压电发电系统的等效电路模型及其能量回收转换电路研究
发布时间：2021-08-23 14:16
随着人工智能、物联网的快速发展,各式各样的无线传感器件被应用到人类生产生活中。人们对于电池的要求越来越高,传统电池的使用有着周期短、污染大而且在很多情况下难以更换等缺点。因此,迫切需要一种可持续且环保的新型供能方式,机械振动能广泛存在于自然界中,由于其制约条件少,从而使得压电振动能量采集成为了专家学者们研究的热点。目前对于压电振动能量采集器的研究,常常将机械端的采集器简化成一个电流源,而电路端简化成负载,虽然这样大大简化了对能量采集器的分析,但是这样处理将悬臂梁压电陶瓷与电路之间的机电非线性耦合作用进而导致实验分析结果与理论结果误差较大。此外对于悬臂梁式压电能量采集器的能量回收性能的研究也是基于将接口电路等效为一个负载,势必带来较大的分析误差。本文首先从压电端的等效电路开始,通过集总参数模型和压电运动方程,建立了采集器端的等效电路,接着针对具体的接口电路进行了研究与实验分析,然后从能量采集系统的输入端到机械端、电路端,直至输出端进行了能量流动分析,建立了采集系统的能量流图,分析不同接口电路作用下系统的能量流,通过仿真和实验分析了不同电路参数对系统采集能量、损耗能量以及提取能量等影响。本...
【文章来源】：浙江工商大学浙江省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
悬臂梁型压电振动能量采集器图1-1(a)为压电单晶片结构，是最早期的压电能量采集器的悬臂梁模型，可
6图1-2标准能量采集电路为了提高能量回收效率，国外研究学者Lefeuvre等人经过深入的研究和分析，提出了一种电路，即输出功率无关负载同步电荷提取电路[20]在标准接口电路基础上有了进一步的改进，该电路主要由整流桥、电感和开关组成，一般主要由场效应管控制开关的闭合，进行电路的充放电工作。由图1-3所示。SECE中的开关S大部分时间是开路状态，只有当压电片电压不断增大达到极值时才会闭合，电路开始同步提取电荷。同步电荷提取中的同步是电荷的提取与结构的振动是同步进行的。同步电荷提取电路的工作过程主要分为两个阶段：第一个阶段压电片随着悬臂梁的不断振动，此时压电片上会有大量的电荷产生，当其为最大值的时候，此时电压为阈值，关闭开关，电路工作，电荷通过回路逐渐被电感吸收。当压电片上电荷被全部转移时，立刻断开开关S，此时对系统进行研究可以发现二极管D处于导通状态，能量可以发生转移。和标准接口相比，该类型电路不会受到负载的影响，当负载值变大或者变小的时候，都不会对回收率产生不良的影响。但是其开关控制的精确度太高，使得实际开关设计较为复杂。图1-3同步电荷提取电路
6图1-2标准能量采集电路为了提高能量回收效率，国外研究学者Lefeuvre等人经过深入的研究和分析，提出了一种电路，即输出功率无关负载同步电荷提取电路[20]在标准接口电路基础上有了进一步的改进，该电路主要由整流桥、电感和开关组成，一般主要由场效应管控制开关的闭合，进行电路的充放电工作。由图1-3所示。SECE中的开关S大部分时间是开路状态，只有当压电片电压不断增大达到极值时才会闭合，电路开始同步提取电荷。同步电荷提取中的同步是电荷的提取与结构的振动是同步进行的。同步电荷提取电路的工作过程主要分为两个阶段：第一个阶段压电片随着悬臂梁的不断振动，此时压电片上会有大量的电荷产生，当其为最大值的时候，此时电压为阈值，关闭开关，电路工作，电荷通过回路逐渐被电感吸收。当压电片上电荷被全部转移时，立刻断开开关S，此时对系统进行研究可以发现二极管D处于导通状态，能量可以发生转移。和标准接口相比，该类型电路不会受到负载的影响，当负载值变大或者变小的时候，都不会对回收率产生不良的影响。但是其开关控制的精确度太高，使得实际开关设计较为复杂。图1-3同步电荷提取电路
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于同步电荷提取的自供能压电能量接口电路分析[J]. 陈晨. 电子设计工程. 2018(22)
[2]基于风致振动效应的微型风能收集器研究现状[J]. 赵兴强,王军雷,蔡骏,郭颖. 振动与冲击. 2017(16)
[3]非线性压电振动能量采集器的振动特性与实验研究[J]. 王光庆,张伟,刘创,杨斌强,廖维新. 传感技术学报. 2015(10)
[4]微型振动式能量采集器研究进展[J]. 许卓,杨杰,燕乐,曹嘉峰,陈晓勇,丑修建. 传感器与微系统. 2015(02)
[5]超声波电动机定子振动能量回收转换特性[J]. 王光庆,陆跃明,郭吉丰. 浙江大学学报(工学版). 2013(01)
[6]微型电磁式振动能量采集器的结构设计与仿真研究[J]. 赵志刚,丁旭升,刘福贵,杨茁萌. 电工技术学报. 2012(08)
[7]基于压电效应的能量收集[J]. 潘家伟,黄卫清,周凤拯,冒俊. 压电与声光. 2009(03)
[8]振动式压电发电机及其在无线传感器网络中的应用[J]. 温志渝,温中泉,贺学锋,廖海洋,刘海涛. 机械工程学报. 2008(11)
[9]微型电磁式振动能量采集器的研究进展[J]. 王佩红,戴旭涵,赵小林. 振动与冲击. 2007(09)
博士论文
[1]基于压电材料的振动能量回收电路及其应用研究[D]. 沈辉.南京航空航天大学 2010
[2]超磁致伸缩材料的本构理论研究[D]. 孙乐.兰州大学 2007
硕士论文
[1]宽频压电能量采集器及其接口电路的设计与实验研究[D]. 杨斌强.浙江工商大学 2018
[2]能量回馈型超声波电机的理论分析与实验研究[D]. 刘创.浙江工商大学 2015
[3]基于压电悬臂结构的能量回收电路研究[D]. 孙子文.南京航空航天大学 2013
[4]基于压电悬臂结构的能量采集研究[D]. 王宁.南京航空航天大学 2010
本文编号：3358026
【文章来源】：浙江工商大学浙江省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
悬臂梁型压电振动能量采集器图1-1(a)为压电单晶片结构，是最早期的压电能量采集器的悬臂梁模型，可
6图1-2标准能量采集电路为了提高能量回收效率，国外研究学者Lefeuvre等人经过深入的研究和分析，提出了一种电路，即输出功率无关负载同步电荷提取电路[20]在标准接口电路基础上有了进一步的改进，该电路主要由整流桥、电感和开关组成，一般主要由场效应管控制开关的闭合，进行电路的充放电工作。由图1-3所示。SECE中的开关S大部分时间是开路状态，只有当压电片电压不断增大达到极值时才会闭合，电路开始同步提取电荷。同步电荷提取中的同步是电荷的提取与结构的振动是同步进行的。同步电荷提取电路的工作过程主要分为两个阶段：第一个阶段压电片随着悬臂梁的不断振动，此时压电片上会有大量的电荷产生，当其为最大值的时候，此时电压为阈值，关闭开关，电路工作，电荷通过回路逐渐被电感吸收。当压电片上电荷被全部转移时，立刻断开开关S，此时对系统进行研究可以发现二极管D处于导通状态，能量可以发生转移。和标准接口相比，该类型电路不会受到负载的影响，当负载值变大或者变小的时候，都不会对回收率产生不良的影响。但是其开关控制的精确度太高，使得实际开关设计较为复杂。图1-3同步电荷提取电路
6图1-2标准能量采集电路为了提高能量回收效率，国外研究学者Lefeuvre等人经过深入的研究和分析，提出了一种电路，即输出功率无关负载同步电荷提取电路[20]在标准接口电路基础上有了进一步的改进，该电路主要由整流桥、电感和开关组成，一般主要由场效应管控制开关的闭合，进行电路的充放电工作。由图1-3所示。SECE中的开关S大部分时间是开路状态，只有当压电片电压不断增大达到极值时才会闭合，电路开始同步提取电荷。同步电荷提取中的同步是电荷的提取与结构的振动是同步进行的。同步电荷提取电路的工作过程主要分为两个阶段：第一个阶段压电片随着悬臂梁的不断振动，此时压电片上会有大量的电荷产生，当其为最大值的时候，此时电压为阈值，关闭开关，电路工作，电荷通过回路逐渐被电感吸收。当压电片上电荷被全部转移时，立刻断开开关S，此时对系统进行研究可以发现二极管D处于导通状态，能量可以发生转移。和标准接口相比，该类型电路不会受到负载的影响，当负载值变大或者变小的时候，都不会对回收率产生不良的影响。但是其开关控制的精确度太高，使得实际开关设计较为复杂。图1-3同步电荷提取电路
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于同步电荷提取的自供能压电能量接口电路分析[J]. 陈晨. 电子设计工程. 2018(22)
[2]基于风致振动效应的微型风能收集器研究现状[J]. 赵兴强,王军雷,蔡骏,郭颖. 振动与冲击. 2017(16)
[3]非线性压电振动能量采集器的振动特性与实验研究[J]. 王光庆,张伟,刘创,杨斌强,廖维新. 传感技术学报. 2015(10)
[4]微型振动式能量采集器研究进展[J]. 许卓,杨杰,燕乐,曹嘉峰,陈晓勇,丑修建. 传感器与微系统. 2015(02)
[5]超声波电动机定子振动能量回收转换特性[J]. 王光庆,陆跃明,郭吉丰. 浙江大学学报(工学版). 2013(01)
[6]微型电磁式振动能量采集器的结构设计与仿真研究[J]. 赵志刚,丁旭升,刘福贵,杨茁萌. 电工技术学报. 2012(08)
[7]基于压电效应的能量收集[J]. 潘家伟,黄卫清,周凤拯,冒俊. 压电与声光. 2009(03)
[8]振动式压电发电机及其在无线传感器网络中的应用[J]. 温志渝,温中泉,贺学锋,廖海洋,刘海涛. 机械工程学报. 2008(11)
[9]微型电磁式振动能量采集器的研究进展[J]. 王佩红,戴旭涵,赵小林. 振动与冲击. 2007(09)
博士论文
[1]基于压电材料的振动能量回收电路及其应用研究[D]. 沈辉.南京航空航天大学 2010
[2]超磁致伸缩材料的本构理论研究[D]. 孙乐.兰州大学 2007
硕士论文
[1]宽频压电能量采集器及其接口电路的设计与实验研究[D]. 杨斌强.浙江工商大学 2018
[2]能量回馈型超声波电机的理论分析与实验研究[D]. 刘创.浙江工商大学 2015
[3]基于压电悬臂结构的能量回收电路研究[D]. 孙子文.南京航空航天大学 2013
[4]基于压电悬臂结构的能量采集研究[D]. 王宁.南京航空航天大学 2010
本文编号：3358026
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