基于Royer架构的无线能量传输毕业论文

 2022-05-12 09:05

论文总字数:15772字

摘 要

电力以非接触方式传送给用电设备的技术叫做无线能量传输技术。该技术避免了传统导线接触时产生的电火花,同时摆脱了复杂的充电器型号等弊端,因此无线输电具有更多的安全性和便捷性。论文所研究的磁耦合谐振式无线输电系统,因具有传输距离远,功率大,选择性传输等优势,在电动汽车,移动设备和医疗电子方面具有巨大应用前景。

论文根据磁耦合谐振模型,分析Royer拓扑结构并设计组成逆变器;绕制线圈,并添加补偿电容,计算出线圈的谐振频率,与逆变器产生的交流信号的频率发生强耦合谐振,得到最优效率和功率。通过电路的软件仿真,元件参数的匹配尝试,对各模块进行分析。同时通过对逆变拓扑结构的改变,分析优化方法,得到更高功率。为验证理论的正确性,搭建了无线传输装置,该实验装置实现了15V直流电输入,线圈10cm内4W的无线能量传输,效率达到14%。

关键词:无线能量传输 磁耦合谐振 Royer

Wireless power transmission based on Royer architecture

Abstract

The technology which makes electrical devices be connected to electricity in non-contact way is called wireless power transmission technology.It avoids the electric sparks caused by plug connectors,but also gets rid of complex charger and so on.In this case,the wireless transmission way is much more convenient and safer. Magnetically coupled resonant wireless power transfer system in this thesis,which has the advantage of long distance,big transmission power and selective transmission.It has a great future in electric cars, mobile equipment and medical electronics.

According to magnetically coupled resonance model,this paper establishes the inverter based on the structure of Royer,then analyses and calculates the resonant frequency of the coil.To get the operating frequency when system occurs strongly coupled resonator by experiments,and then it’ll show the best frequency, efficiency and power.In order to obtain higher transmission power, this paper analyzes the circuit of ZVS structure.To verify the correctness of the theory, this paper sets up a wireless transmission equipment.The equipment can transfer 4W of wireless power through a distance of 10cm undering the premise of 15V DC input,and the transmission efficiency is 14%.

Key Words: Wireless Power Transmission;Magnetic Resonances;Royer

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究目的和应用 2

1.3 研究现状 3

1.4 论文组织结构 4

第二章 磁耦合谐振式无线能量传输机制 6

2.1 共振 6

2.1.1 近区磁场及耦合 6

2.1.2 磁耦合谐振 7

2.2 系统稳定性及效率影响因素 7

2.2.1 拓扑结构的影响 7

2.2.2 传输距离的影响 8

2.2.3 负载和频率的影响 8

2.3 原理性电路 8

第三章 无线能量传输系统设计 10

3.1 系统构成 10

3.2 逆变电路设计 10

3.2.1 全桥逆变 10

3.2.2 Royer振荡器 12

3.3 线圈设计 12

3.4 整流电路设计 14

3.5 参数选择 14

3.5.1 开关管选择 14

3.5.2 二极管选择 15

3.5.3 电感及线圈参数 15

第四章 系统搭建及优化 16

4.1 电路搭建及结果 16

4.1.1 仿真图及仿真波形 16

4.1.2 调试过程 17

4.1.3 测试结果 18

4.2 功率优化方案 18

4.2.1 ZVS介绍 19

4.2.2 电路搭建及调试分析 21

4.2.3 优化尝试结论 21

第五章 总结与展望 23

参考文献 24

致 谢 26

附录: 27

第一章 绪论

1.1 引言

如今科技迅速进步,电子消费品更加趋于小型化,便于人们随身携带,这种趋势使得传统有线输电遇到巨大挑战:例如供电导线占用了相当一部分的空间资源,充电导线对便携式电子产品的限制,使得其移动性变差;充电适配器和各国的插座标准差异,也使充电产生了许多不便。电磁干扰信号沿着传输导线,传递给敏感器件,影响设备正常工作;电火花,由导线外露或是在连接处蹦出;这些都会造成严重的安全事故,尤其是在特殊环境(防爆,工矿等高危领域)。电线电缆等接线式输电的不足越发明显。近年来,移动充电,医疗设备等方面,无线充电带来的方便及安全性,使得人们对无线技术的渴望更加急切。

无线电能传输(Wireless power transmission,WPT),根据传输原理和技术应用先后,大致分为三种:第一类是电磁感应原理,第二类是电磁波,还有电磁场的谐振。早在19世纪末,尼古拉·特斯拉Nikola Tesla(美国发明家),便提出这一设想,该设想是通过地表周围的电磁波作为媒介来实现能量的传输。虽然该实验最终并未能够完成,但该设想引起了足够关注,对于无线传输可能性的研究随之而起,电磁感应的方式被发现。当前,国内外对电磁感应原理的研究较为成熟,以此原理为基础的无线能量传输技术已被应用于工业设备﹑家用电器等领域;在工业和医疗领域,有线传输与其相比,弊端显得格外突出。但电磁感应式的能量传输功率小,同时传输效率,随着距离的增加而迅速衰减,因此仅适合短距离(mm级)应用。生活电器的无线供电,或在一些要求苛刻的特殊场合,如植入式人造器官,要求在大距离范围内,电力也能实现高效﹑可靠的非接触传输。2006 年,无线传输技术取得了实质性的进步,该技术被称为磁耦合谐振技术。11月,麻省理工学院,一只60W的灯泡连接在线圈上,在2.1m远外接收电力,点亮了无线传输技术的发展前景。Marin Soljacic 教授和相关研究者对这一新技术的成功实现,突破了百年来的技术瓶颈,为日益需求的无线输电作出很大贡献。

传统电磁感应传输系统运作时,向各方向辐射电磁波,这些电磁波会对人体产生不良影响。磁耦合谐振技术的亮点在于,运用交变磁场作为传输的通道。交流源使发射线圈产生交变磁场,线圈的固有谐振频率相耦合,产生强烈的共振,由于近区磁场不产生辐射,传输过程,能量的损耗微乎其微。磁耦合技术能够穿透障碍物,但并不对人体造成伤害;同时,其磁场强度随着距离的增加,逐渐接近地球磁场强度。

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