CN108400582B - 一种基于特斯拉高压线圈短接的单导线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于特斯拉高压线圈短接的单导线电能传输系统，该系统包括电能发射系统、单导线和电能接收系统。电能发射系统中，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，该高频交流电施加到高压绕组短接的特斯拉线圈的低压绕组两端。单导线的一端与电能发射系统中高压绕组短接的特斯拉线圈的高压绕组的下端相连，单导线的另一端与电能接收系统中高压绕组短接的特斯拉线圈的高压绕组的下端相连。电能接收系统中，高压绕组短接的特斯拉线圈的低压绕组两端的高频交流电经整流滤波电路后，得到直流电，该直流电直接为负载供电。
Description
技术领域
本发明提出了一种基于特斯拉高压线圈短接的单导线电能传输系统，属于电力传输技术领域。
背景技术
电能是人类使用最广泛、最便捷的能源。目前，人们主要使用两根或两根以上金属导线构成回路的方法传输电能。从工程上看，远到跨区域调度，近到移动设备充电，基本都是依靠流经电源与负载之间金属导线上的传导电流实现电能的传输。
然而，导线的存在给电能的传输带了很多不便。在远距离输电时，电线塔的搭建和金属导线的使用消耗了大量的金属资源；输电走廊会占用很大的土地面积和空间，这为偏远山区、海上孤岛等难以架设输电线路的场所供电增加了工程难度。另外，由于导线的约束，用电设备移动的灵活性大大降低，在煤矿井下等易燃易爆的场合，若供电用的导线因磨损发生火花放电，还会引发重大的安全事故。因此，人们一直渴望摆脱导线的束缚，实现电能的无线传输。
近年来，无线电能传输技术迅猛发展，按传输机理的不同，可分为磁感应耦合式、磁耦合谐振式、微波辐射式、激光方式、电场耦合式及超声波方式等。然而，已有的无线电能传输技术无法同时实现大功率、远距离、高效率的电能传输。因此，为了逐步实现远距离无线电能传输，本发明提出了一种使用单导线的电能传输系统。该单导线电能传输系统使用一根导线连接用电装置和供电装置。在未来逐步实现远距离和大功率应用时，可以节约金属资源；借助周围导体(例如建筑物内的金属结构、金属围栏等)替代单导线时，可以提高电能传输的灵活性。
发明内容
本发明是一种基于特斯拉高压线圈短接的单导线电能传输系统，该单导线电能传输系统使用一根导线连接电能发射系统和电能接收系统，即以单线的方式实现电能的传输，传输距离和传输功率由电能发射系统与电能接收系统的大小决定。电能发射系统与电能接收系统的核心装置是一种高压绕组短接的特斯拉线圈，它将特斯拉线圈高压绕组的两端用导线连接起来，同时去掉高压绕组顶端的金属导体。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于特斯拉高压线圈短接的单导线电能传输系统，该单导线电能传输系统以单线的方式进行远距离(相对目前的磁场耦合式无线电能传输而言)和较大功率的电能传输，包括电能发射系统、单导线和电能接收系统。
所述的电能发射系统由高频电源和高压绕组短接的特斯拉线圈组成。所述的高频电源包括工频电源、整流滤波电路和高频逆变电路。所述的整流滤波电路为电容滤波的三相桥式不可控整流电路。所述的高频逆变电路为电压型全桥逆变电路，主电路的四个功率开关管均为IRFP4242(不限于此型号)，功率开关管的驱动电路中使用了IR公司的IR2110驱动芯片(不限于此驱动芯片)。所述的高压绕组短接的特斯拉线圈的结构基于特斯拉线圈，但是没有高压绕组顶端的金属导体，并且使用导线将高压绕组的上下两端短接，其中低压绕组和高压绕组均采用螺线管式绕法，低压绕组采用截面积3平方毫米的导线，绕制10匝，骨架采用外径200mm的PVC管；高压绕组采用0.33mm的漆包线绕制约3822匝，骨架是外径160mm的PVC管。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，该高频交流电施加到高压绕组短接的特斯拉线圈的低压绕组两端。
所述的电能接收系统由负载、整流滤波电路和高压绕组短接的特斯拉线圈组成。所述的整流滤波电路为电容滤波的单相桥式不可控整流电路。所述的高压绕组短接的特斯拉线圈与电能发射系统中的高压绕组短接的特斯拉线圈完全相同。所述的负载为灯泡、充电器、电动机、逆变器等常见的用电设备。整流滤波电路的输入端口与高压绕组短接的特斯拉线圈的低压绕组的两端相连，整流滤波电路的输出端口与负载相连。
所述的单导线的两端分别连接电能发射系统中高压绕组短接的特斯拉线圈高压绕组的下端和电能接收系统中高压绕组短接的特斯拉线圈高压绕组的下端。建筑物内的金属构件、庭院广场的金属围栏、废弃金属导线等，也可作为此单导线使用，无需单独架设。
本发明的有益效果为：本发明中的高压绕组短接的特斯拉线圈无需在高压绕组的顶端引入金属导体，避免了系统工作过程中在顶端金属导体上产生的高电压，极大的提高了系统的安全性；本发明的系统的传输效率较高，在传输距离5m、传输功率300W时，传输效率可达68％，在实验条件相同时，使用顶端金属导体的单导线电能传输系统的传输效率仅为53％；本发明对负载电阻值的敏感度很低，电能接收系统中的负载电阻值在20～60欧姆时系统的传输效率始终保持在68％，而使用顶端金属导体的单导线电能传输系统对负载电阻值非常敏感，在实验条件相同时，使用顶端金属导体的单导线电能传输系统仅能在负载电阻值11～14欧姆这很小的范围内保持最高的传输效率，负载电阻值超过这一范围便会使传输效率剧烈下降；本发明系统的传输效率对工作频率的敏感度较低，系统的频带宽度为0.6kHz，而使用顶端金属导体的单导线电能传输系统对工作频率的要求非常苛刻，在实验条件相同时，系统的频带宽度仅为0.2kHz，环境的微小变化就会使最佳工作频率发生偏移，造成传输水平下降。
附图说明
图1是单导线电能传输系统的示意图。
图2是高频电源的电路图。
图3是高频逆变电路的驱动电路框图。
具体实施方式
下面结合技术方案和说明书附图，对本发明的具体实施方案作详细说明。
一种基于特斯拉高压线圈短接的单导线电能传输系统，该单导线电能传输系统的示意图如图1所示，从左到右依次是电能发射系统、单导线和电能接收系统。电能发射系统中的高频电源由工频电源、整流滤波电路和高频逆变电路组成，其具体的电路图如图2所示。其中整流滤波电路采用电容滤波的三相桥式不可控整流电路，VD1～VD6是三相整流桥内的6个二极管，Cf为滤波电容；高频逆变电路采用电压型全桥逆变电路，逆变电路的开关器件(S1～S4)均为功率MOS管，其具体型号为IRFP4242(不限于此型号)，其中C1～C4是分别与S1～S4并联的电容，用于实现开关管的零电压开关，减小系统在工作过程中产生的开关损耗，提高高频电源的效率。
高频逆变电路的驱动电路框图如图3所示。采用按键电路对系统的工作频率进行微调，该电路中有四个按键，每个按键两端都并联了一个0.1μF的防抖电容，四个按键用来控制DSP输出PWM信号的频率，可以实现PWM信号频率加/减1kHz或加/减0.1kHz。DSP最小系统板使用四个I/O口采集按键电路传来的电平信号，并根据被按下的按键改变输出PWM信号的频率，从而改变系统的工作频率。DSP输出的两路反相的PWM信号经光耦隔离电路送至MOS管驱动电路。
采用光耦隔离电路是为了保证主电路发生故障时，DSP最小系统板一侧不受影响，要实现这一目的，光耦芯片两侧不能使用共地的电源。因此，使用干电池为按键电路和DSP最小系统板供电。由于干电池的电压为9V，DSP芯片的供电电压为3.3V，所以在电池组与DSP最小系统板之间增加了由稳压芯片LM1117构成的3.3V稳压电路。
光耦芯片另一侧的MOS管驱动电路由15V开关电源直接供电，以实现光耦两侧供电电源的电气隔离。为驱动主电路中的四个开关管S1～S4，MOS管驱动电路中使用了两片IR公司的IR2110驱动芯片(不限于此驱动芯片)，其工作频率高达500kHz，最大偏置电压500V，可以满足系统对所需高频逆变电路的设计需要。
电能发射系统中的高压绕组短接的特斯拉线圈的结构基于特斯拉线圈，但是它将特斯拉线圈高压绕组的两端用导线连接起来，同时去掉高压绕组顶端的金属导体，其中低压绕组和高压绕组均采用螺线管式绕法，低压绕组采用截面积3平方毫米的导线，绕制10匝，骨架采用外径200mm的PVC管，其高压绕组采用0.33mm的漆包线绕制约3822匝，骨架是外径160mm的PVC管。工频电源产生的工频交流电经整流滤波电路后，得到直流电，该直流电经高频逆变电路后得到高频交流电，该高频交流电施加到高压绕组短接的特斯拉线圈的低压绕组两端。
单导线的一端与电能发射系统中高压绕组短接的特斯拉线圈的高压绕组的下端相连，单导线的另一端与电能接收系统中高压绕组短接的特斯拉线圈的高压绕组的下端相连。
所述的电能接收系统由负载、整流滤波电路和高压绕组短接的特斯拉线圈组成，其中的高压绕组短接的特斯拉线圈与电能发射系统中的高压绕组短接的特斯拉线圈的结构完全相同，负载为灯泡、充电器、电动机、逆变器等常见的用电设备。高压绕组短接的特斯拉线圈的低压绕组与整流滤波电路的输入端口相连，整流滤波电路的输出端口直接与负载相连。该整流滤波电路采用电容滤波的单相桥式不可控整流电路，由于该系统的工作频率为150kHz左右，因此整流桥部分需使用快恢复的二极管，本发明的系统中使用了型号为DSEI2X61-06C(不限于此型号)的二极管模块，其反向恢复时间仅为35ns，可以满足高频整流电路的设计需求。
Claims (3)
1.一种基于特斯拉高压线圈短接的单导线电能传输系统，其特征在于，该单导线电能传输系统由电能发射系统、单导线和电能接收系统组成；
所述的电能发射系统由高频电源和高压绕组短接的特斯拉线圈组成，所述的高频电源包括工频电源、整流滤波电路和高频逆变电路；所述的整流滤波电路为电容滤波的三相桥式不可控整流电路；所述的高频逆变电路为电压型全桥逆变电路；
所述的电能接收系统由负载、整流滤波电路和高压绕组短接的特斯拉线圈组成，所述的整流滤波电路为电容滤波的单相桥式不可控整流电路；所述的高压绕组短接的特斯拉线圈与电能发射系统中的高压绕组短接的特斯拉线圈完全相同；所述的负载为电阻或者灯泡等常见的用电设备；所述的整流滤波电路的输入端口与高压绕组短接的特斯拉线圈的低压绕组的两端相连，整流滤波电路的输出端口与负载相连；
所述的单导线的两端分别连接电能发射系统中高压绕组短接的特斯拉线圈的高压绕组的下端和电能接收系统中高压绕组短接的特斯拉线圈的高压绕组的下端；
所述的高压绕组短接的特斯拉线圈的结构基于特斯拉线圈，但是无需高压绕组顶端的金属导体，并且使用导线将特斯拉线圈高压绕组的上下两端短接。
2.根据权利要求1所述的一种基于特斯拉高压线圈短接的单导线电能传输系统，其特征在于，所述的高压绕组短接的特斯拉线圈的低压绕组，低压绕组采用截面积3平方毫米的导线，绕制10匝，骨架采用外径200mm的PVC管。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于特斯拉高压线圈短接的单导线电能传输系统，其特征在于，所述的高压绕组短接的高压绕组均采用螺线管式绕法，高压绕组采用0.33mm的漆包线绕制约3822匝，骨架是外径160mm的PVC管。
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