基于單線電能傳輸?shù)臒o線供電平臺設(shè)計(jì)

程瑜華， 錢高榮， 陳國雄， 蘇 翔

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，杭州 310018)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的電子產(chǎn)品融入到現(xiàn)實(shí)生活中。如今，電子設(shè)備的供電方式主要依靠有線方式來實(shí)現(xiàn)。在信號的無線傳輸越來越普及的背景下，這種電能的有線傳輸方式不僅顯得越來越不方便，而且存在著較大的隱患，比如導(dǎo)線隨著使用時(shí)間的增加會出現(xiàn)線路老化磨損、產(chǎn)生電火花等一系列問題，影響到用電設(shè)備的壽命，甚至有可能導(dǎo)致人身觸電，給人們生活帶來安全問題。此外，在一些環(huán)境條件苛刻的場合，導(dǎo)線的布線也會遇到極大的阻礙，即便采用蓄電池供電，當(dāng)電池電量耗盡，更換電池的成本也很昂貴；同時(shí)在地下礦井作業(yè)時(shí)，由于有線供電方式常常會產(chǎn)生電火花，嚴(yán)重影響人身安全。正是由于傳統(tǒng)的有線輸電方式存在諸多缺陷，而無線電能傳輸方式在很多應(yīng)用場景下能夠彌補(bǔ)這些缺陷，于是無線供電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1-3]。

19世紀(jì)末，尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)便提出“單線電能傳輸”的思想，通過使用調(diào)諧到諧振頻率的電氣網(wǎng)絡(luò)，可以僅使用單個(gè)導(dǎo)體傳輸電能，而不需要回線，這被認(rèn)為是“通過一根電線傳輸電能而不返回”的單線電能傳輸方式[4-5]。此后，國外也有一些單線電能傳輸?shù)难芯块_展[6-7]?，F(xiàn)如今，針對特斯拉單線傳輸原理，國內(nèi)也有不少團(tuán)隊(duì)對特斯拉的單線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了復(fù)原[8-10]。但現(xiàn)有的單線電能傳輸系統(tǒng)中存在裝置復(fù)雜、使用不便、傳輸距離受限、用電自由度較低等問題，這在實(shí)際應(yīng)用中顯得不夠方便。另一方面，無線電能傳輸越來越受到大家的關(guān)注[11-14]。本文提出了一種將單線電能傳輸和無線電能傳輸相結(jié)合的新型供電平臺。相比于傳統(tǒng)的雙導(dǎo)線供電系統(tǒng)和無線供電系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)；相比于傳統(tǒng)的單線供電系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有更大的供電自由度。本文對實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行了分析，給出了相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)

基于單線電能傳輸無線供電平臺的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示，其中，能量發(fā)送端使用一個(gè)信號發(fā)生器和一個(gè)功率放大器實(shí)現(xiàn)，功率放大器的輸出端連接一塊金屬導(dǎo)體平面(如鋁箔)，作為無線能量發(fā)送平臺。能量接收端使用一個(gè)繞制在絕緣材料上的螺旋線圈，在線圈的上端口和線圈中間某處連出的抽頭之間連接一個(gè)燈泡負(fù)載。

圖1 基于單線電能傳輸?shù)臒o線供電平臺系統(tǒng)模型圖

圖2給出了上述實(shí)驗(yàn)裝置的等效電路原理圖。圖中：C1為金屬導(dǎo)體平面與螺旋線圈之間形成的寄生電容；C2為螺旋線圈與大地之間形成的寄生電容；L1和L2分別為螺旋線圈的兩部分的自感；RL為負(fù)載的等效電阻值，信號源和功率放大器被等效為U(t)。系統(tǒng)的工作原理為：功率源產(chǎn)生的電流傳導(dǎo)至金屬導(dǎo)體平面，經(jīng)電容C1以位移電流的形式傳導(dǎo)至螺旋線圈的L1部分，分別流過并聯(lián)連接的L2電感和負(fù)載，最后通過電容C2以位移電流的形式傳導(dǎo)至大地回到功率源。

傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)通常使用兩根導(dǎo)線形成電流的環(huán)路，從而實(shí)現(xiàn)電力傳輸。與傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)中至少有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①電流的回路部分由于通過位移電流形式而非傳導(dǎo)電流的形式進(jìn)行傳輸，因此節(jié)省了一根導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)了單線電能傳輸。這樣的系統(tǒng)，不僅節(jié)省了成本，而且由于大地具有更低的阻抗，使系統(tǒng)具有更低的能量損耗。②能量接收端與能量發(fā)送端之間沒有導(dǎo)線連接，實(shí)現(xiàn)了無線電能傳輸，提高了實(shí)際應(yīng)用的便捷性。

圖2 無線供電平臺等效電路原理圖

由于寄生電容C1和C2在電路中以電抗的形式存在，為了將電能更有效地進(jìn)行傳輸，需要將電抗補(bǔ)償?shù)?，這部分工作由螺旋線圈的電感實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率等于電容C1、C2和電感L1、L2形成的諧振頻率相等時(shí)，電源的無功功率可以減小到最小。一個(gè)空心螺旋線圈的電感值為[13]

(1)

式中：μ0為真空中磁導(dǎo)率；N為繞制匝數(shù)；l為螺線管繞制高度；r為螺線管半徑。相比于螺旋線圈與大地之間的距離，螺旋線圈與金屬導(dǎo)體平面之間的距離小很多，因此電容C1的值比電容C2的值要大很多，使得C1和C2串聯(lián)的電容值可以近似為電容C2的值。電容C2的值通過在電磁場全波仿真軟件Ansoft HFSS中仿真擬合得[15]：

(2)

式中：ε0為真空中的介電常數(shù)。

系統(tǒng)的工作頻率f即為系統(tǒng)中電感和電容形成的諧振頻率：

(3)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中，功率源采用Tektronix AFG3053C信號發(fā)生器后接一個(gè)最大頻率為10 MHz的功率放大器(型號FYA20A0S)實(shí)現(xiàn)，其信號輸出至一片大小為30 cm×30 cm的鋁箔上，實(shí)現(xiàn)能量發(fā)送平臺。在能量接收端，螺旋線圈采用線徑為0.71 mm的漆包線繞制在直徑為7 cm的圓筒上，共繞制280匝，高度為24 cm。負(fù)載連接在離螺旋線圈上方端口20匝處。通過計(jì)算可得，螺旋線圈的電感約為1.27 mH，電容C2約為C=4.05 pF，其諧振頻率約為2.22 MHz。

將一個(gè)15 W的LED燈泡作為負(fù)載連接在螺旋線圈上方并放置在鋁箔上方，同時(shí)在鋁箔和螺旋線圈之間插入一張白紙，以保證螺旋線圈與鋁箔之間沒有連接。如圖3(a)所示，15 W的LED燈泡被點(diǎn)亮，驗(yàn)證了基于單線電能傳輸?shù)臒o線供電平臺的初步設(shè)計(jì)。

(a) 15 W燈泡供電(b) 多負(fù)載供電實(shí)驗(yàn)圖

圖3 無線供電平臺實(shí)驗(yàn)圖

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行了多負(fù)載的實(shí)驗(yàn)。在圖3(a)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，再放置一個(gè)由一串發(fā)光二極管制作的“HDU”字樣的陣列作為負(fù)載的、具有相同尺寸的螺旋線圈，如圖3(b)所示。實(shí)驗(yàn)表明，兩個(gè)負(fù)載能被同時(shí)點(diǎn)亮，驗(yàn)證了此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以作為一個(gè)無線供電平臺為多個(gè)負(fù)載供電的功能。

為進(jìn)一步驗(yàn)證此無線供電平臺的無線供電距離能力，在負(fù)載與鋁箔之間插入了不同厚度的絕緣層(紙盒)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖4(a)和4(b)所示，在插入厚度約為2、3和13 cm的絕緣層后，15 W的燈泡仍能夠被點(diǎn)亮。但是，相比于圖4(a)所示的燈泡發(fā)光亮度，圖4(b)所示的燈泡發(fā)光亮度較暗，圖4(c)所示的燈泡發(fā)光亮度最暗。這是由于隨著螺旋線圈與鋁箔之間的距離增大，電容C1的值變小，導(dǎo)致電容C1和C2串聯(lián)電容值變小，電感和電容形成的諧振頻率偏移了系統(tǒng)工作頻率，導(dǎo)致功率源的輸出有功功率變小。同時(shí)，鋁箔和線圈之間有更多的能量耗散在空間中，使得燈泡接收的功率變小。

(a) 2 cm

(b) 3 cm

(c) 13 cm

水平距離的測試是將線圈和負(fù)載放置在鋁箔旁邊9 cm處進(jìn)行。如圖5(a)所示，15 W的燈泡依舊可以被點(diǎn)亮。逐漸增大線圈與鋁箔之間的距離，15 W燈泡的亮度將逐漸變暗。如圖5(b)所示，線圈與鋁箔之間的距離為19 cm，15 W燈泡的亮度變得較暗。其現(xiàn)象和原理與圖4所示類似，燈泡亮度變暗是由于線圈與鋁箔之間的電容隨著距離增大而變小導(dǎo)致的。

(a) 9 cm(b) 19 cm

圖5 15 W燈泡水平偏移實(shí)驗(yàn)圖

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于單線電能傳輸?shù)臒o線供電平臺，利用螺旋線圈與能量發(fā)送平臺之間的寄生電容進(jìn)行能量耦合實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸，利用螺旋線圈與大地之間的寄生電容替代導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)了能量的單線傳輸。相比于現(xiàn)有的供電平臺，該系統(tǒng)不僅可以減少導(dǎo)線的使用，而且可以提高用電設(shè)備的自由度和便捷性。

通過原理分析和參數(shù)設(shè)計(jì)，為供電平臺的實(shí)驗(yàn)設(shè)置提供了指導(dǎo)。該實(shí)驗(yàn)裝置不僅可以在教學(xué)中，進(jìn)行位移電流、傳導(dǎo)電流等電磁場知識的教學(xué)，而且可以啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，進(jìn)行科技作品的創(chuàng)新。