非接触式弱电实验供电平台的设计

摘要：非接触式弱电实验供电平台是一种新型非接触式电能供应系统，通过电磁感应耦合，实现非接触式能量传输，为负载提供电能。整个系统主要由电能转换、耦合变压器和能量调节三部分组成。电能转换主要完成能量逆变；耦合变压器将逆变后的能量耦合到用户端；能量调节主要为提高耦合到用户端能量的传输能力。该平台克服了传统导线多点接触式电能传输方式的不可靠和不可迁移等缺点，为移动电气设备、易燃易爆环境和水下设备的能量供给提供便捷、安全的解决方案。
关键词：电磁感应；非接触式供电系统；无线供电；弱电实验箱

0 引言
感应耦合电能传输(Inductively coupled Powertransfer，ICPT或Inductively Power Transfer，IPT)技术是近年来备受国际学术界关注的一项新型能量传输技术。这一技术能够有效地克服有线供电方式存在的设备移动灵活性差，环境不美观，容易产生接触火花等缺陷，特别适用于易燃易爆环境和水下设备的安全供电，可广泛应用于工矿企业吊装设备和运输设备、高层建筑升降式电梯、城市电气化交通、室内电子设备、生物医疗等领域中电气或电子设备的灵活供电。
用无线方式输送电力，这种想法从19世纪上半叶电磁感应现象被发现之后就已经有了。近年来国内外许多研究机构和公司，如美国麻省理工学院、Powercast(电客)公司等相继研发出了短距离和微距的无线供电技术和产品。2008年2月15日，一种无需插头与电源线且不直接接触电源就能充电的新型混合动力汽车已在日本投入试运行，该汽车利用电磁感应原理及电能变换等技术以无线方式实现充电，只需停在设置在路面的电源线圈的正上方就能给车内的锂离子电池快速充电，如果仅使用电力运行，充电一次可行驶约15km。
在理解非接触供电基本原理的基础上，本文通过电磁感应耦合，实现非接触式能量传输，为负载提供电能，以解决传统导线多点接触式传输电能的不可靠和不可迁移等一系列问题，并将其应用到非接触式弱电实验箱供电平台。

1 基本原理
图1表示了一个典型ICPT系统的基本结构，它主要由两个分离的电气部分组成。一部分由能量变换装置组成，其作用是通过线圈回路提供高频交流电流(通常为10～100 kHz交流电)；另一部分由能量拾取线圈和调节装置组成，通过两部分之间的电磁感应耦合，实现无接触的能量传输。ICPT典型结构在硬件实现上一般由4部分实现：功率变换装置、高频载流线圈或电缆、接收线圈和能量调节装置。前两部分构成一侧作为能量发射系统，后两部分构成另一侧作为能量接收系统，两个系统在物理上相互独立，工作时存在磁场耦合，一个原边能量发射源可为多个用电设备同时供电。

本文以典型ICPT系统为基础，加以硬件设计并实验，其中高频载流线圈与接收线圈采用相近的线圈，以实现接收端能量的最大化。该系统整体结构如图2所示。