线圈变压器和信能同传系统的设计与分析

刘茜茜 殷晓虎 杨虔吉

摘 要：为了实现信号和能量的同步无线传输，采用线圈变压器和磁耦合谐振技术实现无线信能同传即电能和信号的同步无线传输，借助MATLAB/Simulink软件进行系统电路模型搭建，计算并设置相关器件参数，运行仿真，对仿真结果进行分析和优化，结果表明：幅值调节式数字信号加载方式可有效实现信能同传并进行信号解调，同时为了得到最佳传输效率的条件分析了系统传输效率的影响因素，包括線圈匝数、传输距离、耦合系数、负载等，结果表明选择适当的材料及参数才能使传输效率最大化。

关键词：信能同传；线圈变压器；磁耦合谐振；MATLAB/Simulink；传输效率

中图分类号：TM46 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）31-0089-03

Abstract： In order to realize synchronous wireless transmission of signal and energy， coil transformer and magnetic coupling resonance technology are used to realize synchronous wireless transmission of electric energy and signal. The system circuit model is built by MATLAB/Simulink software. The simulation results are analyzed and optimized. The results show that the amplitude-adjusted digital signal loading mode can effectively realize the simultaneous interpretation and demodulation of signals. At the same time， in order to get the best transmission efficiency， the factors that affect the transmission efficiency are analyzed， including coil turns， transmission distance， coupling coefficient， load and so on. The results show that the transmission efficiency can be maximized by choosing the appropriate materials and parameters.

Keywords： simultaneous interpretation； coil transformer； magnetic coupling resonance； MATLAB/Simulink； transmission efficiency

引言

自尼古拉特斯拉提出并实现无线电能传输过程后，该技术因可避免沉重而繁琐的线缆，节省空间，并能减小因线缆老化遇水着火而发生事故的可能性被不断研究并改进，而后相继出现了三种传输方式：感应耦合式、微波辐射式、磁耦合谐振式无线电能传输技术，但前两者技术自身传输距离小，辐射大，传输效率低等缺点也不断被发现，目前大多数研究集中在磁耦合谐振式电能无线传输技术[1-2]，该技术将线圈做成线圈变压器并使原副边处于同一谐振频率从而实现电能无线传输，具有传输效率高、传输过程快、低辐射等优点，已被广泛应用在电动牙刷、电动汽车充电等领域。

同时，由于通信技术的发展一直是建立在电磁场环境中，在此基础上研究还发现可同时传输数字信号，即信能同传，这一技术让那些需要电能传输同时还需要信息传输的设备得以实现，如一些可植入医疗设备，机器人的旋转关节，WIFI充电器等，为进一步研究提供了良好的基础，[3]但由于无线信能同传技术出现较晚，在此之前国内外专家学者主要致力于研究基于磁耦合谐振技术的能量传输，着重于传输效率的影响因素，文献[5]、[6]中便详细分析了线圈半径，传输距离，负载，频率，线圈匝数等因素对传输效率的影响。但对基于磁耦合谐振的信能同传技术研究甚少。

基于以上理论，论文在磁耦合谐振式无线电能传输技术基础上提出了一种新技术来实现信能同传，利用交流电本身的高频特性作为携带信号的载波，实现信能同传。

1 系统结构及原理

1.1 系统概述

无线信能同传技术旨在实现信号和电能的同步无线传输，以法拉第电磁感应定律为原理，线圈变压器为核心器件，高频逆变、电容补偿、整流滤波、调制解调等为技术支持，利用磁耦合谐振实现电能的高效无线传输，通过幅值调节方法加入两个不同幅值的交流电实现数字信号的调制解调。此间数字信号传输用理想开关控制两个交流电信号的幅度和频率使其呈现101010形式，并在副边得到解调。

1.2 线圈变压器

在信能同传系统中线圈变压器起着关键性作用，由于其原副边电感线圈之间相互分离、非接触、没有导线连接，因此该系统被称作无线信能同传系统，根据法拉第电磁感应定律，通电线圈周围可以产生磁场，该磁场又可以产生电场，从而实现了电能和信号的无线传输，此间线圈变压器的性能由线圈线径，匝数及放置距离决定。

1.3 高频逆变及整流滤波电路

将直流电转化成交流电的过程称为逆变过程，而将交流电转化成直流电的过程为逆变过程的逆过程，称为整流滤波过程。无线信能同传系统中为使变压器原边产生交流电以便产生所需磁场，在原边电路中添加高频逆变电路将直流电逆变成高频高压的交流电，而为负载充电需要恒定的直流电，因此在副边电路中需添加整流滤波电路，将磁场中产生的高频交流电转化成直流电，同时添加稳压器件来优化电能。

1.4 功率补偿电路

电器设备在使用时均会产生呈电感特性的无功功率使电源容量的使用效率降低，通过在电路系统中适当增加电容的方式可以改善这种情况，因此信能同传系统中在可分离变压器两边分别添加电容构成功率补偿电路，其中原边的无功功率补偿可增加电源的功率因数而副边的无功功率补偿可增加系统的传输功率，从两方面改善了整个系统的性能，使得系统具有更高的经济作用。功率补偿电路通常有以下四种结构，分别为串联串联结构（如下图），以及串联并联结构，并联串联结构，并联并联结构。

对于不同的补偿方式，所需补偿电容大小也不同。从已有文献中已知补偿电容值与工作频率、原副边电感、互感及负载阻值有关，当工作频率为ω，原边线圈电感为L1，副边线圈电感为L2，耦合系数为K，互感为M，负载电阻为RL，系统达到耦合谐振时原边补偿电容值计算如下：

SS：C= （1）

SP：C= （2）

PS：C=（3）

PP：C= （4）

文献[7]，[8]中详细对比了四种补偿结构的特性，得出了SS结构具有更好的抗干扰性能和传输特性，因此论文中选用原边串联，副边串聯结构（SS）的功率补偿，其他参量之间又有如下关系：

谐振频率：？棕= （5）

耦合系数：K= （6）

线圈电感：L=？滋0rN2（ln-2） （7）

互感：M= （8）

2 系统搭建及仿真分析

2.1 无线信能同传系统电路设计

实验中借助MATLAB/Simulink软件进行信能同传系统的电路设计，电路模型搭建，然后设置各器件参数，运行仿真，通过万用表和示波器观察仿真结果，得出结论。研究中利用交流电源进行传输，通断器代替单刀双掷开关，设置相应频率、幅度及延时，实现信号和电能同步传输。

2.2 参数选择

此实验设置工作频率为30KHZ，交流电源选择20V和30V，原边及副边线圈电感值均为50uH，补偿电容值分别为0.22nH，负载阻值10欧姆。

2.3 仿真结果

系统仿真结果如下：

通过示波器观察线圈变压器原副边线圈上电压，如上图第一、二行所示，此时可以清晰地看出所加载的信号为101010形式，载波为交流电自身波形，原边线圈电压大于副边线圈电压，传输效率约为60%，这是由于变压器原副边分离耦合系数下降使得电能传输有损耗。图中第三、四行分别为负载上电压和电流，由于负载为10欧姆，所以电压和电流幅值相差10倍。数字信号可准确解调得到101010形式。

3 影响因素分析

从仿真结果可以看出电能在经过线圈变压器进行传输时有损耗，传输效率不能达到百分百，分析其影响因素，主要有线圈匝数，耦合系数，传输距离，负载阻值，通过MATLAB编辑器探索影响因素对系统的影响趋势如下。串联串联结构下系统的传输功率和传输效率分别为：

P= （9）

？浊=（10）

线圈匝数及传输距离对互感M的影响如图4：

耦合系数K在0-1范围内变化时传输功率和传输效率变化趋势如图5：

4 结束语

实验表明，利用线圈变压器可实现信能同传。此间幅值调节式信号加载简单易操作，并能进行无失真解调，且信号传输和电能传输互不干扰。但传输效率和传输功率受耦合系数和负载的影响，耦合系数越大，传输功率和传输效率就越大，但耦合系数又受传输距离的影响，因此综合考虑线圈匝数、传输距离和负载的选择才能使传输功率最大。

参考文献：

[1]陆扬.感应耦合电能传输系统研究[D].南京邮电大学，2014.

[2]李然.双频段无线电能传输线圈的宽频建模[J].科学技术与工程，2018，18（5）：242-246.

[3]熊永荣.LCC型磁耦合谐振式无线供电传输系统的研究[D].长安大学，2016.

[4]郭尧，魏国，郝潇潇，等.双谐振耦合能量信息同步传输技术研究[J].电工技术学报，2015，30（19）：18-25.

[5]屠张杰.基于磁耦合谐振式无线能量与信号同步传输技术研究[D].南京理工大学，2016.

[6]曹少卿，闫荣格，郭晓婷，等.基于新型E类放大器的磁耦合谐振式无线传输在负载变化时的效率[J].科学技术与工程，2018，18（14）：30-36.

[7]黄学良，吉青晶，谭林林.磁耦合谐振式无线电能传输系统串并式模型研究[J].电工技术学报，2013（03）：171-176+178.

[8]钟晨明，罗斌，刘婉.MCR-WPT四种经典传输结构的性能比较[J].电源技术与应用，2015，41（05）：141-144.

[9]郝潇潇.基于双谐振耦合的能量与信号传输技术研究[D].哈尔滨工业大学，2014.

[10]苏玉刚，孔令鑫，吕志坤.基于FFT解调的ECPT系统全双工通信技术研究[J].电工电能新技术，2017，36（4）：1-6.