CN108199500B - 一种基于自激振荡电源的ss型单线电力传输*** - 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***，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***进行供电，使***工作在本征频率下，当传输距离和负载发生变化时，***的频率会自动进行调节，实现恒定高水平的传输效率。
Description
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***。
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、***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***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***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***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***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***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***的工作频率由***参数值所决定的，是***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***中，电源的工作频率不是固定的，而是随着***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，***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***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***，利用自激振荡电源对***进行供电，使***工作在本征频率下，当传输距离和负载发生变化时，***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***，所述***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***参数的变化进行自动调节，且最后稳定在***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***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、***结构简单，实现方式多样。
2、***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、***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***电路图。
图2为实施方式中提供的***模型示意图。
图3为***本征频率与传输距离的关系图。
图4为***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***，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***参数的变化进行自动调节，且最后稳定在***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***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。***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***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
***的模式解为：
其中，
其中，***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***达到稳定。***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***稳定时的本征角频率为
则：
***的传输效率为：
由(8)式可知，***的传输效率和电场耦合系数κ无关，即传输距离改变时，***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***稳定时的本征角频率为
ω＝ω0(10)
那么有
***的传输效率为
综上所述，***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***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***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***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***本征频率与传输距离的关系图，图4为***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***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***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***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***，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，***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***，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***，其特征在于：所述***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***参数的变化进行自动调节，且最后稳定在***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***，其特征在于：所述***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***，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***，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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