Düşük Güçlü Manyetik Kaplin Rezonanslı Kablosuz Güç Kaynağı Sistemi Araştırması
Son yıllarda, kablosuz güç kaynağı teknolojisi, yeni bir güç aktarım teknolojisi türü olarak hızla gelişti ve birçok uygulama alanında yükselen bir araştırma odağı haline geldi. Temassız güç aktarımı (CPT) olarak da bilinen kablosuz güç aktarımı (Kablosuz Güç Aktarımı, WPT), doğrudan elektrik bağlantısı olmadan bir güç kaynağından tüketiciye bir tür enerji aktarımı anlamına gelir. yol. Geleneksel kontak güç kaynağı modu ile karşılaştırıldığında, kablosuz güç aktarımının iki önemli avantajı vardır: Birincisi, elektrik ekipmanı ile güç kaynağı arasında elektrik bağlantısı olmamasıdır, bu da güç aktarımı gibi geleneksel güç kaynağının neden olduğu güvenlik tehlikelerini azaltır. Aynı zamanda, elektrikli ekipmanın güvenilirliğini, emniyetini ve esnekliğini de büyük ölçüde geliştirir; ikincisi, enerjinin iletim işlemi sırasında toprak, cam, hava gibi manyetik olmayan malzemelerden geçebilmesidir. , Bu, harici sert ortamın ve diğer faktörlerin güç aktarımı üzerindeki etkisini büyük ölçüde azaltır, böylece kablosuz güç iletimi engellerden etkilenmez.
Kablosuz güç kaynağı teknolojisinin teorik temeli, kuplaj ve rezonans prensibidir.İki alıcı-verici bobini, manyetik alan kuplajı ve rezonans yoluyla yük tarafından kullanılmak üzere verici uçtan alıcı uca enerji iletir ve böylece enerjinin verimli kablosuz iletimini gerçekleştirir. Kablosuz güç kaynağı alanında, manyetik kuplaj rezonanslı kablosuz güç kaynağı teknolojisi en ileri konudur ve bu teknolojinin çok geniş bir uygulama alanı vardır.Şu anda, ev aletleri, endüstriyel robotlar, ulaşım, havacılık, tıbbi ekipman ve diğer alanlarda ilgili uygulamalar bulunmaktadır. Ancak yurtiçi ve yurtdışındaki araştırma ekiplerinin çoğu temel teori ve deneysel araştırma aşamasındadır ve aktif olarak yaygın olarak kullanılabilen ürünler geliştirmektedir.Bu araştırma ekiplerinden bazıları belirli bilimsel sonuçlar elde etmiştir.
Bu yazının amacı, manyetik kuplaj rezonanslı kablosuz güç kaynağı sisteminin iletim özelliklerini incelemektir.SS rezonans topolojisi, esas olarak sistemin iletim performansını etkileyen ana faktörleri analiz etmek için sistemin eşdeğer devre modelini oluşturmak için seçilir; daha sonra küçük Güç kablosuz güç kaynağı iletim sisteminin test platformu nihayet deneysel araştırma yoluyla sistem tasarımının mantığını ve teorik simülasyon analizinin tutarlılığını doğruladı.
1 Manyetik kuplaj rezonans kablosuz güç kaynağı sisteminin modellenmesi ve analizi
1.1 Manyetik bağlantı rezonanslı kablosuz güç kaynağı sistemi
Manyetik kuplaj rezonanslı kablosuz güç kaynağı sisteminin tipik topolojik yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir. Yapısal olarak, manyetik kuplaj rezonanslı kablosuz güç kaynağı sistemi iki kısma ayrılabilir: verici uç ve alıcı uç. Verici uç, bir DC güç kaynağı, bir yüksek frekanslı çevirici devre ve bir verici rezonatör içerir. Verici rezonatör, bir birincil dengeleme kapasitöründen ve bir verici bobinden oluşur. Alıcı uç, bir redresör devresi, bir yük ve bir alıcı rezonatör içerir, alıcı rezonatör, bir ikincil dengeleme kapasitöründen ve bir alıcı bobinden oluşan bir topluluktur. Manyetik kuplaj rezonanslı kablosuz güç kaynağı sisteminin kablosuz güç aktarımının anahtarı, alıcı ve verici uçlarda rezonatörlerin kendi kendine rezonans frekanslarının tutarlı olmasıdır. Bu nedenle, bir sistem tasarlarken, her iki uçtaki rezonatörlerin kendi kendine rezonans frekanslarının aynı olmasını sağlamak için, verici rezonatörün ve alıcı rezonatörün fiziksel parametreleri genellikle aynıdır, yani alıcı-verici bobininin boyutu, şekli, sarma yöntemi, dönüş sayısı vb. İlgili rezonans kompanzasyon kondansatörünün parametreleri de aynıdır. Bu sırada, verici rezonatör ile alıcı rezonatör arasındaki mesafe, kablosuz güç kaynağı sisteminin enerji iletim mesafesidir.
Manyetik kuplaj rezonanslı kablosuz güç kaynağı sistemi normal çalıştığında, yüksek frekanslı çevirici devresi, doğru akımı, verici rezonatörünün yüksek frekanslı uyarma kaynağı olarak belirli bir frekansa sahip yüksek frekanslı bir alternatif akıma çevirir ve ardından verici rezonatörü, alternatif bir manyetik alan oluşturur. Alternatif manyetik alanın frekansı, her iki uçtaki rezonatörlerin kendi rezonans frekansı ile aynıdır.Bu anda tüm sistem rezonans çalışma durumundadır.Enerji, manyetik kuplaj rezonansı ile belirli bir mesafe ile ayrılan alıcı uç rezonatöre ve son olarak doğrultucu devresinden sonra aktarılır. Tedarik yükü kullanımı.
1.2 Manyetik kuplaj rezonanslı kablosuz güç kaynağı sisteminin topolojik yapı analizi
Bir kuplaj karşılıklı endüktans devre modeli oluşturmak için iki bobinli yapı manyetik kuplaj rezonant kablosuz güç kaynağı sistemini alın.İletici uç ve alıcı ucun rezonant endüktansı ve rezonans kompanzasyon kapasitörünün farklı bağlantı yöntemlerine göre, sistem seri seri (SS) ve seri paralel olarak bölünebilir Şekil 2'de gösterildiği gibi (SP), paralel seri (PS), paralel-paralel (PP) dört temel topolojik yapı.
Tian Zijian ve diğerleri, manyetik kuplaj rezonanslı kablosuz güç kaynağı sisteminin dört topolojisi (SS tipi, SP tipi, PS tipi ve PP tipi) üzerinde derinlemesine bir çalışma yürüttüler ve manyetik kuplaj rezonanslı kablosuz güç kaynağı sisteminin maksimum iletim verimliliğini ve emisyonunu buldular. Uç devrenin topolojik yapısı ille de ilişkili değildir, ancak yalnızca alıcı uç devresinin topolojik yapısı ile ilgilidir. Bu duruma bağlı olarak, verici devre yapısı seçilirken, LC rezonatörünün çıkış akımı kapasitesi dikkate alınmalıdır. İletici uç LC rezonatörü seri bir yapı olduğunda, rezonans meydana gelirse, LC rezonatörü tamamen dirençlidir ve eşdeğer empedans en küçüktür ve maksimum akımı verebilir; verici uç LC rezonatörü paralel bir yapı olduğunda, rezonans meydana gelirse, LC rezonansı Cihaz tamamen dirençlidir ve en büyük eşdeğer empedansa sahiptir ve çıkış akımı en küçüktür. Verici uç, enerjiyi iletmek için akım aracılığıyla bir elektromanyetik alan oluşturur Seri ve paralel rezonatörler aynı çıkış akımını ürettiklerinde, paralel rezonatöre uygulanan voltajın seri rezonatörünkinden çok daha yüksek olduğu görülebilir. Bu makalenin araştırma nesnesinin düşük güçlü bir kablosuz güç kaynağı sistemi olduğu gerçeği göz önüne alındığında, giriş DC güç kaynağı düşük bir voltaj seviyesine sahiptir, bu nedenle verici rezonatörü bir seri yapı kullanır.
Wu Erlei ve diğerleri, rezonans topolojisini inceledi ve S-S devre topolojisine ek olarak, diğer üç devre yapısının rezonans kompanzasyon kapasitörlerinin tümünün yük direncinin değişiminden etkilendiğini buldular. Bu nedenle, sistemin stabilitesini sağlamak için, manyetik kuplajlı rezonant kablosuz güç kaynağı sisteminin alıcı ucunun rezonatörü seri olarak seçilir.
Tipik iki bobinli bir yapı temelinde oluşturulan S-S topoloji yapısına dayalı sistem eşdeğer devre modeli Şekil 3'te gösterilmektedir.
1.3 Sistem çıkış gücü ve iletim veriminin hesaplanması
Şekil 3'te Us, giriş ideal yüksek frekanslı uyarım kaynağıdır, açısal frekans , I1 ve I2 sırasıyla verici ve alıcı uçların her iki tarafındaki akımlardır; R1, R2, yüksek frekans durumunda verici ve alıcı uçlarda kuplaj bobinlerinin eşdeğer iç dirençleridir ( Om direnci ve radyasyon direnci dahil); L1 ve L2, sırasıyla her iki uçtaki bobinlerin eşdeğer indüktanslarıdır; C1 ve C2, alıcı-vericinin her iki ucundaki rezonatörlerin eşdeğer kapasitanslarıdır (dağıtılmış kapasitans ve rezonans kompanzasyon kapasitörü dahil); M, alıcı-vericinin iki bobinidir İkisi arasındaki karşılıklı endüktans; R0, alıcı ucun yük direncidir.
Verici devresinin eşdeğer empedansı:
Daha fazla hesaplama ve analizi kolaylaştırmak için, verici rezonatörün ve alıcı rezonatörün içsel fiziksel parametrelerinin aynı olduğu, yani her iki uçtaki bağlı bobinlerin eşdeğer endüktansı ve eşdeğer iç direncinin eşit olduğu ve karşılık gelen rezonans kompanzasyon kapasitans değerlerinin eşit olduğu, matematiksel formülle ifade edildiği varsayılır. Yani L = L1 = L2, R = R1 = R2, C = C1 = C2.
2 Sistem iletim özelliklerinin analizi
Manyetik kuplaj rezonans kablosuz güç kaynağı sisteminin iletim seviyesi, esas olarak sistemin verici ve alıcı ucundaki rezonatörün rezonans frekansı ile yakından ilgili olan sistemin çıkış gücü, iletim verimliliği ve enerji iletim mesafesinde kendini gösterir. Bu makale, verici bobinin ve sistemin alıcı bobininin içsel fiziksel parametrelerinin aynı olduğunu ve rezonans dengeleme kapasitörünün parametrelerinin de aynı olduğunu, yani rezonatörlerin her iki uçtaki kendi kendine rezonans frekanslarının aynı olduğunu varsayar; yüksek frekanslı uyarma kaynağının çalışma frekansı, her iki uçtaki rezonatörlerinki ile aynıdır. Benzer şekilde, sistemin iletim özelliklerini incelemek ve analiz etmek için sistemi yankılanan bir çalışma durumuna getirin. Sistemin ana simülasyon parametreleri aşağıdaki gibidir: Us = 15 V, L = L1 = L2 = 23.49 H, R = R1 = R2 = 0.603 , C = C1 = C2 = 1.078 nF.
2.1 Sistem çıkış gücü, iletim verimliliği ve rezonans frekansı arasındaki ilişki
Kuplaj katsayısı k = 0.5 ve yük direncinin R0 = 50 olduğu varsayıldığında, sistem çıkış gücü, iletim verimliliği ve rezonans frekansı arasındaki ilişki parametre simülasyonuna göre elde edilebilir.
Çıkış gücü eğrisinden, kaplin katsayısı ve yük direncinin parametre değerleri sabitlendiğinde, sistemin çıkış gücünün önce artacağı, daha sonra kendi kendine rezonans frekansının artmasıyla ve ortada belli bir frekansta azalacağı görülmektedir. Maksimum değere ulaşır. İletim verimliliği grafiğinden sistemin iletim veriminin pek artmadığı görülmektedir.
2.2 Sistem çıkış gücü, iletim verimliliği ve yük direnci arasındaki ilişki
Bağlanma katsayılarının k = 0.1 ve sistem rezonans frekansının f = 1 MHz olduğu varsayıldığında, sistem çıkış gücü, iletim verimliliği ve yük direnci arasındaki ilişki parametre simülasyonuna göre elde edilebilir.
Şekil 5'den sistemin çıkış gücü ve iletim veriminin hem önce arttığı hem de yük direnci arttıkça azaldığı görülmektedir.
2.3 Sistem çıkış gücü, iletim verimliliği ve bağlantı katsayısı arasındaki ilişki
Sistem rezonans frekansı f = 1 MHz ve yük direncinin R0 = 50 olduğu varsayıldığında, sistem iletim gücü, iletim verimliliği ve bağlantı katsayısı arasındaki ilişki parametre simülasyonuna göre elde edilebilir.
Şekil 6'daki çıkış gücü grafiğinden sistemin çıkış gücünün kuplaj katsayısının artması ile önce arttığı sonra azaldığı; iletim verimlilik grafiğinden kuplaj katsayısının artmasıyla sistemin iletim veriminin artacağı görülebilmektedir. Daha büyük ve sürekli artan maksimum değer k = 1 olduğunda elde edilir.
3 Deneysel doğrulama
İnşa edilen deneysel platform, kablosuz güç kaynağı sisteminin verici bobini ve alıcı bobininin yatay bir koaksiyel konuma yerleştirildiği, iletim mesafesinin d = 10 cm olduğu, güç anahtarı tüpünün gerçek çalışma frekansının 1 MHz olduğu ve alıcı ucun düzeltileceği Şekil 7'de gösterilmiştir. Filtrelenen DC miktarı DC-DC voltaj regülatör modülü tarafından işlendikten sonra çıkış voltajı seviyesi yük direncine bağlanan 5 V kararlı DC voltajdır.Aynı zamanda enerji aktarımının en sezgisel etkisinin gözlemlenmesini kolaylaştırmak için yük direnci ile seri olarak bağlanır. Sistemin iletim kapasitesini sezgisel olarak değerlendirmek için parlaklık aracılığıyla LED göstergesi.
3.1 Sistem test deneyi
Bu makalede tasarlanan düşük güçlü kablosuz güç kaynağı sisteminin iletim performansını incelemek için, öncelikle sistemin normal durumda çalıştığından emin olmak için kablosuz güç kaynağı sistemi test edilmelidir.Kablosuz güç kaynağı sisteminin testi, esas olarak sistemin kilit noktalarındaki voltajı bir osiloskop aracılığıyla gözlemlemektir. Dalga biçimi, yani, Şekil 8'de gösterildiği gibi, alıcı bobinin farklı iletim mesafelerinde voltaj çıkış dalga biçimini gözlemleyin.
Şekil 8'de alıcı bobinin dalga formu çıktısının 1 MHz frekanslı bir sinüs dalgası olduğu görülmektedir.Gerilim genliği, iletim mesafesi arttıkça ve belli bir iletim mesafesinde önce artacak sonra azalacaktır. Maksimum değere ulaşır. Yukarıdaki fenomen, sistem tasarımının rasyonelliğini ve doğruluğunu doğrular, sistemin normal bir durumda çalışabileceğini gösterir ve sistemin aktarım özellikleriyle ilgili daha fazla araştırma için bir garanti sağlar.
3.2 İletim mesafesinin sistem aktarım performansı üzerindeki etkisi
Deneysel kısıtlamalar altında, sistemi rezonans çalışma durumuna getirmek için önce verici bobini ve alıcı bobini yatay koaksiyel konuma yerleştirin ve ardından alıcı ucun yük direnci değerini sabitleyin ve farklı enerji iletim mesafeleri altında alıcı ucun gücünü ölçün. Yük direnci R0 = 50 olduğunda sistemin çıkış gücü ve iletim verimliliği. Deneyde ölçülen verilere göre sistemin mesafe aktarım karakteristik diyagramı Şekil 9'da gösterildiği gibi çizilebilir.
Şekil 9'dan açıkça görülebileceği gibi, yük direnci sabitlendiğinde, iletim mesafesi arttıkça sistemin iletim verimliliği giderek azalacak ve sistemin çıkış gücü önce artacak sonra azalacak ve belli bir mesafeye ulaşacaktır. Maksimum değer, bu sonuç Bölüm 2.3'teki teorik analizle daha tutarlıdır.
3.3 Yük direncinin sistem iletim performansı üzerindeki etkisi
Deneysel kısıtlamalar altında, sistemi rezonanslı bir çalışma durumuna getirmek için önce verici bobini ve alıcı bobini yatay koaksiyel konuma yerleştirin ve ardından sabit bobinler arasındaki iletim mesafesi d = 10 cm ve sabit bir iletim mesafesindeki yük direnci ölçülür. Sistemin değişirken çıkış gücü ve iletim verimliliği. Deneyde ölçülen verilere göre sistemin yük direnci aktarım karakteristik diyagramı Şekil 10'da gösterildiği gibi çizilebilir.
Şekil 10'dan, sabit rezonans frekansı ve sabit iletim mesafesi altında yük direncinin sürekli artması ile sistemin çıkış gücü ve iletim veriminin hem önce arttığı hem de azaldığı ve belli bir değerde olduğu görülmektedir. Yük direnci değeri maksimum değere ulaşır; karşılaştırmalı analiz yoluyla, maksimum iletim verimine karşılık gelen yük direnci değerinin, maksimum çıkış gücüne karşılık gelen yük direnci değerinden daha küçük olduğu görülebilir; bu deneysel sonuç, temel olarak bölüm 2.2'deki teorik analiz ile tutarlıdır.
4. Sonuç
Bu yazıda, düşük güçlü manyetik kuplaj rezonanslı kablosuz güç kaynağı sistemi tasarlandı.S-S topolojisi, kuplajlı karşılıklı endüktans devre modeli oluşturmak için seçildi Rezonans frekansı, yük direnci ve kuplaj katsayısının iletim özelliklerine etkisi MATLAB simülasyon analizi ile incelenmiştir. Deneysel doğrulama yoluyla, deneysel sonuçların MATLAB simülasyon analiz sonuçları ile tutarlı olduğu ve sistemin genel donanım devresinin normal kablosuz güç aktarımını gerçekleştirebileceğini gösterdiği bulunmuştur; iletim özelliklerinin deneysel sonuçları teorik analiz ile tutarlıdır ve bu da bu makalede tasarlanan kablosuz güç kaynağı sisteminin pratik olduğunu kanıtlamaktadır. Uygulamada makul ve uygulanabilir.
Referanslar
Zhou Wenqi, Ma Hao, He Xiangning Dinamik denklemlere dayalı akım kaynağı endüktif kuplaj güç iletim devresinin frekans analizi, Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2008, 28 (3): 119-124.
KURS A, KARALIS A, MOFFATT R, ve diğerleri.Güçlü bir şekilde bağlanmış manyetik rezonanslar yoluyla kablosuz güç aktarımı. Science, 2007, 317 (5834): 83-86.
HAMAM RE, KARALIS A, JOANNOPOULOS J D, ve diğerleri.Etkili zayıf ışınımlı kablosuz enerji transferi: EIT benzeri bir yaklaşım Annals of Physics, 2009, 324 (8): 1783-1795.
Hu Jinde, Zhang Xiaoqiang, Zhang Wei.Manyetik kuplaj rezonans kablosuz güç aktarım verimliliğinin optimizasyonu üzerine çalışma Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (5): 131-134.
Zhang Tianyu, Zhang Ruicheng, Geng Xiaohong, ve diğerleri.Alıcı uçta paralel rezonans ile birleştirilmiş kablosuz güç kaynağı sistemi.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (1): 123-125, 132.
Zhang Xin, Jia Erju, Fan Xingming.Elektrikli Araçlar için Kablosuz Şarj Teknolojisinin Araştırılması ve Uygulanması Üzerine Tartışma.Elektronik Teknolojinin Uygulanması, 2017, 43 (1): 148-151, 155.
LEE G, WATERS B H, SHI C, et al. Kablosuz güç aktarımı uygulamalarında kullanılan asimetrik manyetik olarak bağlı rezonatörler için tasarım konuları. 2013 IEEE Radyo ve Kablosuz Sempozyumu, 2013.
TALLA V, SMITH J R. Pratik kablosuz güç aktarım sistemlerinin tasarımı için deneysel bir teknik.IEEE International Symposium on Circuits and Systems. IEEE, 2014.
Zhai Yuan, Sun Yue, Dai Xin, vs. Manyetik Rezonans Modlu Kablosuz Güç İletim Sisteminin Modellenmesi ve Analizi, Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2012, 32 (12): 155-160.
Zhao Biao, Chen Xiyou, Yu Qingguang Temassız güç iletimi için uyarlamalı rezonans teknolojisinin ilkeleri.Elektrik Mühendisliği ve Enerjinin Yeni Teknolojisi, 2010, 29 (2): 33-37.
Jiang Wei, Fu Wenzhen, Wang Ruiling, vd.Elektrik enerjisi kablosuz iletim sisteminin düşük güçlü bir rezonant kuplajı simülasyonu Jiaxing Üniversitesi Dergisi, 2012, 24 (3): 107-110.
Zhao Zhengming, Zhang Yiming, Chen Kainan.Manyetik kuplaj rezonans kablosuz güç iletim teknolojisinde yeni gelişmeler.Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2013, 33 (3): 1-13.
Zhang Xian, Yang Qingxin, Chen Haiyan ve diğerleri.Elektromanyetik kuplaj rezonans kablosuz güç aktarım sisteminin modellemesi, tasarımı ve deneysel doğrulaması.Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2012, 32 (21): 153-158.
Fu Wenzhen, Zhang Bo, Qiu Dongyuan Rezonans kuplajına dayalı kablosuz güç iletim sistemi tasarımı.Mekanik ve Elektrik Mühendisliği, 2011, 28 (6): 746-749.
Tian Zijian, Du Xinxin, Fan Jing, vb. Manyetik Kaplin Rezonans Kablosuz İletim Sisteminin Farklı Topolojik Yapılarının Analizi Elektrik Mühendisliği Dergisi, 2015 (6): 47-57.
Wu Erlei.Manyetik kuplaj rezonansına dayalı kablosuz güç kaynağı sisteminin araştırılması ve tasarımı Shenyang: Northeastern Üniversitesi, 2014.
yazar bilgileri:
Wang Shuai, Xue Hanhan
(The 713 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou 450015, Henan)
