[實用新型]一種基于負電阻的電場耦合單線電能傳輸系統

有效

• 申請號: 201820180887.0
• 申請日: 2018-02-02
• 公開（公告）號: CN207926290U
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 張波;劉功俊;疏許健;丘東元;陳艷峰
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

本實用新型公開了一種基于負電阻的電場耦合單線電能傳輸系統，包括相連接的負電阻和發射電路，相連接的接收電路和負載，以及連接發射電路和接收電路的單根對外絕緣導線；發射電路包括串聯連接的原邊電感、原邊金屬導體和發射電路內阻，接收電路包括串聯連接的副邊電感、副邊金屬導體和接收電路內阻；原邊金屬導體和副邊金屬導體對大地或周圍其它導電物體存在位移電流，分別表示為原邊等效電容和副邊等效電容；發射電路和接收電路之間通過原邊金屬導體和副邊金屬導體之間電場耦合的方式實現電能傳輸。本實用新型系統的結構更加簡單，工作頻率更高，且能在很長一段距離內實現傳輸效率恒定，系統電能傳輸更穩定。

技術領域

本實用新型涉及無線電能傳輸的技術領域，尤其是指一種基于負電阻的電場耦合單線電能傳輸系統。

背景技術

傳統的有線輸電方式由于需要大量的金屬導線和繁冗的架線工程，具有很明顯的缺點：有可能出現裸露、磨損、絕緣老化等情況，易產生火花放電，嚴重影響設備安全運行，且受惡劣環境因素如外界腐蝕、污染物的影響較大，因此在某些極端的工作環境下難以實現安全可靠的供電；此外，由于多導線的束縛，復雜地形和偏遠地區的供電變得困難重重，用電裝置的靈活性大大降低。為了解決上述傳統電能傳輸方式的局限性問題，單線電能傳輸技術和無線電能傳輸技術進入人們的視野。這兩種方式取電方便、節約金屬資源且無需繁雜的架線工程，彌補了傳統有線輸電方式的缺陷。

其中，無線電能傳輸技術主要包括感應式、諧振式和微波式。感應式輸出功率大、效率高、距離近；諧振式傳輸效率較高、距離較遠、輸出功率小；微波式傳輸距離遠、效率低且功率小、耗散嚴重。

另一方面，單線空間電場耦合電能傳輸系統中的單線指的是單根對外絕緣導線。它不局限于傳統的金屬導線，也可以是連續的金屬結構，如管道、軌道、鋼筋等，甚至是大地或海水等導電物質，因此在條件滿足的情況下甚至可以不用另外架設單根絕緣導線也能實現所需的電能傳輸。此外，與無線電能傳輸技術相比，電場耦合單線電能傳輸技術輸出功率較大、傳輸效率較高、傳輸距離較遠(可達幾十米甚至百米范圍)，具有很大的發展潛力。

通常，電場耦合單線電能傳輸系統主要由高頻逆變源、升壓自耦變壓器、原副邊金屬導體、降壓自耦變壓器、單根對外絕緣導線和負載構成。其中，高頻、高可靠性、大功率電源的實現一直是該技術應用到大功率負載輸電的一個重要難題。為了滿足電能傳輸系統高頻化、高效化的發展趨勢，通常采用開關型驅動源(功率放大器)如D類、E類功率放大器，雖然這類功率放大器的理論效率達到了100％，但輸出功率較低，只適用于小功率的應用場合。大功率的應用場合多采用IGBT和MOSFET管構成的橋式逆變器，同時配合不同的軟開關算法來實現電能傳輸，但其工作頻率低、傳輸距離短。因此，受功率開關管及電路拓撲結構等因素的制約，在現有的技術條件下，實現高頻(MHz以上)、高可靠性、大功率開關變換器還相當困難。此外，傳統的電場耦合單線電能傳輸系統傳輸效率受傳輸距離影響較大，通常隨著距離的增大而大大降低，不利于系統的實際應用。

負電阻是一種滿足歐姆定律和串并聯法則的有源組件。和電阻相反，負電阻的電壓、電流基波的相位差為π，在電路中的功率為負，即向電路釋放電能。負電阻具有多種實現方式，如利用正電阻和運放構成。以往負電阻多被用來提高反相放大器的輸入阻抗，中和LC振蕩回路的正電阻等，而很少當作電源來為電路供電。負電阻相比較高頻逆變器，具有系統結構簡單、無需使用MOSFET、可以達到很高工作頻率等優點。將負電阻作為系統功率源，工作頻率由電路中組件的取值所決定。在工作頻率下，系統的傳輸功率高，傳輸效率可以保持在很高的水平，且在很長一段范圍內隨著距離的改變保持基本恒定，大大降低其對傳輸距離的敏感性，實現系統電能的穩定傳輸。

實用新型內容

本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提出了一種基于負電阻的電場耦合單線電能傳輸系統，采用負電阻串聯在發射電路中，利用負電阻對外產生能量的性質實現對電路的供能，替代了傳統電場耦合單線電能傳輸系統中的高頻功率源，使得系統的結構更加簡單，工作頻率更高，且能在很長一段距離內實現傳輸效率恒定，系統電能傳輸更穩定。