无线输电传输效率的研究

无线输电传输效率的研究 肖 冰 洪劲松 王秉中 (电子科技大学 物理电子学院 , 四川 成都 61 00 54 ) 摘 要 : 首先 , 介绍了无线输电技术的三种主要方式 : 微波输能 、 感应藕合和强磁藕合谐振的原理和 系统 组成。 然后 , 对无线输电的关健因素—传输效率进行了详细分析和总结 。关键词 : 无线输电 ; 微波输能 ; 感应搞合 ; 强磁藕合谐振 R e se a rc h o n the E ffie ie n e y o fW ire le s s Po w e r T ra n sm iss io n X IA O B in g H O N G Jin g 一 S o n g 场叭N G B in g 一Z h o n g (S eh o o l o fPhysiea lE le etro n ies , U n iv e rs ity o f E le etro n ie S eie n c e an d Te ehn o lo gy o fC hin a , Chen g d u 6 10 O54) A b str a e t : Firstly, th e o Pera tio n Pri n e iPle s an d e o m Po nent s o f Pri m a ry m etho d s in q u o o f w ir e le ss Po w er tra n sm issio n : m ie ro w a v e Po w er tr an sm iss io n (M p T) , in du eti v e ly eo uP led p o w er tra n sfe r (ICPT ) an d stro n g ly eo uP led m a gn e tie re so n an e es a re in tr o d u e ed . Th e n , tr an sm itt e d e ffi eie n ey, w hie h 15 th e m o st sign ifi ean tPara m ete r o f W PT, 15 an alyz ed in d eta il . K ey w o r d s : Wi re less Po w e r T ra n sm issio n : M ie r o w av e Po w er Tr an s而ssio n ; In d u e tiv e ly C o uP le d Po w er Tr an sfe r, stro n g ly eo uP le d m ag n etie reso n an c es 输能(M p T) 、 感应祸合(lCPT) 和强磁祸合谐振 。 1 引言 2 微波输能 传统的电能传输主要依靠电力系统的输电线 路 。 在各种复杂条件下 , 输电线路极易出现各种事 故 。 另外 , 传统的电能传输要求电源和接收方直接 接触 , 造成心脏起搏器等植入体内的医疗设备难以 供电。 还有 , 手机 、 音乐播放器等移动设备的充电 器频繁插拔 , 既不安全又不方便且容易磨损 。 除此 之外 , 在偏远和高海拔地区及孤立岛屿等特殊场合 下 , 很难采用架设 电线的传统配电方式 。 而无线输 电技术(W p T) 可以避免这些问题 的侵扰 , 在能源 、 通信 、 军事等领域具有极高的科研价值和广阔的应 用前景 。 目前 , 无线输电的方式主要有三种 : 微波 微波输能的能量传输系统组成和各部分功能如 图 1 所示 。 微微波功率源源源 发发发 整流天线线 射射射射射射射 天天天天天天天 线线线线线线线 实现直流/ 射频转换 功率源产生的微波能量由发射天线聚焦后 高效地发射 将微波能量接 收并且转换为 直流功率。 图 1 微波输能的示意图 基金项 目: 国家“ 863 ” 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目(200 8A A 0 lZ 2 06) , 国家 自然科学基金项 目(60 872 029 ) , 中央 高校科研业 务基金 ( N o z y o℃oo g jo3 7) , 中 国 航 空 科 技 基 金 (N o . 2 0 10 0 18 00 3 ) 。 2 . , 微波功率源 目前 , 大功率微波源技术已经 比较成熟 。 产生 微波的真空管包括磁控管 、 行波管和速调管 , 固态 器件有半导体器件和混合型器件 。 普通磁控管是常 规电真空器件中效率最高的 , 最高能达到 80 %以上 , · 16 8 9 . 通常情况也有 60 一70% 。 在 5 . SG H z 工作的电子能 量转换效率可达 85 . 5% 。 用于微波炉的商用磁控管 (3 o dB )直接用于相控阵的辐射单元 , 价格每只不超 过 巧 美元 。 因此磁控管在 Mp T 系统中被较多的采 用 。 2. 2 发射天线 对发射天线主要考虑以下两方面 。 第一 , 高增 益 、 高聚焦能力 。 可以考虑抛物面天线或单元天线 组阵 。 第二 , 辐射方向图的空间扫描 , 如相控阵天 线 。 但考虑到相控阵天线的 T瓜 组件的成本很高 , 可以考虑具有定向功能的回溯(Re tro di re cti ve )天线阵 川 。 具有定向功能的 M p T 系统有两个优点: 其一 , MPT 系统的 D C 一D C (直流—直流 ) 整体转换效率提高 ; 其二 , 系统的安全性增强 。 2. 3 整流天线 整流天线是 MPT 系统的接收部件 , 由接收天 线和整流电路组成 , 结构如图 2 所示 。 拯拯拯拯拯拯拯拯拯拯 直直接接收天线线线 典典典 · 通通滤滤滤滤滤滤滤滤滤滤滤,,,,,,,, 冰泛三三三 波波丝丝丝丝 器器器器器器器 代 , si 肖特基二极管代替点接触半导体二极管以 后 , 盯一D C 转换效率提高到 80 %左右 。 为了得到高转换效率 , 必须选择结电容小的二 极管。 目前有多种工作于微波频段的肖特基二极管 可供选用 , 如 Ra yth co n 、 HP 、 N灯A COM 等二极 管 。 si 和 G aA s 肖特基整流二极管效率可达 80 % 以 上 。 G aA s 的电子迁移率是 si 的 6 倍 , 因此 G aA s 二极管的转换效率较高; 而 Si 具有较好的导热性 , 因此 Si 二极管的可靠性较高 。 此外 , 值得注意的是整流天线阵的 RF 一D C 转 换效率明显低于单元转换效率 。 如文献〔3] 中 , 单元 效率是 6 4 % , 阵列效率只有 46 % 。 这是因为 : 由 于阵元间的互祸 , 天线阵列的增益达不到单元增益 的代数和 ; 整流电路部分也会相互影响 。 无线输电系统的输能效率就是以上各部分效率 的乘积 。 如 N A SA 对 5 . 8 G H z 频段 SPS 的 D C 一D C 转换效率做了详细估算 [’] , 三部分效率分别可达 飞 一76 .6 % , 尽 二81 .5 % , 从 一72 · 1% , 实现了总体 D C 一 D C 效率为叮=4 5% 。 文献〔5] 提出一种新的基于 时间反演算法的无线信号传输方法 , 以减小复杂环 境下多径效应给能量传输过程带来的损耗 , 提高自 由空间传播过程的效率从 。 通速虫跳 _ _ _ _ _ - -一 图 2 整流天线的结构组成 3 感应藕合 接收天线是整流天线的前端 , 它的高增益是保 证整流天线高 盯一D C (射频—直流 ) 转换效率的前提 。 整流电路中低通滤波器的作用是让基频通过 , 阻止天线的其他频率分量进入整流电路 , 同时反射 二极管产生的高次谐波 ; 匹配电路实现接收天线与 滤波器之间的匹配 。 直通滤波器的作用是只让直流 通过 , 将基频及基频以上的谐波反射回到整流二极 管 , 一方面提高了输出直流的平稳度 , 另一方面将反 射的盯 能量再一次整流利用 。 也可以把低通滤波器 的功能用谐波抑制天线代替以减小整流电路体积 [2] 。 整流天线效率从 分为接收天线对微波的接收效 率 侃 和 整流 电路 的整流效率 飞 两部分 , 即 : 从 = nra 甲。 。 nra 依赖于天线的优化设计 。 粉。 由整流 二极管特性参数 、 阻抗匹配程度 、 直流负载 , 以及 对高次谐波的抑制能力等因素所决定 。 整流二极管 性能是决定整流效率的关键因素 。 上世纪 70 年 感应祸合电能传输系统的基本框图如图 3 所 示 , 以松祸合变压器为分界点 , 能量传输框图由两 大部分组成 。 变压器原边由交流电网输入 , 整流滤 波成直流电 , 经过高频逆变器进行逆变 , 给变压器 原边绕组提供高频交流电流 。 一次侧原边线圈中的 高频交变电流产生的磁链 中 与二次侧副边线圈交 链 , 从而产生感应电动势 。 副边线圈得到的感应电 动势通过高频整流及直流斩波等调节电路之后即可 向负载提供参数合适的直流电能供应 。 此外 , 由于 一次侧与二次侧间存有较大的空气间隙 , 因此其祸 合系数 K 较小 , 必须往松祸合变压器的原边线圈中 注入高频交变电流 , 并且在一次侧和二次侧线圈附 加电路补偿器件 。 回哑居{亘红{捆侧柯 松祸合变帐器 图 3 感应祸合电能传输系统 . 16 9 0 · 在感应祸合电能传输系统中, 有多个影响传输 效率的因素 , 包括可分离变压器的祸合系数 、 系统 的工作频率 、 补偿拓扑结构等 。 3 . , 可分离变压器的藕合系数 祸合系数 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示变压器初级 、 次级线圈的藕合程 度 , 与变压器的铁芯 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 , 线圈的线径 、 匝数 、 位 置和气隙的大小有关 。 在磁芯材料的选取原则上 , 要求它有高的磁导率 , 很小的矫顽力 H c 和剩余磁 感应强度 Br , 较高的电阻率 p 和高的饱和磁感应 强度 B s 。 线圈的绕法应该根据设计的可分离变压器 的具体结构具体分析 , 而关于气隙因素对传输效率 的影响 , 气隙越大 , 传输效率越低 。 图 4 为文献l0] 中所示 , 经样机实验分析得到的气隙宽度及交流频 率对电能传输效率的影响 。 初级的漏感抗和次级反映到初级的感应感抗 , 从而 减小感应电源的视在功率 , 提高了感应电源的功率 因数 。 次级的补偿可 以减小次级的无功功率 , 提高 次级负载的功率因数 , 增大感应电源的输出功率 。 4 强磁藕合谐振 强磁祸合谐振电能传输应用了电磁场的近场理 论 , 使线圈高度谐振来实现能量高效率传输 。 应用 交变磁场作为媒介来传输能量 。 整“ ,二平 七 ‘、 ~ 气除 乡O 么 . m 价 气救 为O s m m 奋 一 气翻 为O 7m m 4 . , 系统组成 基于强磁祸合谐振原理 , 实验中使用了两个直 径为 50c m 的铜线圈 , 通过调整发射频率使两个线 圈在 9. gMH z 产生共振 , 从而成功点亮了距离电力 发射端 Zm (约为线圈半径的 8 倍 ) 以外的一盏 60W 灯泡 , 传输效率 40 % 。 该实验装置的构成如图 5 所示 : 源线圈 S , 与 一个振荡电路电感 A 祸合 , 接收端设备线圈 D 与 电阻负载电感 B 祸合 。 能量通过电源振荡电路 A 祸 合到源线圈 S , 源线圈 S 与接收线圈 D 依赖于内部 的分布电感和分布电容而达到谐振 。 接收线圈 D 与 负载线圈 B 通过祸合实现能量传递 。 之所以称其为 “强磁祸合谐振 ” , 是因为空间进行能量交换的媒介 是交变磁场 , 每个线圈的电磁谐振是由线圈中的磁 场与分布电容的电场实现的 。 这种方法的特点是在 发送和接收电路中加入高品质因数的自谐振线圈构 成发射和接收装置 , 不需要“磁芯”从而避免了金属 损耗[ 82。 户. 尸厂声尸卜 .声 , 了下 , 月JJ‘,, .J, .刃, .1,.J卫的弘科劫的肠拟 . / 声 交派旅率疚H乡 1 0 15 2 0 2 5 3 0 图 4 气隙和交流频率对传输效率的影响 文献lv] 提出了超大间隙感应能量传输系统 。 使 用在几百 kH 之范围的较高的传输频率 , 优化结构 , 实现传输功率为几个千瓦 , 气隙为 I6 0c m 时 , 磁祸 合结构的效率上升到 90 % 。 3. 2 系统工作频率 八„气在满足输出功率的情况下 , 应使用较高的工作 频率 。 经实验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 , 初级电流随着系统工作频率的 增加而不断减小 , 初级 电流越小 , 系统的功率损失 也就越小 。 因此 , 感应电能传输系统的工作频率应 该在较高频段 , 根据样机的实验 , 系统的工作频率 应该在 10幻七卜一3 0扛七 , 如图 5 所示 [6 ] 。 图 5 强磁祸合谐振结构示意图181 4. 2 效率分析 3 . 3 补偿拓扑结构 感应电能传输系统中存在着较大的漏 电感 , 为 了减少系统的无功功率 , 一般采用补偿容抗来平衡 电路中的感抗 。 补偿拓扑可 以根据布局的不同分为 串联补偿和并联补偿 。 初级的补偿 电容是为了平衡 强磁祸合谐振系统可以借助祸合模理论加以描 述 , 其结果与实验结果的误差在 5% 以内[8] 。 当发射 和接收装置谐振时 , 功率最佳 , 此时的效率 斤可表 示为 : · 16 9 1 · r 甲 K Z r D r s r D 5 结束语 泞 = [{ , + 、)二]+「}, + 擎)’」 L又 r 。 少r sr 。」L又 f 。 夕」 上式中 , r : 和 r 。分别代表源和被驱动装置的 衰减率(辐射和吸收能量的损失); r 甲 是无负载装置 时的附加项 ; K 是发射和接收装置之间的祸合系 . 、 _ ~ 、 , . r rZI数 。 田上式 刚见 , 白 -二 ~ = r D 介斋时 , “具有最 大值 , 且高效率能量转移的关键是 : 尤2 r sr D > 1 。 这 就涉及了强祸合状态 , 磁谐振在这种装置 中扮演着 重要的角色 。 无线输电是目前正在快速发展的一项跨学科综 合技术 。 其三种主要实现方式 : 微波输能 、 感应祸 合和强磁祸合谐振的原理各不相同 , 因此传输功 率 、 距离 、 效率和使用频率有很大差异 。 (如表 1 所示 ) 从有线到无线 , 是电子技术发展的一个普遍趋 势 。 无线输电具有巨大的应用价值 , 因此受到世界 各国的普遍重视 , 美 日等国在该领域处于领先地 位 。 我国对无线输电的研究还处在起步阶段 , 还有 很大的发展空间。 如何进一步提高无线输电效率 , 是一项有重要价值的研究课题 。 表 , 三种无线输电系统举例比较 输输能方式式 输出功率率 距离 (缝隙 ))) 效率率 频率率 研究机构构 发表时间间 微微波输能 (2 304 个单单 7 50WWW 4 2 mmm 4 6% (整整 2 .4 5G H zzz 京都大学学 19 9 8年「3 111 元元形成阵列 ))))))) 流天线))))))))) 感感应祸合合 5 0 02WWW 20C mmm 9 3 . 9%%% 15 . 6k H zzz U nivers ity o fZ ar ag o z aaa 2 0() 7 年19111 强强磁祸合谐振振 6 0WWW 2 mmm 4 5%%% 9 . g M H ZZZ MITTT 加0 7 年[8]]] 参考文献 H sieh L H , S tr as sn er B H , K o k e l S J , e t al . D ev elo Pm eni o f a re tro dire e tiv e w ire le ss m iero w av e Po w e r tr an sm is sio n syste m [C ] . IE E E , 2 00 3 . 几kh edln it H , C iri o L , M erab et B , e t a l. Effi eieni 2 4 5 G H z re e tenn a de s ig n in elu d in g ha n n o n ie rej e etmg re eti fi e r dev ie e [J] . E le c tro ni e s le tt e rs . 20 10 , 46(12): 8 11 一 8一2 . Shin o hara N , M a ts um o to H . E x Peri m enta l stu dy o f l魂e re e tenn a a rr ay fo r m iero w av e e n erg y tra n s而s sio n [月. IE EE T ra n sa e tion s o n M icro w av e Th e o理 an d Te e俪nue s . 19 9 8 , 46 (3): 26一 M esP ad de n J O , M ank in s J C . SPa c e so lar Pow e r Pro gI’a m s an d m iero w av e w ire le s s Po w e r tra n sm is sio n te ehn o lo gy [刀. IE EE m ic ro w av e m 铭az in e . 20 02 , 3 (4 ): 4 6一 57 . 李德 , 洪劲松 , 王秉中 . 提高无线传感器网络信息安全的时间反演技术[J] . 红外与毫米波学报 . 201 0 , 29 (002) : 117一 122 . 周静 , 安慰东 , 李永振 . 提高感应电能传输效率的研究闭 . 电子测试. 2 0 10 (001 ): 5 一 10 . M e e k e 1 R . OPtim isa tio n o f in du e tiv e ene rgy tra n sm iss io n syste m s w ith an ex tI’a o rd in ari ly larg e a ir gap [J] . Pro e e e din g s o fM a g lev , 20 02 . 20 02 . K u rs A , K a ra lis A , M o ffa tt R , e t a l . W irele ss Po w e r tr a n sfe r v ia stro n g ly e ouP le d m a gn etie re s o nan e e s [J] . se ie n e e . 20 07 , 3 17(5 834 ): 83 . Vi lla J L , Llo m bart A , Sanz J F, et al . prac ti e a l D ev eloPm e n t o f a 5 kw IC p T Syste m 5 5 C o m Pe n s ate d w ith a La飞e A ir gaP [C」. 20 07 . [l][2][s][41[7][8][9][5][6] 作者简介 : 肖冰 , 男 , 硕士生 , 主要研究领域为无线输电 。 . 16 9 2 .