CN108199500A - 一种基于自激振荡电源的ss型单线电力传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自激振荡电源的SS型单线电力传输系统，包括自激振荡电源、原边谐振器、副边谐振器、单根对外绝缘导线和负载RL；原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边寄生电容C1，原边发射线圈包括串联连接的原边电感L1和原边线圈内阻R1；副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边寄生电容C2，副边接收线圈包括串联连接的副边电感L2和副边线圈内阻R2；单根对外绝缘导线连接原边谐振器和副边谐振器；自激振荡电源与原边谐振器相连，负载RL与副边谐振器相连。本发明利用自激振荡电源对系统进行供电，使系统工作在本征频率下，当传输距离和负载发生变化时，系统的频率会自动进行调节，实现恒定高水平的传输效率。

Description

一种基于自激振荡电源的SS型单线电力传输系统
技术领域
本发明涉及无线电能传输的技术领域，尤其是指一种基于自激振荡电源的SS型单线电力传输系统。
背景技术
迄今为止，电能的主要传输方式是通过金属导线传输电能，通常需要两根及以上的导线为传导电流提供传输通道。传统的有线输电方式不仅需要大量的金属导线和复杂的架线工程，还不得不确保金属导线之间的绝缘要始终保持良好的状态，一旦发生短路等故障，就会因继电保护装置动作而造成停电事故，若保护装置失灵，则可能引起火灾、爆炸或触电等危险。而且这种有线输电方式还存在金属导体裸露、接触式电火花、老化、接触机构磨损等安全问题，在潮湿、水下、矿井、含易燃易爆气体的工作环境下，难以实现安全可靠的供电，且由于导线的束缚使得用电装置的灵活性大大降低。为了解决有线电能传输方式的局限性，单导线电力传输和无线电能传输的方式应运而生，不断被人们所重视，这两种方式具有取电方便、节约金属资源和避免繁杂的架线工程等优点，同时解决了传统有线输电方式的缺陷。
无线电能传输技术主要包括感应式、谐振式和微波式。感应式无线电能传输系统虽然输出功率大、传输效率高，但是传输距离较近，在几厘米的等级。谐振式虽然传输效率高、传输距离较远，在几米的等级，但是输出功率较低。微波式虽然传输距离远，在几十米甚至千米的等级，但是输出功率小、传输效率很低。因此，单导线空间电场耦合电力传输系统进入人们的视野，这种传输方式的输出功率较大、传输效率较高，且传输距离较远，可达几十米甚至百米范围。单导线空间电场耦合电力传输系统的单根对外绝缘导线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，这样便可以不用另外架设单根绝缘导线。
目前，传统的单导线空间电场耦合电力传输系统的传输效率受传输距离的影响较大，通常传输效率随着距离的增大而大大降低，不利于系统的实际应用。
而外加自激振荡电源的单导线空间电场耦合电力传输系统的工作频率由系统参数值所决定的，是系统的固有特征，因此这一频率称为特征频率，亦称本征频率。外加电源的自激振荡系统中，电源的工作频率不是固定的，而是随着系统参数的变化而保持工作在本征频率。并且在临界传输距离以内，系统的传输效率在本征频率下可以保持恒定。这些特征使得外加自激振荡电源的单导线空间电场耦合电力传输系统可以稳定的进行电能传输。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于自激振荡电源的SS型单线电力传输系统，利用自激振荡电源对系统进行供电，使系统工作在本征频率下，当传输距离和负载发生变化时，系统的频率会自动进行调节，在一定的较远传输距离内实现恒定高水平的传输效率，实现了稳定的电能传输。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于自激振荡电源的SS型单线电力传输系统，所述系统包括自激振荡电源、原边谐振器、副边谐振器、单根对外绝缘导线和负载RL；所述原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边寄生电容C1，所述原边发射线圈包括串联连接的原边电感L1和原边线圈内阻R1，所述原边谐振器的原边谐振场具有谐振角频率和原边内阻损耗系数Γ1＝R1/2L1；所述副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边寄生电容C2，所述副边接收线圈包括串联连接的副边电感L2和副边线圈内阻R2，所述副边谐振器的副边谐振场具有谐振角频率和副边内阻损耗系数Γ2＝R2/2L2；所述单根对外绝缘导线连接原边谐振器和副边谐振器；
所述自激振荡电源与原边谐振器相连，其角频率随着系统参数的变化进行自动调节，且最后稳定在系统的本征角频率；
所述负载RL与副边谐振器相连，对应谐振场中负载损耗系数ΓL＝RL/2L2；
所述原、副边谐振器通过原、副边的金属导体之间的位移电流形成的电场实现相互耦合，位移电流的大小等效为耦合电容。
所述系统的本征角频率由原边内阻损耗系数、副边内阻损耗系数、负载损耗系数、电场耦合系数和原、副边谐振器的固有角频率确定。
所述原边谐振器的品质因数Q1＝ω1/2Γ1至少大于100，所述副边谐振器的品质因数Q2＝ω2/2Γ2至少大于100。
所述原、副边谐振器之间的耦合电容至少小于原边寄生电容C1和副边寄生电容C2一个数量级。
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，实现方式多样。
2、系统效率对传输距离的变化不敏感，可实现稳定的单线电力传输。
3、系统对传输距离、负载变化响应更加迅速。
附图说明
图1为实施方式中提供的系统电路图。
图2为实施方式中提供的系统模型示意图。
图3为系统本征频率与传输距离的关系图。
图4为系统本征频率与负载的关系图。
图5为实施方式中原边谐振器电流与副边谐振器的电流波形图。
图6为实施方式中原边谐振器电压与副边谐振器的电压波形图。
图7为实施方式中原、副边之间耦合电容的电压波形图。
图8为实施方案中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。
如图1所示，本实施例所提供的基于自激振荡电源的SS型单线电力传输系统，包括自激振荡电源uin、原边谐振器、副边谐振器、单根对外绝缘导线SW和负载RL；所述原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边寄生电容C1，所述原边发射线圈包括串联连接的原边电感L1和原边线圈内阻R1，所述原边谐振器的原边谐振场具有谐振角频率和原边内阻损耗系数Γ1＝R1/2L1；所述副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边寄生电容C2，所述副边接收线圈包括串联连接的副边电感L2和副边线圈内阻R2，所述副边谐振器的副边谐振场具有谐振角频率和副边内阻损耗系数Γ2＝R2/2L2；所述单根对外绝缘导线SW连接原边谐振器和副边谐振器；
所述自激振荡电源uin与原边谐振器相连，其角频率随着系统参数的变化进行自动调节，且最后稳定在系统的本征角频率；
所述负载RL与副边谐振器相连，对应谐振场中负载损耗系数ΓL＝RL/2L2；
所述原、副边谐振器通过原、副边的金属导体之间的位移电流形成的电场实现相互耦合，位移电流的大小等效为耦合电容C12，电场耦合强度表示为电场耦合系数κ。
所述系统的本征角频率由原边内阻损耗系数、副边内阻损耗系数、负载损耗系数、电场耦合系数和原、副边谐振器的固有角频率确定。
所述原边谐振器的品质因数Q1＝ω1/2Γ1至少大于100，所述副边谐振器的品质因数Q2＝ω2/2Γ2至少大于100。
所述原、副边谐振器之间的耦合电容C12至少小于原边寄生电容C1和副边寄生电容C2一个数量级。
为了分析方便，令原边谐振器和副边谐振器的固有角频率、线圈内阻分别相等，即ω1＝ω2＝ω0，Γ1＝Γ2＝Γ0。系统的耦合模方程为：
其中，a1、a2可以分别写成A1eiωt、A2eiωt，其中A1、A2分别为a1、a2的幅值。为反映外加激励源的电源系数，ω为系统的工作角频率。为电场耦合系数。为耦合电容，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。
由式(1)可求得本征频率值为
系统的模式解为：
其中，
其中，系统的模式解中具有增益/衰减项导致模式a1和a2的模值发生改变。为了达到稳定，自激振荡电源会自动对g0进行调节，直至系统达到稳定。系统的稳定态分为两种情况：
当κ≥Γ0+ΓL时，令本征值的虚部为零，可以的到
g0＝2Γ0+ΓL(5)
可以得到系统稳定时的本征角频率为
则：
系统的传输效率为：
由(8)式可知，系统的传输效率和电场耦合系数κ无关，即传输距离改变时，系统的传输效率保持不变。
另一种情况下，有κ＜Γ0+ΓL。令本征值的虚部为零，可以得到：
可以得到系统稳定时的本征角频率为
ω＝ω0(10)
那么有
系统的传输效率为
综上所述，系统的传输效率为：
由上述分析可知，若外加自激振荡电源提供的电能完全由原边谐振器内阻、副边谐振器内阻和负载吸收，即g0＝2Γ0+ΓL，当系统工作在κ≥Γ0+ΓL区域内，其工作频率为传输效率保持恒定不变，当系统工作在κ＜Γ0+ΓL区域内，其工作频率为ω＝ω0，传输效率随发射电路与接收电路之间的电场耦合系数变化，为
设原边谐振器和副边谐振器的固有频率为f0＝106.8kHz，原边电感和副边电感均为L0＝63.4mH，原边寄生电容和副边寄生电容均为C0＝35pF，为了使参数合理化，假设原边线圈内阻和副边线圈内阻均为R0＝80Ω，负载电阻为RL＝150Ω。
本发明的基于自激振荡电源的SS型单线电力传输系统的本征角频率由原边内阻损耗系数、副边内阻损耗系数、负载损耗系数、电场耦合系数和两谐振器的固有角频率确定。图3为系统本征频率与传输距离的关系图，图4为系统的本征频率与负载损耗系数的关系图。可见仿真结果同理论分析在误差允许范围内是相符的。
图5、图6和图7分别为当传输距离为5米，耦合电容C12＝1.126pF时，原、副边谐振器的电流、电压和耦合电容的电压波形图。
由式(13)可得系统的传输效率与传输距离的关系曲线如图8所示。其中，圆圈表示电路仿真的结果。由图8可知，当系统工作在在κ≥Γ0+ΓL区域内，其工作频率为传输效率保持恒定不变，当系统工作在κ＜Γ0+ΓL区域内，其工作频率为ω＝ω0，传输效率随发射电路与接收电路之间的电场耦合系数变化，为
由上述分析可知，本发明的基于自激振荡电源的SS型单线电力传输系统，在负载和距离变化的情况下始终工作在本征频率，实现了频率的自动调节。并且在一定的距离范围内，系统可以保持传输效率恒定，实现稳定的电能传输。这相比传统的空间电场耦合单线电力传输系统，本发明具有结构简单、响应速度快，实现方法多样的优点，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 (4)

1.一种基于自激振荡电源的SS型单线电力传输系统，其特征在于：所述系统包括自激振荡电源、原边谐振器、副边谐振器、单根对外绝缘导线和负载RL；所述原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边寄生电容C1，所述原边发射线圈包括串联连接的原边电感L1和原边线圈内阻R1，所述原边谐振器的原边谐振场具有谐振角频率和原边内阻损耗系数Γ1＝R1/2L1；所述副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边寄生电容C2，所述副边接收线圈包括串联连接的副边电感L2和副边线圈内阻R2，所述副边谐振器的副边谐振场具有谐振角频率和副边内阻损耗系数Γ2＝R2/2L2；所述单根对外绝缘导线连接原边谐振器和副边谐振器；
所述自激振荡电源与原边谐振器相连，其角频率随着系统参数的变化进行自动调节，且最后稳定在系统的本征角频率；
所述负载RL与副边谐振器相连，对应谐振场中负载损耗系数ΓL＝RL/2L2；
所述原、副边谐振器通过原、副边的金属导体之间的位移电流形成的电场实现相互耦合，位移电流的大小等效为耦合电容。
2.根据权利要求1所述的一种基于自激振荡电源的SS型单线电力传输系统，其特征在于：所述系统的本征角频率由原边内阻损耗系数、副边内阻损耗系数、负载损耗系数、电场耦合系数和原、副边谐振器的固有角频率确定。
3.根据权利要求1所述的一种基于自激振荡电源的SS型单线电力传输系统，其特征在于：所述原边谐振器的品质因数Q1＝ω1/2Γ1至少大于100，所述副边谐振器的品质因数Q2＝ω2/2Γ2至少大于100。
4.根据权利要求1所述的一种基于自激振荡电源的SS型单线电力传输系统，其特征在于：所述原、副边谐振器之间的耦合电容至少小于原边寄生电容C1和副边寄生电容C2一个数量级。
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