基于单导线的自激特斯拉线圈电能传输系统设计

丁子恒 张代维 徐 甲 何思彤

（中国矿业大学徐海学院信息与电气工程系，江苏 徐州 221000）

0 引言

目前主要使用两根或两根以上金属导线构成回路的方法传输电能[1]，然而金属导线存在一些不便之处，长时间使用会发生磨损和绝缘老化，从而引发放电问题，可能导致重大安全事故。

特斯拉线圈是一种使用共振原理运行的变压器，高频率的交流电通过两组匝数比很大的线圈组成磁耦合的谐振电路，在次级线圈产生高电压、低电流、高频率的交流电力。通过在周围产生高频磁场，特斯拉线圈可以实现无线电能传输（WPT）[2]。

WPT也存在一些缺点，例如传输距离有限，传输功率相对较低。而单导线无线电能传输系统（SWPT）使用单金属导线或其他导体介质连接发射装置与接收装置的次级线圈，相比WPT传输距离更远、效率更高。

1 SWPT系统框架设计

如图1所示，发射系统采用单管谐振特斯拉线圈，通过高频磁场耦合与接收系统的特斯拉线圈产生共振。

图1 单导线无线电能传输系统结构图

接收系统中的特斯拉线圈与发射系统的线圈之间存在高频磁场耦合。

当两个线圈频率相同并达到共振条件时，能量传输效率最高。当接收到高频磁场后，通过电磁感应原理将其转换为电能，转换后的电能可以驱动220 V、5 W的节能灯泡。

2 电力发射系统设计

2.1 高频驱动电源设计

输入电源采用24 V开关电源，最大电流5 A，最大输出功率120 W，采用单开关N沟道MOS管IRFP460，其D极与S极耐压值为500 V，25 ℃时D极最大电流为20 A，完全满足设计需求。驱动装置的驱动信号采用TLC555 CP芯片产生，该芯片最高可产生2 MHz PWM波，其配合外置电阻、电容可以产生频率可调范围值在300～600 kHz的PWM波，通过74LS74N芯片实现二分频电路，保持占空比为50%的输出信号，经过栅极驱动芯片MIC4420输出，加入由S8050和S8550三极管组成的推挽电路，提高驱动能力，驱动MOS管工作。主要驱动电路如图2所示。

图2 MOS管驱动电路图

还需采用三端集成稳压芯片LM17805与LM7812为芯片提供工作电压，由于频率较高，MOS管开关损耗增大，温度会升高，因此采用了水冷装置为MOS管进行降温处理。实物如图3所示。

图3 高频电源驱动装置

2.2 球柱型特斯拉线圈设计

电路模型如图4所示。

图4 发射装置升压特斯拉线圈示意图

次级谐振频率见公式（1）：

式中：L为次级线圈L0电感；C为等效球体D1电容。

在电路模型中，T1与T2线圈内阻可用仪器测量得到，线圈电感可用公式计算，也可用仪器测量。以螺线管状线圈为例，电感见公式（2）[3]：

式中：N为线圈匝数；R为螺线管半径；l为螺线管长度。

T1线圈选用直径2 mm漆包线绕制于直径110 mm的PVC管，匝数9匝。T2线圈选用直径0.33 mm漆包线绕制于直径90 mm的PVC管，匝数535匝。

将T1与T2线圈正串测量，其等效电感记为La，反串测量其等效电感记为Lb，互感系数计算公式如下：

将公式（3）代入计算，得出T1线圈与T2线圈之间的耦合系数，见公式（4）：

式中：L1为T1线圈电感；L2为T2线圈电感。

在谐振状态下，电感和电容能量消散会影响谐振电路储能效率，影响程度通常由品质因数表示，计算公式如下：

式中：ω0为谐振频率；L为电感量；R为L2线圈内阻（L1线圈不参与谐振，仅为高频电源提供通道与L2线圈产生磁耦合）。

顶端对地等效电容采用球状电容，等效电容计算公式如下[4]：

式中：ε0为真空介电常数，ε0=8.85×10-12F/m；R为有效球体直径。

另一组球柱型特斯拉线圈与之相同，假设两者等效球体电容之间距离为d，等效球体电容半径为R，其之间等效电容C计算公式如下：

式中：k=R/d。

球间距越大时，式（7）收敛越迅速，由此可知，等效电容C不随d的增加而变化。

3 等效仿真电路及实物测试

3.1 等效电路图

针对SWPT系统，在设计的实验中传输距离较近，可以忽略导线中的电阻与电感，而其对地电阻由于系统的工作频率较高，趋肤效应显著，高频电流在地表流动，故可以把其理解为无穷大。由此只考虑对空电容及对地电容，两者串联导线贴近地面，对地支路大于对空支路，串联后总电容近似等于对地支路。等效电路如图5所示[5]。

图5 SWPT系统简化结构图

3.2 输入输出阻抗仿真

利用MATLAB/Simulink软件仿真，采用Impedance Measurement模块，其可以分析端口阻抗的频率特性[6]。从电源端口与负载端口分别看入，仿真结果如图6、图7所示。

图6 简化电路模型仿真频率阻抗特性

图7 简化电路模型仿真频率增益响应

由图6可知，在460～520 kHz范围内阻抗模极小值对应的工作频率，此时高频电源可以传输更多功率。

3.3 实物测试

接入24 V直流电源，负载为220 V、5 W节能灯，对其做WPT系统分析。当距离大于35.6 cm时，接收装置灯泡无法点亮，如图8所示。

图8 WPT系统电能传输效果图

针对SWPT系统，在两个特斯拉线圈之间采用直径为0.33 mm、长度为5.43 m的漆包线连接次级线圈，成功点亮灯泡，如图9所示。

图9 SWPT系统电能传输效果图

经测量，接收端电压约为8.35 V，发射处频率约为492 kHz，接收处频率约为500 kHz，如图10所示。

图10 接收装置低压线圈电压显示

将导线换为盐水，模拟海水作为连接通道，也成功点亮灯泡，如图11所示。

图11 模拟海水导体介质传输电能

4 结束语

本文所述SWPT系统的发射装置采用单谐振特斯拉线圈，通过Simulink对SWPT系统进行仿真，在仿真中，简化了SWPT系统的电路等效模型，并采用输入阻抗模大小确定了系统的最佳工作频率，即当系统达到极小值时为最佳工作频率。在传输距离为5.43 m的实验中，SWPT系统传输效率达到了65%。SWPT系统采用单导线连接发射装置和接收装置，相较于WPT系统，具有更高的传输效率和更远的传输距离。本文还使用不同介质替代单导线进行实验，使得电能传输不再局限于金属导线。