2023年Multisim仿真-无线电能传输项目设计

无线电能传输无线电能传输工程设计无线电能传输工程设计1无线电能传输预备学问〔一〕工程设计的目的：在实践中对现代电工技术的理论学问做进一步稳固；熬炼对综合运用力量。〔二〕试验内容和要求：〔芯片〕的前提下，设计一个非接触供电系统。原理电路如以下图所示，实现对小型电器供电或充电等功能。电源 振荡器

耦合线圈功放

耦合线圈AC/DC 充电电路D〔三〕要求用仿真软件对电路进展验证，使其满足以下功能：供电局部输入36V以下的直流电压，具有向多台电器设备非接触供电的功能。在输出功率≥1W的条件下，转换效率≥15%，最大输出功率≥5W。设计报告必需包括建仿照真结果multisim生成PCB板2无线电能传输〔一〕无线能量传输技术介绍依据电能传输原理，可将WPTWPT、电磁感应WPT、电磁共振式WPT，下面分别予以介绍。微波无线能量传输所谓微波WPT，就是以微波(频率在300MHz-300GHz之间的电磁波)为载体在自由空间无线传输电磁能量的技术。利用微波源将电能转变为微波，由天线放射，经长距离的传播后再由天线接收，最终经微波整流器等重转换为电能使用。微波频率传输所具备的“定向、可穿透电离层”等特性，使得该能量传送2060场合有着重要的应用价值。微波WPT主要用于如微波飞机、卫星太阳能电站等远距输电场合，其中卫星太阳能电站作为人类应对能源危机的有效策略已成为美国、日本等国大力进展的重要航天工程。目前，限制微波WPT技术进一步进展的主要技术瓶颈在于高效微波整流器件、大功率微波天线以及大功率微波电磁场的生物安全性和生态环境的影响问题。然而，由于工作频率高、系统效率较低，微波WPT离较短的应用场合。电磁感应式无线能量传输电磁感应式WPT是基于电磁感应原理，利用原、副边分别的变压器，在较近距离条件下进展无线电能传输的技术。目前较成熟的无线供电方式均承受该技术，典型的应用包括西兰国家地热公园的30kW旅客电动运输车、Splashpower公司的无线充电器等。可以看出，无论是小功率的消费类电子产品还是EV无线供电系统，电磁感应式WPT技术都可有效实现无线供电。然而，电磁感应式WPT率急剧下降；传输效率对非接触变压器的原、副边的错位格外敏感等等。3无线电能传输电磁共振式无线能量传输电磁共振式WPT，是美国MITSoljai领导的争论小组在2023年提出的突破性技术。他们使用两个固有谐振频率相等的铜线圈(为便利表述，称其为“变压器”)，在共振鼓励条件下(即鼓励频率等于线圈的固有谐振频率)，距离2m60W40%。压器绕组间错位的敏感度减小，长野日本无线公司给出了原、副边绕组相互垂直的试验图片；此外，利用共振模式对鼓励频率要求的严格性，可通过合理设置鼓励频率，向指定电器供电，提高安全性。然而，目前该方向的争论要么过于理论化，要么为试验争论，缺乏对应用、工程设计有定量指导意义的争论成果，但毋庸置疑，电磁共振式WPT由于能量的高效耦合将成为WPT技术的一个重要争论方向。线能量传输具有无敏感的方向性、无辐射等优点。〔二〕磁耦合谐振式无线能量传输系统能量传输系统的构成能量传输系统包括电源端与负载端两局部。电源端包含导线绕制并与电容并联的线圈(源线圈)，以及为线圈供给电能的高频电源；相隔一段距离的接收的负载。能量传输系统的工作原理以空气为媒质的时变磁场。率振荡的能量交换，即两谐振体组成耦合谐振系统。4无线电能传输无线供电系统由电源电路、高频振荡电路、高频功率放大电路、放射、接收线圈和高频整流滤波电路五局部组成。非接触供电系统框架如以下图1所示，最终给可充电电池充电。从无线电路传输的原理上看，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播，要产生电磁波首先要有电磁振1非接触供电系统框图〔一〕高频振荡电路设计设计方案方案一：承受LC谐振回路产生所需的频率。优点是可以产生任意所需载波，缺点是频率稳定度比较低〔2。波。优点是电路简洁，频率稳定。缺点就是不能产生任意频率的载波〔见图3。方案二。而且具有电路简洁，频率稳定的有点。5无线电能传输2LC3晶振电路晶振电路的工作原理外加电压在肯定范围内调整频率，称为压控振荡器〔VCO。晶振在数字电路的根本作用是供给一个时序掌握的标准时刻。数字电路的工作是依据电路设计，在某个时刻特地完成特定的任务，假设没有一个时序掌握了。晶振的作用是为系统供给根本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各局部保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上适宜的电容它就会组成并联谐振电6无线电能传输路。这个并联谐振电路加到一个负反响电路中就可以构成正弦波振荡电路，由振荡器的频率也不会有很大的变化。件，通常分成有源晶振和无源晶振两个大类。晶体振荡器仿真41.5MHz的。〔二〕功率放大器设计β倍，β是三极管的沟通放大7无线电能传输β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。功率放大器原理〔或信号失真度〕等。这几项指标要求是相互冲突的，在设计放大器时应依据具体要求，突出一些指可分为甲类、乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延长到非线性区域。功率放大器分类ABDT类放大器等五大类。A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点四周，晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较有25%，且有较大的非线性失真。由于效率比较低现在设计根本上不在再使用。B(VCC，0)处，当没有信号输Vi，Q1Q2(78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是“交越失真“较大。即当信号在-0.6V~0.6VQ1Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也渐渐被设计师摒弃。推挽工作。可以避开交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效8无线电能传输率较高，晶体管功耗较小的特点。DPCMPWM(脉冲宽PDM(PWMPDM/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。具有很高的效率，通常能够到达85%以上。体积小，可以比模拟的放大电路节约很大的空间。无裂噪声接通。低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器一样，功率晶D1、它不是使用脉冲调宽的方法，2、它的功率晶体管的切换频3、T设计方案AD815)可以用来设计高频功放。集成功放具有稳定度高，需要调整的参数少的特点，缺点是效率较低〔集成功放一般承受线性放大要求。可以设计不同构造的放大器以获得最大的效率，而且输出功率可以设计的较增益，二是给供给足够的驱动功率。方案论证：5W，需要较大功率的功放管，应选用方案二。9无线电能传输功率放大器电路图5功率放大器原理电路图10无线电能传输功率放大器仿真6功率放大器仿真〔三〕整流电路设计8桥式整流电路11无线电能传输设计方案8。整流电路仿真9整流电路10整流前后比照〔四〕耦合线圈磁耦合谐振式无线能量传输是以时变磁场为媒介，当外加鼓励源的频率与12无线电能传输两谐振体谐振频率一样，是实现系统耦合谐振的前提。κ>>τ谐振频率的谐振体之间“强耦合”作用，可实现无线能量传输。系统的耦合程度。线圈电感所产生的磁场最大。以减小线圈自身电阻。依据传输距离、功率的不同要求，承受不同尺寸的线圈。密绕环形电感线圈的电感可由下式计算：线圈互感磁耦合谐振式无线能量传输是多方位的能量传输，谐振体(谐振线圈)之间没有严格的方向对应关系，又线圈互感与线圈的尺寸、方位有关。同轴平行的线圈之间的互感图9中线圈模型的互感计算：的匝数；r1,21,2径；d——13无线电能传输11传输系统的最正确频率范围“强耦合”关系式：μ0——，μ0=4π×10-7；σ——σ铜=5.998×107S/m。中距离的无线能量传输，线圈半径r与传输距离d是同一数量级的，线D为是10-3m数量级。因此，假设要“强耦合”(κ>>τ)关系式成立，则系统的谐振频率f至少为106Hz上下。另一方面，磁耦合谐振无线能量传输系统是以时变磁场为传输媒介，不向外辐射电磁能，所以电磁波长远大(λ>>d)。中距离无线能量传输的距离传输范围大体为几十厘米到几米，因此能量传输系统典型频率f0.5~25MHz最好。14无线电能传输依据上章原理，运用multisim仿真实现方案的设计。〔一〕系统整体电路12非接触供电系统电路原理总图〔二〕系统各局部电路接收线圈和高频整流滤波电路五局部组成。15无线电能传输高频振荡电路1415高频功率放大电路16无线电能传输16功率放大器仿真