功率传输特性（共7篇）
功率传输特性 篇1
无线电能传输是一种新型的电能传输方式。该技术在导线无需直接连接的情况下, 就可将电能以无线的形式进行传输, 省去了使用导线的不便, 并且用电安全[1]。自从2007年MIT学者Marin Soljacic等人首次提出通过线圈谐振耦合的方法, 磁耦合谐振式无线电能就成为国内外机构和学者的研究热点, 因具有传输效率高、传输距离远、传输功率大等优点, 从而该技术得到了广泛研究与应用[2]。
1磁耦合谐振式无线电能传输原理
磁耦合谐振式无线电能传输系统结构框图如图1所示。系统包括发射端和接收端, 接收端由高频逆变电路和发射线圈构成, 接收端包含接收线圈、整流滤波电路和负载。发射线圈和接收线圈分别构成两个相互匹配的LC谐振电路。在高频信号的驱动下, 当发射端电路频率接近发射线圈的固有频率时, 发射谐振线圈回路不断产生电磁波向空间发射, 在近场区形成交变磁场。而接收谐振线圈经过磁耦合谐振接收空间电磁波, 再将接收到了高频电流进行整流滤波供给负载, 从而实现了电能的无线传输。
2系统模型与仿真
根据磁耦合谐振无线电能传输技术的相关理论, 通过两个耦合线圈实现电能的传输。高频交流电源为Us, 发射线圈和接收线圈电感分别为L1和L2, 电容为C1和C2, R1和R2分别是发射端和接收端等效电阻, 负载用RL表示, M为互感。当系统电源角频率为ω时, 则两线圈自阻抗分别是:
则电源输入功率和输出功率分别是:
由式 (3) 和 (4) 可得系统传输效率是:
发射线圈和接收线圈互感关系是:
式中, D为两线圈距离, n1, n2分别为发射与接收线圈匝数, r1, r2分别为发射与接收线圈半径。由于两线圈参数和结构相同, 可令n=n1=n2, r=r1=r2。
结合式 (4) 和式 (6) , 可得出输出功率与传输距离之间的关系式。使用Matlab仿真软件绘制出磁耦合谐振式无线电能输出功率和传输距离仿真图, 如图2所示。由图2可知, 随着传输距离的增加, 传输功率先增大后减小。
3结束语
文章对磁耦合谐振式无线电能传输工作原理进行了分析, 建立了传输实验模型, 得出了系统输出功率和传输距离的关系。利用Matlab仿真工具对系统输出功率进行仿真, 从中得出传输功率随着传输距离先增大后减小的结论。
参考文献
[1]黄学良, 谭林林, 陈中, 等.无线电能传输技术研究与应用综述[J].电工技术学报, 2013, 28 (10) :1-11.
[2]杨庆新, 陈海燕, 徐桂芝.无接触电能传输技术的研究进展[J].电工技术学报, 2010.
工程机械功率传输的优化匹配 篇2
1. 柴油机的最佳运转状态
柴油机的运转状态直接影响整机动力性能和经济性。柴油机的外特性曲线如图1所示。从图1可以看出,功率、扭矩和油耗随转速变化而变化。功率曲线是一个上升的抛物线,功率随着转速的增大而增大;扭矩曲线是一个不对称的抛物线,在0～n1(n1为最大扭矩点转速)之间扭矩呈上升趋势,之后呈下降趋势;油耗曲线呈凹形曲线,在某一转速时耗油量最低。柴油机的最佳工作区域一般在最大功率的85%、扭矩较大、油耗较低的区域内。
2. 液压泵和马达的最佳转速
液压泵、液压马达同柴油机一样,有一个最佳的运转速度区域。在该区域内,其机械效率ηc、容积效率ηv为最佳,发热量、噪声最小,使用寿命最长。因此,应使工程机械在液压泵、液压马达的最佳转速区域内工作,一般最佳转速为最高转速的85%左右。
3. 功率可调部件的合理匹配
柴油机、液压泵和液压马达为可调控功率部件。当柴油机、液压泵和液压马达的最佳工作转速确定后,可通过改变取力器、减速器(变速器)的传速比j来协调它们之间的参数关系,以实现它们之间的合理匹配。如柴油机的最佳转速为nf为1600r/min,液压泵的最佳转速为nb为2000r/min,则取力器(或减速机)的速比为两者比值(0.80),即取力器(或减速机)的速比i为0.80时,柴油机、液压泵和液压马达均处于最佳运转状态。
4. 功率模块化控制
工程机械作业时外部负载变化比较大,相应的功率变化也比较大,仅选取一个工况匹配液压泵和液压马达难于满足实际要求,因此应根据作业工况设置若干个功率模块。
比如在设置RP1250型摊铺机功率模块时,可将其道依茨BF6M1013EC型柴油机最佳转速点设置为1450 r/min、1600 r/min和1800 r/min,对应功率分别为130 kW、150 kW、170 kW,液压泵、液压马达的对应转速分别为1800 r/min、2000 r/min和2200 r/min。
摊铺机在摊铺沥青混合料面层时,负载较小,可选用第一模块,即柴油机转速为1450 r/min、功率为130 kW,液压泵与液压马达转速为1800 r/min;在摊铺沥青混合料底层时,负载为中等,可选用第二模块,即柴油机转速为1600 r/min、功率为150 kW,液压泵与液压马达转速为2000 r/min;当摊铺水泥稳定砂砾等路基材料时,负载较大,可选用第三模块,即柴油机转速为2000 r/min、功率为170kW,液压泵与液压马达的转速为2200 r/min。
功率模块的选用和控制,可根据工况需要进行人工控制或自动控制。目前一些先进工程机械(如挖掘机)已经广泛采用功率模块化控制方式。
5. 负载反馈控制
工程机械作业时,其外部负载不断变化,当选定某一功率模块后,功率传输系统输出的功率应不断适应外部负荷变化。近年来工程机械一般采用恒功率负载反馈控制液压系统,即液压泵输出压力P与其排量q的乘积为定值,以此适应外部负载变化。
例如,柴油机在最佳转速点运转时,若外部负载增大,液压泵(或马达)的压力P随之提高。此时通过负载传感系统调整液压泵斜盘角度,使液压泵排量q减少,便可使液压泵设定的扭矩M保持不变。
6. 功率智能控制
随着智能控制技术的发展,功率传输系统的功率控制得到了更好的应用。某一工程机械产品应用电子负载控制器,进行液压泵的恒功率控制的流程如图2所示。通过方式选择开关,选择不同的功率控制模块,如M0、M1、M2等,即可对不同工况的功率等参数进行控制。
当工况选择M0(重载)负载模块时,柴油机、液压泵和液压马达输出最大功率;当工况选择M1(中载)负载模块时,柴油机、液压泵和液压马达输出最佳功率;当工况选择M2 (轻载)负载模块时,柴油机、液压泵和液压马达输出较小功率。
在柴油机怠速工况时,油门电位器可平滑地将传动系统和液压系统的功率损耗调低。当液压泵出口压力低于设定的最小压力时,压力继电器输出开关信号,该信号一方面反馈给控制器,控制器接到信号后,便发出控制信号将液压泵的排量调到最小。另一方面经延时计延时数秒后,控制器发出选择怠速油门位置的控制信号,使柴油机处于自动怠速状态。
传输功率控制的无线传感器网络 篇3
1 传输功率控制
传输功率控制(台电)技术提高网络性能的几个方面。首先，功率控制技术提高可靠性的一个环节。在检测到链路可靠性低于某个阈值时，该协议增加发射功率，提高成功的概率的数据传输。其次，只有节点必须共享相同的空间将争夺访问中，减少了大量的碰撞中的网络。这提高网络利用率，降低了延迟时间和降低了概率的隐藏终端和暴露。最后，使用较高的传输功率，可以使用物理层调制和编码方案与更高的比特/波特比，增加带宽的存在工作量繁重，或减少它最大限度地节约能源。能源效率是最重要的一个问题，碰撞是第一个源能源浪费。当数据包传输在同一时间和碰撞，他们成为损坏，必须丢弃。后续重发消耗能量得到。另一个来源是空闲侦听，它发生在电台收听到信道接收数据。许多协议总是听通道激活时，假设完全断电装置将由用户如果没有数据发送。三分之一个来源是无意中听到的，听到不必要的交通可以是一个主导因素，能源浪费，当网络负载较重时，节点密度高。最后，我们考虑的主要来源是控制包开销。发送，接收，和听力控制数据包消耗能量。已经发现，传感器节点消耗很大比例的能源多余的遥感和空闲侦听。研究人员提出将传感器和/或无线传感器节点睡眠(他们)以节约能源。任务调度时，该传感器和/或收音机需要在睡眠/主动模式被称为睡眠调度。传感器睡觉会导致有趣的事件被错过的网络或可能导致较低的数据质量检测。无线电睡觉可能导致通信时延的网络。
2 不同的算法介绍
基于位置的系统解决的问题是分配发送功率值独立代理节点在无线传感器网络，该网络连接。这些功率值对应的距离上可以进行交流，从而确定节点的数目与一种特定的节点可以直接沟通。在下面，五个不同位置的所有算法的介绍，分为三种类型根据规模节点的位置信息来分配功率值在无线传感器网络。1)non-tpc档案(固定的传输功率)是最简单的算法，这是分配一个任意选择的传输功率水平，所有传感器节点，就像它会做的生产时间的传感器，没有权力控制在所有;2)global-tpc金属(对等传输功率)。对等传输功率(塑料)算法还指定一个均匀的所有节点，而选择最小值，确保完全连接网络这一特定情况下。找到最小传输功率;3)桌面排版(不同的传输功率)。球的解决方案与不同的传输功率(排版)算法创建一个网络连接，但没有设定所有的传输范围相同的值。相反，它试图找到一个最低的功率水平为每一个节点分别。该算法以下列方式：其中节点对尚未连接，选择一个具有最小距离。发射功率设定这些节点的值足够的连接，检查连接所产生的网络;4)local-tpc喉罩(局部平均算法)所有节点开始与相同的初始传输功率。每个节点定期广播lifemsg。这些节点，然后计算数量的反应(noderesp)他们收到;5)林梦(当地邻居算法)。地平均邻居算法(低分子量)类似于喉罩除外，它增加了一些信息，它定义的lifeackmsg noderesp以不同的方式。除了地址从收到的lifeackmsg lifemsg，也包含它自己的计算。
实验表明，在local-tpc解寿命优于使用简单的固定作业(non-tpc)和一系列对称算法(塑料)利用全球知识。而出现局部算法不能够超越全球，他们的表现通常在一两个因素的一生。特别是，这些地方的算法实际上是可行的和可扩展的。
3 比较
基于位置的所有主要集中在定位网络拓扑。在这些算法中，喉罩和运动神经都是局部算法，而平等的传输功率算法(塑料)和不同的传输功率的算法(排版)是全球性的，这意味着全球信息是必要的，这些算法的实现。固定的传输功率(协议)是一个估计方法，但它没有提到如何调整磁带详细。不利的全球算法是每个节点保持长表全球信息和花很多额外的能量来获取信息，这可能会增加网络的干扰和通信成本。此外，它是很难获得全球信息在网络规模大。算法的地方，喉罩和下运动神经元，导致一个足够对称网络连接，并提供改进的网络寿命超过档案。运动神经导致较强的连接比喉罩。运动神经，喉罩，和对象执行相当类似的网络寿命。基于时间的所有重点调度的唤醒周期的无线传感器网络的节点。主要目的是平衡权衡可用的节点之间的通信网络中，能量消耗最小化为每个节点分配。
4 结论
传输功率控制的无线传感器网络的一个重要部分是由于有限的能源供应网络。不同算法表明，该系统可以分为2类：基于位置和时间的位置。所有侧重于拓扑传感器网络节点和分配不同的功率水平，保证每个节点在最浪费能源的模式，而基于时间的台电工程交换节点的状态之间的活动和睡眠得到最好的节能技术。这两者都可以实现的目标，尽量减少能源消耗和每一个在某些方面优于其他。
摘要：沟通是最耗能的事件在无线传感器网络(WSN)。显著降低能耗将传输功率控制(台电)技术动态调整传输功率,给出了2类的技术:基于位置和时间的无线传感器网络的算法基础。
功率传输特性 篇4
近十年来对配电网重构的研究相当活跃,以降低网损为目标函数的重构方法有最优流模式算法和启发式算法以及人工智能算法[1～7],以负荷分布均衡化的方法有二次电流矩法[8,9],基于模式识别的支持向量机算法[10]。这些新方法的不断出现,丰富和推进了配电网重构的研究,但这些方法都是在一定负荷下对配电网运行模式的改变,没有在配电网负荷变化时,对配电网的负载能力及电压情况进行分析。随着电力系统的不断发展,从单一的重构目的逐渐向多目标的重构方向发展[11],从简单的网架结构重构逐渐深入到综合考虑网架结构特征与电压质量关系的网络重构发展,而且考虑负荷随机性变化将是网络重构的发展方向。
本文基于配电网网络的物理参数,提出了用负荷因子LSF(load scale factor)来决定辐射型配电网线路最大传输功率的方法,以各支路最大传输功率的大小来确定配网的薄弱路径。在配电网中对于LSF接近于1.0的路径,其传输功率的能力达到极限,如果再给其节点增加负荷功率,势必造成节点电压的急剧下降,甚至失稳。以各支路的LSF为依据,对配电网络的运行模式进行重构,使增加的负荷分布均衡和节点电压一定。此方法考虑了负荷的动态变化,对实时监控的配电网运行管理提供了判断依据。应用传输功率进行配电网重构,不但优化了网络结构,而且优化后的配电网保证了其节点电压一定和网损最小。另外本方法是在原网络基础之上寻找最薄弱路径,因此在重构时开关操作次数少,在实际使用时简捷有效。
1 基于潮流的节点电压可行解分析
随着国民经济的发展和人们生活水平的提高,配电网负荷正急剧地增长,使配电网网络的运行状态越来越接近极限状态,导致了配电系统低电压运行,其电压不稳定主要是由于负荷超过其可控能力而引起电压不可控下降造成的。配电网承受负荷增长的能力是有限的,如何有效地实施配电网的运行管理及其扩展规划,在负荷不断变化的情况下,在保证配电网电压质量的前提下研究配电网重构问题是非常重要的。
假设以变电站为电源的辐射型配电网共有L条线路(L=1,2,,L),N个节点(N=1,2,,N),以图1所示配电网的等值电路图为例。
图1中Vi∠δi为首端节点i的电压,V j∠δj为末端节点j的电压,rij和xij分别为传输线路的电阻和电抗,Pij+Qij为首端到末端节点线路的传输功率,同时也是末端节点j的注入功率。基于配电网的等值电路对其电压进行分析。
对式(1)进行展开,可得式(2)。
由式(2)可得式(3)和式(4)。
由式(3)和式(4)可推导出式(5)。
对式(5),当且仅当
时有解,也就是一个具体的配电网,进行潮流计算时节点电压可行解存在。
在保证配电网每个节点电压存在的前提下,线路传输的功率以LSF⋅(Pij+j Qij)的速度增长,达到其传输功率的最大值时满足式(7)。
根据式(7),对一个具体的配电网,求出其所有线路的LSF,进一步可得到各线路的最大传输功率,其中最小的LSF是一个配电网电压可行解存在的必要条件,其所对应的线路是该系统功率传输的最薄弱路径。当负荷发生变化时,系统节点发生电压急剧下降一定是从最薄弱的部分开始。由于配电网每个线路的基本物理参数是确定的,那么应用LSF在保证节点电压有可行解的前提下,可求得配电网网络各线路最大传输功率,进一步可得到配电网网络各线路末端节点的最大负荷功率,给实施配电网实时运行管理提供可靠的数据。对于传输功率较小的路径,在负荷增加时,其末端节点便是电压最易降低点,那么在实时配电网重构中,就要对其增加的负荷进行转移,以保证配电系统可靠运行。
如图2所示的单端供电配电网,它的上一级输电线路为L1,节点1为变电站母线节点,是配电网的电源端。线路L2的首端为节点1,节点2是它的末端,线路L2的传输功率由其末端节点2的负荷功率决定,节点2又是它后面线路L3、L5和L6的首端,线路L3、L5和L6的传输功率分别由它们的末端节点3、5、和6的负荷功率决定,以此类推,可求出配电网所有线路传输功率。基于节点电压可行解,当负荷增加时,由潮流计算可求得配电网中每一传输线路的最大传输功率。只有当线路的传输功率小于等于其最大传输功率时,配电网可靠运行。
2 配电网重构的数学模型
2.1 节点电压指标
在有N条线路的辐射形配电网中,令其第i线路负荷因子为LSFi,第i线路上实际流过的功率为Si,其额定功率为Simax,那么LSFi*Si为该线路能传输的最大功率。这对配电网络重构有一定的指导作用,但不能保证各节点电压符合实际需要。为了使配电网各线路在传输一定功率情况下,其节点的电压满足一定要求,还必须对其节点电压进行限制
式(8)的约束条件:
为了进一步确定节点电压的偏差,有
其中:NDI是电压幅值超过要求的节点总数,ViM是电压高于或低于电网额定电压5%的节点电压。在配电网重构中,用式(11)进行衡量节点电压的偏差,并求其最小的电压偏差,以使其节点在较大负载情况下,其节点电压满足要求。
2.2 配电网功率损耗
配电网的损耗包括输电线路的损耗和变压器的铜耗及铁耗等,通过重构可改变线路的损耗,线路损耗可表示为式(12)。
式中:N为配电网支路数;ir为第i条支路的支路电阻;P i,Qi为支路i的有功功率和无功功率,iV为支路i末端的节点电压;ki为支路i上开关的状态变量(0代表打开,1代表闭合)。
2.3 重构的目标函数
辐射形配电系统在设计时往往有几个环组成,在一个环中将节点之间的输电线路称为环中的一个支路。每一个环由多条支路组成,打开每个环的任意一条支路便形成一种辐射形配电模式,对各个不同的配电模式根据式(7)求其支路LSFi,并根据式(11)求出各种配电模式下的VDI。打开和闭合不同支路就改变了功率的流动方向、功率损耗以及节点电压大小,通过改变支路组合,在提高配电网支路的负载能力的同时,保证各节点电压值一定。
图3为典型的3馈线试验系统,图中有15个节点和16条支路,虚线表示断开的支路,用bij表示节点i和节点j间的支路,联络开关用TSi,j表示,分段开关用SSm,,n表示。若合上联络开关TS5,10,则有节点1、2、5、10、8、7、和6构成环路,重新选择环路中的断开位置,就形成一种辐射状供电模式,从而可改变馈线各处的节点电压。若断开位置恰当,也就是用分段开关SSm,,n断开支路后,所形成的供电模式就能提高节点电压,使得
合联络开关TSi,j并选择合适的分段开关SSm,n断开为一支路交换操作,通过连续的支路交换操作来完成环路内的网络重构。对于图3所示配电网中的联络开关TS5,10打开后,其供电模式电压的偏差为V5,14,合上TS5,10后,用分段开关SS8,10断开后所形成的供电模式电压偏差为V10,14,如果V5,14>V10,14,那么节点10由母线2比由母线1供电节点电压质量可靠。
3 网络重构过程
配电网络的重构进程是:首先打开联络开关,使环状的配电网成辐射型配电模式,基于前推回代法计算整个配电网的潮流,得到最初的节点电压,在辐射型的供电模式下计算各支路的最大传输功率,找出最小传输功率的支路,将其定为断开支路,利用支路交换法开始进行环路内的网络重构,直到无法再进一步改善目标函数为止。
4 应用及分析
以IEEE33为例,利用本文提出的方法,以原网络的线路物理参数,根据线路的最大传输功率,对其各节点的最大负荷功率进行了计算,图4为基于潮流可行解存在的最大负荷功率与原网络节点负荷功率的比较。以线路的最大传输功率,对配电网各支路优化组合,实现配电网重构。
在图4中,在节点12、13、14、15、16和17曲线重合,表明这些节点其负荷功率已达最大值。节点1、2、18、19、20、21、22、23、24和25曲线相距较远,表明其节点还有一定的负荷裕度,可将增加的负荷在这些节点之间均衡分配。而其余节点两曲线几乎接近重合,表明其节点负荷裕度很小,不可再承受增加的负荷。
由表1可知,配电网经过重构后,网络的损耗降低了29.8%,这是由于网络结构的变化使负荷分布更加均匀,负荷的均衡分布可以使功率在传输过程中损耗降低,使各节点潮流计算的实际电压与节点理想电压差值减小,重构后节点电压最低值比重构前电压最低值提高了11.5%。
节点电压的下降,主要是由于配电网有限的可利用无功功率,配电网络重构减小了线路无功功率的流动,减小了线路功率损耗,提高了节点电压。由图5可知大部分节点的电压值较重构前提高了。
5 结论
(1)以配电网潮流计算为基础,节点电压可行解存在是配电网稳定运行的必要条件,以节点电压可行解存在为前提,以输电线路的最大传输功率为重构方法,使配电网负荷分布均衡,重构后的配电网节点电压得到了提高,节点电压的偏差和网损得以减小。
功率传输特性 篇5
光纤无线电(RoF)技术是一种光纤通信与无线通信相结合的技术,是新兴的交叉学科—微波光子学的一个重要的研究方向。利用这种技术能够实现大容量、低成本的信号传输和宽带无线接入,以及分布式网络覆盖模式。光纤中传输的信号为射频信号的RoF系统称为射频光纤传输系统。由于其光纤中传输的是射频信号,在远端基站内无需进行频率的上、下变换,使得基站的结构大大简化。因此,这种技术在近年来为业界所青睐。但是,由于射频信号对光纤色散等因素较为敏感,而且需要运用高速的光调制和探测技术,因此目前仍然是研究的热点。对于射频光纤传输系统,支持的光缆长度是一个重要的研究指标。在实际网络中,可以通过功率预算来大体计算出这一指标。功率预算对设备、器件的选取,也具有重要的指导作用。可根据功率预算的结果,选择符合系统性能要求的设备,对系统的造价进行初步的估算。但是现阶段,对这方面进行研究的报道还不是很多。
微波接入全球互通(WiMAX)无线通信系统允许灵活的载波带宽分配,系统可以采用 1.25～20 MHz 之间的带宽。WiMAX 802.16 标准中规定的载波带宽为1.25 MHz 的倍数和1.75 MHz 的倍数[1]。对于基于 WiMAX 的射频光纤传输系统,带宽的选择直接关系到系统的载噪比(CNR)和系统的性能。
本文主要对一种基于 WiMAX 的射频光纤传输系统的方案进行研究,对其功率预算问题进行研究分析,并从CNR的角度考虑系统的载波带宽选择问题。
1 基于WiMAX无线接入网络的射频光纤传输系统的方案研究
RoF系统主要由中心站、基站和用户端等构成。中心站与基站之间通过光缆连接,而基站与用户端之间仍然是无线链路,如图1所示。
在现代的无线通信系统中,为了提高系统覆盖率和容量,往往采用小半径的微蜂窝以及微微蜂窝的结构,这样就需要大量的基站以实现大面积的覆盖。因此,价格更低、占地面积更小的基站,成为业界关注的焦点之一。基于WiMAX 的射频光纤传输系统正是实现基站简化的一个很好的方案。同时,由于光纤的传输距离较长,中心站可以选择在一个合适的位置,大量的设备集中放置在中心站,减少了设备的维护成本。图2所示为基于WiMAX 的射频光纤传输系统中心站和基站的点对点下行链路方案框图。
首先,在中心站,将符合 WiMAX 物理媒质依赖子层标准的数字基带信号调制到中频,再调制到系统要求的射频频率上。而后将调制后的射频信号作为半导体激光器的注入电流,进行直接强度调制,将电信号转化为光信号,通过光纤传送到远端的基站。在基站,通过光电检测将光信号恢复为射频信号,再利用前置低噪声放大器和功率放大器将射频信号放大,使其功率达到发射机输出功率的要求。最后通过天线将射频信号发送出去。在此结构中采用激光器直接强度调制的工作方式,结构简单,但是对激光器的性能要求较高。
利用这种设计,在基站中不需要进行任何的频率上下变换,仅需要配置简单的光信号收发设备以及放大器,基站的结构得以简化。
2 系统功率预算和载波带宽选择
2.1 系统功率预算
若注入半导体激光器的电信号符合 WiMAX 802.16 规范,系统所使用的载波频率为3.5 GHz。设 WiMAX 发射机输出功率为P1(dBm),功率放大器的平均输入功率为P2(dBm),由文献[2]得到
式中,AR表示前置低噪声放大器互阻增益;Ip表示PIN光电二极管的平均输出电流;M表示光电二极管的雪崩增益;RZ表示光接收管负载电阻;m表示半导体激光器强度调制的调制指数。
输入光检测器的平均光功率P3(W)为
式中,R表示光电二极管的响应度;G表示功率放大器增益。
激光器的平均输出光功率为P(W),若忽略光纤的焊接损耗,仅考虑光纤活动连接器损耗和光纤损耗,根据10lg(P/P3)=2αc+αFL+M,得:
式中, αc表示光纤活动连接器损耗;αF表示光纤损耗;MS表示系统富余度;L表示系统的光纤长度。则系统支持的光纤长度为
2.2 WiMAX系统带宽选择
对于射频光纤传输系统,除了系统支持的光纤长度外,CNR也是一个关键指标。在典型的系统中,除了在接收机内存在随机散弹噪声和热噪声外,激光器本身还会产生相对强度噪声(RIN)。由于模拟传输系统要求高的平均光功率,因而RIN 常常成为主要的噪声因素[3]。
在进入光接收机之前,仅考虑 RIN 的影响,根据文献[4],CNR为
式中,B表示系统带宽。
根据系统性能的要求,通过设置CNR的大小,可以估算出系统允许使用的带宽大小。
3 功率预算分析和载波带宽选择分析
3.1 系统功率预算分析
依据 3.5 GHz 频段的 WiMAX 系统室外单元的规范[5]以及实际中常用设备,本射频光纤传输系统功率预算涉及的参数取值如表1所示。
在光纤通信系统中,功率预算最主要的应用是估算系统的光纤拉远最大长度。当改变激光器的输出光功率和基站的功率放大器的增益时,根据式(4)可以得到系统支持的不同的光纤拉远距离,其结果如图3所示。
从图3可以看出,从损耗受限的角度看,在基站功率放大器增益一定的条件下,随着激光器的最大平均输出光功率的增大,系统的射频光纤传输最大长度按自然对数规律增长;在激光器输出光功率一定的条件下,随着基站功率放大器增益的增大,系统的射频光纤传输最大长度也在增长。换言之,当该系统的光纤最大拉远距离一定时,如果基站选用功率放大器的增益较小,就需要使用输出光功率更大的半导体激光器作为光源。这是因为,增大激光器的输出功率或提高功率放大器的增益,系统就能够接受更长的光纤长度所带来的损耗,且能够满足 WiMAX 发射机的输出功率的要求。
对于接入网而言,光纤的长度通常在几公里的范围内,当基站功率放大器增益为 13 dB时,半导体激光器的输出光功率应在 5～10 mW 的范围内;当基站功率放大器增益为 18 dB时,半导体激光器的输出光功率应在 3～6 mW的范围内;当基站功率放大器增益为 23 dB 时,半导体激光器的输出光功率只需 2～3 mW。
3.2 WiMAX系统载波带宽选择分析
WiMAX 无线通信系统可以采用的载波带宽不是固定的值,其选择范围为1.25 ～ 20 MHz。RIN的典型值为-140 ～ -158 dB/Hz[2]。根据802.16标准的规定,选取带宽为 1.25、1.75、2.5、3.5、5、7、10、14和20 MHz,由式(5)得到RIN分别为-140、-150和-158 dB/Hz时,CNR 随载波带宽的变化曲线如图4所示。
随着带宽的增大,RIN的功率也在增大,导致了每一条曲线都呈衰减的趋势。通常为了“无差错”的信号恢复,CNR一般要求 >50 dB[3]。但是由于这里计算的CNR仅仅考虑了激光器的RIN,即为进入光检测器之前的CNR,考虑到进入光接收机后存在的随机散弹噪声和热噪声的CNR,RIN的CNR应要求>50 dB。若选取CNR 为60 dB,当RIN 为 -140 dB/Hz 时,带宽只能选择 1.25、1.75和2.5 MHz;当带宽选择大于这些值的其他值时,CNR将达不到系统要求。当RIN为-150 ～ -158 dB/Hz时,系统带宽可以选取802.16标准中规定的 1.25 ～ 20 MHz 之间的任何值。
4 结束语
通过半导体激光器直接强度调制方式来实现的射频光纤传输技术,使得基站的结构大大简化,成本大幅降低,该技术具有广阔的应用前景。通过功率预算验证,系统的各部分在功率方面能够满足实际应用的要求。在其他设备一定的条件下,要提高系统的射频光纤传输最大距离,就要增加激光器的输出光功率。但输出光功率的增大会导致光纤对射频信号的非线性效应的增大。所以在实际的系统设计中,还需要综合考虑各方面的因素。根据系统的CNR要求和激光器RIN的大小,可以估计出系统的载波带宽选择范围。依据实际的激光器的RIN参数和系统性能要求,通过计算,证明该系统能够支持符合802.16标准规定的载波带宽。
参考文献
[1]朱琦,酆广增.IEEE 802.16标准[J].中兴通讯技术,2005,11(2):4-7.
[2]Gerd Keiser(著),李玉权,崔敏,蒲涛,等(译).光纤通信(第三版)[M].北京:电子工业出版社,2002.288-295.
[3]卡佐夫斯基L G,贝勒迪多S,威尔勒A(著),张肇仪,张梓华,徐安士,等(译).光纤通信系统[M].北京:人民邮电出版社,1999.375-377
[4]林挺逵.光链路载噪比指标试算[J].有线电视技术,2005,12(8):12-16.
功率传输特性 篇6
磁耦合谐振式(Magnetic Resonance Coupling,MRC)无线电能传输(Wireless Power Transmission,WPT)技术以电磁场为媒介,利用2个或多个具有相同谐振频率、高品质因数的线圈,通过磁耦合谐振作用实现电能无线传输。该技术具有高效、非辐射能量传输、对环境影响较小、无严格的方向性、穿透性良好等优点。相比于电磁感应耦合式WPT系统,其传输距离更远;相比于电磁波辐射式WPT系统,其传输效率更高。2007年MIT完成MRC-WPT系统实验[1]后,迅速掀起了新一轮WPT系统研究热潮,并在便携式移动设备、特殊场合(如煤矿、化工等)无线供电、电动汽车无线充电等领域显示出广阔的应用前景[2,3,4]。
WPT系统的主要性能指标为系统传输距离、传输功率、效率等,目前国内对该技术的研究主要针对这几个方面。现阶段对MRC-WPT技术的研究还处于起步阶段,相关的理论和实验研究很少,尤其是对传输效率影响的研究还不够。阻抗匹配器作为电路系统中的重要模块,对WPT系统的优化有显著作用。参考文献[5]在验证其结论时,只在结构中列出了阻抗匹配器这一模块,并没用具体介绍其应用效果;参考文献[6]设计了一种有自动阻抗匹配器的MRC-WPT系统,详细分析了其工作原理及优化效果,但是只针对传输效率,在功率方面介绍较简略。本文从基本的电磁谐振电路出发,对MRC-WPT技术基本原理进行研究,详细介绍了阻抗匹配原理及其设计原则,提出了一种有阻抗匹配器的MRC-WPT系统。该系统结构较普通结构能有效提升系统传输功率。
1 MRC-WPT系统基本理论及模型
目前国内外研究者对MRC-WPT系统的原理和建模分析主要采用耦合模理论、散射矩阵理论和电路理论3种方式[7]。耦合模理论比较抽象,不易理解;散射矩阵理论常用于天线领域研究,忽略了系统内部参数;电路理论是常用的电气研究方法,易于理解。因此本文采用电路理论对MRC-WPT系统进行建模分析。
1.1 MRC-WPT系统原理
MRC-WPT系统根据共振原理,合理设置发射线圈与接收线圈的参数,使2个线圈及整个系统具有相同的谐振频率,并且在该谐振频率的电源驱动下达到一种“电谐振”状态,此时线圈回路阻抗达到最小值,大部分能量往谐振路径上传递。一个完整的MRC-WPT系统除了2个发生自谐振的线圈外,还必须有电源和负载,如图1所示。其中C1为发射线圈匹配电容,ZS为电源阻抗,C2为接收线圈匹配电容,ZL为接收端负载阻抗。
电源给发射线圈供电,频率为系统谐振频率。此时发射线圈发生谐振。由LC谐振耦合电路可知,当电源频率与收发电路的LC固有谐振频率一致时,发射线圈和接收线圈阻抗最低,即使在不高的供电电压下,由于发生谐振,也能产生较大的电流。此时,在一定传输范围内,发射回路大部分能量被接收回路吸收,发射线圈匹配电容的电场能因谐振与电感中的磁场能不断进行交换。而发射线圈中一部分磁力线铰链到接收线圈,交变的磁场在接收线圈中感应出电流,从而将能量传递到接收端。在接收端,接收线圈匹配电容中的电场能和电感中的磁场能也因谐振不断进行能量交换,最终将能量传递给负载。MRC-WPT系统等效电路如图2所示,其中U为电源电压,R1为发射线圈等效电阻,L1为发射线圈电感,I1为发射线圈电流,R2为接收线圈等效电阻,L2为接收线圈电感,I2为接收线圈电流,M为收发线圈之间的互感。
根据基尔霍夫电压定律,可得等效电路的回路方程:
式中ω为系统频率。
发射线圈等效电阻为辐射电阻和损耗电阻之和,但是在高频下线圈的辐射电阻远小于损耗电阻,因此本文中发射线圈等效电阻即为线圈损耗电阻。当电源频率为线圈自谐振频率时,系统发生谐振,即有式(2):
发射线圈参数可由式(3)—式(5)确定[8]:
式中:μ0为真空磁导率;δ为铜线电导率;n为线圈匝数;r为线圈半径;a为铜导线直径;D为收发线圈之间的距离。
本文中收发线圈结构一样,因此线圈参数也一致。令,解式(1)可得MRC-WPT系统的电流I1,I2,从而可得此时MRC-WPT系统传输功率:
1.2 基于阻抗匹配器的MRC-WPT系统模型
信号或电能在传输过程中,为实现信号的无反射传输或最大功率传输,要求电路连接实现阻抗匹配[9]。阻抗匹配方式有2种:①共轭匹配,即负载阻抗等于信号源内阻抗的共轭值,此时负载上能够获得最大传输功率,称为最大输出功率匹配;②传输线的阻抗匹配,负载上的反射信号叠加在原信号上会改变原信号的形状,如果传输线负载阻抗与传输线特性阻抗匹配,此时信号传输到负载上完全被负载吸收而无反射波,又称为无反射匹配[10,11,12]。本文以共轭匹配为例进行分析,使负载获得最大传输功率。图3为一种典型的阻抗匹配电路。
图3中电源传输到负载上的功率为
当电源阻抗ZS的共轭与ZL相等(ZS*=ZL)时,电源阻抗和负载阻抗是匹配的,负载功率最大,为
阻抗匹配电路可被看作二端口网络[2],其结构如图4所示,其中U′为负载两端电压。
图4所示结构可用二端口网络理论中的T参数矩阵表示为[13]
当参数满足式(10)、式(11)时,满足匹配条件[6]。
基于上述分析可计算出阻抗匹配器中的参数。对于MRC-WPT系统,传输距离容易改变,其收发线圈互感受传输距离的影响较大,而互感的改变会影响系统阻抗,进而降低系统传输性能。若系统加入阻抗匹配器,可有效改变系统阻抗,使系统高效工作。将谐振线圈(即收发线圈)与负载作为一个整体,将阻抗匹配器整合到MRC-WPT系统,得到系统整体结构,如图5所示。谐振线圈与负载作为一个整体,不论是负载单独变化,还是谐振线圈参数变化,又或者两者同时变化,都看作是整个系统的负载变化。通过调整阻抗匹配器的相关参数,可使电源在任何时候都以最大功率输出。
本文采用较简单的L型匹配电路[14]。XS,XL为阻抗匹配器的阻抗参数,其值可由式(10)、式(11)计算得到。
2 仿真分析
由于MRC-WPT系统传输距离较灵活,而距离变化会影响谐振线圈的互感参数,所以仿真实验是在不同传输距离、相同负载条件下,比较有无阻抗匹配器时负载消耗的功率,从而证明阻抗匹配器的优化效果。将图5(b)所示系统电路用互感理论等效,在Simplorer环境下进行仿真,仿真电路如图6所示。
图6为已去耦合等效电路,电源内阻抗ZS=RS,负载阻抗ZL=RL;阻抗匹配器参数XS=LS,XL=CP;电源频率为13.56MHz,幅值为10V。线圈参数[15]:谐振线圈自身电感L=2.634×10-5H,电容C1=C2=5.229×10-12F,去耦电感L1=L2=L-M,线圈匝数n=10,线圈半径r=5cm。线圈电阻忽略不计,高频功率放大电路的输出阻抗一般为50Ω,取RS=RL=50Ω。表1为传输距离D变化时计算出的阻抗匹配器参数值。
以D=12cm为例介绍仿真数据处理过程。图7为无阻抗匹配器时仿真结果。可看出随着时间推移,负载两端电压趋于稳定。由仿真结果的Data Table图可得到负载两端电压稳定值,再根据功率计算公式计算出负载功率。
仿真数据见表2,其中U1为无阻抗匹配器时RL两端电压幅值,U2为有阻抗匹配器时RL两端电压幅值。由表2可知,随着传输距离增大,2个谐振线圈之间的互感逐渐减小,相应的负载两端电压也慢慢减小,但U2始终大于U1,即MRC-WPT系统有阻抗匹配器比无阻抗匹配器时输出电压高。
MRC-WPT系统有无阻抗匹配器时负载RL上消耗的功率如图8所示。可看出在传输距离相同的情况下,加入阻抗匹配器的MRC-WPT系统输出到负载上的功率比无阻抗匹配器时大。
3 结语
MRC-WPT系统传输距离较远,因此收发线圈之间距离容易发生变化。而MRC-WPT系统性能对传输距离的变化比较敏感,主要原因是距离增大会使收发线圈之间耦合强度减弱、互感减小。从阻抗匹配角度出发,将收发线圈互感的变化等效成系统阻抗参数的改变,用互感理论分析了MRC-WPT系统的传输机理,简单介绍了阻抗匹配理论及其参数计算方法,提出了一种具有阻抗匹配器的MRC-WPT系统,并采用仿真方法验证了系统的优化效果:在同样条件下,具有阻抗匹配器的MRC-WPT系统可有效提高负载端功率。
摘要：以互感理论分析了磁耦合谐振式无线电能传输系统原理,介绍了阻抗匹配理论及相应的参数计算方法,提出将收、发线圈互感的变化等效成系统阻抗参数的改变,建立了含有阻抗匹配器的磁耦合谐振式无线电能传输系统模型。仿真结果验证了在相同的条件下,具有阻抗匹配器的磁耦合谐振式无线电能传输系统可有效提高负载功率。
功率传输特性 篇7
医用植入型设备,包括左心室辅助装置(LVAD)、心脏起搏器、心律转变器和植入式心脏除颤器(ICD),人们用这些植入型设备来从体内控制并治疗疾病[1,2]。但这些体内装置因为能量不足而发生故障。传统的充电方式是将导线刺穿皮肤为设备补充电能,这种方式极有可能导致皮肤感染,同时也会为病人的日常生活带来很大的不便。图1给出了不同植入型医疗设备的电能消耗情况。
表皮能量传输系统(TET)可以通过空间时变的磁场透过皮肤将电能从一次侧能量源传输到二次侧能量接收端。图2给出了一个典型的TET系统的示意图,系统体外部分产生的磁场使得体内部分产生感应电压,并利用这个感应电源来为设备充电。
已经有很多学者对TET系统的优化设计进行了研究分析,也对很多目标函数进行了优化,例如最大传输功率和传输效率。首先,针对最大传输功率的提高,人们提出了几种优化理论。其中WU.H.H提出调节电容值以最大化传输功率,所得到的最大传输功率值可以达到传统方式的三倍。但与此同时,传输效率却发生了大幅的下降[3],Chwei-Sen Wang使用电感-电容-电感所建立的谐振变化器拓扑结构来最优化传输功率[4]。
其次,对于传输效率的提高,Stanimir Valtchev提出了一种新的理论,来对串联型谐振变化器进行仿真分析,大大提高了松耦合变压器分析的准确性[5]。
如果对TET系统的一二次部分的互联关系进行一个详细的优化设计,很难获得令人满意的效果。为此,第二部分给出了TET系统设计中的互感耦合模型和相关参数。第三部分则根据频率分叉现象和元件耐压耐流等条件,对TET系统最优化模型进行了详细的分析。第四部分通过遗传算法对非线性约束模型进行了最优化分析。
1 TET系统的电气模型
TET系统隔着皮肤,通过相互独立的互感线圈对电能进行传输。
图3中, jωMi2是二次电流i2在体外设备中感应出的电压, jωMi1是由一次侧电流i1在体内感应出的电压。M是一二次侧设备的耦合系数, ω是系统运行的角频率。 Zr是体内植入端感应到体外设备的阻抗, Zs是体内植入端的独立阻抗。r1和r2分别是一次和二次侧电阻,下表1和2分别代表一次侧和二次侧。对于其他三种拓扑结构:“串-串”,“并-并”“并-串”,其优化模型是相似的。文献[4]给出了其他几种拓扑的分析。
TET系统的电压Ui是一个方波电压,由图3中所示的H桥逆变器提供。
从一次设备传输到二次设备的功率P2可有以下公式计算出:
undefined
其中, Zin是从电源端等效得出的负载阻抗幅值。
过低的电能传输效率不仅仅缩短了TET系统的寿命,还会产生严重的发热问题,并带来健康隐患,例如过多热量的产生和扩散会导致机体组织的受损。因此传输效率的提高对实际应用有着非常重要的意义。并且,要实现设备的轻型化,同时将发热降到最低,必须有效降低设备线圈损耗,而降低损耗最有效的方法就是提高效率。
因为TET系统工作频率非常高,在实际应用中不得不考虑肌肤效应的影响。通常情况下,双绞线比实心线的交流阻抗低。不仅仅是肌肤效应,邻近效应也会大大减少。因此选用双绞线绕制一二次线圈。
TET系统的传输效率是成功输送到二次侧设备的电能总量,与从一次侧电源输出的电能总量的比值。其公式可以写为:
undefined
理论上,系统应工作在二次侧谐振频率点上:undefined,系统电能传输效率可以转化为:
undefined
其中,undefined为系统耦合系数。
由公式可知,电能传输效率是线圈电感、耦合系数和线圈阻抗的函数。
2 TET系统优化模型
对于TET系统而言,要想获得很好的电气性能,详细的参数优化是必不可少的。这一部分将给出TET系统的优化模型,包括设计变量、优化目标函数和优化约束条件。其中L1和L2是设计变量,它们会随着优化进程的进行而发生变化。
该模型对系统的最大传输功率和传输效率进行优化。在临床应用中,医用植入型设备的能耗为10～30 W[6],因此在这个功率等级下对系统传输效率进行优化具有更为实际的意义。
约束条件
(1) 基于频率分叉现象的不等式约束。
在对系统进行优化的过程中,在频率分叉区中运行频率的稳定性始终是不可忽视的[4],在频率分叉区中,系统工作频率很有可能偏离理想运行点,进入不稳定状态。因此,优化模型必须保证所分析的参数远离频率分叉区域。
对于“串-并”补偿拓扑而言,频率分叉界限为[5]: Q1>Q2+1/Q2,其中Q1和Q2是一二次侧的品质因数。频率分叉区域可以用以下公式描述:
undefined
从公式中可以看出,二次侧电感值 L2决定了系统是否处于频率分叉区中,而一次侧电感则与该约束条件无关。当二次电感值 L2比ka大时,就会避免系统发生频率分叉现象。为了更加直观的给出二次电感值对频率分叉现象的影响,图4给出了负载阻抗角随着二次电感值变化的曲线。 ka(点划线)是频率分叉界限曲线,如果L2大于ka,则零相角频率是唯一的,等于二次谐振频率,相反,则会出现频率分叉现象。
(2)基于元件最大耐压耐流的不等式约束。
要使整套系统达到预期的性能,每个元件都必须正常工作。系统中元件应工作在最大峰值电压和峰值电流的条件下。
如图3所示, I1(L1,L2), V1(L1,L2), I2(L1,L2)和V2(L1,L2)分别为一次侧电流、一次侧补偿电容电压、二次侧电路和二次侧补偿电容电压值。 Istress1, Istress2, Vstress1和Vstress2分别为一次和二次侧线圈耐流和补偿电容耐压值。
3 整合优化
本部分给出了系统的优化过程,计算出最优化条件下的一次二次侧电感值,以满足医疗植入型设备的不同要求。为了获得更实际性地设计模型,优化设计中将引入前几部分所讨论的约束方程。同时引入η(L1,L2)作为优化参数,以同时优化传输效率。据此,可将优化问题归结为以下方程组:
Minimize -η(L1,L2)
Subject To
undefined
其中, ka是L2取值范围的下限, Pgiven是指定的电能传输功率。
图5给出了遗传算法的流程图,遗传算法是一种随机性的搜索技术,可以全局性地找出最优解。通过遗传算法引入约束性最优化方法。使用轮盘赌方法进行结果筛选,并将最优的结果投入下一轮计算中。
为了更详细地描述上面所讲的最优化问题,现在设置四组Pgiven值,分别为10 W, 20 W, 30 W, 40 W,见表1。
为了验证最优化模型的准确性,将所得结果与MATLAB/Simulink仿真所得结果进行对比。利用simulink软件包对图2所示TET系统进行仿真,仿真参数为: Vdc=15 V, RL=20 Ω, f=40 kHz。表2给出了系统的最大传输功率和传输效率。
由表2数据可知,仿真结果符合指定的输出功率要求。因此,在稳态情况下,当一次和二次侧电感设置为最优化值时,系统可以准确的输出指定功率。
由此可知,这种最优化方法可以在不影响系统指定输出功率的前提下,大幅提高能量传输效率。
4 结束语
本文以线圈电感为对象,提出了一种在指定传输功率下对传输效率进行优化的约束性最优化方法。提出了基于频率分叉理论和元件最大耐压、耐流条件的约束方程。利用MATLAB/Simulink建立仿真模型,验证了理论的有效性。同时引入遗传算法进行模型分析,遗传算法在简单的计算性整步、最优解收敛和初始值的选择方面表现出了很大的优势。综上所述,本文所提的优化模型很好的在实现指定电能传输功率的前提下,对系统传输效率进行了优化和提高,大大改善了系统的电气性能,降低损耗,有很大的实用性价值。
参考文献
[1] HALPERIN D, Kohno T, Heydt-Benjamin, et al. Security and privacy for implantable medical devices[J]. IEEE Pervas. Comput.,2008,7(1):30-39.
[2] Schuder J C. Powering an artificial heart: birth of the inductively coupled-radio frequency system in [J]. Artif. Organs,2002,26(11): 909-915.
[3] Wu H H, Hu A P, Malpas S C,et al. Determining optimal tuning capacitor values of TET system for achieving maximum power transfer[J]. Electron. Lett,2009,45(9):448-449.
[4] Chwei-Sen, Wang, Covic G A,Stielau O H. Investigating an LCL load resonant inverter for inductive power transfer applications[J]. IEEE Trans. Power Electron., 2004,19(4):995-1002.
[5] Valtchev S, Borges B, Brandisky K,et al. Resonant contactless energy transfer with improved efficiency[J]. IEEE Trans. Power Electron., 2009,24(3):685-699.