基于單導線的自激特斯拉線圈電能傳輸系統設計

丁子恒 張代維 徐 甲 何思彤

（中國礦業大學徐海學院信息與電氣工程系，江蘇 徐州 221000）

0 引言

目前主要使用兩根或兩根以上金屬導線構成回路的方法傳輸電能[1]，然而金屬導線存在一些不便之處，長時間使用會發生磨損和絕緣老化，從而引發放電問題，可能導致重大安全事故。

特斯拉線圈是一種使用共振原理運行的變壓器，高頻率的交流電通過兩組匝數比很大的線圈組成磁耦合的諧振電路，在次級線圈產生高電壓、低電流、高頻率的交流電力。通過在周圍產生高頻磁場，特斯拉線圈可以實現無線電能傳輸（WPT）[2]。

WPT也存在一些缺點，例如傳輸距離有限，傳輸功率相對較低。而單導線無線電能傳輸系統（SWPT）使用單金屬導線或其他導體介質連接發射裝置與接收裝置的次級線圈，相比WPT傳輸距離更遠、效率更高。

1 SWPT系統框架設計

如圖1所示，發射系統采用單管諧振特斯拉線圈，通過高頻磁場耦合與接收系統的特斯拉線圈產生共振。

圖1 單導線無線電能傳輸系統結構圖

接收系統中的特斯拉線圈與發射系統的線圈之間存在高頻磁場耦合。

當兩個線圈頻率相同并達到共振條件時，能量傳輸效率最高。當接收到高頻磁場后，通過電磁感應原理將其轉換為電能，轉換后的電能可以驅動220 V、5 W的節能燈泡。

2 電力發射系統設計

2.1 高頻驅動電源設計

輸入電源采用24 V開關電源，最大電流5 A，最大輸出功率120 W，采用單開關N溝道MOS管IRFP460，其D極與S極耐壓值為500 V，25 ℃時D極最大電流為20 A，完全滿足設計需求。驅動裝置的驅動信號采用TLC555 CP芯片產生，該芯片最高可產生2 MHz PWM波，其配合外置電阻、電容可以產生頻率可調范圍值在300～600 kHz的PWM波，通過74LS74N芯片實現二分頻電路，保持占空比為50%的輸出信號，經過柵極驅動芯片MIC4420輸出，加入由S8050和S8550三極管組成的推挽電路，提高驅動能力，驅動MOS管工作。主要驅動電路如圖2所示。

圖2 MOS管驅動電路圖

還需采用三端集成穩壓芯片LM17805與LM7812為芯片提供工作電壓，由于頻率較高，MOS管開關損耗增大，溫度會升高，因此采用了水冷裝置為MOS管進行降溫處理。實物如圖3所示。

圖3 高頻電源驅動裝置

2.2 球柱型特斯拉線圈設計

電路模型如圖4所示。

圖4 發射裝置升壓特斯拉線圈示意圖

次級諧振頻率見公式（1）：

式中：L為次級線圈L0電感；C為等效球體D1電容。

在電路模型中，T1與T2線圈內阻可用儀器測量得到，線圈電感可用公式計算，也可用儀器測量。以螺線管狀線圈為例，電感見公式（2）[3]：

式中：N為線圈匝數；R為螺線管半徑；l為螺線管長度。

T1線圈選用直徑2 mm漆包線繞制于直徑110 mm的PVC管，匝數9匝。T2線圈選用直徑0.33 mm漆包線繞制于直徑90 mm的PVC管，匝數535匝。

將T1與T2線圈正串測量，其等效電感記為La，反串測量其等效電感記為Lb，互感系數計算公式如下：

將公式（3）代入計算，得出T1線圈與T2線圈之間的耦合系數，見公式（4）：

式中：L1為T1線圈電感；L2為T2線圈電感。

在諧振狀態下，電感和電容能量消散會影響諧振電路儲能效率，影響程度通常由品質因數表示，計算公式如下：

式中：ω0為諧振頻率；L為電感量；R為L2線圈內阻（L1線圈不參與諧振，僅為高頻電源提供通道與L2線圈產生磁耦合）。

頂端對地等效電容采用球狀電容，等效電容計算公式如下[4]：

式中：ε0為真空介電常數，ε0=8.85×10-12F/m；R為有效球體直徑。

另一組球柱型特斯拉線圈與之相同，假設兩者等效球體電容之間距離為d，等效球體電容半徑為R，其之間等效電容C計算公式如下：

式中：k=R/d。

球間距越大時，式（7）收斂越迅速，由此可知，等效電容C不隨d的增加而變化。

3 等效仿真電路及實物測試

3.1 等效電路圖

針對SWPT系統，在設計的實驗中傳輸距離較近，可以忽略導線中的電阻與電感，而其對地電阻由于系統的工作頻率較高，趨膚效應顯著，高頻電流在地表流動，故可以把其理解為無窮大。由此只考慮對空電容及對地電容，兩者串聯導線貼近地面，對地支路大于對空支路，串聯后總電容近似等于對地支路。等效電路如圖5所示[5]。

圖5 SWPT系統簡化結構圖

3.2 輸入輸出阻抗仿真

利用MATLAB/Simulink軟件仿真，采用Impedance Measurement模塊，其可以分析端口阻抗的頻率特性[6]。從電源端口與負載端口分別看入，仿真結果如圖6、圖7所示。

圖6 簡化電路模型仿真頻率阻抗特性

圖7 簡化電路模型仿真頻率增益響應

由圖6可知，在460～520 kHz范圍內阻抗模極小值對應的工作頻率，此時高頻電源可以傳輸更多功率。

3.3 實物測試

接入24 V直流電源，負載為220 V、5 W節能燈，對其做WPT系統分析。當距離大于35.6 cm時，接收裝置燈泡無法點亮，如圖8所示。

圖8 WPT系統電能傳輸效果圖

針對SWPT系統，在兩個特斯拉線圈之間采用直徑為0.33 mm、長度為5.43 m的漆包線連接次級線圈，成功點亮燈泡，如圖9所示。

圖9 SWPT系統電能傳輸效果圖

經測量，接收端電壓約為8.35 V，發射處頻率約為492 kHz，接收處頻率約為500 kHz，如圖10所示。

圖10 接收裝置低壓線圈電壓顯示

將導線換為鹽水，模擬海水作為連接通道，也成功點亮燈泡，如圖11所示。

圖11 模擬海水導體介質傳輸電能

4 結束語

本文所述SWPT系統的發射裝置采用單諧振特斯拉線圈，通過Simulink對SWPT系統進行仿真，在仿真中，簡化了SWPT系統的電路等效模型，并采用輸入阻抗模大小確定了系統的最佳工作頻率，即當系統達到極小值時為最佳工作頻率。在傳輸距離為5.43 m的實驗中，SWPT系統傳輸效率達到了65%。SWPT系統采用單導線連接發射裝置和接收裝置，相較于WPT系統，具有更高的傳輸效率和更遠的傳輸距離。本文還使用不同介質替代單導線進行實驗，使得電能傳輸不再局限于金屬導線。