CN106208412B - 一种利用空间共振电场的单导线电力传输系统 - Google Patents

一种利用空间共振电场的单导线电力传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种利用空间共振电场的单导线电力传输系统，电能发射系统中工频交流电经整流滤波电路和高频逆变电路后，得到高频交流电，经发射端阻抗补偿电路施加到高频升压自耦变压器的输入端口；单导线用于连接电能发射系统和单导线电能接收系统；单导线电能接收系统中的高频降压自耦变压器的高压端与上端金属导体相连，公共端与单导线的另一端相连，将上端金属导体接收的电能，从输出端口输出，经接收端阻抗补偿电路、电能变换电路为负载供电。本发明不需要利用参数共振变压器，在电能发射系统与单导线电能接收系统之间建立虚地，使电能发射系统与单导线电能接收系统的结构设计变得灵活自由，以单导线的方式进行远距离和较大功率的电能传输。

Description

一种利用空间共振电场的单导线电力传输系统
技术领域
本发明属于电力工程领域，涉及一种利用空间共振电场的单导线电力传输系统。
背景技术
传统的输电方法至少使用两根导线，以便为传导电流提供来往通路。这不仅需要复杂的架线工程，还要确保导线之间始终处于良好的绝缘状态，一旦发生短路，就会因继电保护动作而停电。如果保护失灵，还可能导致火灾或人身事故。此外，这种输电方法还存在导线裸露、老化、磨损等诸多问题，在矿井、水下、油田等一些易燃易爆的特殊供电场所，难以保证供电的安全和可靠，由于导线的存在，大大降低了用电设备的灵活性。因此，人们一直在追求使用单导线，或完全不使用导线的电力传输方式，因为这种传输方式便于取电，节省金属材料，避免因架设输电线带来的麻烦，可以解决一些传统输电方法难以解决或解决起来较为麻烦的供电问题。但是，由于原理、技术和经济等因素的限制，靠单导线或完全不使用导线，并以足够大的功率将电能传输到相当远的距离，尚有许多技术难题有待攻克，需要积极探索。借助磁场、电场、超声、激光、微波等，以无线或非导体接触方式传输电能，这些都是人们正在努力探索的技术，并且在某些方面已经取得了有效进展。
单导线电力传输系统的单导线不仅限于传统的金属导线，在广场、楼宇、交通、码头、建筑工地或厂矿等许多场合，都存在着连续的金属结构或导电的流体网络，例如管道、钢筋、轨道等，用这些导电结构代替本发明中的单导线，便可以不用架设任何导线，就能够传输电能。
从原理上讲，也可以使用大地或海水代替单导线，这样便为集中发射电能，分散接收电能的供电方式提供新的可行技术。因此，本发明将为长距离广义无线电力传输奠定基础。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种利用空间共振电场的单导线电力传输系统，该单导线电力传输系统仅使用单导线连接电能发射系统和单导线电能接收系统，即以单导线的方式进行远距离和较大功率的电能传输，距离和功率取决于电能发射系统与单导线电能接收系统的大小、高度和周围环境。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种利用空间共振电场的单导线电力传输系统，该单导线电力传输系统以单导线的方式进行远距离和较大功率的电能传输，包括电能发射系统、单导线和单导线电能接收系统，根据需要设置单导线电能接收系统的个数，多个单导线电能接收系统通过单导线与电能发射系统的高频升压自耦变压器的公共端相连，只要与电能发射系统处于同一个共振电场区，就可以有效地接收电能。
所述的电能发射系统包括依次通过导线连接的工频电源、整流滤波电路、高频逆变电路、发射端阻抗补偿电路、高频升压自耦变压器和上端金属导体。所述的工频电源产生的工频交流电经整流滤波电路和高频逆变电路后，得到高频(相对工频而言)交流电，经发射端阻抗补偿电路施加到高频升压自耦变压器的输入端口，输入端口的两端分别为公共端和低压端。所述的高频升压自耦变压器的公共端与单导线的一端相连，高压端与上端金属导体相连。所述的高频逆变电路可以采用半桥、全桥或E类变换器拓扑结构。所述的发射端阻抗补偿电路用来减小发射回路的等效电抗，或者等价于减小发射回路的无功功率，并实现电气隔离，可以采用单个储能元件进行串联或并联补偿，也可以采用多个储能元件的串并联组合。所述的高频升压自耦变压器可以采用自耦变压器结构，也可以采用非自耦变压器结构。
所述的单导线两端分别连接电能发射系统的高频升压自耦变压器的公共端和单导线电能接收系统的高频降压自耦变压器的公共端，用于连接电能发射系统和单导线电能接收系统，引导电能传输路径，产生传导电流，并在电能发射系统和单导线电能接收系统之间建立等电位点。所述单导线可以采用单芯导线、金属管道、钢筋、金属轨道等导电材料。
所述的单导线电能接收系统包括依次通过导线连接的上端金属导体、高频降压自耦变压器、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路和交流或直流负载。所述的高频降压自耦变压器的高压端与上端金属导体相连，公共端与单导线的另一端相连，高频降压自耦变压器通过上端金属导体接收到的电能，由输出端口输出，经接收端阻抗补偿电路、电能变换电路为交流或直流负载供电。所述的接收端阻抗补偿电路用来提高向负载输出的电功率，并起到电气隔离作用，可以采用单个储能元件进行串联或并联补偿，也可以采用多个储能元件的串并联组合。所述的电能变换电路用来将高频交流电转换为适合负载使用的交流电或直流电。
所述的与高频降压自耦变压器和高频升压自耦变压器相连的两个上端金属导体的形状大小不一定一样；所述的高频降压自耦变压器的结构参数也不一定和高频升压自耦变压器的结构参数一致，只要保证它们的共振频率相同即可。
本发明的有益效果为：本发明不需要利用参数共振变压器，在电能发射系统与单导线电能接收系统之间建立虚地，从而使得电能发射系统与单导线电能接收系统的结构设计变得灵活自由。也不需要对该导线做高耐压的绝缘防护。也正是由于单导线的作用，使得电能传输的距离，较磁场共振式无线电力传输远许多，功率也大许多，如本发明的示范系统，可以在30米距离内传输100W的电功率。
附图说明
图1是单导线电力传输系统框图。
图2是电能发射系统的电路图。
图3是单导线电能接收系统的电路图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案作详细说明。
一种利用空间共振电场的单导线电力传输系统，该单导线电力传输系统框图如图1所示，单导线电力传输系统包括电能发射系统、单导线和单导线电能接收系统；根据需要设置单导线电能接收系统的个数，多个单导线电能接收系统通过单导线与电能发射系统的高频升压自耦变压器的公共端相连，多个单导线电能接收系统与电能发射系统处于同一个共振电场区，能够有效接收电能；
图2是电能发射系统的电路图。电能发射系统包括工频电源、整流滤波电路(基本二极管桥式整流滤波电路，或带有功率因数矫正的整流滤波电路)、高频逆变电路、发射端阻抗补偿电路、高频升压自耦变压器和上端金属导体。工频交流电经整流滤波和高频逆变电路后，得到高频(相对工频而言)交流电，经由发射端阻抗补偿电路，施加到高频升压自耦变压器T1的输入端口。T1的高压端和公共端分别连接到高处的上端金属导体D1和单导线。高频逆变电路可以采用半桥、全桥或E类变换器拓扑结构。发射端阻抗补偿电路用于减小发射回路的等效电抗，或者等价于减小发射回路的无功功率，并实现电气隔离。
单导线两端分别连接电能发射系统的高频升压自耦变压器和单导线电能接收系统的高频降压自耦变压器的公共端，用于引导电能的传输方向，产生传导电流，并在电能发射系统和单导线电能接收系统之间建立等电位点。
图3是单导线电能接收系统的电路图。单导线电能接收系统由上端金属导体、高频降压自耦变压器、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路和交流或直流负载组成。接收到的电能由高频降压自耦变压器降压后，再经接收端阻抗补偿电路及电能变换电路，为负载提供交流或直流电能。其中，接收端阻抗补偿电路可以提高向负载输出的电功率，并实现电气隔离。

Claims (3)

1.一种利用空间共振电场的单导线电力传输系统，其特征在于，该单导线电力传输系统包括电能发射系统、单导线和单导线电能接收系统；根据需要设置单导线电能接收系统的个数，多个单导线电能接收系统通过单导线与电能发射系统的高频升压自耦变压器的公共端相连，多个单导线电能接收系统与电能发射系统处于同一个共振电场区，能够有效接收电能；
所述的电能发射系统包括依次通过导线连接的工频电源、整流滤波电路、高频逆变电路、发射端阻抗补偿电路、高频升压自耦变压器和上端金属导体；所述的工频电源产生的工频交流电经整流滤波电路和高频逆变电路后，得到高频交流电，经发射端阻抗补偿电路施加到高频升压自耦变压器的输入端口，输入端口的两端分别为公共端和低压端，公共端与单导线的一端相连，高压端与上端金属导体相连；所述的发射端阻抗补偿电路用来减小发射回路的等效电抗，或者等价于减小发射回路的无功功率，并实现电气隔离，发射端阻抗补偿电路可以采用多个储能元件的串并联组合，也可以采用单个储能元件进行串联或并联补偿；
所述的单导线两端分别连接电能发射系统的高频升压自耦变压器的公共端和单导线电能接收系统的高频降压自耦变压器的公共端，用于连接电能发射系统和单导线电能接收系统，引导电能传输路径，产生传导电流，并在电能发射系统和单导线电能接收系统之间建立等电位点；
所述的单导线电能接收系统包括依次通过导线连接的上端金属导体、高频降压自耦变压器、接收端阻抗补偿电路、电能变换电路、交流或直流负载；所述的电能变换电路用来将高频交流电转换为适合负载使用的交流电或直流电；所述的高频降压自耦变压器的高压端与上端金属导体相连，公共端与单导线的另一端相连，高频降压自耦变压器通过上端金属导体接收到的电能，由输出端口输出，经接收端阻抗补偿电路、电能变换电路为负载供电；所述的接收端阻抗补偿电路用来提高向负载输出的电功率，并起到电气隔离作用，接收端阻抗补偿电路采用多个储能元件的串并联组合，或者采用单个储能元件进行串联或并联补偿；
所述的高频降压自耦变压器和高频升压自耦变压器共振频率相同。
2.根据权利要求1所述的一种利用空间共振电场的单导线电力传输系统，其特征在于，所述的电能发射系统中的高频逆变电路采用半桥、全桥或E类变换器拓扑结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用空间共振电场的单导线电力传输系统，其特征在于，所述单导线采用的导电材料为单芯导线、金属管道或钢筋。
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