影响非接触式能量传输效率的因素分析

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高效率非接触式电力传输系统设计与实现

高效率非接触式电力传输系统设计与实现

高效率非接触式电力传输系统设计与实现随着科技的发展,电力传输已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。

传统的电力传输方式主要基于导线输电,但这种方式存在一些问题,比如需要大量的电缆、存在电力损耗、难以在某些环境中布线等。

为了克服这些问题,非接触式电力传输系统应运而生。

本文将介绍一种高效率的非接触式电力传输系统的设计与实现。

非接触式电力传输系统采用了电磁感应的原理,通过电磁场的耦合实现电能的传输。

这种方式不需要直接接触导线,因此可以避免电线的插拔和磨损,提高了使用的便捷性和安全性。

首先,设计一个高效率的非接触式电力传输系统,需要选择合适的电磁感应方案。

常见的电磁感应方案有谐振式和非谐振式两种。

谐振式电磁感应系统通过调节电容和电感器的组合来达到谐振,提高传输效率;非谐振式电磁感应系统则利用功率与电压的法则实现电能的传输。

根据具体的需求和应用场景,选择合适的电磁感应方案是关键。

其次,非接触式电力传输系统的设计需要考虑功率传输的效率。

高效率的功率传输可以减少能量的损耗,提高系统的效能。

为了实现高效率的功率传输,需要合理设计传输装置的结构。

传输装置包括发射端和接收端两部分,发射端通过电源和适当的电路将电能转换为高频交流电能,然后通过发射线圈产生电磁场。

接收端则通过接收线圈接收电磁场,并将电能转换为可用的直流电能。

在设计传输装置的结构时,需要考虑线圈的尺寸、电路的匹配和功率的传输效率等因素。

另外,为了保证非接触式电力传输的安全性,还需要考虑防止电磁泄漏的问题。

电磁泄漏可能对周围的电子设备和人体产生干扰和危害。

为了防止电磁泄漏,可以采用合适的屏蔽材料和结构,在发射线圈和接收线圈之间设置屏蔽层,减少电磁泄漏的概率。

此外,还可以在发射端和接收端设置电磁屏蔽装置,进一步减少电磁泄漏。

最后,设计非接触式电力传输系统需要考虑实际应用和成本。

根据实际需求,设计可扩展和灵活的系统,满足不同场景和功率需求的要求。

同时,还需要考虑系统的成本,包括制造成本和维护成本等。

导轨式非接触电能传输系统功率和效率的分析与优化

导轨式非接触电能传输系统功率和效率的分析与优化


要 : 对 常用 的导轨 式 非接 触 电能 传输 ( P )系统 传 输 功 率和 效 率 的优 化 问题 , 针 CT 基
于 阻抗 特性 , 出了一 种计 算导 轨 式 C T 系统 传输 功 率 和 效 率 的新 方 法. 提 P 通过 分 析 得 出 了系统传输 功 率与磁 芯等 效磁 阻、 系统工作 频 率 以及 与 原边 导轨 和 副 边 线 圈 匝数 等 因素 之 间的关 系. 同时根 据 实际 系统 的传 输 功 率要 求 , 出 了导 轨 式 C T 系统 的 一种 优 化设 给 P
系统, 文献 [ ] 6 中给 出 了一 种 适 合 于 导 轨 式 C F系 F
收 稿 日期 : 0 00 —8 2 1 —10
系统 的无 功功率 . 这 在 一定 程 度 上增 加 了系统 设 但 计所 需要 考虑 的参 数 和难 度 , 因此 优化 各 参 数 的取 值并设 计 出相应 的策 略来提 高系统 的传 输功 率和效
能效 没有 进行 更加 深入 的分析 .
文 中在文 献 [ 的基 础 上 , 出 了一 种 适 用 于 6] 提 导 轨式 C T系统能效 计算 的新 方法 , 对 系统 参数 P 并 进行 了优 化设计 以提高 系统能效 . 此基础 上 , 在 针对
处 于起 步 阶段 , 系统 的 能效 ( 输 功率 和效 率 ) 停 传 还
( trlS in eEdt n) Nau a ce c io i
文章编号 : 005 5 2 1 )00 2 —7 10 — X(0触 电能传输 系统 功率和效 率 的分析 与优化 术
孙 跃 夏晨 阳 苏 玉 刚 戴 欣
( 庆 大学 自动 化 学 院 , 庆 4 0 3 ) 重 重 00 0

非接触式电能传输技术概述

非接触式电能传输技术概述

非接触式电能传输技术概述期内容:西电智慧电气杯创新大赛科技前沿最近,非接触式电能传输( Contactless Energy Transfer, CET )技术得到了广泛的研究与关注,为移动设备供电提供了新的路径,即有效避免了线缆、插头和导电滑环;对于一些诸如航空、生物医学、多传感器应用、机器人工业这样的重要领域,CET技术显著地增加了系统的可靠性,减少了装备的维护工作。

本文对基于电力电子电路的CET 技术进行了回顾与总结CET ,也通常被称为非接触式功率传输(Contactless PowerTransfer, CPT )或者无线功率传输( Wireless PowerCET 可分为:Transfer, WPT )。

根据能量传输介质的差异,声波耦合式CET 、光学耦合式CET 、电场耦合式CET 以及当前最流行的磁场耦合式CET (也称为感应式CET ),如下图所示。

接下来,本文将对这些技术的基本原理、最新进展、优缺点及应用场合进行介绍,其中将重点介绍磁场耦合式CET 技术。

1 、声波耦合式CET 技术声波耦合式CET 技术的基本原理如下图所示。

直流电能通过逆变器、发射器转换为声波,并通过空气、生物或金属介质进行传播;接收电路将接收到的声波转换为交流电能,并在整流、滤波之后供给负载。

其中的发射器、接收器通常采用压电材料实现,这种材料受到压力作用时会在两端面间出现电压。

因此,利用压电材料的这一特性可实现机械振动(声波)和交流电的互相转换。

与磁场耦合式CET 技术相比,声波耦合式CET 技术具有以特点:1 )对于任意尺寸的发射器和接收器,声波耦合式CET 技术使用的开关频率可比磁场耦合式CET 技术小得多仅为后者的Cair/Cem 倍,其中Cair 、Cem 分别为声波及电磁波在空气中的传输速度)。

因此,电力电子变流器的损耗也相对较小;2 )可在不允许电磁场存在的场合使用;3)当电能传输的方向确定时,系统体积比磁场耦合式CET 系统小;4 )通常,声波耦合式CET 系统效率比电感性系统要低;然而,当发射器与接收器距离远大于它们的半径时,系统效率要比电感性系统高。

影响非接触式能量传输效率的因素分析

影响非接触式能量传输效率的因素分析

影响非接触式能量传输效率的因素分析影响非接触式能量传输效率的因素分析【摘要】非接触式能量传输方式可以解决接触式能量传输带来的各种问题。

但非接触式能量传输存在较大漏感,传输效率受到限制。

本文通过对非接触式能量传输的分离式变压器的拓扑结构,补偿容抗电路,闭环控制电路的研究与分析,设计一套非接触能量传输平台,提高非接触能量传输的效率。

文章完成了非接触传输系统的硬件电路和实验平台的搭建,实验结果证明在一定输入条件下,在气隙间隙5mm的条件下传输效率达70%,随着气隙增大传输效率明显降低。

【关键词】分离式变压器;拓扑结构;补偿容抗电路;闭环控制电路1.引言近年来,无线充电技术得到了深入而广泛的研究与发展,不仅能克服接触式电能传输所带来的接触磨损、接触电阻和摩擦电火花等问题[1],并且能够简化充电操作的步骤。

无线充电技术的关键问题在于电能的非接触式传输,最主要的方式为电磁感应式传输(Inductively Coupled Power Transfer,ICPT)。

电磁感应式非接触传输是一种易实现且传输效率较高的非接触式电能传输方式,也是现阶段研究和发展的重点方向[2]。

感应式非接触能量传输系统利用分离式变压器的原边线圈中交变电流,产生交变的磁场从分离式变压器的发射端传递到接受端,再通过分离式变压器接收端中交变的磁场产生副边线圈中的交变电流,来实现电能的非接触传输。

由于分离式变压器存在较大漏感,电磁感应式无线充电系统的传输效率受到限制。

本文针对电磁感应式非接触能量传输系统中的分离式变压器,分析影响电能无线传输效率的各个因素,并对分离式变压器的结构和充电电路进行优化来提高能量传输的效率。

2.分离式变压器的拓扑结构分析根据分离式变压器中原副边线圈不同的空间结构,可以分为单面和双面两种绕组结构[3],如图1所示。

线圈单面绕组,可以实现在较小的体积内绕制,符合无线充电装置小型化微型化的要求。

设计中可以在外侧设置高磁导率的磁芯材料,有效降低外侧磁通量的泄露,提高耦合系数。

无接触电能传输研究现状

无接触电能传输研究现状

无接触电能传输技术的研究现状广义地说,无接触电能传输(Contactless Power Transfer,简称CPT)技术泛指一切借助某种载体实现无直接电气连接的电能传输技术.其中,“载体”包括激光、微波、RF无线电波、以及电磁场近场耦合等。

但是,由于目前研究最广泛的是基于电磁场近场耦合的CPT技术,因此狭义的CPT技术专指这种基于电磁感应原理,综合利用电力电子技术、磁场耦合技术及控制理论,实现用电设备以非电气接触方式从电网获取电能的技术。

CPT技术在不同的领域或者不同的研究团队有着不同的名称,如生物医电领域称为TET(Transcutaneous Energy Transmission)技术,在其他领域也称为WET(Wireless Energy Transfer)、CPS (Contactless Power Supply)、CLPS(Contactless Power Station)、IPT(Inductive Power Transfer)及ICPT(Inductively Coupled Power Transfer)等等,总而言之,所有这些不同的名字都指代着相同的东西,即通过电磁感应的基本原理实现电能无接触传输的技术,这里,我们统称为CPT技术。

美国麻省理工学院的Marin Soljacic教授等提出一种“Witricity”技术,基于磁共振原理实现较大距离的无线能量传输,2006年底他们展示了可实现2m 距离60W功率传输的演示系统,并在《Science》杂志上发表了其研究成果,引起了世界轰动。

它的原理是将发送端和接收端的线圈构成了一个磁场耦合共振系统,当发送端产生的振荡磁场频率和接收端的频率相同时,接收端就会产生共振,从而最大化地实现了能量的传输.这种无接触电能传输技术具有传输距离长、能量损耗较小,传输效率高,传输性能稳定等多方面的优点,因此这种技术吸引了大家更多的关注和研究。

电力系统中的电容式非接触电能传输技术研究

电力系统中的电容式非接触电能传输技术研究

电力系统中的电容式非接触电能传输技术研究引言:电能传输是现代社会发展所必需的重要技术之一。

为了满足人们对能源供应的需求,电力系统的发展已经从线缆传输逐渐发展到非接触传输技术。

本文将重点探讨电容式非接触电能传输技术在电力系统中的研究进展和应用前景。

一、电容式非接触电能传输技术的原理及特点电容式非接触电能传输技术是利用电容耦合原理进行能量传输的一种技术。

其基本原理是通过电容耦合将电能从源端传输到负载端,而无需直接连接导线。

这种传输方式的特点是能够实现远距离的能量传输且无需线缆连接,从而大大提高了电能传输的便利性和可靠性。

二、电容式非接触电能传输技术的研究进展1. 电容耦合器件的优化设计电容耦合器件是电容式非接触电能传输技术的核心部件。

研究人员通过对电容耦合器件的结构和材料的优化设计,实现了传输效率的提高和功率损耗的降低。

新型的电容耦合器件不仅具有更高的传输效率,而且具备了更好的抗干扰能力,保证了传输系统的稳定性。

2. 传输距离的增加电容式非接触电能传输技术的一大优势就是能够实现远距离的能量传输。

近年来,研究人员通过改进传输系统的结构和优化传输参数,成功实现了传输距离的增加。

目前,已经可以实现几米甚至十几米的远距离传输。

3. 电能传输效率的提高提高电能传输效率是电容式非接触电能传输技术研究的重要目标之一。

通过改进传输系统的功率调节和控制算法,研究人员成功实现了电能传输效率的提高。

传输效率的提升不仅可以减少能量的损耗,还可以提高系统的稳定性和可靠性。

三、电容式非接触电能传输技术的应用前景1. 智能家居领域随着智能家居技术的发展,对于电能的无线传输需求也越来越大。

电容式非接触电能传输技术可以为智能家居提供便捷的电能供应,从而实现智能家居设备的互联互通,提高居民的生活品质。

2. 工业自动化领域在工业生产中,大部分设备都需要电能供应。

传统的有线传输方式存在着线缆维护麻烦、电线材料消耗等问题。

采用电容式非接触电能传输技术可以减少线缆使用,提高设备的可靠性和生产效率。

提高感应电能传输效率的研究

提高感应电能传输效率的研究

wh c r n mi e eg o d b lc r ma n t o pi g Th e o o e t o T r h o p e r n f r e ih t s t n r y t l a y ee to g ei c u l . ek y c mp n n s fI a O c n CP a et ec u ld t so m r a
t sp p r ti tod e hes tm ft C PT,a nay e hei l nc r nse f ce c hi a e ,i n r uc st yse o hc I nd a ls st nf ue e oft ta f re he i i n y whih m pa tngby c i ci
关键词 :感应 电能传输 ;可分 离变压器 ;传输 效率 ;补偿电路
中 图分 类号 :T 44 M 6 文 献 标 识 码 :A
Ree r h a s a c nd m pl m e a i i e nt ton g _ r que y ofhi h・f e _ _ nc
i nve t r c r uis r e i c t
程 设计之 中 口。
I 要 J
非 接 触 电能传 输 系统 的组 成
感 应 电能传输系统是根据 麦克斯维尔 电磁场原 理 ,通过可分离变压器进 行能量的传递 。图 l 是该
系统 的组 成框 图。
度, 与变压 器的铁芯材料 、 圈的绕法 ( 线 线径 、 匝数 、 位置 ) 以及气隙的大小有关。
0 引言
传输领 域研 究的一大热 点 ,它解 决了一些 传统供 电
系统 无 法满 足 的 问题 ,克服 了接 触 式供 电的 缺陷 ,

无线电能传输效率的影响因素研究

无线电能传输效率的影响因素研究

无线电能传输效率的影响因素研究作者:张文勇马彦兵欧建开吴常贵来源:《无线互联科技》2023年第19期摘要:随着电力电子技术的不断发展,无线电能传输技术备受关注,其特有的电能传输方式越来越受到学术界和产业界的青睐。

文章详细梳理了无线电能传输技术的理论推导,并使用H桥电路设计搭建了无线电能传输系统平台。

文章基于该平台,深入研究线圈距离、圆心差、输入频率、负载和输入电压等因素对传输效率和功率的影响情况,为后期设计大功率无线电能传输技术提供技术保障。

关键词:无线电能传输技术;H桥电路;传输效率;输出功率中图分类号:TP391 文献标志码:A1 研究问题无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)是实现电能以非电气接触方式传输到用电设备的技术。

WPT通过原、副边设备的非接触能量传输,克服了有线输电过程中线路磨损、漏电、火花放电等问题。

WPT能够增强设备对复杂环境的适应能力,具有安全、可靠、灵活、便捷等特点。

该技术能够穿透一般的非金属障碍物,在电动汽车、水下设备、医疗植入设备、工业机器人和消费电子产品等领域应用广泛[1-3]。

目前,WPT技术还存在以下问题:(1)在传输效率和功率方面,由于电磁波在传输过程中存在散射、反射和吸收等现象使得接收端能量损失严重,从而导致传输效率和功率低下;(2)在传输距离方面,由于电磁波传输过程中容易受到各种干扰和衰减,使得到达接收端的电磁波衰减较大,传输距离受到很大限制[4-5]。

以上问题极大影响了该技术的应用和推广。

为此,本文从磁场耦合式技术的电能传输效率和输出功率两方面开展研究,为设计高效可靠的无线电能传输系统提供技术支撑。

2 解决方法及分析为了研究无线电能传输过程中各影响因素对传输效率、功率的影响,文章使用H桥作为核心电路,以此设计无线电路传输系统,利用该系统对各影响因素进行实验分析。

2.1 电路设计为探寻磁场耦合式WPT技术中电能传输效率、输出功率的主要影响因素,文章设计了如图1所示的电路结构,线圈左侧为发射端,右侧为接收端。

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影响非接触式能量传输效率的因素分析
【摘要】非接触式能量传输方式可以解决接触式能量传输带来的各种问题。

但非接触式能量传输存在较大漏感,传输效率受到限制。

本文通过对非接触式能量传输的分离式变压器的拓扑结构,补偿容抗电路,闭环控制电路的研究与分析,设计一套非接触能量传输平台,提高非接触能量传输的效率。

文章完成了非接触传输系统的硬件电路和实验平台的搭建,实验结果证明在一定输入条件下,在气隙间隙5mm的条件下传输效率达70%,随着气隙增大传输效率明显降低。

【关键词】分离式变压器;拓扑结构;补偿容抗电路;闭环控制电路
1.引言
近年来,无线充电技术得到了深入而广泛的研究与发展,不仅能克服接触式电能传输所带来的接触磨损、接触电阻和摩擦电火花等问题[1],并且能够简化充电操作的步骤。

无线充电技术的关键问题在于电能的非接触式传输,最主要的方式为电磁感应式传输(Inductively Coupled Power Transfer,ICPT)。

电磁感应式非接触传输是一种易实现且传输效率较高的非接触式电能传输方式,也是现阶段研究和发展的重点方向[2]。

感应式非接触能量传输系统利用分离式变压器的原边线圈中交变电流,产生交变的磁场从分离式变压器的发射端传递到接受端,再通过分离式变压器接收端中交变的磁场产生副边线圈中的交变电流,来实现电能的非接触传输。

由于分离式变压器存在较大漏感,电磁感应式无线充电系统的传输效率受到限制。

本文针对电磁感应式非接触能量传输系统中的分离式变压器,分析影响电能无线传输效率的各个因素,并对分离式变压器的结构和充电电路进行优化来提高能量传输的效率。

2.分离式变压器的拓扑结构分析
根据分离式变压器中原副边线圈不同的空间结构,可以分为单面和双面两种绕组结构[3],如图1所示。

线圈单面绕组,可以实现在较小的体积内绕制,符合无线充电装置小型化微型化的要求。

设计中可以在外侧设置高磁导率的磁芯材料,有效降低外侧磁通量的泄露,提高耦合系数。

但随着线圈之间的位置偏移量的增加,通过副边线圈的磁通量的矢量和会急剧减小,当线圈偏移量达到40%的时候,通过副边线圈的磁通量矢量和接近于0,这时将不能实现能量的传输。

线圈双面绕组,相对于单面绕组绕制的体积较大。

双面绕组的外侧磁通量泄露较大,这部分磁场无法有效利用,耦合系数和传输的效率较较小。

但传输效率受位置偏移量的影响不大,当线圈偏移量增大时,只相当于线圈之间的距离增大,而通过副边线圈的磁通量的矢量和的减少很小,适合于线圈之间位置偏移量较大的场合。

线圈单面绕组结构分离式变压器设计时需要注意传输效率受位置偏移的影响较大,必须保证线圈直径大于4倍的位置偏移量的最大值。

选取磁导率高、具有很小的矫顽力、电导率低、饱和磁感应强度大、磁损率小的磁芯材料,保证磁芯激励存储能量尽量小,使激励电流尽量将能量进行传输,提高传输的效率。

3.补偿容抗电路分析
分离式变压器存在空气气隙,会产生较大的漏感,使原边线圈电路的视在功率增加,增加电源负担,较大的电压也容易造成元器件的损坏。

同时较大的漏感还会造成副边线圈电路无功功率增加,使输出功率的减小[4]。

为补偿电路中的漏感,较为常见的办法是在原副边线圈电路中串联或并联入高耐压值的电容。

原边线圈串联或并联补偿,电容分别补偿了原边绕组的电压或电流,分别适用于原边绕组较长且较分散的场合或原边绕组较集中的场合。

副边线圈串联或并联补偿,电路工作在谐振状态下,阻抗等效为纯电阻或导纳等效为纯电导,输出电压等效为开路电压或电流等效为短路电流,适用于需要使用直流母线电压的场合或需要使用直流母线电流的场合。

无线充电系统,要求副边线圈电路中的电流值尽量大,所以副边线圈应采用并联补偿的方式,而由于充电系统体积要求受限,采用集中绕组的方式,所以原边线圈应采用并联补偿的方式,即无线充电系统采用并联-并联的补偿容抗电路拓扑结构。

4.闭环控制电路分析
非接触能量传输的充电电路中可分为开环控制系统和闭环控制系统。

开环控制系统包括原边的高频逆变电路和开环控制电路,与副边的高频整流电路和直流稳压电路。

原边高频逆变电路和副边高频整流电路可视为一级DC-DC变换器,副边的直流稳压电路视为二级DC-DC变换器。

开环控制系统工作在开环状态下,结构相对简单,目前大部分研究与产品都是基于开环控制系统的非接触传输[5]。

闭环控制系统在开环控制系统的基础上,从负载侧将输出电压的采样值引回到控制电路上实现稳压功能。

由于闭环控制的引入,闭环控制系统可以省去副边的直流稳压电路,属于一级DC-DC稳压输出,能量传输效率将比开环控制系统更高。

本文将基于闭环控制系统,设计一套非接触能量传输系统,提高传输的效率。

闭环控制电路设计主要基于芯片SG3525,工作原理为振荡器产生的方波信号与误差放大器输出信号通过PWM比较器和锁存器进行比较之后产生一个占空比可调的方波信号,然后通过触发器和或非门电路两路相反的信号。

在搭载外部电路过程中,可以将基准电压接在误差放大器的同向输入端上,将输出电压的采样电压作为反馈信号接在反向输入端上。

当输出电压升高时,误差放大器的输出电压将降低,则PWM比较器输出为正的时间增长,从而锁存器输出方波占空比变大,再通过或非门从而使得开关电路通路时间变短,从而使输出电压回落到
额定值,实现了稳态。

反之亦然。

在误差比较器的输入端管脚1和2和输出端管脚9之间可以接入不同类型的补偿反馈网络能实现不同反馈信号的处理,SG3525外接电路如图2所示。

5.实验分析与总结
5.1 实验结果与分析
为进一步验证分离式变压器拓扑结构设计,补偿容抗电路和闭环控制电路对非接触式能量传输效率的提升,现设计一套实验平台。

主电路采用全桥逆变电路,设计控制电路频率为20KHz,采用调压器提供的频率为60HZ、电压为50V的交流电作为输入,输出负载用24Ω/100W的电阻串并联模拟。

电压和电阻用万用表测量,小于10A的电流用万用表的电流档测量,精度0.01A,大于10A的电流用最大量程200A、精度0.1A的电流钳表测量。

测试数据如表1所示。

从表中可以看出,利用补偿容抗电路和闭环控制电路,圆形线圈单面绕组磁芯分离式变压器在气隙间距为5mm的时候,传输效率可达到69.76%,有显著提高。

同时电能传输效率随着气隙间距的增大明显下降,与理论分析结果相符。

5.2 总结
非接触能量传输由于分离式变压器存在较大漏感,系统的传输效率受到限制。

通过合理设计分离式变压器的拓扑结构,补偿容抗电路和闭环控制电路的引入可以一定程度上提高系统的传输效率。

实验证明,引入补偿容抗电路和闭环控制电路的圆形线圈单面绕组磁芯分离式变压器的传输效率显著提高,但随着气隙间距的增大传输效率明显下降。

参考文献
[1]闫卓.无接触能量传输系统初级变换器的设计[D].河北:河北工业大学,2007.
[2]Deron Keith Jackon.Inductively-coupled power transfer for electromechanical systems[D].Massachusetts Institute of Technology,1998.
[3]关学忠,孙胜勇,杨静,等.非接触式感应能量传输系统的分析与设计[J].电子技术应用,2008,2:63-65.。

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