Manyetik rezonans serisi paralel hibrit modelin kablosuz güç aktarım verimliliğinin analizi
Zhang Jiechen, Li Fuhai, Chen Çetesi, Chen Chenxi
(Elektrik ve Bilgi Mühendisliği Okulu, Hunan Üniversitesi, Changsha, Hunan 410082)
Manyetik kuplaj rezonans kablosuz güç iletim sisteminin (RWPT) verimliliğini hedefleyerek, seri-seri (SS) modelinin eşdeğer devresi ve seri-paralel hibrit (SPPS) model, devre teorik modellemesi kullanılarak analiz edilir ve karşılık gelen iletim verimliliği türetilir. Formül. Mesafe ve yük fonksiyonu olarak SS modelinin iletim verimliliği ile SPPS modeli arasındaki ilişkinin karşılaştırma tablosu simülasyon yoluyla verilmiştir.Karşılaştırma analizi, SPPS modelinin SS modeline göre uzun mesafe, büyük yük ve yüksek verimlilik avantajlarına sahip olduğunu göstermektedir. Farklı iletim mesafeleri, eşleşen kapasitans değerini ayarlayarak daha yüksek iletim verimliliği elde edebilir. Teorik analiz ve simülasyonun doğruluğu deneysel bir platform oluşturularak doğrulanır.
Kablosuz güç iletimi; manyetik bağlantı rezonansı; seri-seri model; seri-paralel hibrit model
Yeni bir güç aktarım yöntemi olan Kablosuz Güç Transferi (WPT), herhangi bir elektrik teması olmaksızın bir elektrik alanı ve bir manyetik alan yoluyla elektrik enerjisini güç kaynağından yüke aktarmak için havayı bir ortam olarak kullanabilir. Bu teknoloji, sürtünmesi, eskimesi ve kıvılcım çıkarması kolay olan geleneksel kablolu güç iletim sistemlerinin eksikliklerinin üstesinden gelir ve maden, su altı gibi birçok özel alanda yeri doldurulamaz avantajlara sahiptir. 2007 yılında, Massachusetts Institute of Technology (MIT) ilk olarak manyetik kuplaj rezonans kablosuz güç aktarımı (RWPT) teknolojisini önerdi ve başarıyla test etti. Daha sonra, RWPT teknolojisi yerli ve yabancı bilim adamları tarafından giderek daha fazla incelenmektedir. RWPT teknolojisi iletiminin ana parametreleri arasında iletim mesafesi, iletim gücü ve iletim verimliliği bulunur. Rezonans devresinin topolojik yapısı, bu parametrelerin etkisi için çok önemlidir, bu nedenle uygun bir devre topolojisinin nasıl seçileceği incelenmeye değer.
RWPT sisteminin rezonans devresi seri rezonans veya paralel rezonansı benimseyebildiğinden, RWPT sisteminin topolojisi seri seri (SS), seri paralel (SP), paralel seri (PS) ve paralel paralel (PP) yapılara bölünebilir. . Şu anda, yerli ve yabancı bilim adamları ağırlıklı olarak bu dört topolojik yapının avantajlarını ve dezavantajlarını inceliyorlar Literatür, SP modelinin iletim verimliliğini ve gücünü ayrıntılı olarak analiz etmiştir. Literatür, RWPT sisteminin SS ve SP modellerinin giriş empedansını, iletim verimliliğini ve yük eşleşmesini karşılaştırır ve analiz eder. Literatür, yaygın olarak kullanılan dört RWPT sistem topoloji modelinin çıkış gücünü ve iletim verimliliğini analiz eder ve avantajlarını ve dezavantajlarını karşılaştırır. Şu anda, büyük miktarda literatür esas olarak bu dört topolojiyi incelemektedir, ancak bileşik seri-paralel hibrit (SPPS) manyetik kuplaj kablosuz güç aktarım topolojisi üzerine çok az analiz vardır.
Devre teorisine dayanarak, bu makale manyetik kuplaj rezonant seri-paralel hibrid (SPPS) modelinin eşdeğer devresini kurar ve iletim verimliliği formülünü türetmiştir. PS, PP ve SP model yapılarının zayıf uygulanabilirliği göz önüne alındığında, kağıt yalnızca SS modelinin ve SPPS modelinin iletim verimini mesafe ve yük ile analiz eder ve karşılaştırır. SPPS model topolojisinin, SS model topolojisine göre daha yüksek iletim gücüne ve daha uzun iletim mesafesine sahip olduğu doğrulanmıştır.
1 RWPT sisteminin temel yapısı ve modelleme analizi
1.1 RWPT sisteminin temel yapısı
RWPT sisteminin temel yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir. Esas olarak bir tahrik kaynağı, bir birincil bobin ve bir ikincil bobin, ayarlanabilir bir eşleştirme kapasitörü ve bir yükten oluşur. Birincil ve ikincil bobinler, enerjiyi manyetik alan kuplajı yoluyla iletirken, RWPT sistemi uzun bir mesafeden iletirken, birincil bobin ve onun manyetik indüksiyon hatları tarafından üretilen manyetik alanın neredeyse tamamı ikincil bobinden geçer, bu nedenle RWPT sistemi uzun mesafeden iletim yaparken yüksek verimliliğe sahiptir. Kaynağın iç direnci ve yükünü eşleştirmek için dört sarmallı bir yapı önerilmiştir.İki sarmallı yapı ile karşılaştırıldığında, dört sarmallı yapı daha yüksek iletim verimine ve daha uzun mesafeye sahiptir. Ancak analiz kolaylığı açısından, bu makale esas olarak SS model rezonans devresinin topolojik yapısını ve iki bobinli yapının SPPS modelini analiz etmektedir.
1.2 RWPT sistem modelleme analizi
SS modelinin ve SPPS modelinin eşdeğer devre şemaları sırasıyla Şekil 2 ve Şekil 3'te gösterildiği gibi Şekil 1'e göre oluşturulmuştur.
Şekilde, ABD sinüzoidal yüksek frekanslı sinyal kaynağıdır, RS yüksek frekanslı sinyal kaynağının iç direncidir, L1, L2 birincil ve ikincil bobinlerin eşdeğer indüktanslarıdır, R1, R2, yüksek frekanslı koşullar altında bobinlerin eşdeğer dirençleridir, C1, C2 SS modelinin birincil ve ikincil bobinlerinin eşleşen kapasitördür ve C3 ~ C6, SP modelinin birincil ve ikincil bobinlerinin eşleşen kapasitörleridir. Bunlar arasında, bobinin parazitik kapasitansı, eşleşen kapasitanstan çok daha küçüktür, bu nedenle ihmal edilir.M, birincil ve ikincil bobinlerin karşılıklı endüktansı ve RL, yük direncidir.
1.2.1 SS model modelleme analizi
İletimin verimliliğini sağlamak için, birincil ve ikincil bobinlerin rezonans frekansını tutarlı hale getirmeye çalışın ve birincil ve ikincil bobinlerin tasarımı temelde aynıdır, yani L1 = L2 = LX, R1 = R2 = R, ardından birincil ve ikincil bobinler rezonans yapar. Bobinin eşleşen kapasitansı da aynıdır, yani C1 = C2 = CX.İkincil bobin rezonansa girdiğinde, uyarma kaynağının açısal frekansı karşılaşır:
Şekil 2'den elde edilen devrenin KVL denklemi:
Bunlar arasında: sistem açısal hızı, M12 = M21 = M, sırasıyla birincil ve ikincil bobinlerin karşılıklı endüktans değeridir.
Denklemden (2), birincil ve ikincil bobin akımları şu şekilde hesaplanabilir:
Denklemden (3), çıkış gücü ve iletim verimliliği şu şekilde türetilebilir:
Gözlem (4), iletim sistemindeki iletim verimini etkileyen ana değişken parametrelerin sistem açısal frekansı, birincil bobinler arasındaki mesafe d ve RL yükü olduğunu göstermektedir.
1.2.2 SPPS model modelleme analizi
Şekil 2 ve Şekil 3'teki iki modelin eşdeğer devre şemalarını karşılaştırdığımızda, SPPS modelinin SS modeline göre kapasitans eşleştirme devresinde seri-paralel bir yapı kullandığını görebiliriz. İlk olarak, SPPS modelinin birincil ve ikincil kapasitör eşleştirme devrelerinde eşdeğer bir dönüşüm gerçekleştirin, böylece eşleşen devre Şekil 4'te gösterildiği gibi bir dizi kapasitör ve dirençle eşdeğerdir.
Şekil 4'ten, eşdeğer devrede Cleq, Rleq, Rseq ve Cseq'in olduğu hesaplanabilir:
onların arasında:
Yukarıdaki modelleme analizi, Şekil 5'te gösterildiği gibi, SPPS eşdeğer modelinin basitleştirilmiş bir devresini elde edebilir.
Devre rezonans durumunda çalışır:
Formül (5) ve formül (7) ile tahmin edilebilir:
SS modelinin iletim verimliliğinin ifadesine göre SPPS modelinin branş akımı, çıkış gücü ve iletim verimliliği şu şekilde çıkarılır:
onların arasında:.
İletim verimliliğinin ifadesinden, iletim verimliliğinin açısal hız karşılıklı endüktans M, ayarlanabilir kapasite C3 ~ C6, yük RL, endüktans parazitik direnç R ve güç kaynağı iç direnci RS'nin çok değişkenli bir fonksiyonu olduğu sonucuna varılabilir. Karşılıklı endüktans değeri M, bobinler arasındaki d mesafesi ile ilgilidir ve yaklaşık olarak aşağıdakilere eşdeğer olabilir:
Bunların arasında vakum geçirgenliği, n bobinin dönüş sayısı, r bobin yarıçapı ve d bobinler arasındaki mesafedir.
Denklem (9) 'a göre, SPPS modelinin iletim veriminin eşleşen kondansatör değeri ile ilişkili olduğu ve eşleşen kondansatör değerinin seçilmesinin iletim verimini doğrudan etkilediği görülmektedir. Denklemden (5), SPPS model eşleştirme kapasitansının esas olarak eşdeğer dönüşümde yükün değerini ve uyarma kaynağının iç direncini etkilediği bilinmektedir.Bu nedenle, SS modeli ile karşılaştırıldığında SPPS modelinin eşleştirme kapasitansının değiştirilmesi sistem iletim verimini etkileyebilir.
2 Sistem simülasyon analizi ve deneysel doğrulama
2.1 Sistem simülasyon analizi
Sistemin rezonans frekansını yaklaşık 800 kHz'e ayarlayın Tablo 1, birincil ve ikincil bobinlerin parametre değerlerini göstermektedir.
Kapasitans parametresi seçimi: SS modeli eşleşen kapasitörler C1 ve C2 formül (1) 'e göre hesaplanabilir, SPPS modeli eşleşen kapasitörler C3 ~ C6 formül (5), formül (6) ve formül (7)' ye göre belirlenebilir, bunlara karşılık gelen ikisi İletim verimliliği sırasıyla formül (4) ve formül (9) ile hesaplanabilir.
Bu makale, birincil ve ikincil bobinlerin mesafesi d ile yük değeri RL ve SS modeli ve SPPS modelindeki iletim verimliliği arasındaki ilişkiyi simüle etmek için MATLAB yazılımını kullanır. SS modelinin (C1 = 365 pF, C2 = 365 pF) ve SPPS modelinin (C3 = 110 pF, C4 = 255 pF, C5 = 185 pF, C6 = 180 pF) iletim verimliliği sırasıyla mesafe ve yüke göre değişmektedir. 6 ve Şekil 7. Şekil 6 ve Şekil 7'nin karşılaştırmalı analizinden, SS modelinin iletim veriminin d = 25 cm olduğunda sıfıra yakın olduğunu, SPPS modelinin iletim veriminin d = 40 cm olduğunda hala belirli bir iletim verimliliğine sahip olduğunu görebiliriz. Mesafe sabit olduğunda yük arttıkça SPPS modelinin iletim verimi SS modeline göre daha yavaş düşer. Bu nedenle, uzun mesafeli, ağır yük iletim sisteminde, SPPS modeli, SS modelinden daha yüksek iletim verimliliğine sahiptir.
Şimdi Şekil 8 ve Şekil 9'da gösterildiği gibi SS modelinin ve SPPS modelinin iletim verimliliği ve mesafe diyagramını elde etmek için sabit yük RL = 200 , 20 şeklindedir.Şekildeki kapasitans değeri birincil ve ikincil bobinlerin rezonansından hesaplanır. SS modelinin tek eşleşen kapasitans değerleri C1 = 365 pF ve C2 = 365 pF iken, SPPS modeli birden fazla farklı eşleştirme kapasitans değerine sahiptir.
Şekil 8 ve Şekil 9'un analizi, yük sabit olduğunda (RL = 200 gibi) mesafe arttıkça SS modelinin iletim verimliliğinin keskin bir şekilde düştüğünü, ancak SPPS modelinde eşleşen kapasitans değeri C3 = 110 pF, C4 = 255 pF, C5 = 185 pF, C6 = 180 pF olduğunda, uzun mesafeli iletimde daha yüksek iletim verimliliği elde edilebilir. Mesafe kesin olduğunda (d = 20 cm gibi) ve RL sırasıyla 200 ve 20 olduğunda, SS modelinin iletim verimliliği yalnızca yaklaşık% 20 ve% 50 karşılık gelen değerlere karşılık gelebilir, ancak SPPS modeli sırasıyla C3 kapasitans değerini seçebilir Daha yüksek iletim verimliliği elde etmek için = 200 pF, C4 = 165 pF, C5 = 40 pF, C6 = 325 pF ve C3 = 110 pF, C4 = 255 pF, C5 = 185 pF, C6 = 180 pF. Yukarıdaki analizden orta ve uzun mesafeli iletim sisteminde yük ve mesafe değiştiğinde, SS modelinin iletim verimliliği ancak isteğe göre değişebilir, ancak SPPS modeli kapasitans eşleştirme değerini ayarlayarak daha yüksek iletim verimliliği elde edebilir.
Şekil 8 ve 9'da verilen dört set SPPS model kapasitans parametresinin iletim verimliliği ve mesafe özelliklerinin sonuçlarından, belirli bir sabit mesafede, belirli bir yük için, farklı değerlerin SPPS modeli eşleştirme kapasitansının sistemi etkilediği görülebilir. İletim verimliliğinin belirli bir etkisi vardır.
Denklemler (7) ve (8) 'e göre, C3, C4, C5 ve C6 kapasitörleriyle eşleşen SPPS modelinin değerleri için özel gereksinimleri vardır Sabit parametre değerleri aşağıdaki gibidir: C3 = 110 pF, C4 = 255 pF, RL = 200 Formül (9) ile C5 ve C6 orantılı katsayısının k (C5 / C6) iletim verimliliği üzerindeki etkisini analiz edin ve sonuç Şekil 10'da gösterilmektedir. Mesafenin kapasitans oranına değişmesi ile iletim veriminin değiştiği şekilden görülebilmektedir.Sabit bir mesafe için farklı kapasite oranı katsayıları k farklı iletim verimleri elde edebilmektedir. D = 30 cm, 25 cm ve 20 cm koşulları altında iletim verimi ile değişmektedir. Kapasitans oranı arasındaki ilişki Şekil 11'de gösterilmektedir. Mesafe d değiştiğinde, kapasite oranı katsayısı k'nin bu zamanda maksimum iletim verimini elde etmek için ayarlanabileceği şekilden görülebilmektedir.
2.2 Deneysel doğrulama
Yukarıdaki teorik analizin doğruluğunu teyit etmek için, bu makale sırasıyla SS model RWPT ve SPPS model RWPT sistemini üretti. Şekil 12, SPPS model sisteminin deneysel cihazını göstermektedir. Sistem temel olarak bir sinyal kaynağı (model 0-15 MHz kare dalga sinyali oluşturabilen Agilent 33120A'dır), bir H-köprü sürücü devresi, bir verici bobin, bir alıcı bobin, bir ayarlanabilir kapasitör ve bir yük içerir. H-köprü sürücü devresi, sürücü çipi IR2110, invertör 74LS00 ve MOSFET anahtar tüpü IR3205'ten oluşur. WK6440B modelinin LCR test cihazı, bobin eşleştirme devresinin faz frekansı özelliklerini test etmek için kullanılır Test sonuçları Şekil 13'te gösterilmiştir.
Deneysel test değerleri sıralanarak ve karşılık gelen verimlilik değeri hesaplanarak, SS modelinin verimliliği ile SPPS modeli arasındaki mesafeli RL = 200 ve 20 arasındaki ilişki hesaplanarak karşılık gelen simülasyon analiz diyagramı ile karşılaştırılarak sonuçlar Şekil 14'te gösterilmiştir. 15 gösterilmektedir. SPPS modelinin uzun mesafeli, büyük yük kablosuz güç iletim sistemlerinde kullanılmak üzere SS modeline göre daha uygun olduğu görülmektedir. Deneysel sonuçlar, yukarıdaki teorik türetme ve simülasyonun doğruluğunu doğrulamaktadır.
Artık sabit yük değeri RL = 200 , SPPS model parametreleri, birincil ve ikincil mesafeler d = 20 cm ve 30 cm olduğunda test edilir. Hesaplanan iletim verimliliği değeri Tablo 2'de gösterildiği gibi k ile değişir. SPPS modelinin daha yüksek bir değer elde etmek için kapasitans değerini ayarlayabildiği görülebilir. İletim verimliliği. Tablo 2, SPPS model RWPT sisteminin 200 yükte ve 20 cm ve 30 cm mesafelerde, farklı ölçek faktörlerinin üç grubu altında teorik ve ölçülen değerlerini göstermektedir.
3 Sonuç
Bu yazıda, manyetik kaplin rezonanslı kablosuz güç iletim sisteminin orta ve uzun mesafelerde iletim verimliliği için seri-paralel hibrit (SPPS) modeli verilmiş, mesafe ve yük seri-seri (SS) modeli ile karşılaştırılmıştır. Verimlilik arasındaki ilişkiyi analiz edin ve karşılaştırın. Simülasyon analizi ve deneysel doğrulama, orta ve uzun mesafeli kablosuz güç iletim sisteminde, SPPS modelinin, SS modelinin verimliliğinin mesafe ile keskin bir şekilde azalması problemini çözdüğünü, SPPS modelinin, farklı iletim mesafelerinde eşleme kapasitansını ayarlayarak daha yüksek verimli iletim elde edebileceğini göstermektedir. SS modeli ile karşılaştırıldığında, SPPS modeli uzun mesafelerde ve ağır yüklerde daha yüksek iletim verimliliği elde edebilir.
Referanslar
KURS A, KARALIS A, MOFFATT R, ve diğerleri.Güçlü bağlanmış manyetik rezonanslar yoluyla kablosuz güç aktarımı. Science (New York, NY), 2007, 317 (5834): 83-86.
AHN D, HONG S. Kablosuz güç transferinde manyetik alan tekrarlayıcı üzerine bir çalışma. IEEE Trans. And Electron., 2013, 60 (1): 360-371.
ZHANG Y, ZHAO Z, CHEN K. Dört Bobinli rezonanslı kablosuz güç aktarımının frekans bölme analizi IEEE Trans.Ind.Appl., 2014, 50 (4).
KIM S, JUNG D H. Manyetik alan rezonans kuplajı kullanan yüksek verimli PCB ve paket Seviyesi kablosuz güç aktarımı ara bağlantı şeması. IEEE Trans, 2015, 5 (7): 863-877.
Huang Xueliang, Ji Qingjing, Tan Linlin ve diğerleri.Manyetik kuplaj rezonanslı kablosuz güç iletim sisteminin seri paralel modeli üzerine araştırma.Elektroteknik Teknoloji Dergisi, 2013, 28 (3): 171-176.
Lu Wencheng, Qiu Xiaohui, Mao Xingkui, et al.Manyetik rezonans kablosuz güç iletiminin seri ve seri-paralel modellerinin karşılaştırması. Güç Elektroniği Teknolojisi, 2015, 49 (10): 73-75.
Wang Guodong, Qiao Zhenpeng, Wang Saili, vd.Manyetik kuplaj rezonans kablosuz güç iletiminin topolojik yapısı üzerine araştırma. Industry and Mine Automation, 2015, 41 (5): 58-63.
ÖRNEK AP, MEYER D A, SMITH J R. Kablosuz güç aktarımı için manyetik olarak bağlı rezonatörlerin analiz deneysel sonuçları ve menzil adaptasyonu Endüstriyel Elektronik üzerine IEEE İşlemleri, 2011, 58 (2): 544-554.
KARALIS A, JOANNOPOULOS J D, SOLJACIC M. Verimli kablosuz radyasyonsuz orta menzilli enerji transferi Annals of Physics, 2008, 323 (1): 34-48.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
