非接觸式弱電實(shí)驗(yàn)供電平臺(tái)的設(shè)計(jì)

摘要：非接觸式弱電實(shí)驗(yàn)供電平臺(tái)是一種新型非接觸式電能供應(yīng)系統(tǒng)，通過電磁感應(yīng)耦合，實(shí)現(xiàn)非接觸式能量傳輸，為負(fù)載提供電能。整個(gè)系統(tǒng)主要由電能轉(zhuǎn)換、耦合變壓器和能量調(diào)節(jié)三部分組成。電能轉(zhuǎn)換主要完成能量逆變；耦合變壓器將逆變后的能量耦合到用戶端；能量調(diào)節(jié)主要為提高耦合到用戶端能量的傳輸能力。該平臺(tái)克服了傳統(tǒng)導(dǎo)線多點(diǎn)接觸式電能傳輸方式的不可靠和不可遷移等缺點(diǎn)，為移動(dòng)電氣設(shè)備、易燃易爆環(huán)境和水下設(shè)備的能量供給提供便捷、安全的解決方案。
關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)；非接觸式供電系統(tǒng)；無線供電；弱電實(shí)驗(yàn)箱

0 引言
感應(yīng)耦合電能傳輸(Inductively coupled Powertransfer，ICPT或Inductively Power Transfer，IPT)技術(shù)是近年來備受國(guó)際學(xué)術(shù)界關(guān)注的一項(xiàng)新型能量傳輸技術(shù)。這一技術(shù)能夠有效地克服有線供電方式存在的設(shè)備移動(dòng)靈活性差，環(huán)境不美觀，容易產(chǎn)生接觸火花等缺陷，特別適用于易燃易爆環(huán)境和水下設(shè)備的安全供電，可廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)吊裝設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備、高層建筑升降式電梯、城市電氣化交通、室內(nèi)電子設(shè)備、生物醫(yī)療等領(lǐng)域中電氣或電子設(shè)備的靈活供電。
用無線方式輸送電力，這種想法從19世紀(jì)上半葉電磁感應(yīng)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后就已經(jīng)有了。近年來國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和公司，如美國(guó)麻省理工學(xué)院、Powercast(電客)公司等相繼研發(fā)出了短距離和微距的無線供電技術(shù)和產(chǎn)品。2008年2月15日，一種無需插頭與電源線且不直接接觸電源就能充電的新型混合動(dòng)力汽車已在日本投入試運(yùn)行，該汽車?yán)秒姶鸥袘?yīng)原理及電能變換等技術(shù)以無線方式實(shí)現(xiàn)充電，只需停在設(shè)置在路面的電源線圈的正上方就能給車內(nèi)的鋰離子電池快速充電，如果僅使用電力運(yùn)行，充電一次可行駛約15km。
在理解非接觸供電基本原理的基礎(chǔ)上，本文通過電磁感應(yīng)耦合，實(shí)現(xiàn)非接觸式能量傳輸，為負(fù)載提供電能，以解決傳統(tǒng)導(dǎo)線多點(diǎn)接觸式傳輸電能的不可靠和不可遷移等一系列問題，并將其應(yīng)用到非接觸式弱電實(shí)驗(yàn)箱供電平臺(tái)。

1 基本原理
圖1表示了一個(gè)典型ICPT系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，它主要由兩個(gè)分離的電氣部分組成。一部分由能量變換裝置組成，其作用是通過線圈回路提供高頻交流電流(通常為10～100 kHz交流電)；另一部分由能量拾取線圈和調(diào)節(jié)裝置組成，通過兩部分之間的電磁感應(yīng)耦合，實(shí)現(xiàn)無接觸的能量傳輸。ICPT典型結(jié)構(gòu)在硬件實(shí)現(xiàn)上一般由4部分實(shí)現(xiàn)：功率變換裝置、高頻載流線圈或電纜、接收線圈和能量調(diào)節(jié)裝置。前兩部分構(gòu)成一側(cè)作為能量發(fā)射系統(tǒng)，后兩部分構(gòu)成另一側(cè)作為能量接收系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)在物理上相互獨(dú)立，工作時(shí)存在磁場(chǎng)耦合，一個(gè)原邊能量發(fā)射源可為多個(gè)用電設(shè)備同時(shí)供電。

本文以典型ICPT系統(tǒng)為基礎(chǔ)，加以硬件設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)，其中高頻載流線圈與接收線圈采用相近的線圈，以實(shí)現(xiàn)接收端能量的最大化。該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。