非接觸式弱電實驗供電平臺的設(shè)計

摘要：非接觸式弱電實驗供電平臺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，實現(xiàn)非接觸式能量傳輸，為負(fù)載提供電能。整個系統(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；弱電實驗箱

0 引言
感應(yīng)耦合電能傳輸(Inductively coupled Powertransfer，ICPT或Inductively Power Transfer，IPT)技術(shù)是近年來備受國際學(xué)術(shù)界關(guān)注的一項新型能量傳輸技術(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。近年來國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和公司，如美國麻省理工學(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驗箱供電平臺。

1 基本原理
圖1表示了一個典型ICPT系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，它主要由兩個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，實現(xiàn)無接觸的能量傳輸。ICPT典型結(jié)構(gòu)在硬件實現(xiàn)上一般由4部分實現(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)，兩個系統(tǒng)在物理上相互獨(dú)立，工作時存在磁場耦合，一個原邊能量發(fā)射源可為多個用電設(shè)備同時供電。

本文以典型ICPT系統(tǒng)為基礎(chǔ)，加以硬件設(shè)計并實驗，其中高頻載流線圈與接收線圈采用相近的線圈，以實現(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。