非接觸式弱電實驗供電平臺的設計

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系統，通過電磁感應耦合，實現非接觸式能量傳輸，為負載提供電能。整個系統主要由電能轉換、耦合變壓器和能量調節三部分組成。電能轉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；能量調節主要為提高耦合到用戶端能量的傳輸能力。該平臺克服了傳統導線多點接觸式電能傳輸方式的不可靠和不可遷移等缺點，為移動電氣設備、易燃易爆環境和水下設備的能量供給提供便捷、安全的解決方案。
關鍵詞：電磁感應；非接觸式供電系統；無線供電；弱電實驗箱

0 引言
感應耦合電能傳輸(Inductively coupled Powertransfer，ICPT或Inductively Power Transfer，IPT)技術是近年來備受國際學術界關注的一項新型能量傳輸技術。這一技術能夠有效地克服有線供電方式存在的設備移動靈活性差，環境不美觀，容易產生接觸火花等缺陷，特別適用于易燃易爆環境和水下設備的安全供電，可廣泛應用于工礦企業吊裝設備和運輸設備、高層建筑升降式電梯、城市電氣化交通、室內電子設備、生物醫療等領域中電氣或電子設備的靈活供電。
用無線方式輸送電力，這種想法從19世紀上半葉電磁感應現象被發現之后就已經有了。近年來國內外許多研究機構和公司，如美國麻省理工學院、Powercast(電客)公司等相繼研發出了短距離和微距的無線供電技術和產品。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行，該汽車利用電磁感應原理及電能變換等技術以無線方式實現充電，只需停在設置在路面的電源線圈的正上方就能給車內的鋰離子電池快速充電，如果僅使用電力運行，充電一次可行駛約15km。
在理解非接觸供電基本原理的基礎上，本文通過電磁感應耦合，實現非接觸式能量傳輸，為負載提供電能，以解決傳統導線多點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系統的基本結構，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節裝置組成，通過兩部分之間的電磁感應耦合，實現無接觸的能量傳輸。ICPT典型結構在硬件實現上一般由4部分實現：功率變換裝置、高頻載流線圈或電纜、接收線圈和能量調節裝置。前兩部分構成一側作為能量發射系統，后兩部分構成另一側作為能量接收系統，兩個系統在物理上相互獨立，工作時存在磁場耦合，一個原邊能量發射源可為多個用電設備同時供電。

本文以典型ICPT系統為基礎，加以硬件設計并實驗，其中高頻載流線圈與接收線圈采用相近的線圈，以實現接收端能量的最大化。該系統整體結構如圖2所示。