CN108199499A - 一种基于负电阻的电场耦合单线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于负电阻的电场耦合单线电能传输系统，包括相连接的负电阻和发射电路，相连接的接收电路和负载，以及连接发射电路和接收电路的单根对外绝缘导线；发射电路包括串联连接的原边电感、原边金属导体和发射电路内阻，接收电路包括串联连接的副边电感、副边金属导体和接收电路内阻；原边金属导体和副边金属导体对大地或周围其它导电物体存在位移电流，分别表示为原边等效电容和副边等效电容；发射电路和接收电路之间通过原边金属导体和副边金属导体之间电场耦合的方式实现电能传输。本发明系统的结构更加简单，工作频率更高，且能在很长一段距离内实现传输效率恒定，系统电能传输更稳定。

Description

一种基于负电阻的电场耦合单线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输的技术领域，尤其是指一种基于负电阻的电场耦合单线电能传输系统。

背景技术

传统的有线输电方式由于需要大量的金属导线和繁冗的架线工程，具有很明显的缺点：有可能出现裸露、磨损、绝缘老化等情况，易产生火花放电，严重影响设备安全运行，且受恶劣环境因素如外界腐蚀、污染物的影响较大，因此在某些极端的工作环境下难以实现安全可靠的供电；此外，由于多导线的束缚，复杂地形和偏远地区的供电变得困难重重，用电装置的灵活性大大降低。为了解决上述传统电能传输方式的局限性问题，单线电能传输技术和无线电能传输技术进入人们的视野。这两种方式取电方便、节约金属资源且无需繁杂的架线工程，弥补了传统有线输电方式的缺陷。

其中，无线电能传输技术主要包括感应式、谐振式和微波式。感应式输出功率大、效率高、距离近；谐振式传输效率较高、距离较远、输出功率小；微波式传输距离远、效率低且功率小、耗散严重。

另一方面，单线空间电场耦合电能传输系统中的单线指的是单根对外绝缘导线。它不局限于传统的金属导线，也可以是连续的金属结构，如管道、轨道、钢筋等，甚至是大地或海水等导电物质，因此在条件满足的情况下甚至可以不用另外架设单根绝缘导线也能实现所需的电能传输。此外，与无线电能传输技术相比，电场耦合单线电能传输技术输出功率较大、传输效率较高、传输距离较远(可达几十米甚至百米范围)，具有很大的发展潜力。

通常，电场耦合单线电能传输系统主要由高频逆变源、升压自耦变压器、原副边金属导体、降压自耦变压器、单根对外绝缘导线和负载构成。其中，高频、高可靠性、大功率电源的实现一直是该技术应用到大功率负载输电的一个重要难题。为了满足电能传输系统高频化、高效化的发展趋势，通常采用开关型驱动源(功率放大器)如D类、E类功率放大器，虽然这类功率放大器的理论效率达到了100％，但输出功率较低，只适用于小功率的应用场合。大功率的应用场合多采用IGBT和MOSFET管构成的桥式逆变器，同时配合不同的软开关算法来实现电能传输，但其工作频率低、传输距离短。因此，受功率开关管及电路拓扑结构等因素的制约，在现有的技术条件下，实现高频(MHz以上)、高可靠性、大功率开关变换器还相当困难。此外，传统的电场耦合单线电能传输系统传输效率受传输距离影响较大，通常随着距离的增大而大大降低，不利于系统的实际应用。

负电阻是一种满足欧姆定律和串并联法则的有源组件。和电阻相反，负电阻的电压、电流基波的相位差为π，在电路中的功率为负，即向电路释放电能。负电阻具有多种实现方式，如利用正电阻和运放构成。以往负电阻多被用来提高反相放大器的输入阻抗，中和LC振荡回路的正电阻等，而很少当作电源来为电路供电。负电阻相比较高频逆变器，具有系统结构简单、无需使用MOSFET、可以达到很高工作频率等优点。将负电阻作为系统功率源，工作频率由电路中组件的取值所决定。在工作频率下，系统的传输功率高，传输效率可以保持在很高的水平，且在很长一段范围内随着距离的改变保持基本恒定，大大降低其对传输距离的敏感性，实现系统电能的稳定传输。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于负电阻的电场耦合单线电能传输系统，采用负电阻串联在发射电路中，利用负电阻对外产生能量的性质实现对电路的供能，替代了传统电场耦合单线电能传输系统中的高频功率源，使得系统的结构更加简单，工作频率更高，且能在很长一段距离内实现传输效率恒定，系统电能传输更稳定。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于负电阻的电场耦合单线电能传输系统，包括相连接的负电阻和发射电路，相连接的接收电路和负载，以及连接发射电路和接收电路的单根对外绝缘导线；所述发射电路包括串联连接的原边电感、原边金属导体和发射电路内阻，所述发射电路内阻是指除副边反射到原边的电阻外的发射电路所有正电阻，所述接收电路包括串联连接的副边电感、副边金属导体和接收电路内阻，所述接收电路内阻是指接收电路所有元件的内阻之和；所述原边金属导体和副边金属导体对大地或周围其它导电物体存在位移电流，分别表示为原边等效电容和副边等效电容；所述原边电感、原边等效电容和发射电路内阻串联连接构成RLC串联谐振电路，所述副边电感、副边等效电容和接收电路内阻串联连接构成RLC串联谐振电路；所述发射电路和接收电路之间通过原边金属导体和副边金属导体之间位移电流形成的电场耦合的方式实现电能传输。

所述负电阻的电压、电流关系满足：v_R＝-i_RR，相位关系满足：其中，i_R为流过负电阻的电流基波，v_R为负电阻两端的电压基波，R为负电阻的阻值，为v_R与i_R之间的相位差；

所述负电阻的功率满足：其中，P为负电阻的功率，负号表明负电阻向外放出能量，所述负电阻向电路提供电能，其参数还需满足：

当时，负电阻向外释放的能量完全由发射电路内阻、接收电路内阻和负载吸收，其中，L₁为原边电感的感值，L₂为副边电感的感值，R₁为发射电路内阻的阻值，R₂为接收电路内阻的阻值，R_L为负载的阻值。

所述原边金属导体和副边金属导体为球形体或方形体或环形体。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、系统结构简单，负电阻的构造方式多种多样。

2、利用负电阻替代电场耦合单线电能传输系统的高频功率源，可以有效解决目前高频、大功率开关变换器难以实现的技术难题。

3、系统工作频率由电路中组件值所决定，在这一工作频率下，系统可以在很长一段距离内保持恒定的高效率，大大降低其对传输距离的敏感性，实现远距离、大功率的稳定的电能传输。

附图说明

图1为实施方式中提供的电场耦合单线电能传输系统的等效电路原理图。

图2为实施方式中提供的电场耦合单线电能传输系统的结构示意图。

图3为实施方式中负电阻的电压与电流的波形图。

图4为实施方式中负载的电压与电流的波形图。

图5为实施方案中系统传输效率和传输距离的关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明所提供的基于负电阻的电场耦合单线电能传输系统，其基本原理是利用负电阻对外产生能量的性质实现对电路的供能，替代了传统电场耦合单线电能传输系统中的高频功率源，从而有效解决了目前高频、大功率开关变换器难以实现的技术难题，使得系统的结构更加简单，工作频率更高，且能在很长一段距离内实现传输效率恒定，系统电能传输更稳定。

如图1所示，所述基于负电阻的电场耦合单线电能传输系统，包括相连接的负电阻-R和发射电路，相连接的接收电路和负载R_L，以及连接发射电路和接收电路的单根对外绝缘导线SW；所述发射电路包括串联连接的原边电感L₁、原边金属导体和发射电路内阻R₁，所述发射电路内阻R₁是指除副边反射到原边的电阻外的发射电路所有正电阻，所述接收电路包括串联连接的副边电感L₂、副边金属导体和接收电路内阻R₂，所述接收电路内阻R₂是指接收电路所有元件的内阻之和；所述原边金属导体和副边金属导体对大地或周围其它导电物体存在位移电流，分别表示为原边等效电容C₁和副边等效电容C₂；所述原边电感L₁、原边等效电容C₁和发射电路内阻R₁串联连接构成RLC串联谐振电路，所述副边电感L₂、副边等效电容C₂和接收电路内阻R₂串联连接构成RLC串联谐振电路；所述发射电路和接收电路之间通过原边金属导体和副边金属导体之间位移电流形成的电场耦合的方式实现电能传输，位移电流的大小表示为耦合电容C_c。此外，所述原边金属导体和副边金属导体可以是球形体、方形体、环形体等。

当与发射电路相连接的负电阻向系统提供电能时，其参数满足：

当时，负电阻向外释放的能量完全由发射电路内阻R₁、接收电路内阻R₂和负载R_L吸收。

系统的耦合模方程为：

式中，ω₀为发射电路、电路的固有角频率， 为负电阻增益系数；τ₁₀和τ₁₀分为别发射、接收电路的固有损耗率，且 为负载系数；发射、接收电路之间的耦合系数；为发射、接收电路之间的电容耦合系数；C₁₂为原边金属导体等效电容和副边金属导体等效电容之间表征位移电流的耦合电容，此处选用球形金属导体，则如图2所示，r为球形金属导体的半径，d为原边金属导体与副边金属导体之间的距离。

系统的本征角频率为

当g＝τ₁+τ₂+τ_L时，负电阻提供的能量完全由发射电路电阻R₁、接收电路电阻R₂和负载R_L完全吸收。

假设系统的初始能量完全储存在发射电路谐振腔中，即设a₁(0)＝1，a₂(1)＝0，则可得到a₁与a₂的解析解如下：

则有

当κ≥τ₂+τ_L，ω≠ω₀时，

当κ＜τ₂+τ_L,ω＝ω₀时，

综上，系统的传输效率为

由以上方程可知，若负电阻提供的能量能够完全被发射电路内阻、接收电路内阻和负载电阻完全吸收，则当系统耦合系数满足条件κ≥τ₂+τ_L时，系统工作角频率为传输效率保持恒定；当系统耦合系数满足条件κ＜τ₂+τ_L时，系统工作角频率为ω₀，传输效率随着发射电路与接收电路之间耦合系数κ的改变而改变，表达式为

设发射线圈和接收线圈的固有频率为f₀＝200kHz，发射电路电感L₁和接收电路电感L₂均为21.11mH，原边金属导体等效电容C₁和副边金属导体等效电容C₂均为30pF，发射电路内阻R₁和接收电路内阻R₂均为50Ω，负载电阻R_L＝100Ω，原、副边球形金属导体半径r＝0.225m。

负电阻的电压基波、电流基波关系满足：v_R＝-i_RR，相位关系满足：输出功率满足以电容耦合系数k＝0.01，传输距离d＝18m为例，由图3可知负电阻的电压基波与电流基波的相位差为π，即向外释放电能。图4为负载的电压电流波形，从图中可知负载可以获得稳定的电能。

由式(7)可得系统的传输效率与传输距离的关系曲线如图5中实线所示，实心点是由PSIM环境下电路仿真得到的各不同传输距离处系统的传输效率，由此可见理论分析与仿真结果保持一致。在满足负电阻提供的电能完全由发射电路内阻、接收电路内阻和负载吸收，即在g＝τ₁+τ₂+τ_L的条件下，当系统工作在κ≥τ₂+τ_L区域内，传输效率保持恒定不变，当系统工作在κ＜τ₂+τ_L区域内，传输效率随发射电路与接收电路之间的耦合系数变化，为

由上述分析可知，本发明的基于负电阻的电场耦合单线电能传输系统，负电阻具有释放功率的性质，向电路提供电能，有效地替代了高频逆变源的作用，使得系统的结构更加简单。在合适的参数条件下，系统传输功率大，传输效率在较远距离范围内(几十米甚至百米)可以保持基本恒定，大大降低了其对传输距离的敏感性，使得电能更稳定传输，有利于在更多场合的应用，值得推广。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于负电阻的电场耦合单线电能传输系统，其特征在于：包括相连接的负电阻(-R)和发射电路，相连接的接收电路和负载(R_L)，以及连接发射电路和接收电路的单根对外绝缘导线(SW)；所述发射电路包括串联连接的原边电感(L₁)、原边金属导体和发射电路内阻(R₁)，所述发射电路内阻(R₁)是指除副边反射到原边的电阻外的发射电路所有正电阻，所述接收电路包括串联连接的副边电感(L₂)、副边金属导体和接收电路内阻(R₂)，所述接收电路内阻(R₂)是指接收电路所有元件的内阻之和；所述原边金属导体和副边金属导体对大地或周围其它导电物体存在位移电流，分别表示为原边等效电容(C₁)和副边等效电容(C₂)；所述原边电感(L₁)、原边等效电容(C₁)和发射电路内阻(R₁)串联连接构成RLC串联谐振电路，所述副边电感(L₂)、副边等效电容(C₂)和接收电路内阻(R₂)串联连接构成RLC串联谐振电路；所述发射电路和接收电路之间通过原边金属导体和副边金属导体之间位移电流形成的电场耦合的方式实现电能传输。

2.根据权利要求1所述的一种基于负电阻的电场耦合单线电能传输系统，其特征在于：所述负电阻(-R)的电压、电流关系满足：v_R＝-i_RR，相位关系满足：其中，i_R为流过负电阻的电流基波，v_R为负电阻两端的电压基波，R为负电阻的阻值，为v_R与i_R之间的相位差；

所述负电阻(-R)的功率满足：其中，P为负电阻的功率，负号表明负电阻向外放出能量，所述负电阻向电路提供电能，其参数还需满足：

当时，负电阻向外释放的能量完全由发射电路内阻、接收电路内阻和负载吸收，其中，L₁为原边电感的感值，L₂为副边电感的感值，R₁为发射电路内阻的阻值，R₂为接收电路内阻的阻值，R_L为负载的阻值。

3.根据权利要求1所述的一种基于负电阻的电场耦合单线电能传输系统，其特征在于：所述原边金属导体和副边金属导体为球形体或方形体或环形体。