非接触供电系统课程设计.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 非接触供电系统初始条件：1） 供电部分输入36V以下的直流电压，具有向多台电器设备非接触供电的功能。 2）在输出功率1W的条件下，转换效率15%3) 最大输出功率5W。要求完成的主要任务: 在不采用专用器件（芯片）的前提下，设计一个非接触供电系统的电路，使其实现对小型电器供电或充电等功能。参考书目1 谢自美.电子线路设计·实验·测试(第三版).武汉：华中科技大学出版社2 康华光. 电子技术基础模拟部分.高等教育出版社，20053 康华光. 电子技术基础 数字部分.高等教育出版社，20054 樊昌信. 通信原理（第五版）.北京：国防工业出版社，2005时间安排：第18周，完成报告，仿真设计第19周，完成（答辩，提交报告，演示）指导教师签名： 2011年 月 日系主任（或责任教师）签名： 2011年 月 日目 录摘 要3Abstract41 绪论52 直流稳压源的设计82.1整流与电容滤波电路 82.2可调输出电压三端集成稳压电路及分析93 高频振荡器的设计113.1三点式振荡器113.2改进三点式振荡电路123.3 设计电路图143.4 振荡器仿真及分析164 功率放大器的设计185 AC-DC电路和充电电路设计20 5.1 AC-DC电路设计205.2 充电电路设计216小结与心得237参考文献24摘 要 非接触供电系统是一种能以电气非接触方式，将功率从功率输送机提供到功率接收机的供电系统，其中功率输送组件连接到功率输送机以及功率接收组件连接到功率接收机。功率输送组件具有用于输送功率的多个输送侧线圈以及用于接通/断开输送侧线圈的操作的多个输送侧开关。功率接收组件具有用于接收功率的多个接收侧线圈、用于接通/断开接收侧线圈的操作的多个接收侧开关，另外，具有用于执行控制以便操作在实现最高功率输送效率的组合中的输送侧线圈的任何一个和接收侧线圈的任何一个的判定电路。非接触供电系统的优点：几乎100%免维护，无需电池，可以在低成本维护的情况下发挥设备的功能；数据通讯系统集成在初级电缆中，无需另外装设通讯线；可工作于潮湿、结冰、多尘等恶劣环境； 无噪音和粉尘，对环境无污染；对设备行走速度和加速度没有限制。关键字：非接触供电系统，耦合，功率输送Abstract Non contact power supply system is a kind of energy to electrical contact means, supplying power from a power transmitter to a power receiver power supply system, in which a power transmission module is connected to the power transmitter and a power reception module is connected to the power receiver. The power transmission module is used for conveying power of a plurality of conveying side coil and for turning on / off operation of the transmission-side coils of a plurality of conveying side switch. The power reception module is for receiving power the plurality of receiving side coil, for turning on / off operation of the reception-side coils and a plurality of receiving side switch, in addition, has for performing control so as to achieve the highest operating in power transmission efficiency of the combination of the transmission-side coils of any one and receiving side coil of any one decision circuit. Non contact power supply system advantages: almost 100% free maintenance, no batteries, can be low cost maintenance of the circumstances play device function; data communication system integration in primary cable, without additional installation of communication lines; can work in the wet, icy, dust and other harsh environment; no noise and dust, no pollution to the environment; the equipment running velocity and acceleration is not restricted. Keywords: non contact power supply system, coupling, power transmission1 绪论非接触供电系统是一种通过非机械接触的方式进行电力和信号输送的技术，主要应用于agv、起重机和ems单轨输送系统中。非接触供电系统的工作原理类似于变压器的初级/次级线圈的变压原理。传统的变压器采用一个开放式的铁芯，变压器初级线圈为单圈，并延伸为一个很长的回路，变压器次级线圈则缠绕在一个开放的磁铁上，并围绕着变压器初级线圈。变压器初级线圈和次级线圈之间可以相互移动，构成一种开放式电磁耦合系统。变压器初级线圈为电源输入端，由电源控制柜提供电能，变压器次级线圈为电源输出端，为AGV提供几百伏的驱动电压和几十伏的控制电压，保证AGV的正常工作。二者流通的都是交流电流。 为了保证CPS非接触供电系统传输性能能够达到最优化，实现低损耗传输，为初级线圈提供电能的电控柜将常规的三相、400V、50Hz的交流电转换成单相高次谐波电流，利用高次谐波电流产生的行波磁场切割次级线圈，在次级线圈感应电动势而实现电能的传输。高次谐波电流的幅值和频率要根据实际应用对象来合理选择。1） 设计要求 用仿真软件对电路进行验证，使其满足以下功能：1）供电部分输入36V以下的直流电压，具有向多台电器设备非接触供电的 功能。 2）在输出功率1W的条件下，转换效率15% 3）最大输出功率5W。 2）非接触供电系统的设计方案在不采用专用器件（芯片）的前提下，设计一个非接触供电系统的电路如下图所示，使其实现对小型电器供电或充电等功能。D功放AC/DC耦合线圈耦合线圈振荡器充电电路电源图1.1 非接触系统原理框图1） 电源电源是能为负载提供稳定直流电源的电子装置。直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。绝大多数电子设备正常工作时需要直流供电，而常用的电源-市电是220V或380V的交流电，因此需要把交流电换成直流电。变换的方法是由交流电网经过变压，整流，滤波，稳压这几个步骤来获得直流电源的。用普通的电源变压器即可实现变压的目的。整流电路的功能是将交流电转为具有直流电成分的脉动直流电，实现整流的电路有半波整流电路或桥式全波整流电路。滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分。稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压。图1.2 直流稳压电源原理框图2）高频振荡器在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路称为振荡器。 振荡器是把直流电变成交流电的过程。由图可见，反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路，放大器通常是以某种选频网络（如振荡回路）作负载，是一调谐放大器，反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。为了能产生自激振荡，必须有正反馈，即反馈到输入端的信号与放大器输入端的信号相位相同。反馈式正弦波振荡器有RC、LC和晶体振荡器三种形式，电路主要由放大网络、选频回路和反馈网络三个部分构成。图1.3反馈型振荡器原理框图3）功率放大器 利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器，这是无线电发射机中的重要组成部分。根据放大器电流导通角的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器。电流导通角愈小，放大器的效率愈高。 对高频功率放大器的基本要求是,尽可能输出大功率、高效率，为兼顾两者，通常选丙类且要求在临界工作状态，其电流流通角在600900范围。现设=700。图1.4 高频功率放大器基本电路2 直流稳压源的设计2.1 整流与电容滤波电路 1）整流电路 当负载仅需要几十瓦或几百瓦的功率时，常常采用单相整流电路。整流电路是利用二极管的单向导电性，把交流电变为脉动直流电的电路。 由图可看出，电路中采用四个二极管，互相接成桥式结构。利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压U2的正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，在负载RL上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，D1、D3截止，D2、D4导通，流过负载RL的电流方向与正半周一致。因此，利用变压器的一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。桥式整流的名称只是说明电路连接方法是桥式的接法，桥式整流二极管：大家常用的一般是由4只单个二极管封装在一起的元件，取名桥式整流二极管,整流桥或全桥二极管。 图2.1 桥式整流电路及工作波形 由此可见，在交流电压V2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻RL，故RL上得到单方向全波脉动的直流电压。在桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半。在V2的正半周期，D1和D3导通时，可将它们看成短路，这样D2和D4就并联在V2上，其承受的反相峰值电压为： （公式2-1）二极管所能承受的最高反向电压就是电源电压的最大值，即 。流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，即: （公式2-2）2） 电容滤波电路 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同来实现滤波。电容C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在载波两端。在整流器的输出端并联一个容量很大的滤波电容C。图2.2 桥式整流电容滤波电路其工作原理为：当接入交流电源后，当V2为正半周期时，V2通过D1，D3向电容C充电；当V2为负半周期时，V2通过D2，D4向电容C充电。充电常数为： （公式2-3）2.2可调输出电压三端集成稳压电路及分析 由可调输出电压三端集成稳压器CW317组成的稳压电路如图所示。图2.3可调输出电压三端集成稳压电路 直流稳压源的输出可以通过调节R4的大小来实现，通过仿真可以实现输出电压在036V的范围内调节，所以，满足设计要求中供电部分输入36V以下的直流电压的要求。图2.4可调输出电压三端集成稳压电路仿真输出3 高频振荡器的设计3.1三点式振荡器 所谓三点式振荡器，是晶体管的三个电极（B、E、C），分别与三个电抗性元件相连接，形成三个接点，故称为三点式振荡器，其基本电路如图4.1所示：图3.1 三点式振荡器的基本电路 根据相位平衡条件，图3.1 (a)中构成振荡电路的三个电抗元件，X1、X2必须为同性质的电抗，X3必须为异性质的电抗，若X1和X2均为容抗，X3为感抗，则为电容三点式振荡电路（如图3.1 (b)）；若X2和X1均为感抗，X3为容抗，则为电感三点式振荡器（如图3.1(c)）。由此可见，为射同余异。图3.2 三点式振荡器的基本电路由图可见：与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L，根据前面所述的判别准则，该电路满足相位条件。 其工作过程是：振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件， 于是得到单一频率的振荡信号输出。该振荡器的振荡频率为： （公式3-1） 反馈系数F为： （公式3-2） 若要它产生正弦波，必须满足F= 1/2-1/8，太小不容易起振，太大也不容易起振。一个实际的振荡电路，在F确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值。但是如静态电流取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低使振荡波形失真，严重时，甚至使振荡器停振。 电路的缺点：振荡回路工作频率的改变，若用调C1或C2实现时，反馈系数也将改变。使振荡器的频率稳定度不高。3.2改进三点式振荡电路为克服共基电容三点式振荡器的缺点，可对其进行改进，改进电路有两种： 串联型改进电容三端式振荡器(克拉泼电路)电路组成如图3.3所示： 图3.3克拉泼振荡电路电路特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C3，串联于电感L支路。功用主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。使振荡频率的稳定度得以提高。 因为C3远远小于C1或C2，所以电容串联后的等效电容约为C3。电路的振荡频率为：（公式3-3） 与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感L支路上串联一个电容。但它有以下特点： 1、振荡频率改变可不影响反馈系数。 2、振荡幅度比较稳定；但C3不能太小，否则导致停振，所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小，仅达1.2-1.4； 为此，克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器 。 并联型改进电容三端式振荡器(西勒电路)电路组成如图3.4示：图3.4 西勒振荡电路电路特点是在克拉泼振荡器的基础上，用一电容C4，并联于电感L两端。功用是保持了晶体管与振荡回路弱藕合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。电路的振荡频率为： （公式3-4）3.3 设计电路图根据设计要求和条件可采用如图3.5所示的电路结构。图3.5 LC与晶体振荡器电原理图1）静态工作电流的确定合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.8-4mA之间选取，故本实验电路中选ICQ=2mA，VCEQ=6V，=100。则有为提高电路的稳定性Re值适当增大。 （公式3-5） 为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1K，则Rc2K 因：UEQ=ICQ·RE 则： UEQ =2mA×1K=2V 因：IBQ=ICQ/ 则： IBQ =2mA/100=0.02mA 一般取流过Rb2的电流为5-10IBQ , 若取10IBQ因： ， （公式3-6） 则 , 取标称电阻12K。 因： （公式3-7） 则： 为调整振荡管静态集电极电流的方便，Rb1由30K电阻与24K电位器串联构成。2）确定主振回路元器件回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C和总电感L两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一种电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观点出发，以保证回路电容Cp远大于总的不稳定电容Cd原则，先选定Cp为宜。若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数F=C1/C2，不能过大或过小，适宜1/81/2。因振荡器的工作频率为： （公式3-8） 当LC振荡时，f0=6MHz ，则 L10H 本电路中，则回路的谐振频率fo主要由C3、C4决定 ，即有： 取C3 =50pf，C4=20pf，因要遵循C1C2>>C3,C4，C1/C2=1/81/2的条件，故取C1=200pf，则C2=510pf。对于晶体振荡，只需和晶体并联一可调电容进行微调即可。 为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。例如发射极接地的振荡电路，输出宜取自基极；如为基级接地，则应从发射极输出。3.4 振荡器仿真及分析 仿真可测得，流经晶体管集电极的电流为1.7mA,集电极电压为8.59V，基极电压为2.5V，发射极电压为1.7V，集电极与发射极的电压差为6.87V，则晶体管工作在放大状态，可以正常工作。 图3.6 LC与晶体振荡器振荡输出4 功率放大器的设计 高频功率放大器因工作大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法-折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便。所谓折线法是把电子器件的特性曲线理想化，用一组折线代替晶体管静态特性曲线后进行分析和计算的方法。为了使高频功率放大器有高效率地输出大功率，常常选择工作在丙类状态下工作。在一元件的耗散功率等于流过该元件的电流和元件两端电压的乘积。基极直流偏压VBB使基极处于反向偏压的状态，对于NPN型管来说，只有在激励信号为正值的一段时间内才有集电极电流产生，所以耗散功率很小。晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关作用，谐振回路中LC是晶体管的负载，电路工作在丙类工作状态。对高频功率放大器的基本要求是,尽可能输出大功率、高效率，为兼顾两者，通常选丙类且要求在临界工作状态，其电流流通角在600900范围。现设=700。查表可得：集电极电流余弦脉冲直流ICO分解系数，集电极电流余弦脉冲基波ICM1分解系数，。设为24V,功放的输出功率为2W。 功率放大器集电极的等效电阻为： （公式4-1） 集电极基波电流振幅为： （公式4-2） 集电极电流脉冲的最大振幅为： （公式4-3） 集电极电流脉冲的直流分量为： （公式4-4）电源提供的直流功率为： （公式4-5）集电极的耗散功率为： （公式4-6） 集电极的效率为： (满足设计要求) （公式4-7） 已知： 即 则，输入功率： （公式4-8） 基极余弦脉冲电流的最大值（设3DA6的=10） 基极基波电流的振幅为: （公式4-9） 得基极输入的电压振幅为： （公式4-10） （公式4-11）2） 基极偏置电路计算 因 则有 ： （公式4-12） 因 则有 ： （公式4-13） 取 高频旁路电容:图4.1高频功率放大器电路图 3）仿真结果与分析 测得：基极电压25.01V，集电极电压为5.34V,发射极电压为13.27V，集电极电流为20.6mA,基极电流振幅165.5mA，集电极功率为110mW,电源功率为494.4mW，集电极耗散功率为。次级电压为21V,电流为2.1mA，功率为44.1mW，传递功率为40.1%。5 AC-DC电路和充电电路设计待添加的隐藏文字内容25.1 AC-DC电路设计AC/DC转换电路图如图所示：图5.1 AC-DC电路图1）变压器容量选择按照要求输出线电压有效值为36V时最大输出电流为3A，故变频电源输出功率 （公式5-1）为留有余量，变压器容量应大于200W。2)整流桥平均电流，耐压值计算流经二极管的平均电流: （公式5-2） 本设计变压器副边输出电压最大值为60V，故二极管承受的最大反压为60V，为留有余量，选择耐压值大于100V，平均电流大于2A。3)直流侧滤波 整流后为100HZ脉动波形，为使波纹较小，采用型滤波。 如下图所示，即可实现AC/DC，即直流到交流的转换。图5-2 AC/DC转换电路仿真结果5.2 充电电路设计由于通过AC/DC转换电路后，电流由原来的交流变为直流，要想实现充电，则可以通过具有存储电量的元器件作为电路的输出的方法。 利用运算放大器和电容组成的积分器可以实现充电的功能。如图5-3所示. 图5-3 积分器 利用“虚短”和“虚断”两条法则求Vo和Vi的关系，有： （公式5-3） （公式5-4） 由节点电流法可知： （公式5-5） （公式5-6） （公式5-7） 当为定值时，电容将恒流放电，输出电压为： （公式5-8） 可见，vo与t呈线性关系。 图5-4积分电路仿真图 若积分电路输入直流脉动波时，其输出波形如下图所示，可实现充电功能图5-4积分电路仿真输出6小结与心得课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。此次的通信电路设计，不仅让我加深了对电子电路理论知识的理解，而且尝试着用自己所学来进行实际运用。 从模拟电子技术基础，数字电子技术基础到通信电子线路和通信原理，我们由浅到深，系统地学习了通信专业的相关课程，但是课程的繁难让学生都惊呼此为“天书”。在学习的过程中，由于专业质素和潜心研究精神的缺乏，我并没有认认真真学习这些课程，考试也是考前集中复习得以通过。在考试结束后，这些专业课到最后在我的脑海里只留下一个模糊的印象，我不禁疑虑，这样下去，我会学到什么。在这次的学科基础课群课设中，我获益良多。其实不仅仅是与课程设计相关的知识，而是在这一过程中，我怀着一颗希望自己能独立完成这一次课设的信念，希望能通过这次课设来验证在已经逝去的大学大半时光里我学到的。从一开始接触题目，看着完全陌生的题目无从下手。没有相关的知识讲解，没有相关的文档可以参考，我根据老师提供的系统框图，一点点地寻找相关知识并且理解运用，一部分一部分画图仿真，逐渐攻克每一部分，最后看着一份课程设计在自己的努力下由原先的雏形日渐完整，心里不是没有喜悦的，原来我真的可以做到。完成课程设计的过程是很枯躁的。专业课本上大量原理的理解，在网上恰如大海寻针一样不放过任何提到关键词的信息，整日整日埋头在电脑前修改文档，排版，编辑公式，完成电路图的仿真验证自己思路的正确与否，只为能提交一份完美的报告。虽然我的报告做的不算上佳，最后的结果也不令人满意，但我相信我付出的努力是为了慰藉自己的心：我曾经尽全力完成一件事就足够了。7参考文献1 谢自美.电子线路设计·实验·测试(第三版).武汉：华中科技大学出版社2 康华光. 电子技术基础模拟部分.高等教育出版社，20053 康华光. 电子技术基础数字部分.高等教育出版社，20054 樊昌信. 通信原理（第五版）.北京：国防工业出版社，20055 刘泉.通信电子线路.武汉理工大学出版社，20056 于洪珍.通信电子线路.科学出版社，2007本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别女专业、班级题 目：非接触供电系统答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日