CN209375254U

CN209375254U - 一种应用于高压在线监测设备的无线电能传输系统

Info

Publication number: CN209375254U
Application number: CN201920318139.9U
Authority: CN
Inventors: 刘畅; 吴军; 李保林
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2019-09-10
Anticipated expiration: 2029-03-13

Abstract

本实用新型涉及无线电能传输技术，具体涉及一种应用于高压在线监测设备的无线电能传输系统，包括发射端和接收端；发射端包括直流功率源模块，分别与直流功率源模块连接的电流检测电路和高频逆变电路，依次与电流检测电路连接的调幅解调电路、上行信号RX‑2，依次与高频逆变电路连接的发射端双谐振体、2FSK调制电路和下行信号TX‑1；接收端包括接收端双谐振体，分别与接收端双谐振体连接的整流稳压电路和下行信号RX‑1，依次与整流稳压电路连接的设备电池、负载调制电路、上行信号TX‑2，依次与下行信号RX‑1连接的2FSK解调电路和电压比较电路。该系统供电稳定、功率较大、使用便捷、易于使用和维护。

Description

一种应用于高压在线监测设备的无线电能传输系统

技术领域

本实用新型属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种应用于高压在线监测设备的无线电能传输系统。

背景技术

高压设备的智能化是智能电网的重要组成部分，比如用于高压的电子式电流互感器、由光控真空开关模块串并联组成的组合式智能高压真空断路器、高压线路温度在线监测装置、视频摄像头、巡检机器人等监测设备等。这些智能化的设备应用于电网的高压侧，又引入了智能控制技术，其控制部分是一种新的高压电子设备，需要稳定的电源供电，虽然与电网紧密联系，却无法直接从高压侧取电。

而目前发展迅速的无线供电技术不需要用电缆将设备与供电系统连接，便可以直接对其进行快速充电。加之非接触快速充电能够布置在多种场所，又可以为各种类型的设备提供充电服务，使随时随地充电变为可能。

现有的无线传能技术至少包括以下五个方向：电磁感应式、电磁共振式、微波式、超声波式及激光式。其中，磁耦合谐振式无线电能传输技术的原理是与音叉的共振原理相同。排列在一个磁场中的有相同振动频率的线圈，由于其振动频率特性相同也可以实现能量从一个线圈向另一个线圈的电能传输。特点是传输距离较远、可实现一对多传能，但传输效率偏低，适用于中等功率的中等距离传输。

因此，采用磁耦合谐振式无线电能传输技术对高压监测设备进行充电，对电力系统和电力电子行业的发展具有重要的促进作用。在高压侧设备进行充电的过程中，我们常常需要为无线传能系统的发射端和接收端提供一种稳定可靠、不与能量传输相互干扰的无线通信方式，但目前基于能量信号调制实现的无线能量与信息同步传输技术普遍存在户外环境下抗干扰性能差，信息传输引起功率传输下降以及不能够进行全双工通信等问题，因此，我们需要对传统的同步传输方案进行改进，以保证能量和信息能够在同一时段下稳定、互不干扰地传输。此外，由于高压侧设备对传输功率的等级和稳定性都提出了较高要求，因此有必要提出一种耦合程度高、发射功率稳定的耦合线圈设计方案。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种保证能量和信息能够在同一时段下稳定、互不干扰地传输的无线电能传输系统。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种应用于高压在线监测设备的无线电能传输系统，包括发射端和接收端；发射端包括直流功率源模块，分别与直流功率源模块连接的电流检测电路和高频逆变电路，依次与电流检测电路连接的调幅解调电路、上行信号RX-2，依次与高频逆变电路连接的发射端双谐振体、2FSK调制电路和下行信号TX-1；接收端包括接收端双谐振体，分别与接收端双谐振体连接的整流稳压电路和下行信号RX-1，依次与整流稳压电路连接的设备电池、负载调制电路、上行信号TX-2，依次与下行信号RX-1连接的2FSK解调电路和电压比较电路；

直流功率源模块为高频逆变电路提供充电电压；高频逆变电路将直流功率源模块输入的功率逆变为高频交流；2FSK调制电路控制下行信号TX-1的频率，与接收端的2FSK解调电路配合，实现能量的下行传输；电流检测电路和调幅解调电路用于检测发射端电流变化，并与接收端的负载调制电路配合，实现信息的上行传输；发射端双谐振体用于在两个不同频率点下实现谐振，将高频逆变电路产生的高频交流，以电磁场的形式发射出去，与接收端双谐振体配合，将能量和信息分别以磁耦合的方式进行传递；

设备电池用于储存高压在线监测设备用电；整流稳压电路用于将接收的能量整流稳压成恒定的直流电，向设备电池供电；电压比较电路与2FSK解调电路用于检测并比较接收端电压，并与发射端的2FSK调制电路配合，实现能量的下行传输；负载调制电路用于控制上行信号TX-2的频率，与发射端的调幅解调电路配合，实现信息的上行传输；接收端双谐振体以磁耦合的方式接收发射端发出的能量和信息。

在上述的应用于高压在线监测设备的无线电能传输系统中，发射端双谐振体采用集中式电感电容组成的LC谐振网络和分布式发射线圈结构；接收端双谐振体与发射端双谐振体结构相同，采用集中式电感电容组成的LC谐振网络和分布式接收线圈结构。

在上述的应用于高压在线监测设备的无线电能传输系统中，发射线圈和接收线圈均采用3-D矩形线圈结构，底层采用两个矩形线圈串联，通过绕线方法使两个矩形线圈电流方向相同，上层矩形线圈置于底层两个矩形线圈的中间，且电流方向与底层线圈垂直，线圈底部设置有分散式铁氧体磁芯。

本实用新型的有益效果：该系统供电稳定、功率较大、使用便捷、易于使用和维护。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的整体功能示意图；

图2是本实用新型一个实施例双谐振体的基本电路拓扑；

图3是本实用新型一个实施例发射线圈和接收线圈的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，如图1所示，一种应用于高压在线监测设备的无线电能传输系统，包括发射端和接收端两个部分：

发射端包含直流功率源模块，分别与直流功率源模块连接的电流检测电路和高频逆变电路，依次与电流检测电路连接的调幅解调电路、上行信号RX-2，依次与高频逆变电路连接的发射端双谐振体、2FSK调制电路和下行信号TX-1；接收端包括接收端双谐振体，分别与接收端双谐振体连接的整流稳压电路和下行信号RX-1，依次与整流稳压电路连接的设备电池、负载调制电路、上行信号TX-2，依次与下行信号RX-1连接的2FSK解调电路和电压比较电路。

并且，接收端直流功率源模块，为高频逆变电路提供充电电压；高频逆变电路，将直流功率源模块输入的功率逆变为高频交流；2FSK调制电路，控制下行信号(用TX-1表示)的频率，与接收端的2FSK解调电路配合，实现能量的下行传输；电流检测电路和调幅解调电路，检测发射端电流变化，并与接收端的负载调制电路配合，实现信息的上行传输；发射端双谐振体，能够在两个不同频率点下实现很好的谐振，由集中式电感电容组成的LC谐振网络和分布式的发射线圈组成如图2所示，将高频逆变电路产生的高频交流，并以电磁场的形式发射出去，与接收端双谐振体配合，将能量和信息分别以磁耦合的方式传递出去。

并且，接收端设备电池，用于储存高压在线监测设备用电；整流稳压电路，将接收的能量整流稳压成恒定的直流电，向设备电池供电；电压比较电路与2FSK解调电路，检测并比较接收端电压，并与发射端的2FSK调制电路配合，实现能量的下行传输；负载调制电路，控制上行信号(这里用TX-2表示)的频率，与发射端的调幅解调电路配合，实现信息的上行传输；接收端双谐振体，与发射端双谐振体结构相同，由集中式电感电容组成的LC谐振网络和分布式的接收线圈组成，以磁耦合的方式接收发射端发出的能量和信息。

本实施例能量与信息同步传输是这样实现的：为了避免能量信号对通信信号的干扰以及降低系统复杂度和成本，能量传递采用的是基于能量信号的调制解调实现。同时又为了避免调幅调制导致系统传输功率下降以及在动态环境下抗干扰性能差的问题，能量信号调制方式选择2FSK频移键控的方式进行调制；下行信号TX-1通过2FSK调制电路，控制能量信号的频率，实现下行通信2FSK频移键控，当下行数字信号为“1”时，能量信号的频率为f₁；当下行信号为“0”时，能量信号的频率切换为f₂。接收端再通过双谐振体采集2FSK能量信号，再通过电压比较器比较即可解调得到下行数字信号RX-1。在不增设额外通信信号传输通道的条件下，上行通信采用负载调制的方式实现反向数据的传输。上行数字信号TX-2通过负载调制电路改变接收端的负载，从而影响接收机对发射机的反射阻抗实现上行通信调制；而发射端则通过检测能量发射电路的电流变化，再通过调幅解调电路解调，即可解调得到上行数字信号RX-2。

如图3所示，本实施例发射线圈和接收线圈均采用3-D矩形线圈结构。底层采用两个矩形线圈的串联结构，通过绕线方法使两个矩型线圈电流方向相同，上层矩形线圈摆放于底层两线圈的中间位置，且电流方向与底层线圈垂直。这种新型的线圈结构能够大幅度提高有效充电区域和线圈间磁场的均匀程度，进一步提高传输功率稳定性和无线电能传输系统的能量传输效率。同时，线圈底部设置有分散式铁氧体磁芯，进一步提高线圈间耦合程度，且磁芯重量远低于传统盘式磁芯。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种应用于高压在线监测设备的无线电能传输系统，其特征是，包括发射端和接收端；发射端包括直流功率源模块，分别与直流功率源模块连接的电流检测电路和高频逆变电路，依次与电流检测电路连接的调幅解调电路、上行信号RX-2，依次与高频逆变电路连接的发射端双谐振体、2FSK调制电路和下行信号TX-1；接收端包括接收端双谐振体，分别与接收端双谐振体连接的整流稳压电路和下行信号RX-1，依次与整流稳压电路连接的设备电池、负载调制电路、上行信号TX-2，依次与下行信号RX-1连接的2FSK解调电路和电压比较电路；

2.如权利要求1所述的应用于高压在线监测设备的无线电能传输系统，其特征是，发射端双谐振体采用集中式电感电容组成的LC谐振网络和分布式发射线圈结构；接收端双谐振体与发射端双谐振体结构相同，采用集中式电感电容组成的LC谐振网络和分布式接收线圈结构。

3.如权利要求1所述的应用于高压在线监测设备的无线电能传输系统，其特征是，发射线圈和接收线圈均采用3-D矩形线圈结构，底层采用两个矩形线圈串联，通过绕线方法使两个矩形线圈电流方向相同，上层矩形线圈置于底层两个矩形线圈的中间，且电流方向与底层线圈垂直，线圈底部设置有分散式铁氧体磁芯。