首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 电力工业论文 > 基于无线电力传输技术的电力拖动系统应用与研究

基于无线电力传输技术的电力拖动系统应用与研究

2024-09-04 94 上传者：管理员

摘要：无线电力传输（WPT）作为一种创新供电技术，因其无需物理导线的便捷性和安全性，引起广泛关注。本研究旨在探讨将无线电力传输技术应用于电力拖动系统，重点分析了工作频率和线圈间距对传输效率的影响。研究通过结合电路理论与MATLAB仿真实验，再通过对实体实验平台数据的分析，证明在特定的谐振频率下操作可以让系统的输出功率和能量传输效率最大化。同时，实验还揭示了线圈间合适的物理距离对于提高能量传输效率和优化输出电压至关重要。本文的研究成果不仅为无线电力传输技术在电力拖动系统的应用提供了坚实的理论和实验依据，也为该技术的进一步研究和发展指明了方向，展现了其在未来应用的巨大潜力。

关键词：
无线电力传输
现代工业
电力传输
电力拖动系统
电子产品领域
加入收藏

在现代工业和消费电子产品领域，电力传输是一个基础且关键的过程。传统的有线电力传输方法因其可靠性而被广泛应用，但它们的使用往往受限于导线的物理限制，这不仅限制了系统设计的灵活性，而且在某些环境中可能存在安全风险。随着技术的进步，特别是无线技术的发展，无线电力传输技术（WPT）作为一项创新技术，正逐渐被应用于各种场合，对传统的电力电缆传输技术造成挑战。WPT技术能够通过电磁场将电能传递给负载，而且负载与电源之间无需物理连接[1]。本文旨在探索WPT在电力拖动系统中的应用，重点研究了利用无线电波的传播特性来传输电能的方式。在电力拖动系统中，WPT技术的应用能够提升系统的部署灵活性，降低安装成本，同时增加系统的安全性。

1、无线电力传输（WPT）技术概况

无线电力传输（Wireless Power Transmission,WPT）是一种通过无线方式传输电能的技术。目前主要识别出四种核心的传输方法[2]。

(1）电磁感应方式。

这种方法基于变压器的基本原理，通过原副边线圈间的磁耦合实现电能的传递。

(2）无线电波方式。

这一方法通过无线电波的发射和接收来完成电能的传输。

(3）交流电谐振耦合方式。

它利用电路中电感元件与电容元件之间的谐振现象来传递能量。

(4）电场传输方式。

此方法采用电场作为介质，实现电能的传输。

这些传输方式各有特点，为WPT技术的应用提供了多样化的选择。

2、无线电力传输技术应用于电力拖动系统

2.1 系统结构与电路设计

本电力拖动系统采用无线电力传输技术构建，这种技术的基础是电磁感应，即利用变化的磁场在导体中产生电流。当电流通过线圈时产生一个动态的磁场，这个变化的磁场跨越空间到达另一个线圈———接收器线圈。根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场在接收器线圈中产出电流。这种传输方式的有效性取决于发送器和接收器之间的距离、线圈的大小和形状，以及它们的相对定位。系统设计结构如图1所示，主要由两部分组成，包括用于能量发送的谐振耦合发送端和用于能量接收的谐振耦合接收端[3]。

发送端的主要任务是将电能有效地传输到接收端。首先是交流电流的整流过程，交流电流被转换为直流电流；接着利用高频逆变器将直流电流再次转换为高频交流电流；随后，该高频交流电流被引入发射线圈。在发射线圈中，交变的电流产生交变磁场。依据磁耦合原理，这个交变磁场穿越空间向接收端的线圈传输能量，接收端的线圈捕获发射端产生的交变磁场，并在其中感应出交变电流。这一交变电流随后通过整流滤波电路转换成直流电。最终，该直流电被用于驱动电力拖动系统，实现其工作功能。

图1 电力拖动系统结构图

在整个过程中，无线电力传输的高效率和灵活性使得电力拖动系统可以在无需物理电缆连接的情况下操作，从而可增强系统的应用灵活性和实用性。

2.2 系统电路功能与实现

在电力拖动系统中，电能传输的起始点是直流电源（DC），该电源被输入到一个逆变器中，然后被转换为高频交流电（AC）。这一步骤至关重要，因为高频交流电能更有效地在发射线圈中产生快速变化的磁场，从而实现能量的无线传输。值得注意的是，逆变器的输出频率和幅度对无线电力传输的效率至关重要。

在发送端的发射线圈中，高频交流电产生交变的磁场，并到达接收端的接收线圈，在其中感应出交流电。感应出的交流电流需要被转换回直流电，以供电力拖动系统使用。因此，接收端包含了整流电路，其功能是将交流电流整流为直流电流。

这一过程中可能涉及到滤波和稳压的步骤，以确保输出的直流电流稳定且符合电力拖动系统的要求。例如，需要12V直流电，则整流后的输出电压需要经过调节，以确保在12V左右。此外，还要考虑电流的稳定性和负载容量，以确保电力拖动系统能够在各种工作条件下稳定运行。

2.3 电力拖动系统的无线电力传输装置

直流电到交流电的转换：系统的核心从直流电源开始。通过两片XKT系列芯片，直流电被转换成交流电，这两块芯片充当逆变器的角色。然后，交流电被引入线圈，开始磁耦合以进行无线电力传输，具体电路图如图2所示。

XKT-412芯片：这是系统中的核心元件，负责将直流电转换为交流电。这一过程涉及到调制解调（mod-demod）任务，即将电能的形式从一种转换为另一种。XKT-412芯片基于电磁能量转换原理工作，不仅能有效地进行能量转换，还可以通过在其电路中增加电阻，提供对电池的快速充电功能。此外，它还具有智能控制能力，能根据不同负载的要求调整能量传输，确保能量传输过程的高效和安全。

图2 直流逆变磁耦合发射端电路图

图3 磁耦合接收端电路图

与XKT-412芯片相辅相成的是XKT-335芯片，专为在更高工作频率下运行设计。其优势在于可以显著减小发射线圈的尺寸和体积，同时提升传输功率，使整个系统更加紧凑和强大。这种高频操作有助于提高无线电力传输的效率，特别在长距离和高功率需求的应用场景中。

在能量发送端，经XKT-412和XKT-335芯片处理的交流电流被引入发射线圈，开始磁耦合的无线电力传输过程。该过程中，线圈产生的交变磁场是能量传输的媒介。

磁耦合接收端电路图如图3所示。磁耦合接收端捕获从发射端传输的能量（交流形式），通过电容器滤波后输出质量更高的交流电，提高输出性能。这里的电路设计包括电容器滤波部分，用于改善接收到的交流电的质量，从而提高整个系统的输出性能。

负载电机前的整流电路：这是在无线传输后和驱动负载电机之前的电路整流部分。要将接收到的交流电能转换为适合负载电机使用的直流形式，需要精确而高效的整流电路，以确保电机获得稳定且符合规格的直流电源。

3、影响电力拖动系统中无线电力传输效率的因素

电力拖动系统的无线电力传输效率受多种变量的影响。在确认电路设计正确无误的情况下，系统的性能受到工作频率、负载量、传输间距及线圈规格等因素的综合影响。（1）工作频率，较高的频率下磁耦合效率更高，可以减少能量的损耗，并提高跨越空间的能量传输能力，然而过高的频率可能导致电磁干扰，因此需要仔细平衡。在本设计中，工作频率应确保能量传输最大化，同时避免对系统或周围环境产生不利影响。（2）负载量，即系统所需驱动的电力量，若其增加可能导致传输效率下降。在设计阶段，应考虑最大负载情况下的能量需求，以确保系统即使在最大负载下也能保持良好的传输效率。（3）传输距离，是影响无线电力传输效率的另一个重要因素。通常距离越远，能量损失越大。设计时需考虑如何优化线圈的放置和方向，以及可能的环境干扰因素，以最大化距离内的能量传输效率。（4）线圈的规格，包括其大小、形状、匝数以及使用的材料，适当设计的线圈能够提高磁场的强度和稳定性，从而提高能量的传输效率。此外，线圈间的相对定位也影响着能量的传输效率，需要精确调整以实现最优的能量耦合。下面讨论工作频率和线圈规格这两个关键因素。

3.1 工作频率对系统性能的影响

本研究以市面上常见的220V/50Hz的交流电源来激活电感线圈，采用MATLAB软件进行仿真实验。首先在MATLAB中建立无线电力传输系统的模型，然后进行参数设置。在仿真模型中设定不同的工作频率和线圈间距，例如，设置工作频率从100k Hz～250k Hz，线圈间距从5cm～13cm。接下来运行仿真实验，记录不同条件下的输出电压和电流数据，以及传输效率。最后分析收集到的数据，观察工作频率和线圈间距对输出电压、电流和传输效率的影响。

在实验中，保持发射线圈和接收线圈之间的相对位置固定，调整工作频率，监测输出电压和电流的变化，并据此计算无线传输的转换效率。实验发现，转换效率随着工作频率的逐渐提升而呈现单调递增的趋势；当工作频率上升至接收端的谐振频率时，转换效率达到最大值；若继续提高工作频率，传输效率则开始单调下降。

3.2 线圈间的距离对传输效能的影响

在无线电力传输（WPT）系统中，发射与接收线圈间的空间间隔对能量传输的有效性至关重要，这一间距对传输距离的评估以及系统整体性能有着显著影响。实验数据如表1所示，当两线圈的间隔从接触点逐渐增大时，能量传输的效率呈现增长至峰值后逐渐下降的趋势，这一现象说明在峰点时系统的能量传输效率达到最优。

表1 不同线圈间距对无线电力传输效率和输出电压的影响

在保持其他参数不变的实验设置下，将线圈间的物理间隔作为变量进行实验。结果发现，当两线圈距离逐渐增大时，连接负载的电压也呈现类似的变化模式：首先是随着间距的增大而上升，达到一个峰值后，电压则开始下降。物理上，这些观察到的效率和电压变化可归因于线圈间耦合度的变化，即从过度耦合到临界耦合，最后是不足耦合的过程。

4、结语

无线电力传输技术，作为一种新兴的供电方式，因其便捷性和安全性在科研和实际应用领域受到了广泛关注。该技术的发展为许多领域，包括消费电子、医疗设备和工业应用，提供了新的可能性。

本研究通过MATLAB仿真实验和实体实验，深入探讨了操作频率对无线电力传输系统性能的影响。实验结果显示，随着工作频率的增加，系统的输出功率和效率先是提升，达到谐振频率时达到最高，然后随着频率进一步增加而降低。这表明，调整操作频率至系统的谐振频率是优化输出功率和传输效率的关键。实验还发现，线圈间的物理距离对能量传输的效率和输出电压有显著影响。当线圈间距增加时，能量传输的效率和输出电压先增加至一个峰值，然后随着距离的进一步增加而下降，这说明存在一个理想的线圈间距，可以在该点上获得最高的能量传输效率和最优的输出电压水平。

在实际应用中，为了实现最佳的工作性能，无线电力传输系统应能够根据负载的变化自动调整其工作频率。这种自适应性对于保持系统在各种条件下的最高效率和稳定性至关重要。

参考文献:

[1]吕江平,李亚光.全方位无线电力传输发射器的电磁结构设计[J].电气传动,2022,52(23):36-44.

[2]朱俊杰,陈程,李智等.基于电磁耦合阵列定位的无线电能传输装置设计[J].电子技术应用,2011,37(05):68-70+74.

[3]千镇荣,张国忠,李东升等.基于无线电力传输的电力拖动系统研究与应用[J].科技视界,2020(31):78-80.

文章来源:刘琪,莫东林.基于无线电力传输技术的电力拖动系统应用与研究[J].家电维修,2024,(09):98-100.