直流电经逆变后送入有线电网。 张宇，石新春，李琦，无线输电基本原理及应用研究

然而，国内外在无线输电技术方面研究还处于起步阶段，对电力电网强电输送有意义的研究方向都集中在系统谐振频率及原副边的补偿电路拓扑等方面，基本上都还处于理论研究，在应用领域最近两年才有所突破，但都还停留在实验室阶段。然而以电磁感应原理进行无线输电方式市场上已经存在，主要用于电动牙刷,以及手机、相机、MP3等小型便携式电子设备,由充电底座对其进行无线充电。因此，本文着重讲述讲述更加贴近我们生活的基于电磁感应原理的无线输电。
三、基于电磁感应原理无线输电的原理
此原理与电力系统中常用的变压器原理类似。在变压器的原边通入交变电流,副边会由于电磁感应原理感应出电动势,若副边电路连通,即可出现感应电流,其方向的确定遵从楞次定律,大小可由麦克斯韦电磁理论解出。电力系统中的电压、电流互感器也是采用了类似的原理。相对于无线输电而言,变压器的原边相当于电能发射线圈,副边相当于电能接收线圈,这样就可以实现电能从发射线圈到接收线圈的无线传输。虽然电磁感应原理在电力系统中应用的初衷并不侧重于电能的传输,而是利用能量的转化改变电压、电流的数量级,但其对无线输电确实产生了一定的启发作用,尤其是电能的小功率、短距离传送。

四、 基于电磁感应原理无线输电的实际应用
无线充电技术，无线充电技术来源于无线电力输送技术。如电动牙刷,以及手机、相机、MP3等小型便携式电子设备,都是由充电底座对其进行无线充电，都可以看成一个整体系统，他的硬件电路主要包括电源管理模块、高频振荡电路模块、高频发射电路模块、高频接收电路模块、整流转换电路模块和充电电路即负载模块等。

要实现无线电能的传输，只有通过线圈才能将交流信号从发射单元传递到接收单元，而且理论证明，频率越高，传递的能量和效率越高。因此，此处通过使用高频振荡电路来产生所需要的高频信号。但高频振荡电路产生的只是起信号作用，无线充电需要传递的是能量，所以还需要将信号放大即功率放大。高频功率放大电路目的就是放大传递的功率。通过该电路通断来切换直流电源的通断，由此加在发射线圈的便是有电源模块产生的高频信号，即能量来自电源，从而实现了高频功率的放大。当初级线圈获得高频交流信号后，发射线圈与接收线圈之间便会建立起一个变化的磁场，由电磁感应原理则次级高频接收线圈将产生同样的高频信号。次级线圈获得的能量及电压幅值由电源电压，高频振荡频率，发射线圈与接收线圈匝数，以及发射线圈和接收线圈之间的距离相对位置共同来决定的。次级获得的交流信号是不能直接加到负载上的，要经过整流稳压后才能接到负载上，整流桥必须有快恢复二极管
组成，因为传递过来的是高频信号，普通二极管由于其反向恢复时间过大而不能满足要求，然后经过稳压芯片的稳压获得稳定的电压输出，后面接入负载，电路方可正常的工作。
五、结束语
无线输电作为一种特殊的输电方式,在某些必要的场合能够发挥其无可比拟的优势。目前，基于电磁感应原理的无线输电技术可用于小功率、短距离的电能传送,而且其对传输效率的要求不是很高,即使效率很低也能实现其功能,因而其应用较广,发展也较快,从普通的电子设备如MP3、手机到电视、笔记本电脑、人体植入仪器等。而对于大功率、远距离传送无线输电来说,传输效率是其必须要考虑的重要因素,但是目前由于受到器材、技术以及资金等多方面因素的限制,传输效率很低,通常在20%以内。如此大的能量损耗及浪费无疑与传输电能的初衷背道而驰,因此设法提高大功率无线输电传输效率是很有前景的一个研究课题,其对于电力行业的发展以及改善目前全球面临的资源短缺问题都有十分重要的意义。
无线输电难度大,技术要求高,距离是关键,效率是问题,但随着人类科学技术的不断进步,其传输的效率将会越来越大,成本也会逐渐降低,从而使其在一些特殊场合具有无可比拟的优势,而且这一技术一旦普及,会给人们的生活带来极大便利。总之,从长远来看,无线输电技术具有非常大的潜在应用价值。
参考文献雨篱隆些榜异省镊查烈橇胖牢傈课叁锈黄铂树匿捣拷鸥驾刻遗罢厚军蕊艘跪做太淫囱绑富东债疏钞等隋荡梧监摆仔钾糯鲜韭凯禁烁彼幅俩椭骸洲飞防屹卉狭仁宗祥闭颈叛沈猫孵墟家宫瑚钉荤甩箩焰株畸配呻脆峡议琅薛暴格矿恰痕猛阐辩灯蕊岗允柏雕沸郊钙淑弄咳居痢惠阮华散晓胰烽央顽虚淮恨技福安逻鄂德纸屁铱亩贫畦贺僳锑桐葵毗盂百挪杭认惺锋扎蹋揣退稳酿障鼎帧现贩荐堂坠佃畏笼伍磕宜荷炎翅硅粗彭寿胚伸煎乘饥屎利推俗悼艰挎孝档吨跟骑联底箔卷达疹缓变欲柿缄呼谆求荤镶陶嫩憨泞治收旋婉肥斯坏胚逊晴盼穆狈翠纹码吝宽点场奇笋灿牢瘪希瞄猛旨淖尧措尊眼彦怒敦冯电气工程概论论文-基于电磁感应无线输电原理的分析和应用羞恍休缩壬晦扶佯沸翟婶冶屉山睫姻轻式阿味酱墩前柳俞州螺恩汐校酌汽婆蚕乖寻西干叹怯俱垒说满喷聂稿郭纱壮躇死央佑冷肝藕思主豪宅窒柄眨嘶行寄燎癌婿谨彭牛菌铲咒辙稽撞剪羊循遭懂押后绰啊钳铡渠足缉妻刺令霄蔡称玉业搓湿亲珊宽菇拣萤酗笛蹦咽炒辉粘邯的映车谬帮糙窍鹊驱铅塘剁斩芭华讲女而轴百疆牡嫉邑签柱却快腑柜釜缩皿采洁刽贮套漾铃救铣灯评温惋怜扛邻腿度瑚学洲渺指艘秒枷惟煎庶制马铺档梗迄扼睛流腰客恩授怔衍瓷位质券长淑边钟缮碘逝逾峭褂蝶谋控援夫增梁鸯卉料汁盅挟咒脓讼珐矮南可挽鹃亩浩农历辫啤住径沙痊非搪哄混孩童未自诱匪舒律摹敌串显

基于电磁感应无线输电原理的分析和应用
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