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    了解不輸!水下無線電能傳輸技術的基本原理

    來源:www.www.jsgspurs.com    發布于:2019/5/24 7:24:33    點擊量:

    1 電磁感應式無線電能傳輸

    電磁感應式原理與普通電力變壓器類似,主要通過高頻松耦合變壓器實現能量傳輸。在高頻交流電激勵下,松耦合變壓器一次繞組產生的高頻磁場穿過較大的氣隙與二次繞組耦合,從而實現能量傳遞。電磁感應式無線電能傳輸相比于普通電力變壓器,松耦合變壓器注入的是高頻電能,因此松耦合變壓器采用高頻設計,且氣隙大于普通電力變壓器,但較大的氣隙會導致變壓器耦合因數降低,影響系統傳輸效率,因此電磁感應式系統的供電距離一般為mm級。

    電磁感應式系統工作原理如圖1所示,系統包含整流濾波、高頻逆變、一次側補償、松耦合變壓器、二次側補償、高頻整流和功率調節等。電磁感應式系統的工作原理是工頻交流電能經過整流和高頻逆變后變換為高頻交流電能,輸入到松耦合變壓器的一次繞組,激勵產生高頻電磁場并與二次繞組感應耦合,二次繞組兩端得到的高頻交變電經高頻整流和功率調節后向負載供電。

    圖1 電磁感應式系統工作原理

    由于海水磁導率與真空磁導率極為接近,故可認為感應式系統的傳輸線圈在空氣和海水兩種環境下的耦合能力是一致的,但同時應注意到,空氣的電導率極小,可近似認為空氣不導電,所以不存在電渦流損耗問題。以海水為傳輸介質時,海水導電性好,電導率較大,高頻交變磁場在海水中產生渦旋電場,進而產生渦旋電流和電渦流損耗,一部分能量被海水吸收。

    因此,為了精確描述海水介質下的電磁感應式系統,文獻[21]提出可在陸上感應式系統等效電路的基礎上,將海水介質等效為阻抗Ze并入電路中,如圖2所示,該等效電路真實反映出海水介質改變了系統的阻抗參數,但并未改變系統傳輸機理。

    2 磁耦合諧振式無線電能傳輸

    磁耦合諧振式系統的典型結構原理如圖3所示,主要由高頻電源、阻抗匹配網絡、發射線圈、接收線圈和負載驅動電路等組成。系統的工作原理:高頻電源向發射線圈輸出高頻交變電流,在磁耦合諧振作用下接收線圈與發射線圈發生耦合諧振,從而實現電能從發射端到接收端的高效無線傳輸,而接收到的電能經過負載驅動電路進行整流濾波處理后,便可以直接給負載供電。

    其工作頻率較高,一般在MHz級,其傳輸結構與電磁感應式較為接近,二者差別主要體現在系統諧振頻率上,有部分學者針對磁耦合諧振式WPT和磁耦合感應式WPT技術之間的關系,從原理結構、傳輸特性等方面的異同進行了深入研究。

    圖2 海水介質下松耦合變壓器的等效電路
    圖3 磁耦合諧振式系統的典型結構原理

    根據一次、二次電路補償元件的不同連接方式,補償電路的基本拓撲結構可劃分為SS型、SP型、PS型和PP型(S表示串聯補償、P表示并聯補償),四種基本拓撲結構如圖4所示。其中L1和L2分別為一次、二次諧振電感,R1和R2分別為一次、二次電感等效內阻,C1和C2分別為一次、二次諧振電容,RL為等效負載,M12為一次、二次線圈之間的互感,US和RS分別為一次輸入電壓和內阻,I1和I2分別為一次、二次諧振電流。

    圖4 磁耦合諧振補償電路的四種基本拓撲

    為了隔離高頻電源和負載對諧振線圈的影響,方便阻抗匹配,麻省理工學院研究團隊在2007年提出了四線圈的結構,在發射端增加一個電源激勵線圈,在接收端增加一個負載線圈,其電路模型如圖5所示。

    圖5 四線圈結構磁耦合諧振式無線供電系

    由于磁耦合諧振式與感應式傳輸結構相似,且工作頻率更高,故海水環境中磁耦合諧振式系統的渦流損耗現象更為明顯,同時,多線圈結構下過多的耦合次數會增加能量損耗,降低了長距離傳輸時的功率和效率。西北工業大學張克涵教授等設計了一種三線圈耦合結構,較好地解決了兩線圈模型傳輸性能差和四線圈模型耦合次數多的問題。

    3 超聲波耦合式無線電能傳輸

    超聲波耦合式無線電能傳輸技術的系統總體方案如圖6所示。壓電超聲換能器的機電等效模型如圖7所示,壓電超聲換能器在工作過程中,包含了電路系統、機械振動系統和聲學系統三部分。通過機電等效和聲電等效原理,可將三者統一用電路模型來等效,以便用電路理論對換能器進行系統研究。該模型既適用于聲電轉換,也適用于電聲轉換。

    圖6 超聲波耦合式無線電能傳輸系統總體
    圖7 壓電超聲換能器機電等效模型

    與電磁感應式、磁耦合諧振式相比,超聲波耦合式無線電能傳輸系統不受電磁干擾與渦流損耗的影響,其系統本身也不會產生電磁輻射,降低了水下設備電磁暴露的風險。由于超聲波波長較長,故該方式傳輸方向性較好。

    同時應注意到,超聲波耦合技術雖然實現了遠距離的水下無線能量傳輸,但其聲電、電聲轉換的過程降低了傳輸效率,且隨著傳輸功率的增大,其效率會逐漸降低,在已有研究中,許康等在10W級的系統上實現95%的傳輸效率;Lawry等在50W級的系統上實現了50%的傳輸效率;Ozery等研制100MW級大功率樣機,但其傳輸效率只能達到39%。因此,為保證傳輸效率,超聲波耦合式無線電能傳輸通常被限制在幾十瓦,該功率等級僅適用于微型水下設備的無線充電應用。

    (摘編自《電工技術學報》,原文標題為“水下無線電能傳輸技術及應用研究綜述”,作者為吳旭升、孫盼等。)


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