供电谐振（精选3篇）
供电谐振 篇1
摘要：近年来随着无线供电技术迅速发展, 耦合谐振供电技术也取得了飞速的进步。其作为一种新技术受到广泛关注的同时也取得了巨大的发展, 其由最初的理论研究也转为生产或生活的实际应用。针对目前使用的耦合谐振系统, 在其基础上加入中继谐振线圈来实现传输距离和效率的提高。理论上解决原有耦合谐振系统传输距离和传输效率较低的问题。
关键词：无线供电,耦合谐振,中继谐振线圈,传输距离,传输效率
0 引言
无线供电系统作为一种新型供电系统, 在安全快捷性能上与传统的有线输电系统比较具有显著优势, 而在无线供电方式中由于耦合谐振供电技术能够实现中等传输距离以及高效率传输, 因此在安全性和可靠性等方面比其他传输方式更有优势。研究表明发射线圈和接收线圈直径的增大, 可以有效提高传输距离, 但大尺寸线圈又容易受到环境的限制;虽然减少发射端和接收端的负载能够提高传输距离, 但增加线圈电流强度的同时使得电感线圈的功率增大, 使得传输效率变低。而使用高无载Q值的线圈谐振器虽然能够降低线圈损耗来弥补自身效率较低的情况, 但是相应的成本又较高。本文通过分析来验证添加设计的无源中继谐振线圈可以有效降低负载以及线圈的能量消耗。使得各模块在系统运行过程中消耗少量的系统能量, 实现提高无线供电系统传输距离和效率的目的。
1 无线供电系统的原理及特点
1.1 无线供电基本原理
无线供电系统从基础原理来说, 其源自于1889年由物理学家尼古拉.特斯拉提出的无线电力传输技术。目前发展的无线供电技术从技术层面上分析一般有两种拓扑结构, 其一是利用2个线圈进行无线电能传输, 称为两线圈结构;另一种为了满足电源的匹配以及实现相应系统的负载匹配, 在原有的2个谐振线圈基础上添加2个感应线圈, 使电源和发射线圈以及负载与接收线圈有效隔离, 我们称这种结构为四线圈结构。
1.2 无线供电系统特点
耦合谐振供电系统其技术可追溯到美国麻省理工大学 (MIT) 的科学家在2007年首次提出的磁耦合谐振技术, 其基本原理是利用两个具有相同本征频率的谐振线圈, 在一定的距离条件下, 通过在本征频率处耦合谐振, 达到电能传递的目的。近年来无线供电技术被广泛利用, 但目前来看, 无线供电技术尚未成熟还处于初级阶段, 很多问题有待解决, 而目前开发出来的无线供电系统的传输距离和功率都较低, 如何提高无线供电系统的传输距离和功率成为现在无线电能传输技术的一个瓶颈。
2 整体设计方案
本文研究的无线供电系统使用的中继线圈是在传统两线圈式无线供电系统上, 在发射和接收线圈中间加入一个尺寸、参数与发射和接收线圈完全一样的中继线圈, 其位置位于发射线圈和接收线圈中间, 同时三线圈的高度满足同轴平行。加入的中继线圈上需要接有谐振电容, 以便保证中继线圈谐振频率与发射和接收线圈保持一致, 满足发射-中继-接收三个线圈处在相同的状态实现谐振耦合。中继线圈上的寄生电阻在系统运行过程中损耗少量能量, 可以忽略不计。中继线圈的作用是将发射线圈发出的变化的磁场耦合到中继线圈上, 然后中继线圈与接收线圈之间再次耦合, 将电能传递到接收线圈, 实现电能从发射端到接收端的传输。最后由接收端的整流与调整模块接收并且提供给负载使用。
由耦合谐振供电系统原理可知设计要求发射线圈, 中继线圈以及接收线圈必须本征频率相同才能达到最大传输效率。同时要使得电磁能量高效率的传输到接收线圈, 合理的设计各无线供电模块以及优化各项数据也可使得系统传输距离和效率有效稳定提高, 其原理与作用也可以由前文提到的两种拓扑结构得到。
3 无线供电系统结构分析
在基础的无线供电系统中分析线圈的拓扑结构, 从增加线圈的角度出发, 通过增加一个线圈的方法, 来研究和设计其传输和效率问题。从量子力学的电磁理论上分析出磁场能量传输按照曲线路径传输, 而不是跟没有中继谐振线圈的无线供电系统那样直线传输, 其曲线传输有利于接收线圈接收磁场能, 因此可以得到增加一个线圈可以有效的提高传输距离和效率。当接收线圈存在偏移现象时, 我们可以通过调整中继线圈的方向或者改变它的参数等来使得传输效率增加。传统的两线圈式无线供电系统在电能的传输距离和效率上都相对不高, 而增加一个中继谐振线圈在保持电能传输的同时还可相对的提高传输距离和传输效率。其等效电路模型如图1所示:
4 系统软件设计
通过matlab仿真可以得到距离, 频率, 以及效率等各数据之间的关系, 通过图像比对进行比较加入中继谐振线圈和没加入中继谐振线圈的无线供电系统其传输效率和传输距离之间的差别, 得到加入中继谐振线圈的无线供电系统比没加入中继线圈的系统在传输距离和效率上有显著提高。
5 结语
本文从耦合谐振无线供电系统的定义以及结构出发, 通过对加入中继谐振线圈的无线供电系统基本结构和工作原理的阐释, 得到加入中继谐振线圈可以有效率提高传输距离和效率。
参考文献
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浅谈供电系统谐振过电压的防范 篇2
1过电压产生的原因。目前, 我国配电网, 大部分仍采用中性点不接地方式运行, 其中有少部分采用老式的消弧 (消谐) 线圈接地。从电网的运行实践证明, 中性点不接地系统中一方面由于电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压比较多, 尽管采取不少限制谐振过电压的措施, 但始终没有从根本上得到解决, TV烧毁、熔丝熔断仍不断发生;另一方面由于中性点不接地运行方式的主要特点是单相接地后, 允许维持一定时间, 一般为2h不致于引起用户断电, 但随着中低压电网的扩大, 出线回路数增多、线路增长, 中低压电网对地电容电流易大幅度增加, 单相接地时接地电弧不能自动熄火必然产生电弧电电压, 一般为3-5倍相电压甚至更高, 致使电网中绝缘薄弱的地方放电击穿, 并会发展为相间短路造成设备损坏和停电事故。而采用老式消弧线圈接地方式的系统由于结构的限制, 只能运行在过补偿状态, 不能处在全补偿状态, 所以脱谐度整定的比较大, 约在20%~30%, 对弧光过电压无抑制效果。
2过电压的防范措施。2.1外部过电压的防护。对于直击雷及感应雷过电压, 目前国内较多的采用避雷网、避雷针进行防护;对于雷电侵入波过电压, 由于其表现形式主要为相对地过电压, 一般采用MOA加以防护。2.2瞬时内部操作过电压的防护。如前所述, 内部过电压主要表现为相间过电压, 三星型接法的MOA对相间过电压基本没有防护作用, 在这种情况下, 安装组合式避雷器是一种可行的保护方案。2.3间歇性弧光接地过电压的防护。耐受过电压和限制过电压是两个不同的概念, 耐受过电压是指避雷器在一定幅值、一定时间的过电压作用下, 不会发生异常和爆炸。避雷器必须能够耐受瞬时的内部操作过电压, 否则自身安全无法保障。但是, 对于间歇性弧光接地过电压, 由于其作用时间的不确定性, 要求避雷器完全能够耐受显然是不经济、不合理的。对这类过电压, 一般采用中性点经消弧线圈的运行方式, 或者安装XHB消弧限压装置。
中性点消弧线圈接地的保护方式主要原理是利用电感电流与电容电流在相位上差180°的原理, 用电感电流补偿对地电容电流。但现行所有以消弧线圈设计的自动跟踪补偿或自动调谐是在电网工频 (50Hz) 下完成的。电网在单相间歇性电弧接地时刻, 在健康相 (非故障相上) 发生的弧光过电压和通过电弧接地故障点的总电流是幅值较大的高频电流, 而电网电容和消弧线圈电感在高频下, 两者频率特性是完全不同的, 两者在高频下互相补偿或调谐具有一定的难度。即使消弧线圈的感性电流能完全补偿容性电流, 中性点位移电压U0将很高。过补偿方式可减小中性点位移电压, 但失谐度大, 将使线路接地电流太大, 电弧不易熄灭, 那么弧光过电压仍然存在。所以, 消弧线圈自动跟踪或自动调谐可以对电容电流进行一定程度上的补偿, 减少弧光接地发生的几率, 但是不可能像一些杂志所报道的能“消除弧光接地过电压”, 甚至在某些情况下可使过电压值更大。
XHB保护方式, 可以快速地抑制作用时间长、对系统及设备安全威胁最大的弧光接地过电压, 消除谐振过电压。
供电谐振 篇3
1 电力供电系统谐波过电压
1.1 谐波现象出现的原因
谐波现象在中低压电网中比较常见, 谐波过电压一般作用的时间比较长, 而且引起谐波过电压的原因很多, 而且较难处理。谐波过电压对电力供电系统的稳定运行也有较大影响, 电力企业的技术人员必须采取有效的措施对谐波进行防治, 为了提高防治的效果, 必须了解谐波出现的原因, 针对问题找出相应的对策。根据以往经验, 必须对电网设备的设计进行优化处理, 还要对电网设备进行估算与合理配置, 这样才能防止电网形成串联谐振回路, 从而降低谐振出现的概率。在中低压电网中, 电力运行故障的形式很多, 而且很大一部分原因都是操作方式错误引起的故障, 不同的原因引起的故障性质也有较大的区别, 在处理的过程中, 应对谐波性质以及特点进行分析, 然后在制定出有效的防振以及消振措施。
1.2 电力供电系统接地方式对谐波的影响
在我国配电网中, 运行方式一般采用的是中性点不接地形式, 也有一部分配电网采用的是老式消弧线圈接地的方式, 通过观察电网运行状况发现, 中性点不接地系统虽然采用了消谐器, 但是还是会出现铁磁谐波过电压, 消磁的效果并不明显。在TV高压中性点增设电阻, 还是还是出现了TV烧毁或者熔丝熔断的现象。中性点不接地的运行方式比较特殊, 由于采用的是单相接地的方式, 在中低压电网不断扩大的影响下, 经常会出现电网故障问题, 使得周围用户经常会受到断电的影响, 中低压电网的规模在不断扩大, 这使得回路增多、线路延长, 单相接地电弧产生了较强的过电压, 这种电压是相电压的数倍, 会使电网中绝缘比较薄弱的部分出现放电击穿现象, 从而导致了设备故障以及停电现象。老式消弧线圈在选择接地方式时, 由于受到结构的限制以及影响, 在运行时必须在过补偿的状态下运行, 在全补偿的状态下, 胶谐度对弧光过电压缺乏抑制的作用, 必须通过手动调节的方式处理接头, 在这样的状态下, 电容电流无法将电压调整到最佳位置, 而且会影响电网功能的发挥。
1.3 电力供电系统谐波过电压的限制
为了降低谐波过电压对电力供电系统的影响, 可以在系统中安装自动高速接地补偿装置, 其可以实现全补偿运行, 而且可以减小装置的脱谐度。采用这种方法等于在消弧线圈一次回路中串联了功率较大的电阻, 降低中性点谐振过电压的幅值。如果当系统的电容电流与消弧线圈工作电流相等时, 即在谐振中性点电压限制在允许值以下, 这样就可实现全补偿方式, 这是残流为最小的最佳工作方式。接地时残流很小, 不会引起弧光过电压。所以, 可在消弧线圈的一次回路中串入大功率的阻尼电阻, 增大阻尼率的措施来达到。消弧线圈的脱谐率与电压及电网的阻尼率有关, 当电网形成后其不对称电压基本是个固定值, 消弧线圈为保护在单相接地时有效地抑制弧光过电压的产生, 在消弧线圈回路患科电阻, 保证阻尼率, 控制中性点位移电压。
2 电力供电系统电压调整
2.1 电压调整的必要性
对电力供电系统中的电压进行调整具有重要的意义, 其可以保证电力系统更加稳定的运行, 在调整的过程中, 需要对电压波动情况进行监控, 还要对电网谐波进行检测, 保证电力系统中的设备都符合电网稳定运行的规定。当前电力系统中的设备都是根据额定电压进行制造的, 所以, 只有在额定的电压下, 设备才能正常、稳定的工作, 如果电力供电系统中的电压出现偏高或者偏低的现象, 则可能导致设备损坏稳定, 必须对电压进行必要调整。
2.2 电压调整的基本原理
发电机通过升压变压器, 线路和降压变压器向用户供电, 要求调整负荷节点B的电压, 为简单起见, 略去线路的电容功率, 变压器的励磁功率和网络的功率损耗。变压器的参数已归算到高压侧。
3 调压措施的合理应用
3.1 电压调整是一项重要的工作, 调压的措施很多, 利用发电机进行调压是一种常规的方式, 而且具有经济节省性。
发电机调压在多机系统中应用比较多, 电力企业的工作人员需要考虑发电机与系统的联接方式, 还要考虑系统承载的负荷, 然后对电压进行合理的调整。在采用发电机对电压进行调整时, 需要保证发电机的无功功率输出在允许的范围内。
3.2 当系统的无功功率供应比较充裕时, 各变电所的调压问题可以通过选择变压器的分接头来解决。
当最大负荷和最小负荷两种情况下的电压变比幅度不很大又不要求逆调压时, 适当调整普通变压器的分接头一般就可以满足要求。当电压变比幅度比较大或要求逆调压时, 宜采用带负荷调压的变压器。有载调压变压器可以装设在枢纽变电所, 也可以装设在大容量的用户处。将调压变压器串联在线路中, 可以起到调压的作用, 其在环形电网中应用比较多, 这种变压器一般串联在电力系统联络线中, 具有隔离的作用, 可以保证系统之间不会相互干扰与影响。总之, 在调节电压的过程中, 一定要结合实际选择最佳的方式。
结束语
本文对谐波现象出现的原因以及形式进行了介绍, 通过分析发现, 电力供电系统出现谐波的原因很多, 在制定防治措施时, 一定要结合谐波出现的原因以及特点。谐波会影响电力供电系统的正常运行, 会造成电力设备损坏, 还会影响电压质量, 容易引起断电事故。针对供电系统出现的问题, 一定要采取有效的措施对谐波过电压进行限制, 还要对电压进行调整, 尤其是在中低压电路中, 一定要根据电力系统运行的方式找出最佳的调压措施, 这样才能保证电力系统的稳定运行, 才能保证用户的用电质量。
参考文献
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