非接触式弱电实验供电平台的设计

摘要：非接触式弱电实验供电平台是一种新型非接触式电能供应系统，通过电磁感应耦合，实现非接触式能量传输，为负载提供电能。整个系统主要由电能转换、耦合变压器和能量调节三部分组成。电能转换主要完成能量逆变；耦合变压器将逆变后的能量耦合到用户端；能量调节主要为提高耦合到用户端能量的传输能力。该平台克服了传统导线多点接触式电能传输方式的不可靠和不可迁移等缺点，为移动电气设备、易燃易爆环境和水下设备的能量供给提供便捷、安全的解决方案。
关键词：电磁感应；非接触式供电系统；无线供电；弱电实验箱

0 引言
    感应耦合电能传输(Inductively coupled Powertransfer，ICPT或Inductively Power Transfer，IPT)技术是近年来备受国际学术界关注的一项新型能量传输技术。这一技术能够有效地克服有线供电方式存在的设备移动灵活性差，环境不美观，容易产生接触火花等缺陷，特别适用于易燃易爆环境和水下设备的安全供电，可广泛应用于工矿企业吊装设备和运输设备、高层建筑升降式电梯、城市电气化交通、室内电子设备、生物医疗等领域中电气或电子设备的灵活供电。
    用无线方式输送电力，这种想法从19世纪上半叶电磁感应现象被发现之后就已经有了。近年来国内外许多研究机构和公司，如美国麻省理工学院、Powercast(电客)公司等相继研发出了短距离和微距的无线供电技术和产品。2008年2月15日，一种无需插头与电源线且不直接接触电源就能充电的新型混合动力汽车已在日本投入试运行，该汽车利用电磁感应原理及电能变换等技术以无线方式实现充电，只需停在设置在路面的电源线圈的正上方就能给车内的锂离子电池快速充电，如果仅使用电力运行，充电一次可行驶约15km。
    在理解非接触供电基本原理的基础上，本文通过电磁感应耦合，实现非接触式能量传输，为负载提供电能，以解决传统导线多点接触式传输电能的不可靠和不可迁移等一系列问题，并将其应用到非接触式弱电实验箱供电平台。

1 基本原理
    图1表示了一个典型ICPT系统的基本结构，它主要由两个分离的电气部分组成。一部分由能量变换装置组成，其作用是通过线圈回路提供高频交流电流(通常为10～100 kHz交流电)；另一部分由能量拾取线圈和调节装置组成，通过两部分之间的电磁感应耦合，实现无接触的能量传输。ICPT典型结构在硬件实现上一般由4部分实现：功率变换装置、高频载流线圈或电缆、接收线圈和能量调节装置。前两部分构成一侧作为能量发射系统，后两部分构成另一侧作为能量接收系统，两个系统在物理上相互独立，工作时存在磁场耦合，一个原边能量发射源可为多个用电设备同时供电。

    本文以典型ICPT系统为基础，加以硬件设计并实验，其中高频载流线圈与接收线圈采用相近的线圈，以实现接收端能量的最大化。该系统整体结构如图2所示。

    该系统主要由能量转换模块、松耦合变压器模块和能量调节模块组成。电能通过能量转换模块产生高频交流电流，再经过松耦合变压器和能量调节模块，向用户设备提供电能。下面详细介绍3个模块：
    (1)图2中能量转换模块的组成结构如图3所示，由整流、逆变、耦合等环节构成，主要作用是通过线圈回路提供高频交流电流。能量转换模块提供的高质量回路电流对于整个ICPT系统起着至关重要的作用，是保证电能传输效果的前提。

    (2)图2中耦合变压器模块的主要作用就是将能量转换后的高频电源耦合到用户端。松耦合部分(可分离式变压器)是能量传输的关键，结构如图4所示。设M为耦合装置互感，Lp和Ls为初级、次级激励电感，初级磁场发射的高频载流线圈工作角频率为ω，电流有效值为ip，则松耦合系统次级电路接受线圈的开路电压为voc：

    因此，增大系统能量传输能力的方法有：增大工作频率f(ω)、增加初级电流ip、增大互感M或减小次级自感Ls、增大品质因数Qs。由于品质因数不宜过大，因而有效增大系统传输能力的方法是增大工作角频率ω和初级电流ip。
    (3)图2中的能量调节模块主要是提高系统能量的传输能力，实际电路设计时采用多个电容串并联的方法来实现能量的调节。

2 硬件电路实现
    图4中的耦合变压器一般选择磁罐绕线，磁力线集中，效率更高。但是很难找到合适的磁罐，所以在本文选择了空心绕线。
    图2中的发射端硬件电路原理图如图5所示。12V直流电压从P1进入，经过7805稳压芯片输出5V直流电压，提供4与非门芯片74HC00工作电压。由74HC00，1nF电容和10 kΩ滑动电阻器(用于来调节工作频率)实现一个多谐振荡器。这样组成的振荡器输出高频信号的幅度不够大。为了提高电能传输效率和距离，使用高频功率放大电路将高频信号放大。高频功放用高频功率场效应管IRF540N实现(正常工作时需要加散热片)。发射端有一个线圈与接收端耦合，发射和接收线圈的形状及参数直接影响电能传输效率和距离。本文发射线圈使用一个大的空心线圈，直径为1．5 mm的漆包线绕制，匝数为10匝(根据实际情况可以调整)。接收线圈按发射线圈制作的方法绕制。另外接收线圈的放置位置对能量传输有较大影响，需要在制作调试过程中反复试验确定。4个0．1μF的CBB电容先串联后并联，用来实现初级补偿。

    图6所示即为接收端的电路原理图。电压经耦合变压器到达接收端，经过次级补偿，再经电桥整流后，最后采用7805稳压芯片稳压到5 V输出到负载。高频整流不能用普通的整流二极管，不但效率低而且二极管可能因发热而烧坏。因此需要使用快恢复二极管来整流，本文使用1N4148来实现整流。

3 实物效果测试
    非接触式供电平台可透过金属以外的介质传播实现供电。图7(a)为硬件实物图，实物由发射端和接收端两部分组成。图7(b)是实物测试时可达到的最长作用距离，经实测约10 cm。测试条件：在保证无线发射端2 W额定功耗以及接收端负载100 Ω的前提下，无线接收端输出测试数据如表1所示。

4 结语
    本文设计的非接触式供电平台由电能转换、耦合变压器和能量调节三部分组成。使用74HC00、高频功率场效应管IRF540N和0．1μF的CBB电容等器件实现了该电路。实物测试结果表明，最大作用距离为10 cm左右，能够实现非接触式能量传输。本文设计的非接触式供电平台可为移动电气设备、易燃易爆环境和水下设备的能量供给提供安全、绿色、便捷的解决思路。