實驗名稱:
無線電能傳輸系統(tǒng)中新型線圈結構的準恒定互感計算與優(yōu)化
研究方向:
無線電
實驗設備:
ATA-3090功率放大器、任意波形函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字功率分析儀、示波器、三維移動平臺、發(fā)射線圈、發(fā)射端補償電容、接收線圈、接收端補償電容和無感負載電阻
實驗內(nèi)容:
從線圈本體結構的優(yōu)化設計出發(fā),基于準恒定互感計算與優(yōu)化方法,設計了在水平方向具有高偏移容忍度的新型線圈結構,在不需要額外增加任何諧振補償網(wǎng)絡和輔助控制裝置的情況下,能夠大幅度提高系統(tǒng)在水平方向上的抗偏移能力。
實驗過程:
首先搭建MCR-WPT系統(tǒng)樣機和無線電能傳輸試驗平臺如上圖圖1所示,圖中實驗儀器分別為功率放大器、任意波形函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字功率分析儀、其中任意波形函數(shù)發(fā)生器和Aigtek的ATA-3090功率放大器組成系統(tǒng)電源,負載電阻采用高精度無感可調(diào)變阻器,高精度三維移動平臺可以實現(xiàn)線圈間水平方向偏移,移動距離精度可達0.1mm,示波器用來觀測系統(tǒng)輸入輸出波形,使系統(tǒng)保持諧振狀態(tài),數(shù)字功率分析儀用來分析系統(tǒng)的輸出功率和效率。
通過連續(xù)改變兩接收線圈反串聯(lián)型結構的接收線圈在Y軸方向的偏移距離,得到系統(tǒng)輸入電壓、輸入電流與輸出電壓、輸出電流以及系統(tǒng)傳輸效率隨偏移距離的變化情況如圖2和圖3所示。
圖1:無線電能傳輸試驗平臺
圖2為偏移時系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率隨偏移距離的變化關系,系統(tǒng)傳輸效率指負載功率與電源的輸入功率之比。線圈正對時,系統(tǒng)輸出功率為54.63W,傳輸效率為91.37%;當發(fā)射線圈沿Y軸+方向偏移到極限距離240mm時,系統(tǒng)的輸出功率為55.33W,傳輸效率為91.18%;當發(fā)射線圈沿Y軸-方向偏移到極限距離240mm時,系統(tǒng)的輸出功率為57.22W,傳輸效率為90.03%。在超過Y軸+方向或Y軸-方向的偏移極限距離后,再隨著偏移距離的增加,系統(tǒng)傳輸效率加速下降,這是由于互感減小導致的;同時系統(tǒng)的輸出功率也迅速增大,這是因為互感在一定范圍內(nèi)的減小會引起發(fā)射線圈Tx中的電流增加,從而使得系統(tǒng)輸出功率增加。
圖2:輸出功率與傳輸輸出功率與傳輸效率隨偏移距離變化關系圖
系統(tǒng)的輸出電壓Uout和輸出電流Iout隨偏移距離的變化關系如圖3所示,從系統(tǒng)輸出電壓曲線上看,Y軸+方向的極限偏移距離為240mm,此時Uout為24.18V,Y軸-方向的極限偏移距離同樣也為240mm,此時Uout為24.52V,而在超出Y軸+方向和Y軸-方向極限偏移距離后,Uout不能穩(wěn)定在24V,并隨偏移距離的增加而增加。
圖3:輸出電壓與輸出電流隨偏移距離變化關系圖
實驗結果:
兩接收圓形線圈反串聯(lián)型結構具有很強的抗偏移性能。發(fā)射線圈外圈直徑為465mm,接收線圈外圈直徑為610mm的磁耦合機構,在Y軸+方向和Y軸-方向極限偏移距離240mm范圍內(nèi),系統(tǒng)的傳輸效率整體上幾乎不隨偏移距離的變化而變化,而且傳輸效率始終保持在90%以上,輸出功率變化不超過5%,在沒有任何輔助控制裝置的情況下,系統(tǒng)輸出電壓和輸出電流也基本可以保持恒定。
圖4:互感測量試驗平臺
兩接收線圈反串聯(lián)型結構通過優(yōu)化設計后,在沒有增加任何阻抗匹配網(wǎng)絡和輔助控制裝置的情況下,可實現(xiàn)系統(tǒng)在任意水平方向(包括X軸和Y軸方向)偏移240mm內(nèi)(相當于發(fā)射線圈外徑的51.6%)90%以上高效率能量傳輸,輸出功率和傳輸效率幾乎可以保持恒定,同時可以實現(xiàn)恒壓和恒流輸出,能夠極大簡化MCR-WPT系統(tǒng)的恒壓或恒流控制策略,并降低系統(tǒng)的成本和控制難度。此結構不僅適用于便攜式和家用移動電子產(chǎn)品的靜態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng),同時也適用于電動汽車和工業(yè)機器人等動態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng)。
圖5:Y 軸方向偏移的互感計算、仿真測量值
實驗中用到的ATA-3090功率放大器的參數(shù)指標:
本文實驗案例參考自知網(wǎng)論文《無線電能傳輸系統(tǒng)中新型線圈結構的準恒定互感計算與優(yōu)化》
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原文標題:功率放大器在無線電能傳輸系統(tǒng)中的應用
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