采用谐振补偿的无线电能传输实验设计_王自珍.pdf

第 卷 第 期 年 月：采用谐振补偿的无线电能传输实验设计王自珍，汪洋堃，张士文，张 峰（上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海）摘 要：针对传统串、并联谐振电路实验内容单一、缺少应用实践问题。设计了无线电能传输系统实验。在巩固实验原理的基础上，增加了谐振补偿、线圈耦合、整流滤波和工作负载等，考虑无线电能传输系统的工程应用效率和性能，设计了不同谐振补偿组合方式下电能传输效率探索实验，并通过 直观表征电路工作状态。实验设计具有一定的综合性，强化了理论知识与工程实践之间的联系，相比以验证性内容为主的谐振实验更易激发学生学习兴趣，有利于提高课程的教学效果。关键词：电路实验；串、并联谐振；无线电能传输；工程应用中图分类号：，文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；收稿日期：基金项目：上海交通大学 年度教学发展基金项目（）作者简介：王自珍（），女，河南周口人，硕士，工程师，主要从事电子技术、电路实验及工程实践类课程教学和嵌入式系统开发应用。：；：通信作者：汪洋堃（），女，河南洛阳人，博士，实验师，主要从事电子技术实验等工程实践类课程教学和配电线路低压电弧特性分析与在线检测算法研究。：；：引 言串、并联谐振是广泛应用于无线通信工程、无线电能传输等领域的特性电路现象，是电路理论和电路实验课程重要的知识点和实验内容。目前，多数电路实验课程一般仅在基础实验部分设置一个验证性内容，通过频率点扫描由电阻、电感和电容构成的串联或并联电路的局部电压，寻找谐振点，绘制谐振曲线并进行品质因数的简单分析。内容倾向于理论原理第 卷的验证，几乎不涉及谐振在工程实践的应用内容，导致学生通过实验仅了解谐振原理，对串、并联谐振的应用知之甚少，不利于调动学生的学习积极性，影响实验教学效果。无线电能传输是电路谐振在工业工程特别是消费电子领域中新兴且迅速发展的一个重要应用形式，如生活中随处可见的采用无线充电的手机、电动牙刷等电子产品。这些生活中熟悉的应用场景易引发学生兴趣，本文设计采用谐振补偿的无线电能传输实验，将传统串、并联谐振实验由原理验证转变为实践应用探索，紧密结合工程应用，培养学生的实践能力，增加实验的综合性和创新性。无线电能传输原理 磁耦合式无线电能传输原理无线电能传输技术中大功率应用场合主要是磁耦合式系统，磁耦合无线电能传输系统核心是由 个或多个无电气接触的电感线圈通过交变磁场将电能从发射线圈，以电能磁能电能的转换方式传输至接收线圈，实现电能传输。图 是 线圈构成的磁耦合无线电能传输系统原理示意图。图 磁耦合无线电能传输原理 激励施加于发射线圈，根据麦克斯韦第一方程，发射线圈在周围空间产生一个交变的磁场，当接收线圈处于该交变磁场中，根据麦克斯韦第二方程，接收线圈将感应产生交变的电场，形成一定的感应电动势，可给负载供电，完成电能从激励到负载的传输。磁耦合无线电能传输系统电路模型对 线圈磁耦合无线电能传输系统建立电路模型，如图 所示。为简化电路分析，模型中的发射线圈和接收线圈参数一致，自感均为，寄生电阻为；激励为电压源，电压源内阻为，负载为纯电阻。发射线圈和接收线圈之间的互感 （）式中，为线圈耦合系数，表示线圈的耦合程度，一般 的大小与线圈的磁导率、匝数、半径及线圈间的距离有关。当线圈选定，影响 的主要是发射线圈和接收线圈之间的距离。图 线圈磁耦合无线电能传输系统电路模型 对图 所示的电路模型进行解耦等效，得到如图 所示的磁耦合无线电能传输系统解耦后发射端电路和接收端电路。（）发射端（）接收端图 发射端和接收端解耦等效电路模型（）（）式中：和 分别为线圈等效互感电压；为激励电压源的角频率；为接收端等效电路电流。由解耦等效电路可见，接收端电路实质上是发射端的负载，发射端电路可进一步简化等效为图 所示形式。图 发射端电路简化等效电路模型 图 电路模型中为接收端电路等效至发射端的综合阻抗，接收端电路自身总阻抗接收线圈自感、等效电阻和负载串联阻抗由阻抗等效原理（）（）（）（）可见，发射端电路和接收端电路本质上均由感性阻抗构成，发射端的激励源不论是电压源或电流源，系统电路的电压与电流相位差会较大甚至接近，意味着电源的功率主要以无功功率的形式存在，致使系统的功率因数较低，无法有效传输电能，需要引入电路 第 期王自珍，等：采用谐振补偿的无线电能传输实验设计谐振对系统进行谐振补偿，使系统等效阻抗呈接近阻性，以提高系统功率因数。谐振补偿电路谐振的基本类型有串联谐振和并联谐振，以接收线圈等效电路模型为例，分析串联补偿和并联补偿对无线电能传输系统的影响。串联谐振补偿图 所示为对接收线圈进行串联谐振补偿后的等效电路，图（）为系统接收电路简化等效电路模型，为接收线圈感应电压，这里仅分析接收线圈电路时可视作独立电压源。图（）为加入补偿电容、自感 和负载 构成串联电路。（）接收端电路模型（）串联补偿后接收端电路模型图 串联谐振补偿 补偿前电路模型中电源为，对应相量为，负载上的电压，对应的相量为，则负载电压和功率分别：（）（）（）（）（）补偿后负载上的电压，对应相量为，功率 为（）（）（）（）（）当电压源频率满足 时，则（）（）（）（）由于 ，谐振时电路的品质因数 ，对比谐振补偿前后可发现，串联谐振补偿后电路呈现阻性，能量交换在电容与电感元件之间进行，电容与电感上的串联等效阻抗为，负载获得的电压提高到补偿前的（），功率提高到补偿前的（）倍。并联谐振补偿对接收线圈进行并联谐振补偿后的等效电路如图 所示，由于（），简化分析时可仅考虑，图（）为系统接收电路简化等效电路模型，接收线圈上感应电压，视作独立电压源。图（）为加入补偿电容，与负载并联，为方便分析，对图（）进行诺顿等效，得到电路如图（）所示，等效后电流源。（）接收端电路简化模型（）并联补偿后接收端电路模型（）并联补偿后接收端电路的诺顿等效电路图 并联谐振补偿 补偿前电路模型中电源为，对应向量为，负载 上的电压，对应的向量为，则负载电压和功率分别为：（）（）（）（）补偿后诺顿等效电路模型中电流源，相量为，负载 上的电压，相量为 和功率 为（）（）（）（）（）（）当电源频率满足 时，则（）（）（）（）谐振时电路的品质因数 ，对比谐振补偿前后可发现，并联谐振补偿后电路呈现阻性，能量交换在电容与电感元件之间进行，电容与电感的并联阻抗等效近似为无穷大，并联谐振补偿后负载上获得的电压提高到补偿前的（），功率提高到补偿前的（）倍。第 卷 系统仿真与分析由以上推导可知，在无线电能传输系统中加入电容元件，使系统实现谐振状态，负载呈现阻性，可提高系统功率因数，使负载获得更高的电压和功率，提升无线电能传输效果。不同谐振补偿组合效果探索系统发射端和接收端分别进行串 并联谐振补偿，可构成 种基本结构：串串谐振补偿、串并谐振补偿、并串谐振补偿和并并谐振补偿结构，图 所示为上述 种补偿电路结构。（）串串补偿（）串并补偿（）并串补偿（）并并补偿图 种谐振补偿电路结构 使用 仿真软件对上述 种谐振补偿结构的无线电能传输电路进行仿真分析，图 为 搭建的串串谐振补偿仿真电路，发射线圈和接收线圈选择“耦合电感”代替，耦合电感的初级作为发射线圈，次级作为接收线圈，初级和次级自感均为 ，电容值为 ，谐振频率，约为 ，电压源串联小电阻为电源内阻，负载。图 串串谐振补偿仿真电路 实验中对特定的谐振补偿结构，选定线圈、电容和负载后，影响系统传输效率的主要因素是发射线圈与接收线圈之间的耦合程度，实验过程中改变线圈间距或相对位置，均会改变耦合系数，影响线圈间互感，进而影响无线电能传输系统的工作状态。依次对上述 种谐振补偿结构进行耦合系数的参数扫描仿真，可以得到 种补偿结构下无线电能传输系统中电源电流、负载电流和传输效率，如图 所示，图（）为 种不同补偿结构的电源电流对比，图（）为 种补偿结构的负载电流对比，图（）为 种补偿结构的效率（负载的功率 电源输出功率）对比。（）电源电流对比（）负载电流对比（）效率对比图 种补偿结构仿真结果对比 由图 仿真结果可见，当耦合系数从最低 变到最高，种补偿结构下的无线电能传输系统性能有明显差异：（）电源电流。由图（）可见，串串补偿结构 第 期王自珍，等：采用谐振补偿的无线电能传输实验设计和并串补偿结构电源电流随耦合系数变化波动较小，且并串补偿结构电源电流相对更小；串并补偿结构和并并补偿结构的电源电流在耦合系数变化时波动大。（）负载电流。由图（）可见，除并并补偿结构外，其他 种补偿结构的负载电流都与耦合系数呈正相关，其中串并补偿结构和并串补偿结构下负载获得的电流较大。（）传输效率。由图（）可见，串串补偿结构最大传输效率不到，串并补偿结构的传输效率与耦合系数呈正相关，且最大近，并并补偿结构和并串补偿结构的最大传输效率约为，且并串补偿结构的高效率传输范围更宽。综合考虑在耦合系数变化时，并串补偿结构的高效率传输范围较宽，相较其他 种结构电源电流更小且波动较小，负载电流较大，适合用于课堂教学实验来观察谐振补偿下无线电能传输系统特性。需要注意的是，不同谐振补偿结构在不同场合条件用途和性能各异，鼓励学生探索其他几种谐振补偿电路特性。并串谐振补偿的无线电能传输实验电路图 所示为并串谐振补偿的无线电能传输实验电路，发射端使用信号发生器作为激励源，电感线圈为发射线圈，并联电容构成并联谐振补偿；接收端电感线圈作为接收线圈，串联电容构成串联谐振补偿。为方便直观展示系统的电能传输效果，负载设计为电压指示电路，包括整流滤波、电阻分压和晶体管开关电路。图 采用并串谐振补偿的无线电能传输实验电路 接收线圈感应的交流电压 经全波整流和滤波后成直流电压。实验中，改变发射线圈和接收线圈之间的距离或相对位置，线圈之间的互感就会改变，也会随之改变，使得电阻分压电路的各级电压变化，各级电压控制晶体管开关电路的基极电压决定晶体管的通断。当线圈之间距离较近或相对无错位时，互感较大，较大，分压电路、各点电压都满足晶体管饱和导通，则 全亮；当线圈之间距离较远或相对错位时，互感较小，较小，分压电路、各点电压仅满足部分晶体管饱和导通，甚至电压过低晶体管均无法导通，则 部分点亮或全暗。可见，的亮、暗可直观反映无线电能传输系统的工作状态。图 为面包板搭建的并串谐振补偿的无线电能传输电路。相比串、并联谐振传统实验通过频率扫描寻找谐振点、绘制谐振曲线、计算品质因数的实验要求，本文的实验设计在巩固基础实验原理基础上，完整衔接了图 面包板搭建的谐振补偿无线电能传输实验电路谐振补偿、线圈耦合、整流滤波和工作负载等环节，更具综合性。同时，结合无线电能传输的工程应用，探索不同谐振补偿组合方式的谐振方案，通过 亮、暗程度表征电路工作状态，谐振实验效果直观。通过软件仿真和面包板电路搭建，巩固培养学生实践动手能力，实验有助于学生兴趣，灵活掌握知识原理和场景应用，激发其自主学习动机，解决串、并联谐振电路传统实验内容单一、缺少应用实践的问题。第 卷 结 语本文在分析磁耦合无线电能传输原理的基础上，设计采用串联谐振和并联谐振进行补偿的无线电能传输系统在电压和功率方面的提升实验，是电路谐振在实际电路中的一个工程应用。设计采用谐振补偿的无线电能传输实验综合了谐振补偿、线圈耦合、整流滤波和工作负载等环节，探索不同谐振补偿组合方式下的谐振方案，通过 直观表征电路工作状态。通过软件仿真和搭建电路，培养学生动手能力。实验设计将基础理论知识与工程应用相结合，相比以验证性内容为主的谐振实验更利于激发学生的学习兴趣，拓宽学生的工程视野，有助于提升实验教学效果。参考文献（）：陈洪亮，张峰，田社平 电路基础 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