电能传输系统

电能传输系统（精选12篇）

电能传输系统 篇1

1 引言

无线供电的设想最早由交流电之父特斯拉在一百多年前就已经由此构想了。在那以后, 人类对无线供电技术的研究一直在继续。无线充电可以解决很多问题:第一, 它可以改变目前电子产品充电接口不兼容的情况, 让用户不再需要携带一大堆充电器和电线, 只要将代充电的设备置于发射器附近, 就可以充电了。第二, 目前很多传感器需要无线充电, 比如埋在墙里的传感器, 把它拿出来充电是不太可能的, 还有一些远程的监控用途的传感器, 一样地需要无线充电技术。第三, 就是目前广泛应用的植入性医疗器件, 如心脏起搏器, 每隔七八年病人就需要做手术来更换电池。如果可以对起搏器进行无线充电, 就不需要做危险的手术了。

最重要的是, 从宏观上看, 如今人类对电能的热爱非常强烈, 消耗越来越大, 乱如麻的电线和污染环境的电池, 带来更多的困挠, 无线电能传输技术是解决这些问题很好的途径。

2 系统实现方案

无线电能传输技术目前可通过三种方式实现:电磁感应式 (利用电流通过线圈产生磁场实现近程无线供电) 、磁场共振式 (利用磁耦合共振效应近程无线供电) 、电波辐射式 (电力转换成电波以辐射传输供电) 。

2.1 系统实现方案

结合设计条件、成本、安全等多方面因素考虑, 采取线圈电磁感应的方法设计该无线电能充电器。设计框图如图2-1所示:

如图2-1所示, 本系统主要由发射模块和接收模块组成。发射模块中信号发生电路产生占空比可调的方波, 经驱动电路提高其驱动能力后为功放电路提供激励信号, 再通过发射线圈把能量发射出去。接收电路主要有接收线圈, 整流滤波电路以及发光二极管模拟的负载组成。

2.2 发射单元硬件电路设计

发射单元硬件电路设计主要分为振荡信号电路设计, 功放电路设计和驱动电路设计三个部分。

在振荡信号电路设计部分, 采用NE555构成频率可调的多谐振荡器。555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件, 它性能优良, 适用范围很广, 外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成多谐振荡器, 以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。NE555可稳定输出1MHz以下的方波, 并且占空比可调, 电路调试容易, 成本较低。

在功放电路设计部分, 由于放大后的振荡输出是用于能量功率, 而不是信号, 波形失真并不重要, 不但要有足够的振幅, 电路还要简单。这里选用功率场效应管电路 (图2-3) 。这两种电路仅一级功放就有一定的输出。

经比较和筛选, 及考虑成本因素, 最终选用了IRF640, 作为功放MOS器件。

如果仅仅以NE555输出的方波驱动后级功放电路会由于驱动能力不足使场管不导通, 所以需要加一级驱动电路。本系统采用专用高低端驱动芯片IR2181构成后级功放驱动电路。结合本系统功放电路, 需采用低端驱动, 驱动电路图如图2-4所示。

综合以上2-2、2-3、2-4, 本无线电能传输系统发射端电路图如图2-5所示。

由NE555构成多谐振荡器, 产生频率为400KHz, 占空比为60%的方波信号, 经过MOS管专用驱动芯片IR2181后驱动功率管IRF640, 通过MOS管的开关作用, 将+12V直流信号转化为交流信号, 再通过LC谐振网络将能量发射出去。

2.3 接收单元硬件电路设计

接收电路相对比较简单。它只需将接收线圈感应到的能量进行转换。因为充电时需要直流;因此需要将能量转换成直流电, 所以只需在后级加上整流滤波电路即可。在本设计中, 负载用四个额定功率为1W的LED代替。接收电路如图2-6所示:

LC采用并联补偿结构, 补偿电容C5选用330pF的聚苯电容, 这种电容耐压高, 容值稳定。因为系统工作在400K左右的频率上, 最大电流可达500mA, 所以对整流二极管的要求是, 快恢复, 较高的电流上限综合考虑, 选择1N5819最为合适。C6的作用微调接收端LC的谐振频率, 使其与发射端频率尽量相同, 提高系统传输效率。

3 系统实物及其测试

3.1 系统实物图

图3-1为系统实物图。

3.2 耦合线圈3mm效率测试

本系统采用4个额定功率为1W的LED作为负载, 并设定NE555输出振荡信号为440KHz。输入输出功率定义:电源的输入功率是指电源的输入端的电压和电流的乘积。电源的输出功率是指在电源输出端接入负载后, 电源输出端两端的电压和电流的积。

表3-1为收发线圈3mm距离时传输功率及效率测试结果:

由测试数据得, 当负载为4盏LED, 振荡频率为440KHz, 收发线圈距离为3mm时系统效率为67.1%, 输出功率为1.1658W。

3.3 距离范围测试

当发射线圈与接收线圈之间的距离发生变化时, 磁场强弱也会变化, 因此输出电压的大小也会随着改变。即当发射线圈与接收线圈之间距离增大时, 磁场变弱, 输出电压减小。以距离步进1cm的高度, 测得不同的电压、电流及功率的大小如下表3-2所示。

有测试表3-2得, 该无线电能传输系统输出功率随着收发线圈距离的增加迅速衰减, 在0-6cm的范围内可以点亮4只LED。

摘要：无线电能传输是通过电磁波进行电力传输, 从而省去电源线和插座的一种新型电源。本设计的无线电能传输系统采用电磁感应方式, 充分结合了磁耦合技术和开关电源技术。系统分为无线发射部分和接收部分, 在12V电源供电下, 3mm距离耦合时效率达到了67%, 输出功率1.16W。整个电路结构简单, 工作稳定, 经过检验在6cm范围内能够点亮发光二极管, 达到了实际应用水平。

关键词：无线充电,电磁感应,耦合效率,开光电源

参考文献

[1]J.T.Boys, G.A.Covic and Yongxiang Xu.DC Analysis Techniquefor Inductive Power Transfer Pick-Ups.2005:47-49.

[2]孙轩.非接触式手机充电平台的设计[D].杭州:浙江大学, 2010.

[3]刘志宇, 都东, 齐国光.感应充电技术的发展与应用.电力电子技术, 2006, 38 (3) .

[4]杜伟炯.非接触供电的锂离子电池组快速充电技术[D].重庆:重庆大学, 2009.

[5]野泽哲生, 蓬田宏树.伟大的电能无线传输技术[J].电子设计应用, 2007 (6) :42-54.

[6]李月朗.基于松耦合变压器的无线供电充电器技术研究[D].长沙:湖南师范大学, 2009.

电能传输系统 篇2

接触式电能传输通过插头―插座等电连接器实现电能传输，在电能传输领域得到了广泛使用。但随着用电设备对供电品质、安全性、可靠性等要求的不断提高，这一传统电能传输方法所固有的缺陷，已经使得众多应用场合不能接受接触式电能传输，迫切需要新颖的电能传输方法[1]。

在矿井、石油钻采等场合，采用接触式电能传输，因接触摩擦产生的微小电火花，就很可能引起爆炸，造成重大事故[2]。在水下场合，接触式电能传输存在电击的潜在危险[3]。在给移动设备供电时，一般采用滑动接触供电方式，这种方式在使用上存在诸如滑动磨损、接触火花、碳积和不安全裸露导体等缺陷[4][5]。在给气密仪器设备内部供电时，接触式电能传输需要采用特别的连接器设计，成本高且难以确保设备的气密性[6]。

基于公网通信采集电能信息系统 篇3

关键词：载波； GPRS；集中抄表模式

1.公网通信采集电能信息系统的技术选择

本系统技术实现方案中以建筑单元为基础单位，每个集中的建筑单元安装数据采集器，采集器与电能表组成本地RS485通信网络，电能表数据汇总到数据采集器内，在每个数据采集器上加装网络通信模块，数据采集器与主站组成无线局域网，主站可实时查询数据采集器数据内各电能表数据，采集用户用电信息。

2.系统结构和框架

A.功能介绍

a.主站系统部分

主站系统包括前置机软件[规约插件]、应用服务器,WEB服务器。

表现层：利用WEB方式实现,为客户操作界面，系统的客户功能大部分在这里实现，可运行于网络的任何节点

应用层：接收客户端命令并做相应处理后转发前置机,接收前置机数据转发后台;实时数据统计、分析，根据分析结果形成相应的事项或结果数据;计划任务的处理。

支撑层：应用服务器远程操作命令，调用相应规约解析，并下发到远方终端;接收终端数据调用规约，解析为应用服务认知的数据格式，并将数据发送到应用服务器;动态管理、维护通道，监测通道运行状况.各种接口的实现;

数据层：定义数据的存储和备份机制,确保数据的安全和准确。

b.通信系统部分

无线采集器部分：HY-GP01A远程集中抄表终端（以下简称终端）是用电现场管理系统中的重要终端设备之一。主要用于解决抄表全覆盖问题。终端通过一个485抄表口可以实现32电能表的召测，并以GPRS无线通信的方式将电表内相关信息随时按主台的命令发向主台。同时，本终端具有全播和选播功能，便于电力部门有效管理。

本终端由性能优良的工业用GPRS模块、高性能的ARM7主控芯片为核心的主控单元以及指示模块、电源模块等组成。终端采用阻燃型ABS外壳，外形小巧轻便，电磁兼容性好，抗干扰能力强。终端体积小巧，壁挂式结构，调试及维修方便，可在强电磁干扰等恶劣环境下长期可靠地工作。

B.功能和基本配置

抄表RS485接口：1个，速率600bps~9600bps。

当地RS232通信接口：1个，速率9600bps，信号TD，RD，RTS。

工作状态指示：运行、报警、GPRS在线、参数变更、遥信、485收发和GPRS电源、网络、RX、TX。

a.参数设置与查询

终端地址可用PDA设置及查询。

终端能由PDA和主站设置与查询GPRS参数、表计参数等。

电能表数据采集：1路485接口，实现32块电表的有功电能示值等基本数据的采集及数据冻结功能，包括小时冻结、30天日数据冻结等。

信道特征：信道采用GPRS公网信道，通信模块采用中兴的ME3000模块。

模块传输特性：符合《中兴通讯 ME3000模块技术规格书（V1.0）》。

频段转换：模块自动在850MHz、900MHz、 1800MHz和1900MHz间切换。

b.结构和机械性能要求

结构：终端外壳应密闭，符合室内使用条件。

机械性能：外壳要密闭并加封，防止非法操作。能承受常规运输条件下的振动、冲击，设备不损坏，零部件不脱落。

振动试验：受试设备不包装，不通电，固定在试验台中央。

试验频率：10HZ~150HZ。

交越频率：60HZ。

f≤60HZ: 定振幅0.075mm。

f＞60HZ: 定加速度10m/s（1.0g）。

每轴线扫描周期数：10。

c.安全性及电磁兼容特性

绝缘电阻：输入、输出回路对地和各回路之间的绝缘电阻值：正常試验条件，不低于10M；湿热条件下，不低于2M。

工频耐压：电源回路、交流电量输入回路、输出回路各自对地及电气隔离的各回路之间以及输出继电器常开触点回路之间，能承受额定频率为50Hz、有效值为2kV的交流电压，泄漏电流小于5mA，时间1min的工频耐压试验。试验中不应有电弧、放电、击穿、损坏。

冲击耐压：以峰值6 kV，波形1.2/50 s的脉冲，加于电源回路、交流电量输入回路和无电气联系的各回路之间，正负极性各10次，不应有电弧、放电、击穿、损坏。

抗工频磁场影响：50 Hz，400A/m。

抗静电放电影响：8kV。

抗电源瞬变影响：终端在电源电压突降及短时中断时，终端不应发生死机、错误动作或损坏，电源电压恢复后，存储数据无变化，工作正常。

抗传导性高频电压影响： 1 MHz高频衰减振荡波，电源共模2.5 KV,差模 1.25KV，其余1KV。

抗浪涌干扰：电源口共模4 KV，差模2 KV，其他口1KV。

抗电快速脉冲群干扰：电源口4 KV，其他口1KV。

辐射电磁场抗扰度：射频辐射，80MHz~1000MHz，10V/m。

可靠性指标：终端的平均无故障工作时间（MTBF）大于25000小时。

3.技术特点

现场组网采用电表与采集器组成RS485总线网络，RS485总线网络可靠性好；电表连接在本地RS485总线网络，与无线远程网络隔离，不易受攻击，安全性高；采集器与主站通过GPRS网络组成无线局域网，取消了传统模式下的载波通信层，网络层次少，可靠性增强；系统组网简单，现场设备层次节点少，便于排查故障；

4.结束语

无线电能传输系统的设计与研究 篇4

关键词：电能传输,SPWM,全桥逆变

自特斯拉以来,无线电能传输是人类长久以来的梦想,无线电能传输不仅能够减少对线路的依赖,而且可以节约电线等材料,同时又避免了电路故障。无线电能传输应用范围很广,若进行技术推广,将在医疗、生活、工业、军事上都有很大影响,开创无线新时代。2007年MIT研究团队成功的在2米多外点亮一盏60W的灯,就预示着无线电能传输有望为人类带来新技术革命。该文对无线电能传输系统进行了设计和研究。

1 无线电能传输原理

根据麦克斯韦定理,交变的电场产生变化的磁场,如图一所示,在电路中通入交流电源,交流电在L1线圈中产生变化的磁场,变化的磁场通过L2线圈中感应出感应电流,这样发射电路的电能就传输过去了。在传输过程中,利用谐振使得线圈的阻抗减小到最小,实现电能以谐振为主要路径传输。在谐振过程中,两两电路之间的关系满足:

由公式可知,如使电路处于谐振状态获得最大传输效率,交流电源的频率应为

接收端感应到变化的磁场后,产生感应电动势,通过整流即可。

2 硬件部分

2.1 硬件分析

在设计电路时,若直接提供交流电源,如:220V-50Hz的公频交流电电源,50Hz对于线圈产生的磁场来说,频率太低,甚至可能认为短路;如果直接通过函数信号发生器产生,有因为电压太低,使得发射端的能量太低,使得接收端无法感应到。故采用15V直流电源为电路供电,将电源通过逆变,为线圈提供交变电源,从而使得线圈产生磁场;接收线圈感应到磁场后,产生感应电动势,通过二极管整流桥整流,经电容滤波,从而实现交流到直流之间的变换。

2.2 硬件设计

硬件设计分为发射端设计和接收端设计。发射端设计以为12V直流电为电源,通过全桥逆变电路,全桥逆变电路原理如图2,当将S1和S4闭合时,电流由a流向b;当S2和S3闭合时,电流由b流向a;将合上开关的频率加快,就实现了逆变。

在以上原理图的基础上,将4个开关换成可控型的MOSFET,MOS管的栅极由SPWM波控制,由此实现了MOS管的导通和关闭,将交变电源转换成直流电源,为负载供电。实际电路如图3。

3 软件部分

由公式线圈中产生时刻变化的电场产生变化的磁场,本设计将SPWM作为控制信号,输出产生时刻变化的正弦波;由面积等效原理,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同;在将SPWM方波加在硬件的惯性环节上时,输出与正弦波效果一致。

采用SPWM波控制MOS管,软件设计是通过单片机内存,利用SPWM数据表的软件,然后利用生成的数据形成一个数组储存在单片机内,调用数组产生SPWM波;SPWM波驱动电路以后,在滤波器两端实现等效正弦波。

4 系统验证

发射线圈以直径为1.5mm铜线绕制而成,形状为直径为20cm的圆形线圈,匝数为11;接收线圈有两个,其中一个线圈参数与发射线圈一致,另一个材料为0.8mm铜线,四股铜线并联相互螺旋缠绕成为直径为20cm的圆形线圈,匝数为11,在不同频率下实验以测试最大效率,并得出以下结论:

第一,在控制的频率一定下,电路中存在最佳阻抗匹配,当实现最佳阻抗匹配时,电路的传输效率是最大的,即当负载的输入电阻等于输出电阻:

第二,在其他参数控制不变得情况下,单股接收线圈相对于多股线圈来说,效率相对较小,因为多股线圈的内阻小,电感小,但是增加了匝数,使得接受的电能范围增大,故效率高。

电力系统电能计量集抄技术分析 篇5

摘要：近几年来，随着集中抄表模式的不断发展和完善，其核心技术越来越成熟和可靠，也逐渐在大部分供电企业得到了规模化的应用。本文简述了电力系统电能计量集抄技术的现状，并对电能计量集抄系统的构成和特点进行了详细分析。

关键词：电力系统；电能计量；集抄技术；低压集抄系统

Abstract: in recent years, along with concentration meter reading model of development and improvement, its core

technology is more and more mature and reliable, also gradually in most of the power supply enterprise to get the application of the scale.This paper briefly describes the electric power system of electric power measure set copy technology the present situation of electric power measure set copy the structure of the system and characteristics are analyzed in detail.Key words: electric power system;Electricity measurement;Set copy technology;Low pressure set copy system

集中抄表技术从其诞生就受到了供电企业的高度关注，毕竟科学技术的发展必将带来传统抄表形式的变化，也势必影响到电力营销数据采集方式的根本变革，其意 义是深远而不言而喻的。

集抄系统的应用转变了传统的电能量采集方式，降低甚至杜绝了传统方式的差错率和人为干预因素，保证了电能量高度的准确性，成为和客户结算的可靠依据。集抄的应用，极大地减少了抄表人员，简化了抄表过程，降低了抄表难度，提高了抄表效率。集抄冻结数据功能的应用，为线损的准确计算提供了技术手段，让电力营销部门不但清楚线损，而且还由此查找理由、找出解决办法，从而不断降低线损率，提高经济效益。电力系统电能计量集抄技术的近况毕业论文范文

(1)电能表根据电能测量机构的不同，分为机电脉冲式电子电能表和电子式电能表两大类。目前应用最多的是电子式电能表，它通过乘法器完成对电功率的测量，可获得最大需量、电压、电流和功率因数等多项数据，输出接口分为RS485接口型和低压配电线载波接口型两大类，可直接读取其脉冲输出，有的新型电能表本身安装有多种接口，适用于模拟、数字等各种通讯模式。预计今后相当一段时间内，电能计量低压集抄系统的终端采集装置将以电子式电能表为主。

(2)采集器和集中器采集器是汇聚电能表电量数据的装置，是整个系统的核心，它能够接受主控站命令，依次抄收并储存各采集器中数据，然后通过一定的传输介质将数据传至主控站进行数据处理。集中器具备RS485接口和电话线接口，同时具有数据采集和储存、设置功能、远程监控、校时功能及异常信息记录功能。

(3)通讯信道：通讯信道的可靠性是电能计量低压集抄技术关键。数据通讯方式的选取要综合考虑各种因素。国内外对于不同通讯方式各有侧重。在西方发达国家，对于电能计量自动抄表技术的研究起步较早，电力系统包括配电网络较规范、完备，所以载波抄表被广泛应用。电能计量集抄系统浅析硕士论文

2.1 采集系统

按照采集数据的通讯方式及媒介的不同，电能计量集抄可分为本地自动抄表和远程集中抄表。

本地自动抄表方式一般是通过抄表员手持便携式手持掌上电脑，通过其上的红外发射和接收装置，在红外可视距离内，非接触地读取仪表数据。这种方式操作简单方便，实现起来较可靠，且成本较低。但数据传输距离较短，且系统的自动化程度较低，较适合在计量仪表相对集城市居民区应用。

远程集中抄表方式一般是通过RS485、总线或低压电力线，将用户终端计量仪表的电能脉冲，先通过一级脉冲采集器将脉冲汇总，再经过二级集中抄表器的集中抄收和记录整理，最后通过M0DEM和公共电话网络以点对点的方式将数据传输到上位机中心数据处理系统，来进行统一的远程计量数据管理、计量监控及报表结算工作。

这种方式不需要抄表员到达现场，数据传输速度快，大大提高了抄表效率推动了电力系统自动化发展的进程。

2.2 通讯网络

数据通讯网络的选择是自动抄表系统的关键，它直接关系到系统的稳定性。通讯网络也称信道，即数据传输的通道。

从集中器看，从集中器到主控站之间通讯规定为上行信道，从集中器到采集器之间通讯规定为下行信道。上行信道目前主要使用的有电话网、电力网、无线通讯网、GSM等。行信道目前使用的主要有电力网、RS485、总线网、有线电视网等。自动抄表系统中涉及的两段通讯网络，每段可以相同也可以完全不同，因此可以组合出各种不同的自动抄表系统 按通讯介质不同，分为有线通讯和无线通讯。

(1)有线通讯技术：1)光纤传输：造价和安装费用较高，但具有频带宽、通讯距离远、传输速度高、抗干扰能力强等优点，目前广泛应用于许多领域。2)电话线传输：投资小，适用范围广，适合不方便布线的地区。不过，这种方式传输数据易堵塞，且租赁费用偏高，不适合大容量系统的通讯传输。3)RS485总线：是目前采用较多的一种通讯方式，其传输数据速度较快，可靠、稳定，通讯质量较高。但布线工作大，通讯信道易受外界因素破坏，且被损坏后故障排除困难，信道后续维护工作量大。4)低压电力线载波传输：是供电系统特有的一种通讯方式，它充分发挥了低压电力线覆盖面广、不需要重新布线的优势。为改善低压电力线载波通讯的质量，实现数据的可靠传输，有振幅键控、移频键控、移相键控、正交双边带调制及无载波调幅调相等调制方式：为实现数据的高速传输，有窄带通讯、双音多频调制、线性调频脉冲、多路载波调制、扩频、超窄带及多路载波等传输技术。

(2)无线通讯技术：1)红外线：需要通讯双方加装红外收发通讯模块，操作简单，成本低，可在红外可视距离内实现非接触性抄表。此种方式对方位性要求较高，较适合于仪表相对集区域内使用。2)RS485通讯：需要在管理中心和集中器中加装无线通讯模块，不需重新组网，价格较低廉，通讯速度快，且免于维护。但系统实时性及可靠性较差，可能发生信息拥塞或丢失现象，不适合业务量大系统的应用。

在应用中，各种通讯模式都有优缺点，任何一种采用单一通讯技术的方案均很难完全满足需要。因此，在自动抄表的不同通讯阶段采用不同的通讯方式来组成自动抄表网络。在数据传输量不太大、传输距离较近的底层数据采集阶段，可以采用如红外、总线传输、RS485、低压电力线载波的通讯方式：而在集中器到数据处理中心段，则可采用光纤、无线电台、电话线或GPRS／GSM无线通讯等，选择什么样的组合方式，需根据实际情况统筹考虑。

2.3 中心处理子系统

中心处理子系统主要由中心处理工作站以及相应的软件构成，是整个电能计量远程自动抄表系统的数据管理层，所有用户的用电信息通过信道汇集到这里，管理人员利用软件对数据进行汇总和浅析硕士论文，作出相应的决策。如果硬件允许，还可直接向下级集中器或电能表发出指令，从而对用户的用电行为实施制约，如停电、送电的远程操作。

由于抄表要处理的数据量大，因此要求中心工作站的硬件必须有一定的运算和存储能力。软件上要求操作系统稳定可靠，抄表软件必须具有处理大量数据的能力。典型的抄表软件具有如下功能。

(1)可远程设定抄表集中器和采集器内的参数。

(2)抄收整个系统中所有电能表的数据。

(3)中央制约站可远程地对用户电能表进行断电和送电制约。

(4)运行数据库可生成用电量日报、月报，进行电费结算。

(5)可进行查询管理，对异常用户给予告警。倡议与结论

随着计算机技术、通讯技术、网络技术和微电子技术的飞速发展，对自动抄表技术水平、自动抄表的投资成本、抄表的效率、可靠性和准确度、管理体制提出了更高的要求。选择合格的抄表终端设备；选用较为成熟的、经测试合格的产品；因地制宜选择抄表方式；提高自动抄表技术的智能化、多元化；注意自动抄表系统自身安全性；制约系统访问权限；制定合理、高效的安全对策毕业论文；追踪国际技术发展，缩短与国际先进抄表技术的差距，是摆在我们面前的首要不足。

电能表自动抄表系统的研究 篇6

摘 要:随着我国人民生活水平的不断提高,家庭用电的需求量越来越大,同时也给电能的计量工作带来了很多问题,供电部门与用户的用电纠纷时常发生,自动抄表系统的应用解决了这一系列问题,同时也满足了建设部提出的用电管理应集中、安全、严格的要求。引入电能表自动抄表系统能有效地解决这些问题。本文研究自动抄表系统的构成及实际运用。

关键词:抄表 自动抄表系统 电能

中图分类号:TP216文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)03-0029-01

在我国,由于现代电子技术、通信技术的飞速发展和电力市场营销管理的不断需求,电能表自动抄表系统的技术研究、产品开发、系统设计和试点运行工作日益引起电力营销管理部门、电能表制造企业及相关行业的关注和投人,因此,虽然我国对自动抄表的研究起步较晚,但发展较快。目前,车载无线电抄表、电力线载波抄表、近地集中抄表和远程控制抄表等各种形式的自动抄表系统已分别在我国各地有试点运行。

1自动抄表系统的构成

自动抄表系统一般由管理中心计算机、传输控制器、数据采集器及计量表四部分构成。

①电能表:可用带脉冲输出的电子式电能表。

②数据采集器:对用户电能表脉冲进行记数和处理,并存储结果,同时将数据传至传输控制器,并接受传输控制器发来的各种操作命令,对于多层住宅采集器应设在首层。高层住宅可将其分设在竖井内。采集器需提供220v电源。可根据电能表的数量来确定采集器的数量。采集器与电能表的连线可采用线径0.3—0.smm的四芯线,如RvvP-4X03,连线距离不宜超过50m。

③传输控制器:作用是定时或实时抄录采集器内电能表的数据,并将数据存储在存储器内,供计算机随时调用。同时将计算机的指令传输给传输控制器。控制器可设在小区管理中心,挂墙安装,需220v电源。可根据采集器的数量来确定控制器的个数。传输控制器与采集器的通信可采用专线方式:通过RS-485申行接口总线将控制器与采集器连接,线路最长达1km。

④管理中心计算机:调用传输控制器内电能表数据,将数据处理、显示、存储及打印,并向控制器发出操作指令。系统一般具有查询、管理、自动校对、定时实时抄表、超载报警及断线检测等功能。

2案例

10(6)kV配电网中的电力用户及其电能表数量约占全电力系统用户及其电能表总数量的99%以上,因此,它是电力市场营销管理的重点和难点。所以,我们首选它实现自抄系统将会收到显著的成效。

2.1自抄系统的设计依据和基本要求

依据我国10(6)kV配电网运行及其营销管理的技术经济指标,按每条配电线分别进行管理和考核这个特点,自抄系统的设计应满足如下基本要求:

第一,同时抄录每条配电线的总配电量,所有配变台区低压侧配电量,所有高压用户售电量,所有低压用户售电量。

第二,正确计算出每条配电线总电能损失率、高压电能损失率、配变台区低压总电能损失率、各配变台区低压电能损失率。

第三,便于供电公司对其用电情况进行分析和监控,电力用户对其用电量进行监督和查询。

2.2搞好自抄系统设计的关键问题

我们认为,搞好我国10(6)kV配电网自抄系统设计,必须解决好下列三个关键问题:传输通道及链路的选定;信号、数据的处理和检测;自抄系统管理网络的建立。

第一,传输通道及链路的选定:传输通道及链路的选择直接关系到信号、数据传输的可靠性和工程实施的可行性。通过对国内外有关文献资料比较分析和试用效果的验证,加之对我国10(6)kV配电网现状、特性的研究分析之后,我们认为,采用配电线作为变电所与其用户之间的数据传输通道、光缆作为供电公司计算机与变电所计算机联网的链路,这是一种既经济又实用的最佳选择。

第二,信号、数据的处理和检测:大家知道,任何一种传输通道及链路都不可避免的存在着不同程度的干扰。能否依据所选定的传输通道及链路的特征,对其信号、数据采取相应的包装方式和检测方法,将会直接影响到自抄系统的成败。根据我们对国内外有关电力线载波通讯技术进展的研究和试点运行效果的综合分析,可以说,我国在理论和实践上,已经研制成能够适应我国配电网特点的电力载波微弱信号的包装方式和检测方法,并取得比较令人满意的效果。

第三,自抄系统管理网络的建立:自抄系统管理网络的建立是实现自抄系统的前提,选定一种符合实际、简便可靠的管理网络是自抄系统正常工作运行的保障。依据我国电力市场营销管理特点和所采用的配电线传输信道及光缆链路,我们拟定出了10(6)kV配电网自抄系统管理网络框图。

实现自动抄表,能提高住宅档次和物业管理水平。物业管理公司或专业公司可节省大量的人力、物力、财力,提高工作效率、提高抄表的准确性,同时系统施工方便、操作简单,由于电表自动抄表系统具有良好的经济效益和社会效益,因此它具有广阔的发展前景。

参考文献:

[1] 唐慧明.变电站远程图像监控系统设计[J].电力系统自动化,2007,(17):1l-15.

电能传输系统 篇7

谐振耦合模式由MIT的M.Soljacic团队提出,并通过了实验验证,实现了2 m、60 W的传输效果[5],这表明该模式具有独特优点,奠定了无线电能传输技术在汽车充电、物联网传感器及医疗植入物供电等广泛领域的实用化基础,引发了近年来谐振耦合式无线传输技术的研究热潮。

目前,如何提高电能传输效率已成为研发实用化、低频、小体积谐振耦合无线电能传输装置的关键课题。耦合模理论(Coupling Mode Theory)表明,采用高无载Q值线圈可明显提高谐振系统在低频下的传输效率,促使超导谐振耦合系统设想的产生,但其高昂的成本不容忽视[6]。参考文献[7]则提出采用阻抗变换电路改变负载等效阻抗的方法以提高系统的传输效率。PINTO[8]、TAK[9]和HUNTER[10]等人发现,采用不同模型,谐振耦合系统的能量传输效率均受谐振体距离和相对角度等谐振结构参数的影响,在一定结构条件下存在效率极值,这说明可通过优化设计谐振结构来有效提高传输效率。例如,罗斌等人最近便采用单中继线圈显著增大了小信号、低频率RLC串联谐振系统的能量传输距离,且发现系统的传输效率和负载功率对中继线圈的横向偏移和角度倾斜变化不敏感。实验还发现,线圈匝数与传输效率成负相关,而线圈半径的增大对传输效率产生先提升后抑制的影响[11]。另外,串/并联混合谐振电路、自适应频率调节等方法也被预期可用于提升或保持系统的最佳传输效率。

本文通过实验探索了多负载线圈、单中继线圈、隔磁材料贴附对谐振耦合无线电能传输系统能量传输效率的影响。

1 多接收线圈结构对传输效率的影响

目前谐振耦合式无线电能传输系统多为单负载线圈结构。由于发射线圈发射磁场并无完全的单向性,在以其为中心的球形空间内均有一定程度的磁场分布,单线圈负载显然无法接收整个磁场能量。采用多负载线圈结构理论上可提高磁场能量接收率,从而有望提升系统传输效率。

图1给出了本文实验研究的单负载谐振结构和双负载谐振结构的示意图。其中单负载结构只有接收端1位于发射端的右端,双负载结构的两个接收端1与接收端2分别位于发射线圈轴线的两个方向。

实验发现系统传输效率随传输距离的增加呈现先增大后减小的演变行为。单负载系统和双负载系统均在4 cm附近达到最大传输效率,小幅偏离最佳传输距离即可引起传输效率的快速下降,该结果同PINTO等人的理论研究结果一致[8,9]。极值两侧传输效率的对数值同传输距离近似成线形关系,此关系在图2中体现得更为明显。4 cm处系统最大传输效率从14.35%增加到45.7%。以上结果表明,通过增加接收线圈数量确实可提高发射磁场能量的利用率,提高系统的传输效率。值得指出的是,实际应用中还应考虑到多接收端对发射能量的分散作用,因此接收端的个数应视接收电压而定,以保证接收端电压可驱动负载。

2 中继线圈对传输效率的影响

HAMAM[12]和RANGELOV[13]等人均从理论上提出附加中继线圈可改善谐振耦合无线电能传输系统的性能。图3是在发射线圈和接收线圈间同轴附加中继线圈的谐振耦合系统的示意图。为保证系统的谐振性,中继线圈谐振频率与系统固有谐振频率相同。

实验发现,中继线圈与发射线圈间距离d对系统传输效率影响明显。随着中继线圈远离发射线圈,系统传输效率先后经历缓慢增加、快速增加和快速下降(直至平稳)的过程,而最大传输效率对应的中继线圈-发射线圈距离do则与传输距离l有关。

此外还注意到,中继线圈应在发射线圈与接收线圈发生谐振后放置,否则,中继线圈对系统传输效率的提升作用便不明显,这与RANGLOV等人的理论分析结果一致[13]。

进一步的实验表明,附加中继线圈亦可明显提高谐振耦合系统的传输效率,如图4所示,且在较远距离下中继线圈对效率的提升更加明显,这与反射阻抗随中继距离变小而增大有关。其中中继线圈均放置在各传输距离对应的最佳位置处。由此可见中级线圈可起到增强磁场能量汇聚的作用。随着传输距离的增加,无论是否附加中继线圈,系统传输效率均逐渐减小。

一般而言,线圈发射磁场的能量主要集中在以线圈轴线为轴、线圈面为顶面、发射角为θ的锥台空间内。当传输距离较小时,接收线圈即可覆盖整个发射角,从而实现高的传输效率,此时附加中继线圈所起到的能量汇聚作用对提高系统传输效率意义不大;增大传输距离时,传输线圈所覆盖的发射角逐渐减小,因而传输效率逐渐下降,此时附加中继线圈所产生的磁场能量汇聚作用可等价于减小传输距离,因而可有效提高系统的传输效率;若传输距离继续增加到远场,接收线圈覆盖发射角很小,导致传输效率极小,即使附加中继线圈,由于线圈间距离大,传输效率提升效果有限。此时可考虑适当增加中继线圈数量,但由于中继线圈存在能量损耗,不能无限增加,所以中级线圈数量应存在最佳值。

3 隔磁材料对传输效率的影响

图5给出了不同厚度的锰锌铁氧体隔磁片对传输效率的影响曲线。本实验发现,隔磁片贴附在接收端可提升传输效率,而贴附在发射端系统时传输效率反而有所降低,可见由于隔磁片的磁场屏蔽和能量吸收作用,发射线圈贴覆隔磁片能降低系统传输效率,其机制有待进一步研究。实验亦表明,隔磁材料对谐振耦合系统电能传输效率的调节能力与隔磁材料的磁导率亦存在关联,磁导率越高,调节能力越强,实验中采用的硬的铁氧体隔磁片磁导率为125,软的磁导率为45(在1 MHz下的值)。从图5中可以看出,高磁导率的隔磁片对效率的提升作用大于低磁导率。

4 综合系统

从上面的实验结果可知,添加多接收端、中继线圈与隔磁片这3种方法都可以在一定程度上增加无线电能的传输效率。由图6可知,构建综合系统,在系统中同时应用上述方法,在传输距离l=5 cm时系统的传输效率从原来的25.85%提高到了85.4%。

本实验研究了多接收线圈、中继线圈和隔磁片在提高低频小线圈谐振耦合无线电能传输系统传输效率中的作用规律。研究发现,以上方法均可提高谐振耦合系统电能传输效率,其中多接收线圈和中继线圈两种方法的提升效果更加显著。中继线圈结构可使双线圈系统在较宽的传输距离范围内保持较高的传输效率。最后搭建了综合系统,应用上述方法,系统总的传输效率与原始系统相比得到了明显的提升。

摘要：探索了在较低频率下多接端、加中继和隔磁材料3种耦合结构下提高谐振耦合系统电能传输效率的可行性。实验表明这些方法均可有效提高系统整体传输效率,最后应用上述方法构建综合系统,综合系统的效率可以达到85.4%。

小型谐振器无线电能传输系统研究 篇8

无线电能传输技术是一种借助于空间无形软介质如电场、磁场等实现将电能由电源端传递至用电设备的一种传输模式,实现了电源和用电设备的完全隔离[1]。无线电能传输技术可以用于一些不方便拖带电线的场合以及矿井、太阳能空间站等不能引起电火花的极端环境[2]。2007 年美国麻省理工学院在中等距离无线传输方面取得了新的进展,在2m开外的地方成功点亮了60 W的灯泡,其效率达到了40%[3]。目前无线电能传输包括电磁感应耦合方式、非辐射磁谐振耦合方式、基于微波辐射的传输方式等3种基本方式。电磁感应耦合方式传输功率大但距离近(毫米级);微波辐射传输距离远但不能绕过障碍物,因此传输效率低下;非辐射磁谐振耦合方式利用2个或2个以上具有相同固有频率的电磁系统之间的强耦合来实现中等距离能量传输,该方法可在数米内实现无线充电,即使是存在非磁性障碍物的条件下也能高效传输[4]。参考文献[5]根据耦合模型理论解释了磁耦合谐振无线能量系统传输规律,指出两谐振线圈在谐振状态时能量是相互传递的。参考文献[6]介绍了3种抑制频率分裂的方法,即频率跟踪法、负载匹配法、降低互感系数法。参考文献[7]证明了调整两线圈中任意一方的偏移角度或径向距离可以削弱互感系数。本文根据无线电能传输的数学模型,设计了小型谐振器无线电能传输系统实验电路,在频率发生分裂时,通过调整两线圈之间的径向距离来抑制频率分裂现象,提高传输效率。

1 无线充电模型分析

忽略集肤效应和邻近效应的无线电能传输等效电路如图1(a)所示。其中Us,R1为交流电压源和等效阻抗;R2,R3为发射绕组与接收绕组的损耗电阻和辐射电阻之和;R4为负载等效阻抗;C1,C2为发射绕组与接收绕组外接谐振电容;M12为互感系数;两回路电流为I1,I2。根据电路基本原理,等效电路左右两侧参数对称时能够实现能量最大传输效率。设R1+R2=R3+R4=R,L2=L3=L,C1=C2,M12=M,则无线电能传输电路可简化为图1(b)所示。

根据基尔霍夫电压定律(KVL)可得

解式(1)所示矩阵方程可得

式中:ξ为角频率偏移的程度,ξ=Q(ω/ω0-ω0/ω),Q为品质因数,ω 为发射频率,ω0为主谐振频率;λ为耦合因数,表示两谐振线圈的耦合程度,λ=ωM/R。

接收线圈接收到的电压模值为

对接收线圈接收到的电压模值求ξ偏导数可以解得ξ1=0,ξ2=sqrt(λ2-1),ξ3= -sqrt(λ2-1)。在这3个极值点处取得极值,即|Umax|=|Us|/2。令接收线圈归一化电压β为

由式(4)可得到接收线圈归一化电压频率响应3D图,如图2所示。

由图2可知,当λ<1时,两线圈处于欠耦合状态,即谐振线圈之间的距离较远。随着λ 的增大,β也随之增大且在主谐振频率ω0处即ξ=0时有最大值。此时两线圈之间的磁场为远场传播,在两线圈距离较远的情况下,部分电磁产生铰链,因此,在欠耦合范围内传输效率较低。当λ=1时,两线圈处于临界耦合状态,此时β在主谐振频率处有最大值。两线圈在临界距离的情况下,几乎所有电磁都产生铰链,因此,在临界耦合范围内传输效率高。当λ>1时,两线圈处于过耦合状态,即谐振线圈之间的距离较近。此时在主谐振频率ω0处出现β极小值,在其两侧出现2 个与从谐振频率对应的相等的极大值,且λ越大,从谐振频率离主谐振频率越远。

由以上分析可知,λ 的值对系统传输效率有直接影响。根据表达式λ=ωM/R,可以看出λ与ω,M和R有关。在发生频率分裂时,可以通过调节ω,M和R使λ 减小,从而削弱频率分裂。但采用频率跟踪来增大频率,对电力电子器件提出了较高要求,若采用频率跟踪来减小频率,则会导致单位时间内的功率下降,即功率传输速率下降。对于小型嵌入式谐振设备而言,负载匹配难以进行。因此,本文通过改变两线圈的径向距离来削弱互感系数,削弱由频率分裂现象引起传输效率低的问题。

2 实验验证

为验证理论分析的正确性,搭建了小型谐振器无线电能传输系统,如图3所示。

直流电压经过逆变后产生交流电,通过发射端将电能转化为电磁能,接收端再将电磁能转化为电能,经过整流稳压电路可成功给负载供电。实验采用LP系列11.9V直流稳压电源,高频逆变电路采用MOSFET作为开关管;发送端和接收端两线圈均为0.17 mm的用漆包线绕制的线圈,电感值为10μH,线圈直径均为43 mm;串联谐振电容为400μF。忽略线圈中杂散和分布电容,实验电路工作频率约为486kHz。接收端采用W7805稳压芯片,输出直流电为5 V,稳压后的直流电压波形如图4所示。

由图4可知,负载接收端电压为5.11V,其理论值为5V,实验结果与理论分析结果基本一致。将两线圈由远到近移动,从轴向距离55 mm移到15mm,每隔5mm采样一次接收线圈得到的峰值电压,如图5所示。

由图5可知,两线圈之间的距离为25mm时,接收线圈电压峰值最大,忽略误差因素,两谐振线圈间的临界距离约为25mm,此时接收线圈的电压波形如图6所示。

图6中每格表示5V,峰值电压为15.32V。两线圈距离大于25mm时,随着距离的增大,接收线圈电压峰值逐渐减小,因此,在欠耦合范围内保持两线圈同轴,使互感系数为最大值;两线圈距离小于25mm时,接收线圈电压峰值开始下降,因此,可通过调整径向距离、减小互感系数来削弱频率分裂。两线圈径向距离如图7所示。

分别在两线圈轴向距离为15 mm和25 mm时,进行径向距离的调整,每隔3 mm测量1 次数值。在过耦合范围内,各径向距离所对应的接收端电压峰值如图8所示。

由图8可知,在过耦合范围为15mm时,接收线圈电压先增大,在径向距离为9mm时,接收线圈电压达到最大值;若继续增大径向距离,则接收线圈电压不断减小。因此,在过耦合范围内,λ>1时,通过调整径向距离可以减小互感系数M从而削弱λ,使系统逐渐退出过耦合范围,接收线圈电压升高;若径向距离过大,则会导致λ 过小,接收线圈电压降低,相当于欠耦合状态。在临界耦合范围为25mm时,接收线圈电压不断减小,使系统直接从临界耦合进入欠耦合状态。由以上分析可知,当两线圈在过耦合范围时,可通过调整两线圈之间的径向距离来削弱λ值,抑制频率分裂现象,提高接收线圈的峰值电压。

3 结语

分析了无线充电模型,从理论上证明可以通过改变两线圈的径向距离来削弱互感系数,从而削弱由频率分裂现象引起传输效率低的问题;设计了相应的实验电路,并搭建了小型谐振器无线电能传输系统实验平台,验证了理论分析的正确性。实验结果表明,该系统成功对负载进行充电,具有良好的传输性能。

参考文献

[1]张献,杨庆新,陈海燕,等.电磁耦合谐振式传能系统的频率分裂特性研究[J].中国电机工程学报,2012,32(9):167-173.

[2]黄学良,谭琳琳,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.

[3]杨庆新,陈海燕,徐桂芝,等.无接触电能传输技术的研究进展[J].电工技术学报,2010,25(7):6-13.

[4]李阳,杨庆新,闫卓,等.磁耦合谐振式无线电能传输系统的频率特性[J].电机与控制学报,2012,16(7):7-11.

[5]李岳,张强,徐晨洋,等.基于耦合模理论的磁耦合谐振无线传输分析[J].电力电子技术,2015,49(10):55-57.

[6]赵争鸣,张艺明,陈凯楠.磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展[J].中国电机工程学报,2013,33(3):1-13.

电能传输系统 篇9

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。

电能传输系统 篇10

无线电能传输技术使得人们得以摆脱令人烦恼的电缆束缚。2007年MIT提出了磁耦合谐振无线电能传输(Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer,MCR-WPT),为无线电能传输带来了新的突破[1,2]。近几年国内外对强磁耦合谐振式无线电能传输技术进行了广泛的研究[3]。

目前的研究大都集中在传输效率与传输距离的提升,以及对线圈结构和线圈材料的设计[4],这些研究大都属于静态下的高效能量传输。然而在实际应用中常常会遇到被供电设备需要移动的情况,而MCR-WPT系统在高效能量传输距离内存在频率分裂现象,这就需要MCR-WPT系统能根据传输距离对传输频率进行自适应调节,实现动态高效的电能传输。目前已有文献针对MCR-WPT系统频率分裂现象提出了对传输频率进行动态调节的方案[5,6,7]。这些研究大都通过检测发射和接收功率,计算传输效率来进行控制。

从MCR-WPT系统的传输特性可以看出,系统的频率分裂是伴随距离改变发生的,系统在不同传输距离处的最优频率点与距离是一一对应的数学关系,测量距离等同于测效率,相对于实时检测发射与接收功率,测量传输距离实现更简单,也更便于应用于实际系统中。本文首先基于耦合模理论对MCR-WPT系统进行理论分析,然后使用高集成度PCB印制平面螺旋电感构造谐振体,并搭建实验平台,通过相关测试对理论分析的结果进行验证。最后利用直接数字合成技术[8](Direct Digital Synthesis,DDS),以FPGA为处理器设计频率自适应调节器,并将其加载到传输系统,对系统的能量传输特性进行测试。

1 磁耦合谐振理论分析

磁耦合谐振的基本原理可以用耦合模理论(CoupledMode Theory,CMT)解释如下[9]。如图1,基于耦合模理论,将源谐振体和目标谐振体的模式幅度分别用两个复变量a1、a2表示,进一步可以将两谐振体的能量归一化为,并且满足如下方程组[1,2]:

其中,ω1、ω2分别表示两谐振体的固有频率,Γ1、Γ2分别为谐振体的固有损耗率,κ为系统的耦合系数。

对于两个相同的谐振体,有ω1=ω2=ω0和Γ1=Γ2=Γ,由此可得:

这说明当两谐振体耦合时,耦合系统的频率以2κ被分开,即“频率分裂”现象,并且耦合越强频率分裂越厉害。频率分裂是MCR-WPT系统中比较重要的现象,在强耦合状态下系统传输效率最高的频率不再是原来谐振体的自谐振频率ω0,而分裂为高低两个不同的频率。两谐振体之间的距离直接影响耦合系数κ,随着距离的改变系统最优的工作频率也将随之改变。

频率分裂现象表明:若能根据传输距离对系统工作频率进行动态的调节,则可以在有效传输距离内使系统始终保持最高的传输效率进行无线电能传输。

2 MCR-WPT系统平台搭建

2.1 系统框架

目前MCR-WPT系统的拓扑结构主要分为两类:两线圈结构和四线圈结构。四线圈结构的MCR-WPT系统如图2所示。由信号发生器产生的高频振荡信号,经过功率放大器输出到驱动线圈,驱动线圈通过电磁感应将能量感应到发射谐振体中。发射与接收谐振体具有相同谐振频率,发射谐振体通过强磁耦合谐振将能量传输到接收谐振体中,接收谐振体再通过电磁感应将能量感应给负载线圈,最终将能量传输到负载处。

图2 系统结构图

2.2 高Q谐振体设计

谐振体的品质因数Q主要由电感电容决定,耦合因数主要由电感线圈的结构和尺寸等决定。如果系统中谐振体的品质因数Q足够大,在谐振体的体积不是很大的情况下,系统依然可以工作于强耦合状态,实现高效的中距离无线电能传输[10]。MCR-WPT系统采用的是LC谐振,构造高Q谐振体的关键在于高Q电感线圈的设计以及高Q电容器的选择。

本文实验使用的平面螺旋电感如图3所示,线圈内径为96 mm,外径为180 mm。谐振体的谐振频率配置为9.23 MHz。

图3 平面螺旋电感

2.3 功率放大器设计

本文选用E类放大器进行功率驱动设计。由于MCR-WPT系统存在频率分裂现象,因此要求功率放大器具有一定的带宽,E类功率放大器设计指标如下:工作频率:6 MHz~10 MHz;输出功率≥5 W;效率≥50%;工作电压20 V。本文采用的开关管为Microsemi公司的ARF460系列射频开关管。E类功率放大器实物如图4。由于信号发生器不具备带负载能力,不能直接连接功率放大器,因此还需要为功率放大器设计前级驱动。本文以凌力尔特公司的LT1210功率电流反馈运算放大器为基础设计前级驱动。

图4 E类功率放大器实物

2.4 实验装置

搭建的实验平台如图5所示,测试传输效果,在20 cm距离时点亮5 W的LED。

2.5 性能测试

负载连接50Ω,测试系统的传输特性,测试结果如图6。

可以看出,系统最优频率随距离改变而改变。随着距离的减小,系统最优频率越偏离谐振体固有频率9.23 MHz,即发生了频率分裂;当距离增加,系统最优频率恢复为自谐振频率,即频率分裂现象消失。此外传输系统的有效传输距离与线圈尺寸达到了同一数量级,也说明了本系统实现了强耦合状态下的无线电能传输。上述实验结果表明,采用PCB印制平面螺旋电感制作高Q值谐振体,实现强磁耦合无线电能传输是可行性的。平面螺旋电感适用于便携式无线电能传输系统,但目前主要是通过金属绕线或薄片制作,而本文通过在PCB上印制可以进一步提高集成度,从而更适用于便携式应用。

图5 实验平台

图6 系统传输特性测试结果

3 自适应MCR-WPT系统设计

从上一节的实验结果可以看出,对于一个固定负载的MCR-WPT系统,其频率分裂特性是可以预知的。图6可以看出在MCR-WPT系统频率分裂距离内,由于趋肤效应设计时采用频率较低的频率点(式(2)中的低频点)作为最优效率点。同时可以看出,系统的效率和距离是一一对应的数学关系,因此设计控制器时选用距离作为推理量,设计出的自适应MCR-WPT系统结构如图7所示。控制器根据外部测距模块检测发射谐振体与接收谐振体的距离,然后根据图6做出推理并改变系统频率。

自适应控制器需要根据测距模块传输回的距离改变输出频率,所以控制器必须具备输出可调频率信号的能力,控制器必须包含信号发生器模块。本文以FPGA作为系统处理器,基于DDS技术设计自适应控制器。

决策表模块为整个算法的核心,根据测距模块计算出的距离,配置DDS模块的频率控制字,从而改变系统的输出频率。由于超声波测距模块的有效测量距离为2 cm以上,同时2 cm距离比较近,实用效果不大,本文设计时只考虑距离大于2 cm的情况。决策表参考图1设计,最后设计出的决策表如表1所示。

图7 自适应MCR-WPT系统结构

表1 决策表设计

将自适应控制系统加载到MCR-WPT系统上,负载为50Ω高频电阻。调节频率与固定为自谐振频率对比测试结果如图8所示。从对比结果可以看出,相较于将系统频率固定在谐振体的自谐振频率,通过调节频率,在强耦合距离内不同距离处,系统都处于该距离处的最高传输效率,实现了动态高效的无线电能传输。由于每次实验两线圈的摆放位置会出现误差,导致最终阶段两条曲线没有重合,但这在允许的误差范围内。

图8 频率控制效果

4 结论

本文首先基于CMT对MCR-WPT系统进行建模分析。然后搭建由高Q平面螺旋电感组成的系统,并验证了理论推导结果。最后,设计自适应控制系统,并将系统加载到MCR-WPT系统中,测试系统工作特性。实验结果表明,相对于固定频率,系统的传输效率得到明显改善。相关研究自适应频率调节方法需要在线检测发射和接收功率,计算传输效率来进行频率调节,本文提出通过超声波测距来对频率进行调节,因而更易于技术实现,并且开发成本更低,从而更便于应用。此外本文采用PCB印制平面螺旋电感制作高集成度、高Q谐振体,这对于便携式无线电能传输具有重要意义。

摘要：研究了基于距离检测的自适应磁耦合谐振无线电能传输系统。首先采用耦合模理论分析磁耦合谐振无线电能传输系统的传输特性。随后运用ADS仿真软件和负载牵引技术设计制作E类功率放大器。然后利用PCB印制平面螺旋电感构造高品质因数、高集成度谐振体。针对频率分裂现象,采用超声波传感器进行传输距离检测,基于专家控制算法提出频率自适应调节方案以提高传输效率。最后采用FPGA处理器和直接数字频率合成技术实现动态频率调节。实验结果表明在频率分裂距离内,相对于固定频率,提出方案明显提高了传输效率。

关键词：无线电能传输,磁耦合谐振,频率自适应调节,PCB印制平面螺旋电感,直接数字频率合成

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[9]HAUS H A.Waves and fields in optoelectronics[M].1984.

电能传输系统 篇11

摘 要：随着时代的进步和社会经济的发展，我国电力系统发展迅速，电网智能化程度不断提升。在电能计量方面，电能采集终端系统方面得到了广泛的应用，在提升电能计量效率方面取得了不错的成绩。但是在实际运行中经常会有故障出现，需要引起人们足够的重视。文章简要分析了电能采集终端系统运行的常见故障与处理，希望可以提供一些有价值的参考意见。

关键词：电能采集终端系统；常见故障；处理

中图分类号：TM73；TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）29-0078-02

我国如今在开展智能电网改造工程，其中，非常重要的一个方面就是用电信息采集系统，它结合国家电网公司的工程总体规划，将统一的营销管理业务作为目标，可以自动采集用电信息，监测计量异常和电能质量，同时还具有其他功能，如用电分析、用电管理等，这样全覆盖、全采集和全费控的目的就得到了实现，可以被广泛应用到电网规划和经营管理与优质服务中。

1 基本原理

我们将先进的移动通信技术应用到了用电采集终端，还采用了先进的电力载波通讯技术、嵌入式操作系统以及无线通信技术等，具备一系列的功能，如远程抄表、远程升级、防窃电监测等。在实践中具有一系列的优势，如较为强大的功能，使用和维护较为简单，能够较为稳定的运行，有着较高的可靠性和较大的存储容量，还具有较好的开放性等。

2 用电采集终端现场运行故障分析

在坚强智能电网建设中，非常重要的一个方面就是用电信息采集系统建设，但是用电信息采集系统是新生的东西，工程建设在较短的时间内需要完成较为繁重的任务。本文以某公司为例，从2010年开始，将用电信息采集终端应用到变电站关口侧、配变监测以及高低压用户侧等，在提升工作效率的基础上，还需要不断提升用电采集终端信息的采集成功率。

①终端和表计本身故障：在现场运行中，经常会出现终端和表计故障，如运行中智能表亮起了报警灯，密钥下装修改远程参数出现了错误；设置了错误的终端出厂参数，损坏了载波通讯模块，这样终端的正常上线就会受到影响，或者设备可以上线，但是死机、花屏或者黑线等现象会频繁出现。

②信道通讯故障：损坏到了集中器和主站连接的光纤信道，那么就会对正常的通讯造成影响；我们将SIM卡的GPRS的通讯方式应用到负控终端和主站，中国移动与其签约较早，形成了一枝独秀的情况，这样就会有很多问题出现，如流量不畅、服务质量较低等等。通过485连线采集器和集中器，因为在同一个电表箱内安装集中器和低压台区电表，这样就会有并线错误误接线问题的出现。另外，我们将0.5 mm2的双绞线作为458表的通讯连接线，有着较小的线径，这样就会影响到485线端口连接的牢固性，导致脱落问题的出现，引发采集故障。

③主站参数设置错误：要想保证下发的命令可以被终端执行下去，就需要保证主站系统对下一级的各级建档，并且统一建档内各参数和终端内参数，如果主站错误地对终端参数进行设置，那么终端各类数据都无法被正常采集。

④通讯环境的影响：在安装箱变的集中器时，安装位置会对其产生较大的影响，在箱变内安装集中器天线，那么就会对GPRS信号的稳定性造成影响。如果电表箱是金属质地，那么就会完全屏蔽掉通讯信号，这样就无法向集中器下发主站参数，智能表也无法接收到集中器的命令，对于采集的成功率造成较大的影响。

⑤人为因素：现场工作人员没有熟练掌握终端的现场安装和调试等技术，这样就可能会错误的设置终端的各类终端参数，比如波特率、端口号、终端地址等，这样主站就无法对终端的数据科学召测，在较大程度上影响到终端的采集成功率。

3 电能采集终端系统运行的故障处理

通过上文的叙述分析可以得知，在电能采集终端系统的实际运行中，诸多因素都会对其造成影，我们结合实际运行情况，总结了运行经验，得出了这些故障处理措施：

①终端和表计本身的故障：要对终端和表计实验室的强制检定过程进行强化，监督管理在运设备的质量；来对载波、GPRS等通讯模块进行备用，这样如果有故障出现，可以及时更换。明确终端现场安装人员的维护职责，工作人员要严格依据相关要求，科学安装和维护验收现场终端，对比大用户和台区的采集成功率，以便将故障点给迅速找出来，采取相应的解决措施，通过明确划分职责，可以促使用电采集系统的上线采集成功率得到显著提升。

②终端信道不够畅通：如果在运行过程中出现了这类故障，需要委派专门的工作人员，去现场对信道通讯情况进行排查，如果终端上行通道光纤不够通畅，那么就需要对隐患故障点进行检查和排除，促使信道通讯的稳定性得到保持；为了最大限度地降低故障所带来的负面影响，就需要与厂家联系，对一定数量的载波通讯模块进行备用。在现场安装过程中，需要严格依据相关的工艺要求来进行，485双绞线因为有着较小的截面，就需要牢固的连接，有着正确的正负极接线，避免有错接或者空接等问题出现。要沟通协调中国移动和其他的相关生产厂家，构建相应的技术协议，保证SIM卡拥有更大的通讯流量，可以更加稳定的通讯。

③主站参数设置错误处理：对于现场终端，主站需要做好建档工作，并且对参数值进行正确的设立，这样主站才可以下发命令，拥有正确的召测数据。安排现场施工人员来抄录核对终端数据，并且比对现场抄录回来的数据和主站建档数据，流程抄录人员比对了现场抄录回来的数据之后，如果有错误数据出现，需要及时采取整改措施，这样终端数据采集成功率方可以得到显著提升。

④通讯环境的影响和处理：要正确的安装SIM卡，SIM卡不能欠费，并且已经开通了GPRS功能，天线安装位置要有良好的信号，通常是对长天线安装，一般在表箱外侧安装长天线，保证信号不低于20 m；如果采用的是短天线，不能够在金属制表箱中安装集中器。

⑤人为因素处理：要积极沟通协调设备厂家，可以邀请厂家技术人员来指导终端现场安装和验收工作，比如科学设置终端IP地址、设置端口号测量点等一系列参数，促使现场安装调试人员对用电采集系统概况和设备原理进行熟悉和把握，对接线正确的安装，对参数合理设置等。

⑥其他因素处理：要积极的沟通厂家相关技术人员，做好设备检测工作，避免在出厂之前就错误地设置了相关参数，要保证配置的软件可以匹配终端操作系统，并且终端不会出现频繁掉线等问题。

4 结 语

通过上文的叙述分析可知，在智能电网建设中，非常重要的一个方面就是用电信息采集系统的建设，它可以提升管理效率，实现服务质量提高的目的，可以对电力市场进行拓展。如今电能采集终端系统得到了较为广泛的应用，具有一系列的优势，但是在实际运行过程中，也出现了诸多的故障，需要结合具体情况，采取针对性的处理措施，提升电能采集终端系统的运行质量。

参考文献：

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电能传输系统 篇12

感应耦合电能传输( Inductively Coupled Power Transfer,ICPT) 系统能够通过磁场耦合实现能量无接触的传递,从而在能量传递的过程中灵活性好,维护成本低,无摩擦和碳积等问题; 同时,由于无裸露导线,因而绝缘性好,无触电和爆炸等危险。ICPT系统的这些优点使其在交通运输、生物医学、易燃易爆易触电环境下供电等方面具有明显的优势和广泛的应用前景[1,2,3]。

通过合理的参数设置,LCL电路输出电流可以保持恒定而不受负载影响[4]。基于恒流输出型LCL谐振的ICPT系统具有以下特点: 首先,电路输入功率因数很高,这降低了供电电源容量、电路损耗和对器件电压、电流应力的要求[5]; 其次,电路谐振频率在负载变化的情况下保持恒定,避免了频率分裂现象[6,7]; 最后,电路一次侧电流在负载变化的情况下保持恒定,并且电流畸变率小[7,8,9]。这些特点使得LCL型ICPT系统在多负载和变负载应用中具有很大的优势[10]。但是目前大功率器件价格昂贵,器件功率等级难以满足大功率系统的要求,这限制了LCL型ICPT系统在大功率领域的应用。在感应加热、风力发电和UPS电源等应用领域,通过逆变器并联来提高系统功率等级和冗余性已经存在大量的研究[11,12,13]。其中,应用于感应加热领域的恒压输出型LCL电路并联系统控制简单,并且在电路参数保持一定的变化范围内均可以保证各模块工作在感性状态下[14],但是关于应用于ICPT系统的恒流输出型LCL电路并联系统还缺少详细的分析。本文首先介绍了LCL型ICPT系统及其并联系统的参数设置方法,然后对LCL型ICPT并联系统在各模块参数存在偏差情况下模块间均流情况和工作特性进行了分析,并通过实验结果验证了理论分析的正确性。

2 单模块LCL型ICPT系统分析

图1 为一次侧基于LCL谐振网络、二次侧串联补偿的单模块ICPT系统电路组成。其中,Ud为直流电压源,开关管S1~ S4及其各自的体二极管D1~ D4组成了逆变桥,LR、CP以及松耦合变压器原边电感LP共同组成了松耦合变压器原边谐振电路,松耦合变压器副边电感LS和补偿电容CS组成了副边谐振电路,RL为阻性负载。

令系统谐振频率可得谐振状态下副边对原边的反射阻抗Zeq为:

谐振状态下松耦合变压器一次侧电流IP为:

令LR=LP,可得整个谐振电路在谐振状态下输入阻抗Zin为:

式( 2) 表明,在谐振状态下,松耦合变压器一次侧电流具有负载无关性,可以在负载变化情况下保持恒定,其相位滞后谐振电路输入电压90°。式( 3) 表明,在满足给定条件下,电路整体呈现纯阻性,输入功率因数为1。另外,由系统谐振频率 ωL的公式可以看出,系统谐振频率只与谐振电感和补偿电容有关,不随负载变化。

3 多模块LCL型ICPT并联系统分析

3. 1 LCL型ICPT并联系统参数分析

图2为n(n>1)模块LCL型ICPT并联系统电路组成。

为简化分析,假设并联系统工作在谐振状态下,以反射阻抗Zeq代替二次侧电路,由于谐振状态下反射阻抗为纯阻性,因而图2 中用R表示; Ud为直流电压源; Si1~ Si4及其各自的体二极管Di1~Di4( i = 1,2,…,n) 组成了第i模块的逆变桥; LRi为第i模块的逆变桥侧谐振电感; LR1~ LRn、LP和CP共同组成松耦合变压器原边谐振电路。

基于单模块ICPT系统的分析,在一个n模块并联的LCL型ICPT系统中,参数设置如下:

并联系统等效逆变桥侧电感LR为:

第i模块逆变桥侧电感阻抗ZLRi为:

CP和LP、R组成的并联电路阻抗Z为:

并联系统谐振频率 ω0为:

电路品质因数Q为:

3. 2 LCL型ICPT并联系统特性分析

如图2 所示,各模块间功率分布主要由各模块逆变桥侧谐振电感和各模块逆变桥输出电压的幅值和相位决定。下面针对这三个参数对LCL型ICPT并联系统均流情况和工作特性进行分析。

3. 2. 1 各模块参数无偏差情况分析

各模块参数无偏差,即由此可得谐振状态下第m模块逆变桥输出电流Imb为:

谐振状态下松耦合变压器一次侧电流IPb为:

谐振状态下第m模块复功率为:

式( 11) 和式( 12) 表明,在参数无偏差情况下,各模块逆变器输出的电流和功率均相等,各模块谐振电路功率因数为1,电源不需要提供无功功率。

3. 2. 2 各模块逆变桥输出电压幅值不平衡情况分析

各模块逆变桥输出电压幅值不平衡,即逆变桥输出电压相位∠ф1= … = ∠фn=∠ф,逆变桥输出电压幅值U1~ Un不完全相同,由此可得谐振状态下第m模块逆变桥输出电流Ima为:

式中

谐振状态下松耦合变压器一次侧电流IPa为:

谐振状态下第m模块复功率为:

令n = 2,模块一逆变桥输出电压幅值U1= U无偏差,模块二逆变桥输出电压幅值U2存在偏差。为简化分析,不考虑负载变化对系统工作特性的影响。根据文献[9],令Q = 1,此时标准化的各模块逆变桥输出电流幅值、有功功率、无功功率和松耦合变压器一次侧电流幅值与标准化的模块二逆变桥输出电压幅值关系如图3 所示。

由图3 可知,两模块逆变桥输出电流幅值和松耦合变压器一次侧电流幅值随着模块电压幅值的变化而正向变化,当电压幅值变化20% 时,电流幅值近似变化10% 。结合式( 15) 和图3 可知,当并联系统中有模块逆变桥输出电压幅值存在偏差时,逆变桥输出电压幅值小于所有模块逆变桥输出电压幅值平均值的模块将工作在容性状态下。

3. 2. 3各模块逆变桥输出电压相位不平衡情况分析

各模块逆变桥输出电压相位不平衡,即,U1=…=Un=U,逆变桥输出电压相位ф1~фn不完全相同,由此可得谐振状态下第m模块逆变桥输出电流Imp为:

谐振状态下松耦合变压器一次侧电流为:

谐振状态下第m模块复功率为:

令n = 2,Q = 1,模块一逆变桥输出电压相位ф1=ф 无偏差,模块二逆变桥输出电压相位 ф2存在偏差。此时,标准化的各模块逆变桥输出电流幅值、有功功率、无功功率和松耦合变压器一次侧电流幅值与模块二逆变桥输出电压相位偏差角度的关系如图4 所示,图中,φ2= ф2- ф为偏差模块逆变桥输出电压相位相对于无偏差情况的偏差值。

由图4 可知,逆变桥输出电压相位超前的模块逆变桥输出电流幅值反而变小,当偏差角度达到20°时,电流幅值偏差达到20% ,但是模块相位的偏差对松耦合变压器一次侧电流幅值的影响可以忽略。此外,逆变桥输出电压相位超前的模块工作在感性状态下,而逆变桥输出电压相位滞后的模块工作在容性状态下。

3. 2. 4 各模块逆变桥侧电感不平衡情况分析

各模块逆变桥侧的谐振电感值大小不平衡,即U1=…=Un=U,不完全相同,由式(5)和上文GL公式可知L=n LP,由此可得谐振状态下第m模块逆变桥输出电流Iml为:

谐振状态下松耦合变压器一次侧电流IPl为:

谐振状态下第m模块复功率为:

令n=2,Q=1,模块一逆变桥侧电感LR1=L无偏差,模块二逆变桥侧电感LR2存在偏差。此时,标准化的各模块逆变桥输出电流幅值、有功功率、无功功率和松耦合变压器一次侧电流幅值与标准化的模块二逆变桥侧电感关系如图5所示。

由图5 可知,模块二逆变桥侧电感的增大导致其逆变桥输出电流幅值减小,模块一逆变桥输出电流幅值随之上升,电感偏差达到20% 时,电流幅值变化幅度接近10% 。同时,模块逆变桥侧电感的变化会引起松耦合变压器一次侧电流幅值反向变化,并且当电感偏差达到20% 时,一次侧电流幅值变化幅度也接近10% 。结合式( 21) 和图5 可知,逆变桥侧电感偏差值为正时,所有模块工作在感性状态下;反之,全部工作在容性状态下。

综合以上分析,当LCL型ICPT并联系统模块逆变桥输出电压幅值和相位存在不平衡时,会有模块工作在容性状态下,这将对逆变桥开关器件产生不利的影响; 当各模块逆变桥侧电感实际值大于标准值时,各模块均工作在感性状态下; 反之,工作在容性状态下。因此,恒流输出型LCL谐振ICPT并联系统对模块逆变桥输出电压一致性要求较高,这与应用于感应加热领域的恒压输出型LCL谐振并联系统有很大的不同。设置电路参数时,可以根据电压偏差情况使模块逆变桥侧电感实际值适当大于标准值,以此弥补逆变桥输出电压偏差带来的不利影响。

4 实验验证

为了验证理论分析的正确性,搭建了两模块并联实验电路。以共同的晶振输入作为同步信号,采用FPGA产生四路信号分别送入相应的IR2103 产生八路控制信号控制两个模块的逆变桥,每个模块逆变桥的两个桥臂控制信号间均移相60°。具体电路参数为: 直流输入电压Ud= 5V,谐振电感LR1=LR2= 96μH,原边补偿电容CP= 1. 5μF,松耦合变压器原边电感LP= 42μH,副边电感LS= 53μH,互感M = 19. 5μH,副边补偿电容CS= 1. 2μF,负载RL= 1Ω,工作频率f = 20k Hz 。

图6 给出了模块一和模块二的逆变桥输出电压实验结果。可以看出,模块一和模块二的逆变桥输出电压的幅值、相位几乎一致,通过FPGA控制,可以满足LCL型ICPT并联系统的控制要求。

图7 为模块一的逆变桥输出电压、模块一和模块二的逆变桥输出电流以及松耦合变压器一次侧电流的实验结果。由图7 可知,模块一和模块二的逆变桥输出电流幅值均为0. 25A,两个模块电流分布均匀,相位一致。松耦合变压器一次侧电流幅值为0. 5A,相位滞后模块逆变桥输出电流90°,符合恒流型LCL电路特性。由于电路品质因数Q = 1,所以模块一和模块二的逆变桥输出电流之和等于松耦合变压器一次侧电流大小。由于两模块逆变桥侧电感LR1和LR2稍大于两倍松耦合变压器原边电感2LP,因此电路工作在感性状态下。电路正常工作,实现了并联扩容的目的。

5 结论

本文针对大功率应用场合,提出了LCL型ICPT并联系统,给出了并联系统参数设置方法,并对并联系统在参数不平衡状态下的均流特性进行了分析。虽然LCL型ICPT并联系统在模块逆变桥输出电压幅值和相位不平衡状态下,部分模块会工作在容性状态,但是可以通过适当增大模块逆变桥侧电感值来抵消模块逆变桥输出电压不平衡造成的影响。实验结果表明,通过FPGA控制可以满足LCL型ICPT并联系统模块间同步控制要求,并联拓扑有效实现了系统的扩容。

摘要：单模块LCL型感应耦合电能传输(ICPT)系统由于器件功率等级和大功率器件价格的限制,不适宜应用于大功率场合。本文提出了LCL型ICPT并联拓扑,给出了并联系统的参数设置方法,推导出并联系统在平衡和不平衡状态下各模块分布的功率和电流的表达式,分析了并联系统的均流情况和工作特性。通过合理的参数设置,并联系统可以降低各模块参数不平衡带来的影响,有效扩大系统容量,适用于大功率场合。最后,通过实验结果验证了理论分析的正确性。