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体积 2013年 |文章的ID 795835年 | https://doi.org/10.1155/2013/795835

Athanasios g . Lazaropoulos, 实际耦合谐振器在Domino安排电力传输和分配:取代降压整个电网电力变压器及其分支”,能源杂志, 卷。2013年, 文章的ID795835年, 25 页面, 2013年 https://doi.org/10.1155/2013/795835

实际耦合谐振器在Domino安排电力传输和分配:取代降压整个电网电力变压器及其分支

学术编辑器:Kamaruzzaman Sopian
收到了 2013年1月11日
修改后的 2013年5月02
接受 07年6月2013年
发表 2013年7月18日

文摘

本文认为潜在的替代降压整个电网的电力变压器以及输电线路分支与无线电力传输的一部分(WPT)技术组件。利用先进的领域的演进WPT技术,耦合谐振器在domino arrangements-domino耦合谐振器(DCR)配置提出合适的技术替代降压变压器和调查的电力传输效率等性能指标(PTE)和转换比率(TR)。本文的贡献是五倍。首先,分析理论分析适当的研究实践及配置。为了支持DCR配置替换,一套详细的假设关于有效的中期和长期大功率wpt以及相关的技术问题是首先提出。通过实验验证了理论分析的有效性测量。其次,运用该理论分析,丰富的系统参数主要影响PTE和TR的DCR配置标识。定量效应以及相应的DCR配置调整首先提出。第三,一种近似方法,表示为近似散射矩阵链(CSM)方法,首先介绍了。基于散射矩阵理论形式主义,近似CSM方法适用于中期和远程DCR配置当理论分析计算缓慢。 The numerical results of approximate CSM method are compared with the respective ones of theoretical analysis validating the extent and the accuracy of approximate CSM method. Fourth, the potential of power transformer replacement with practical DCR configurations is thoroughly investigated in terms of their TRs. A plethora of high-voltage/medium-voltage (HV/MV), MV/low-voltage (MV/LV), and HV/LV power transformers used across the world is investigated verifying their replacement potential with practical DCR configurations in all the cases examined. Fifth, based on a detailed collection of dimensions concerning power transformers and transmission line branches, it is first verified that practical DCR configurations cannot only substitute all step-down power transformers of the today's power grid but also replace entire transmission line branches too. Finally, it is obvious that there is a long journey ahead for WPT technology and its ultramodern DCR configurations to be affordably, widely, reliably, sustainably, and safely adopted in the human society. During these first steps of WPT development for power transmission and distribution, theoretical analyses and visions are necessary. The last cable problem, that is, the seamless power delivery as easily as information is now transmitted through the air, is one of the major technological challenges of the 21st century, and, thus, WPT technology will certainly play key role.

1。介绍

无线电力传输的基本原理(WPT)被发现在m .法拉第的作品h . c .Ørsted和n .特斯拉在19世纪和20世纪。WPT技术描述的可能性减少过去的电缆,允许工具无缝供电信息现在一样轻松地(通过空气传播1- - - - - -3]。

如今,WPT技术吸引了很多学术和商业利益由于其用户友好的性质。许多学术研究调查了WPT从小型电子设备应用潜力,如医疗植入物(4- - - - - -11)、熨斗、吸尘器、电视(12),和芯片/晶体管电源[13),更大功率的,例如配电(14- - - - - -18),电动汽车(19,20.),wireless-powered照明系统(21),工业机器人(22,23)、空间飞行器、卫星(24- - - - - -27]。最近,新产品已经推出专注于非接触式移动电器电池充电(充电垫、手机和笔记本电脑)28- - - - - -33),一般来说,cord-free部门(34,35]。所有这些案例的共同点是,WPT技术将更加实用如果WPT配置更有效率、更大功率,权力交接的能力明显增大距离通过空气(36]。然而,没有这样的WPT配置同时满足前面的需求。

更具体地说,WPT配置,配置有两种实现方法:谐振电感耦合方法和磁共振耦合(MRC)的方法。使用电磁波谐振电感耦合方法。首先识别和利用特斯拉(1,32,37- - - - - -42]。虽然是一种有效的非辐射的WPT方法可以收取各种电子设备,全球权力转移的雄心勃勃的特斯拉的目标通过这个方法是乌托邦。广泛被验证,谐振电感耦合方法不适合实现远程大功率WPT配置(36,43]。相反,本研究方法使用电磁近场波结合耦合共振现象(3,36,44- - - - - -53]。这种方法基本上是重新发现和提出1,44,45,54]。事实上,本方法的特点是其高功率传输效率(PTE)大约90%的1米,今天,适用于实际的短期和中档WPT配置(36,44,45,52,54- - - - - -56]。

事实上,MRC方法成为划时代的WPT技术建立高效WPT渠道(57,58]。第一代WPT配置,广泛应用在日常活动中,基于本方法包括两个低损耗耦合谐振器(即源和负载耦合谐振器)。源耦合谐振器填补周边环境与低损耗不辐射的磁场振动在千赫或MHz频率(58]。发生非辐射的领域通过共振性质允许高pt源和负载之间的耦合谐振器确保周边环境与共振交互对象的最小。然而,这些第一代WPT配置的范围仍然有限。增加WPT配置的有效性在远程WPT应用程序中,多个源和负载耦合谐振器之间的耦合谐振器部署扩展他们的有效传输距离40,43,46,52,59- - - - - -66年]。

可以部署在多个耦合谐振器各种domino安排形成各自的domino耦合谐振器(DCR)配置。其中,直DCR配置,研究,有独特的功能,其耦合谐振器中心谎言沿着相同的传输距离轴形成一个主要功率流路径(40,63年]。这些DCR配置更高pt对于一个给定的远程传输距离和更高的功率应用潜力相比,范围从几瓦到许多千瓦的有限使用第一代WPT配置(40,46,52,60,62年- - - - - -65年]。

在评估及配置性能,等效电路方法广泛应用在文献[3,31日,52,67年- - - - - -69年]。本文理论分析,基于该标准的耦合电路理论(70年,71年)和magnetoinductive谐振器系统分析(44,72年),是分析。的基础上少量的输入参数和数量减少的WPT的假设,提出的理论分析提供准确的结果而言,PTE当不同及配置。实际上,应用理论分析为了揭开DCR配置关键参数和调查对PTE的影响。数值结果来源于理论分析是通过一组验证实验测量。

虽然提出了理论分析准确应对PTE的行为及配置,其主要缺陷是其反应迟缓及配置与部署大量的耦合谐振器。为了方便的处理和优化所需的计算时间这些中期和长期DCR配置,除了精确的理论分析,首次提出一个近似方法。这个近似方法来标示如链散射矩阵(CSM)方法,快速和可靠的计算结果为实际及配置。它的配方是基于散射矩阵(73年- - - - - -75年)和ABCD矩阵(24,26)形式主义而高保真度和准确度的比较验证了数值结果与相应的实验验证理论分析的结果。

在文献中已经提到[52,64年),及配置可以被解释为一个扩张的电力变压器,它由两个线圈。认识到物理这两个不同的系统之间的相似之处(76年- - - - - -78年),利用新开发的工具(即。,the theoretical analysis and the approximate CSM method), the potential of replacing all step-down power transformers of power grid (i.e., power transformers that step down the supply voltage to a level suitable for the lower voltage level they feed) with practical DCR configurations is first proposed and investigated in this paper. Based on performance metrics such as PTE and transformation ratio (TR), that is, the percentage ratio of output to input voltage, it is reported that power transformers can comfortably be replaced with practical DCR configurations regardless of the power transformer type—either high-voltage (HV)/medium-voltage (MV) or MV/low-voltage (LV) or HV/LV power transformers.

DCR配置和其潜在的替代电源变压器可以建立一个新的未来愿景的智能电网。事实上,DCR配置定义了一个先进的和方便的解决方案,不能仅仅用电网的电力变压器,但也可以代替整个输电线路分支。因此,DCR配置构成一个重要一步最后电缆问题的解决方案;说,功率输出是大客户还是小客户,消除存在的电力变压器和输电线路分支。

无论如何,WPT是一个新生的技术,需要时间,耐心,和注意力成为全面运作。因此,除了一些技术问题实践中期和长期电力变压器更换大功率DCR配置需求问题,致力于研究做一个简要的介绍路线图和一些未来必须遵循这样的步骤WPT技术及其承诺及电网配置成为经济上可行的,技术上可行的解决方案。最后,很明显,最好的性能结果未来智能电网的电力传输和分配通过合作确保操作(合作动力输送),进一步整合及配置与今天的明晰电网基础设施。

本文的其余部分组织如下。节2,输电和配电电网分析。特别强调了在电网的输电线路和电力变压器以及采用的主要优势及配置以取代这些当今电网组件。部分3提供了整个分析框架有关的操作及配置:理论分析,及配置假设近似CSM方法,以及各种近似有关WPT传输和分布。节4,数值结果和讨论识别和评估特定的影响及配置设计参数对PTE和TR性能以及理论分析和近似CSM的准确性的方法。的替代潜力降压变压器和输电线路分支与实际DCR配置彻底调查。部分5包括未来WPT作品背景的想法。部分6本文总结道。

2。输电和配电电网

发电的一般原则、传输和分配已经建立了一个多世纪以前。介绍了增量更新的可再生能源和其他复杂电力电子组件。生成的电力传输到负载中心和消费者通过这个复杂的网络主要是由输电线路和电源变压器(79年- - - - - -81年]。

2.1。电网的输电线路

根据数量的功率和电压水平,电网可以进一步分为两个主要互联电网。(我)传输电力网络。它的主要目的是连接所有主要的发电机站和临界载荷点能源系统通过循环结构。它包括架空高压输电线路。这个批量供应能源系统处理大功率块分配他们在其可用电能经济走廊,这样最好的整体运营和/或其他技术目标是完成。(2)分布电网。它有电网最大的份额,因为它包含电网的最好的网格。实现径向结构,它涵盖了电力需求中等大,住宅和商业的消费者。分布电网利用其开销和地下基础设施,由MV和LV输电线路。

尽管输电线路确定一个完整的基础设施网络,包括发电、传输、和分销能力,所需的不同电网之间的互联是通过结合使用输电线路分支和电力变压器(79年- - - - - -85年]。

2.2。电网的电力变压器

电力变压器提供所需的互联电网中不同的功能;更具体地说,电网执行三个主要功能。(我)发电。这是第一步在发电厂提供电力和执行。通过产生变形金刚,产生电压加大和连接到传输电力网络。生成(升压)变压器是超出了本文的范围。(2)电力传输。这是第二步的电力和涉及的权力交接产生高压/ MV变电站变压器,包括高压/ MV《变形金刚》。在高压/ MV变压器,电压是下台和电力送入电网分布。(3)配电。它完成电网通过向消费者提供电力。它涉及到权力交接从高压/ MV变压器初级和二级配电电网。 一次配电电网由MV / LV变压器和提要中大消费者的权力。一般来说,这些MV / LV变压器属于美联储中等大的消费者。 二级配电馈线由MV / LV变压器提供住宅和商业客户。这些MV / LV变压器是电力公司旗下。 在极少数和远程配电的情况下,中大或住宅或商业客户可以直接由高压/低压电力变压器。

注意,高压/ MV, MV / LV和高压/低压电力变压器被称为降压电源变压器,构成本文的主要兴趣24,25,43,62年,86年,87年]。

2.3。从传统电网WPT系统

由于其设计、采购和制造过程中,电力变压器是面向客户的设备,需要大量的资本支出和长交货期的需求。事实上,变压器的成本是几千欧元的顺序而其重量范围从100到400吨。另外,交货期可能延伸超出20个月由于某些关键部件和/或材料(86年]。

WPT的影响系统功率转换和传递的方式是巨大的。而不是使用电力变压器,一个可以把电能有效下台没有约束的昂贵,重要的和永久的电气设备。受有关最近WPT技术突破(6,8,19,20.,29日,32,36,47,87年- - - - - -91年),本文试图重新定义了传统电网结构通过使用高效的WPT配置,可以取代降压变压器。

3所示。理论分析及配置

直到现在,的主要原因缺乏WPT申请中期和远程权力交接是他们低PTE因为所有WPT的努力基本上集中在特斯拉的实验和近场耦合方法是,一对耦合的谐振器(1]。最近,出现了新的兴趣领域的WPT技术由于这一事实,而不是使用一对耦合谐振器,整体PTE可以显著提高使用几个耦合谐振器放置在或接近PTE的短程区域耦合谐振器(高40,52,62年- - - - - -64年,88年- - - - - -91年]。此外,大量的耦合谐振器的使用可以大大提高整体转让励磁电源和负载之间的距离达到所需的TR。

3.1。一般DCR配置和相应的理论分析

DCR配置可能被视为一连串的磁耦合谐振器,如图1(一)。这些耦合谐振器放置在靠近,它们可以被部署在各种domino安排。一个实际的DCR配置如图1 (b)

由于他们的设计,及配置的特点是高PTE效率,允许大量WPT的交付应用功率从几瓦到几兆瓦。因为它已经被报道在60,62年- - - - - -64年),数学公式,通常用来分析这些DCR配置是基于标准的耦合电路理论(70年,71年)和magnetoinductive谐振器系统分析(44,72年]。

更具体地说,一般理论及配置,用于在这篇文章中,提出了数字2(一个)。这个整体电路配置组成的串联 耦合谐振器。每个耦合谐振器 由三个子组件的串行连接:其绕组自身电感 ,其阻力 ,其绕组补偿电容 。特别是,第一个( )和最后一个( )耦合谐振器被指示为源和负载耦合谐振器,分别。除了他们的典型的子组件,源耦合谐振器还包括来源,励磁电压源 其阻抗 而负载耦合谐振器包括加载,阻抗 。确定上述耦合谐振器的子组件参数,提出了大量的分析模型在文献[4,92年- - - - - -103年]。在本文的数学公式4,42,53,92年,103年)采取了由于他们的理论简单和可行的有效性。

因为它显然是如图2(一个),每个耦合谐振器 为电流提供路径 流。耦合谐振器的电流 决定通过以下一般电路方程: 在哪里 表示一个矩阵的转置, 是一个 矩阵元素为零 矩阵根据频率、耦合谐振器特性,源和负载阻抗和相互之间的电感耦合谐振器 (40,52,60,62年- - - - - -64年]。应该注意的是,(1)描述及配置,并不局限于操作的(自我)共振频率(更多细节,请参阅部分4.1。5)。

在三个假设条件下关于WPT DCR configurations-see部分3所示。2pte的DCR配置图中描述2(一)是由 结合(1)和(2),它很容易证实PTE主要取决于相互电感耦合谐振器 耦合谐振器,电阻 , 、源阻抗 和负载阻抗 对于一个给定的DCR配置,即(62年),

应该注意的是,理论分析DCR配置实验已经验证的40,52,60,62年- - - - - -64年]。

3.2。假设关于WPT DCR配置

研究WPT的行为及配置,需要三个假设的理论分析则没有这些配置,然而,失去其理论普遍性,即以下。(1)identical-that所有使用耦合谐振器,它们包含相同的子组件呈现相同的几何、材料、和与电路有关的特征和他们被放置在每个DCR配置线性路径中,同轴。(2)所有的考虑耦合谐振器对于一个给定的CDR配置被认为具有相同的自已谐振频率之间为了有效地交换权力而消散小权力无关的对象,也就是说, 在哪里 是self-resonance频率(更多细节,请参见也部分吗4.1。5)。(3)源和负载阻抗假定为欧姆电阻。

3.3。简化近似为同轴和圆形及配置

参照图2(一),(3),利用著名的麦克斯韦方程计算相互同轴圆细丝的电流回路的电感57,62年,104年),PTE的DCR配置 同轴和循环耦合谐振器可以表示为一个函数的每两个耦合谐振器的距离 , 源阻抗和负载阻抗,即(40,52,60,62年- - - - - -64年),

实际上,因为它认为DCR配置感兴趣的,相等的距离 假设相邻耦合谐振器。因此,PTE的DCR配置 等距的同轴和循环耦合谐振器完全取决于耦合谐振器的数量,源阻抗和负载阻抗为给定的传输距离。因此,PTE DCR配置可以进一步简化

3.4。实际DCR配置和近似CSM的方法

直到现在,部分中给出的理论分析3所示。1- - - - - -3所示。3可以成功地处理实际的行为的特点及配置。然而,它的主要问题,这是很常见的所有相关文献的理论模型(40,52,60,62年- - - - - -64年),是利用互感矩阵的大小,阻碍了它的实际实现时大量的耦合谐振器需要部署。

到目前为止,几种近似方法融合结果被用来确定WPT的PTE系统(14,21,24,26,73年,105年- - - - - -109年]。摘要CSM的方法,提出了构成一个改进版本的散射矩阵方法首先提出了73年]。应用CSM方法,分为segments-DCR DCR配置模块,每个人包括连续耦合谐振器遇到distance-see转移图2(b)。目前工作中使用的模型是基于散射矩阵公式中引入[73年- - - - - -75年),或者用作ABCD矩阵公式(24,26]。

3.4.1。CSM方法和DCR模块

WPT通过各种DCR模块考虑各自的csm。如图2(b),一个典型的DCR配置包含三种不同类型的DCR模块,即以下。 源及模块。这是第一DCR DCR配置模块。参照图2(一)、源的CSM DCR模块是由 在哪里 , , , 的元素吗 矩阵。 负载及模块。这是最后的DCR模块及配置。参照图2(一)、源的CSM DCR模块是由 在哪里 , , , 的元素吗 矩阵。 耦合谐振器及模块。有 耦合谐振器及模块,所有其他的DCR模块源和负载的独家DCR模块。参照图2(一)耦合谐振器的CSM DCR模块 是由

因为假定输入和输出终端匹配,已经确定了CSM的各种DCR模块,整体的CSM DCR配置考虑评估适当的级联规则秩序从[74年,75年,110年,111年] 在哪里 , , , 的元素吗 矩阵。

整个端到端散射矩阵得到 在哪里 , , , 的元素吗 矩阵。

参照(11)和图2(一)PTE的DCR配置的 元素的 矩阵,即 在哪里 是反映负载电压和入射波电压源,分别去图吗2(一)当入射波一个2加载模块和反射波b1分别源等于零,也就是说,输出和输入终止匹配,分别已假定(74年,75年,110年,111年]。

3.4.2。近似CSM和同轴和圆形及配置方法

因为它已经被证明在部分3.4.1CSM方法是一个通用方法,可以确定任何的PTE DCR配置一个简单的方法。然而,的可行性(12)在WPT系统仍然有限,特别是在DCR配置摘要由于其复杂的依赖各种DCR配置参数。增强其适用性,近似CSM方法时提出,来自CSM方法简化应用,即以下。(我)按照假设的第1部分3所示。2,从(10),整个CSM简化 (2)由于其结构和令人满意的精度,及模块可以近似为互惠(对称),无损耗,和完全匹配的传动组件24,26,73年- - - - - -75年,110年,111年]。因此,整体的CSM (13)可以进一步简化 在哪里 , , , 的元素吗 矩阵和 , , , 的元素吗 矩阵。(3)基于(12)和transmission-line-like近似CSM (14),近似PTE的DCR配置 耦合谐振器和距离 决定从 (iv)方程(15)可以进一步简化流程图程序通过以下简单的级联规则: 在哪里 实际上描述了附加PTE时应考虑插入一个新的DCR模块,因此,扩大现有的及配置。

3.5。及配置等实际问题

尽管较高的电压水平可以通过简单地增加及配置的源励磁电压,需要比平时更有效的散热方法,防止来源是,源晶体管过热,包和绝缘故障和损坏。更具体地说,在WPT在高压和MV的应用程序,支持的功率要求强制空气或水冷却源耦合谐振器,使其温度仍低于70°C (18,67年]。关注电感的热损失和参数温度升高在这些组件不是关键,因为他们是被动组件和更有弹性。然而,绝缘油的使用可以减少任何潜在的热风险。

除了上述过热问题,中期和长期WPT技术不仅功率损耗,而且源和受害者的电磁干扰(EMI)和外部的谐振器,分别。由于WPT通过DCR配置,适当的屏蔽的厚度和重量应采用。盾的使用许可系统的环境中更EMI健壮的磁场附近的外部谐振器可能与磁场相互作用的耦合谐振器及配置。然而,屏蔽是超出了本文的范围。因此,假设DCR配置操作环境的外部谐振器极度退化的PTE DCR配置(57,67年,112年]。

此外,在高频率,及配置的耦合谐振器的行为变得与他们交流低频行为不同。其实,皮肤和邻近效应影响耦合谐振器行为和负责共振频率。为了获得更精确的结果应用CSM方法几百千赫以上频率或MHz,合适的高频的预测修正条款的三个子组件及模块(如寄生电容)的设计是至关重要的高频及配置(4,92年- - - - - -103年]。

最后,正如已经提到的,今天的WPT技术主要利用电磁近场波而DCR配置进一步利用MRC现象(3,32,36,44- - - - - -53]。特别是这一现象促进了大量的WPT的权力在中期和长期的距离。然而,这种远程的大功率WPT骚动对其对人类健康有害的结果,他们可能会导致(12]。按照(61年,105年,113年),WPT应符合EMI和电磁兼容性(EMC)规定,实施安全水平对人类暴露于射频电磁场。

4所示。数值结果与讨论

各种类型的数值结果及配置旨在调查(a) PTE的关系与特定的DCR配置设计参数;(b)的有效性和准确性,通过近似CSM描述及配置方法;(c)潜在的电力变压器替代实际及配置;和(d)最小和最大WPT距离实际DCR配置可以覆盖给定TR。

研究的行为及配置,实际的循环和同轴耦合谐振器已被选定的文学。以下理论研究进行了基于这些实际的参数耦合谐振器,已被实验验证(40,52,60,62年- - - - - -64年),被发表在表1


耦合谐振器线圈的半径 (毫米) 线圈的数量 导线半径 (毫米) 层的线 负载阻抗 (Ω) Self-resonance频率 (赫兹) 铜的导电性 (女士/米)

155年 11 1。2 1 17 530年 59.6

4.1。High-PTE设计及配置

实现高PTE实用及配置,丰富的设计参数及配置需要适当调整。朝着这个方向,几个参数的识别和调查的影响PTE的DCR配置,即:半径耦合谐振器的线圈,线圈的数量,电线用于线圈的半径,耦合谐振器的数量对于一个给定的传输距离,操作频率,和源和负载阻抗。

涉及本节的仿真,除了名义上详细的参数值表1、两种不同的DCR配置场景及配置情况下,A和b是使用的添加剂名义报道在表的参数值2


传输距离 (m) 数量的耦合谐振器 (m) 距离跨度 (m) 电压源 (V) 源阻抗 (Ω)

场景一 0.6 3 0.3 220年 3.45
情形B 0.9 4 0.3 220年 1.42

按照表12,这两个场景都精心挑选的数值结果的理论分析部分3所示。1- - - - - -3所示。3也将通过实验验证试验的实验测量,已提出了(62年]。

以下4.4.1。耦合谐振器线圈的半径

众所周知,线圈尺寸和形状严重影响其发生磁场的大小和分布。事实上,这些字段是密切相关的PTE magnetoinductive谐振器系统。更具体地说,耦合谐振器线圈的半径在DCR配置中扮演重要的角色向高效wpt自电力传输主要是在相对较短的距离,它们的半径(44,45,54,114年- - - - - -117年]。

在图3,PTE是策划与耦合谐振器线圈的半径及配置场景A和b在同一图,PTE的这两个DCR配置场景也有其相应的实验测量耦合谐振器线圈半径的名义价值时认为,

显然表明,耦合谐振器线圈的半径变大时,PTE增加到最大值点,然后,顺利趋于0无论采用DCR配置。这种PTE的行为是通过分析解释发生的磁场在DCR配置传输路径;在一个环形线圈半径 磁场强度是在距离最大化 沿着它的线圈轴(4,118年]。在DCR配置的情况下,线圈轴耦合谐振器的配合及配置传输路径。类似于简单的情况下,PTE最大化时的距离跨度约等于这个磁场最大化的距离。注意,这个结果可能意味着逆向设计过程,这样可以确定最佳耦合谐振器线圈半径;例如,参照图3和名义距离跨度( ),PTE最大化时耦合谐振器线圈半径约等于 ,无论采用DCR配置场景。

此外,物理约束的存在,决定了耦合谐振器线圈半径的上边界或优雅的PTE过渡到零;当耦合谐振器线圈半径的增加,其线圈周长往往成为波长可比。因此,线圈半径的阈值以上,耦合谐振器电流呈现不均匀的分布在PTE性能有负面影响并解释图的曲线形式3(57]。

4.1.2。耦合谐振器线圈的匝数

的有效途径增加耦合谐振器线圈的可用的范围,因此,PTE的DCR配置添加多个转向耦合谐振器线圈。所示(26,92年,119年),增加线圈的数量 之间的互感耦合谐振器增加与平方

在图4,PTE是策划与耦合谐振器线圈的匝数及配置场景A和b在同一图,PTE的这两个DCR配置场景也有其相应的测量当耦合谐振器的标称值线圈数量是认为,

观察图4,很明显,随着圈数变得更高,PTE增加到最大值点,然后,减少到零无论采用DCR配置;只有调整耦合谐振器,线圈的数量及配置PTE可以显著提高。在实践中,这种技术在未来会变得有用,因为它允许电力公司很容易设计高效WPT系统和远程应用程序(中期120年]。

然而,物理约束,定义了PTE最大对线圈的数量与欧姆损失;随着线圈的数量将增加,导线长度和每个耦合谐振器线圈各自的欧姆损失。这种添加剂损耗变得至关重要的防止连续增加PTE的实际及配置。

4.1.3。电线用于耦合谐振器线圈的半径

按照部分4.1。2,容许pte的成就对于一个给定的DCR配置是以电阻减少使用耦合谐振器线圈。耦合谐振器的有效技术对减少线圈电阻线圈导线的横截面的扩展。

在图5,PTE绘制和使用导线的耦合谐振器线圈的半径及配置场景A和b在同一图,PTE的两个DCR配置场景也画以及相应的测量时的名义价值半径耦合谐振器线圈的电线是认为,

从图5,很明显,半径增加需要增加相应的PTE。然而,这PTE增加边际经过几个毫米的导线半径由于集肤效应(121年]。实际上,除了这个PTE边际增加,线半径的无节制的增加导致增大耦合谐振器线圈大小。在许多实际的设计及配置,有一定的空间限制,限制这种耦合谐振器线圈配置增加。由于这一事实,在耦合谐振器线圈电阻的估算,耦合谐振器线圈尺寸必须首先指定,然后使用线圈的电阻是派生的关系(i)半径coils-see部分4.1。1;(2)数的线圈turns-see部分4.1。2;(3)线圈电感;及(iv)使用线圈导线的最大半径(121年]。

4.1.4。数量的耦合谐振器

因为它已经在部分4.1。1- - - - - -4.1。3,WPT的特点及配置可以通过理论分析提出预测和优化。这是可行的通过适当的调整相关耦合谐振器的固有属性。尽管如此,上述PTE的结果部分4.1。1- - - - - -4.1。3应该考虑在DCR配置设计的阶段。这个操作限制减少了他们的实用性和适用性已经WPT系统安装。

为了克服低PTE的中期和远程应用程序,然而,取代已经安装及配置,提出了大量的可能的解决方案(62年,89年,122年]。在这些建议中,这吸引了最近的关注由于其承诺PTE结果在中期和远程应用程序插入额外的耦合谐振器。额外的排列以及现有的耦合谐振器在现有的DCR配置传输路径,实现更高的pt。

在图6,PTE是策划与耦合谐振器的数量对于一个给定的传输距离及配置应用场景a和B。在同一个图,PTE的两个DCR配置场景也绘制相应的测量时的名义价值耦合谐振器的数量被认为是, 分别为DCR配置场景A和B。

6表明低PTE可以减轻通过调节耦合谐振器的数量,因此,远处的DCR配置。类似于图的PTE理论最大化3,PTE最大化时跨越的距离等于磁场最大化距离等于 或者约110毫米,当DCR配置场景属性。由于跨越的距离和传输距离是已知的,这需要耦合谐振器的数量约等于5和8 A和B为DCR配置场景,分别。各自的PTE理论最大化曲线两个DCR配置场景也在图6。注意,在数据略有差异36之间的数值和理论结果来自domino安排的累积磁场效应与单个谐振器线圈耦合谐振器的考虑。

因为它是观察从图6,除了concativity PTE曲线对耦合谐振器的数量,另一个有趣的评论这些曲线是波动的存在。一般来说,一个HF-band DCR配置提出了阻抗的变化,因为它的互耦系数显著改变对跨越的距离;随时间的距离,相互耦合系数平均提高(123年,124年]。

实际上,阻抗失配的影响平均增加对耦合谐振器的数量。这是由于这样的事实,反映阻抗礼物重要的变化取决于耦合程度与耦合谐振器的数量。因此,PTE的耦合程度的波动导致各自的波动曲线。事实上,根据(6)和假设1的部分3所示。2,这PTE的行为是合理的,因为它主要取决于耦合谐振器的数量和阻抗不匹配,纳入理论模型的源和负载阻抗的存在。

比较数据36,一个有趣的平衡线圈半径之间的耦合谐振器和耦合谐振器的数量可以提出。更具体地说,在数字7(一)7 (b)PTE是策划和线圈半径耦合谐振器和耦合谐振器的距离跨度对于一个给定的传输距离及配置场景a和B是检查,分别。事实上,相互耦合时减少降低线圈半径和应用跨越更大的距离。这种行为意味着一个相应的减少PTE的性能及配置。因此,对于给定的线圈半径,pt,大于80%只能实现跨度有点大,如果距离等于或略小于线圈半径( )。在非常大的空气间隙 ,PTE迅速减少允许只有一个低数量的权力交付或低周期性工作。如今,这种低PTE操作,这也被称为高品质因数耦合,通常是采用实际今天的WPT系统具有高耦合谐振器线圈的匝数(2,3,52]。

在纯电磁计算,PTE的行为可以解释通过电场耦合谐振器的分析,即(54,125年]:(i)跨度小于线圈半径的距离:电场是Hankel-function形式。这个函数的特点是其最初exponential-like政权及其长尾与线圈半径;(2)跨越高于线圈半径的距离:电场的函数的特点是其振荡/辐射机制。这需要这种力量正在缓慢泄漏的谐振器线圈。

因此,可以选择距离跨度,短或大于常见的耦合谐振器线圈半径。非辐射的能量就能转移两个耦合谐振器之间的耦合resonant-field消散的尾巴在这两种情况下(55]。关键的决定是选择距离跨度和高效率的结合线半径根据实际需求为了平衡PTE和实用性及配置58]。

4.1.5。工作频率

本非辐射的方法,随后在DCR配置,提出了严重的潜在更有效地供电相比,传统的低频感应系统(44,54,67年,103年,126年- - - - - -129年]。依照最近的大量论文和各种实验验证(3,36,54,68年,126年),可以实现更好的PTE性能通过使用更高频率在千赫或几兆赫范围。

在图8,PTE是策划与操作频率及配置场景A和b在同一图中,PTE的两个DCR配置场景也画以及相应的延长组测量时self-resonance频率是认为, (62年]。

在数据9(一个)9 (b),PTE是策划与操作频率和距离跨度当DCR配置场景A和B,分别。

观察数据8,9(一个)9 (b)可以指出,一些有趣的评论。(我)在传统WPT系统使用谐振电感耦合方法,操作频率是固定的关于他们的传输距离57]。相反,WPT系统遵循MRC DCR配置等方法研究在这篇文章中,共振频率随尊重他们的传输距离。然而,在WPT系统的实际实现,可用的操作频率是由监管当局。因此,为了维持谐振频率稳定,绕组应该补偿参数自适应调整。(2)共振频率及配置可能不同于自已谐振频率的耦合谐振器。事实上,共振频率时获得的谐振频率的奇数和偶数模式已经知道(DCR配置的两个PTE maxima场景图8)[57]。(3)随着耦合谐振器之间的距离跨度的增加,减少相应的耦合。这结果,分离频率描述奇数和偶数模式之间的区别也减少。这个频率分离持续减少,直到两个极大值收敛在一个(见的唯一PTE最大DCR配置场景图8)。PTE的工作频率最大化发生耦合临界点和代表来标示的最远距离最大PTE仍然achievable-see数字9(一个)9 (b)(3]。(iv)当几个耦合谐振器部署和跨越的距离变得很小的耦合谐振器线圈半径相比,多模操作退出在DCR配置。这个操作类型的特点是其大量PTE极大值在低距离横跨在检查DCR配置scenarios-see数字9(一个)9 (b)(v)PTE可以提高在更广泛的范围内耦合谐振器属性如果工作频率选择与其他DCR配置属性。有人指出最优操作频率可高于或低于谐振频率取决于DCR配置属性(63年]。总之,轻微的转变,从最优操作频率可以增加或减少PTE批判性。(vi)结合数据7(一)7 (b)与图8可以报道,如果跨度小于线圈半径的距离然后视为overcoupled DCR配置操作,它导致最大PTE。相反,当距离跨度高于线圈半径,及配置操作可以被视为undercoupled有结果的权力交付给负载急剧变弱和距离(参见图6)。参照(3),可以实现几乎PTE如果合适的操作频率和距离是成功地确定了对于给定的距离。(七)PTE数值和实验测量结果之间的差异归因于使用数学公式和轻微的差异发生在DCR配置使用场景参数以确定耦合谐振器的子组件。

4.1.6。源和负载阻抗

节中已经提到4.1。4耦合谐振器数量的增加,对于一个给定的传输距离,耦合系数越大,阻抗失配。相反,参照图8的深刻原因,存在多个谐振频率,它允许多个最大跨度pt在很短的距离,阻抗不匹配的存在在DCR配置(123年,130年,131年]。因此,PTE DCR配置可以优化通过简单调节阻抗不匹配在源或负载耦合谐振器。

在数据10 ()10 (b),PTE是策划与源和负载阻抗时DCR配置应用场景A和B,分别。

从数据10 ()10 (b),某些想法可以表达,即如下。(我)类似于其他通信系统,WPT阻抗匹配的概念,也就是说,调整源和负载阻抗之间的比例,利用变量capacitances-such绕组进行补偿的参数图2(一)——电感为了维持高PTE [25]。(2)在大多数今天的WPT系统,他们的报道PTE是30%到50%之间4,132年]。最近,有趣的反馈方法,研究加载的影响最大化的PTE WPT系统提出了改善PTE表现,PTE的范围可以在70%以上(69年,133年- - - - - -135年]。(3)通过引入阻抗匹配的概念,新的参数有关的设计及配置。现在,负载的问题是有益与其余DCR配置参数的优化过程133年,136年]。实际上,存在一个最佳组合的源和负载阻抗PTE最大化但诉诸于数值方法找到这个最优集。提出的方法验证研究结果的理论analysis-see (3)达到最大pt超过80%在实际DCR配置实现提供显著的性能优势。(iv)必要属性特征有效DCR配置操作的能力当大量的跨越距离和频率发生不需要精确的手工调整的源和负载阻抗。类似于自动频率调谐(3),所设计的系统,可以自动调整,以提供最大pt及配置扩展系统的工作范围内。

4.1.7。讨论影响PTE的DCR配置的参数

上述分析已经确定最重要的设计参数,影响PTE的实际及配置。在表3,这些参数以及他们PTE性能synopsized在被认为是DCR配置场景A和B当名义值表12和最优值的部分4.1。1- - - - - -4.1。6采用。


场景一 情形B
名义值 最优值 名义值 最优值

耦合谐振器线圈半径(部分4.1。1)/ PTE 155毫米/ 76.38% 230毫米/ 79.24% 155毫米/ 68.53% 272/90.47%
耦合谐振器线圈的匝数(部分4.1。2)/ PTE 11/76.38% 18/78.59% 11/68.53% 25/90.27%
电线用于耦合谐振器线圈的半径(部分4.1。3)/ PTE 1.2毫米/ 76.38% 5毫米/ 81.45% 1.2毫米/ 68.53% 5毫米/ 75.06%
耦合谐振器线圈(部分4.1。4)/ PTE 3/76.38% 11/90.27% 4/68.53% 7/90.81%
操作频率(部分4.1。5)/ PTE 530千赫/ 76.38% 521千赫/ 76.74% 530千赫/ 68.53% 466千赫/ 81.34%
源和负载阻抗(部分4.1。6)/ PTE 3.45Ω,17Ω/ 76.38% 0Ω,12.6Ω/ 92.32% 1.42Ω,17Ω/ 68.53% 0Ω,19.3Ω/ 88.95%

检查表3,这显然表明DCR配置参数的场景很好调整而场景B的充分调整。不管怎么说,在所有的情况下检查,他们的pt相对接近最优值。因此,由于这些有利的特点,能够有效利用这两种DCR配置在下面的理论分析实际安装及配置要求。

此外,因为它已经被确认和中提到64年),理论分析和实验数据之间的协议是优秀的。这一结果表明,PTE的DCR配置可以通过开发模型准确地预测和优化不需要进一步的实验。

4.2。实际DCR配置和近似CSM的方法

直到现在,部分中给出的理论分析3所示。1- - - - - -3所示。3及其相应的数值结果表明部分4.1。1- - - - - -4.1。7有准确地描述PTE的行为及配置。然而,理论分析的主要问题是使用互感矩阵的大小,阻碍了其实际实现中期和长期实际DCR配置时要部署(40,52,60,62年- - - - - -64年]。为了节省计算资源和时间,需要有一个模型,如近似CSM的方法,提供了快速而准确的数值结果中期和长期DCR配置。

基于(16一个)- (16 c),为了准确地应用近似CSM方法,应遵循以下两步过程。(1)初始化过程。的基础上(16 b),初始化过程概述了源和负载模块PTE的贡献。在应用部分的理论分析4.1。4 , 假定等于理论PTE。(2)耦合谐振器的贡献。在此阶段,耦合谐振器的贡献计算PTE。的基础上(16一个),应用的理论分析部分4.1。4 耦合谐振器, 假定等于理论PTE。自 众所周知,额外的PTE退化由于插入一个新的DCR模块 是直接计算(16一个)。

近似CSM的准确性数值结果的比较验证了方法的各自的理论分析部分3所示。1- - - - - -3所示。3。朝着这个方向,及配置方案的属性详细表12只考虑。由于配置和数值结果与DCR配置场景相似性,及配置场景B是被忽视的,以后。

在这篇文章,因为它担心DCR属性配置场景,耦合谐振器的数量和跨越的距离定义,这样近似CSM方法将检查的准确性。注意,在本节内,传输距离及配置,基于DCR属性配置场景,是可变的,取决于耦合谐振器的数量和跨越的距离

更具体地说,在数字(11日)11 (b),PTE是策划与耦合谐振器的数量和距离跨度的理论分析部分3所示。1- - - - - -3所示。3分别和近似CSM方法应用。在图11 (c),绝对PTE区别这两个方法。

从数据(11日)- - - - - -11 (c),可以看出理论分析和近似CSM方法一致当耦合谐振器的数量和/或跨越的距离足够大而他们产生非常接近的结果在小DCR配置(即耦合谐振器,小距离跨度)。因此,近似CSM方法准确描述PTE深度或程度的中期和长期DCR配置感兴趣的配置。

在数值方面,当实际部署及配置,PTE范围从4.56×10−15%到98.33%,从3.43×10−15%到97.67%的理论分析和近似CSM方法,分别。实际上,95%的实际DCR配置检查数据(11日)- - - - - -11 (c)这两个方法之间的绝对差低于4.92%。因此,近似CSM PTE的方法提供了一种准确表示虽然很容易适应各种DCR配置。近似CSM将采用其他方法模拟。

最后,大组可用PTE的值给了很多箭头的箭袋及配置设计师让无数的潜在的应用程序开发。其中一些应用程序相关的电力传输和分配要突出在以下分析。

4.3。电力变压器和实用及配置

今天的电网需要变得更聪明,以提供一个负担得起的,可靠的和可持续的电力供应80年]。最近,大量的活动进行了以指导未来智能电网的发展。然而,大多数的这些活动只强调建设、可再生能源和通信方面离开外框架WPT技术等先进的概念。本节强调了一个新的未来愿景的智能电网中高压的替代潜力/ MV, MV / LV和高压/低压变压器(和输电线路分支的一部分)。在这一愿景中,每一个电力变压器可以被认为是一个实用的DCR配置功能由一连串的DCR模块源电压等于电源变压器输入电压。DCR配置的特性和功能,以及肥沃的土壤,这些特性和功能启用时,在本节讨论。

4.3.1。高压的概述,MV, LV输电线路和各自的电源变压器

因为它已经提到的部分2.1,电网主要分为三个主要功能(即。,power generation, transmission, and distribution) that mainly support three (voltage level) subnetworks, namely [24,25,43,62年,86年,87年,137年- - - - - -139年),以下。(1)高压子网。这个子网的十个最典型的输电线路全世界1000千伏、765千伏、500千伏、400千伏、230千伏、220千伏、132千伏、110千伏、66千伏和50 kV。(2)MV子网。十个最常见的类型的输电线路的子网的世界各地的35 kV, 33千伏,22 kV, 15千伏,11 kV、10 kV, 6.6 kV, 6 kV, 3.3 kV和2.2 kV。(3)LV子网。这个子网的三种最典型的输电线路全世界400 V、380 V、220 V。

按照部分2.2,并正在考虑上述三个子网的电压水平,三个主要类别的降压变压器发生。(我)高压/ MV和MV / LV电力变压器。高压/ MV和MV / LV电力变压器定义他们之间的“电压桥”input-HV MV,奖学金output-MV和LV, respectively-subnetworks。他们的TRs取决于这些输入和输出子网。(2)高压/低压电力变压器。类似于这两个主要类别和节已经提到2.2功率输出在极少数情况下,高压/低压电力变压器可以部署构成第三降压变压器的主要类别。

根据他们的TRs, 高压/ MV, MV / LV, 高压/低压电力变压器检查在本文的其余部分。输入和输出电压水平以及各自的TRs报道在表4


四世 机汇 TR 四世 机汇 TR 四世 机汇 TR 四世 机汇 TR 四世 机汇 TR

高压/ MV电力变压器
1000千伏 35千伏 3.5% 1000千伏 33千伏 3.3% 1000千伏 22千伏 2.2% 1000千伏 15千伏 1.5% 1000千伏 11千伏 1.1%
1000千伏 10 kV 1% 1000千伏 6.6 kV 0.66% 1000千伏 6 kV 0.6% 1000千伏 3.3 kV 0.33% 1000千伏 2.2 kV 0.22%
765千伏 35千伏 4.58% 765千伏 33千伏 4.31% 765千伏 22千伏 2.88% 765千伏 15千伏 1.96% 765千伏 11千伏 1.44%
765千伏 10 kV 1.31% 765千伏 6.6 kV 0.86% 765千伏 6 kV 0.78% 765千伏 3.3 kV 0.43% 765千伏 2.2 kV 0.29%
500千伏 35千伏 7% 500千伏 33千伏 6.6% 500千伏 22千伏 4.4% 500千伏 15千伏 3% 500千伏 11千伏 2.2%
500千伏 10 kV 2% 500千伏 6.6 kV 1.32% 500千伏 6 kV 1.2% 500千伏 3.3 kV 0.66% 500千伏 2.2 kV 0.44%
400千伏 35千伏 8.75% 400千伏 33千伏 8.25% 400千伏 22千伏 5.5% 400千伏 15千伏 3.75% 400千伏 11千伏 2.75%
400千伏 10 kV 2.5% 400千伏 6.6 kV 1.65% 400千伏 6 kV 1.5% 400千伏 3.3 kV 0.83% 400千伏 2.2 kV 0.55%
230千伏 35千伏 15.2% 230千伏 33千伏 14.3% 230千伏 22千伏 9.57% 230千伏 15千伏 6.52% 230千伏 11千伏 4.78%
230千伏 10 kV 4.35% 230千伏 6.6 kV 2.87% 230千伏 6 kV 2.61% 230千伏 3.3 kV 1.43% 230千伏 2.2 kV 0.96%
220千伏 35千伏 15.9% 220千伏 33千伏 15% 220千伏 22千伏 10% 220千伏 15千伏 6.82% 220千伏 11千伏 5%
220千伏 10 kV 4.55% 220千伏 6.6 kV 3% 220千伏 6 kV 2.73% 220千伏 3.3 kV 1.5% 220千伏 2.2 kV 1%
132千伏 35千伏 26.5% 132千伏 33千伏 25% 132千伏 22千伏 16.7% 132千伏 15千伏 11.4% 132千伏 11千伏 8.33%
132千伏 10 kV 7.58% 132千伏 6.6 kV 5% 132千伏 6 kV 4.54% 132千伏 3.3 kV 2.5% 132千伏 2.2 kV 1.67%
110千伏 35千伏 31.8% 110千伏 33千伏 30% 110千伏 22千伏 20% 110千伏 15千伏 13.6% 110千伏 11千伏 10%
110千伏 10 kV 9.09% 110千伏 6.6 kV 6% 110千伏 6 kV 5.45% 110千伏 3.3 kV 3% 110千伏 2.2 kV 2%
66千伏 35千伏 53% 66千伏 33千伏 50% 66千伏 22千伏 33.3% 66千伏 15千伏 22.7% 66千伏 11千伏 16.7%
66千伏 10 kV 15.2% 66千伏 6.6 kV 10% 66千伏 6 kV 9.09% 66千伏 3.3 kV 5% 66千伏 2.2 kV 3.33%
50 kV 35千伏 70% 50 kV 33千伏 66% 50 kV 22千伏 44% 50 kV 15千伏 30% 50 kV 11千伏 22%
50 kV 10 kV 20% 50 kV 6.6 kV 13.2% 50 kV 6 kV 12% 50 kV 3.3 kV 6.6% 50 kV 2.2 kV 4.4%

MV / LV电源变压器
35千伏 400 V 1.14% 35千伏 380 V 1.09% 35千伏 220 V 0.63% 33千伏 400 V 1.21% 33千伏 380 V 1.15%
33千伏 220 V 0.67% 22千伏 400 V 1.82% 22千伏 380 V 1.73% 22千伏 220 V 1% 15千伏 400 V 2.67%
15千伏 380 V 2.53% 15千伏 220 V 1.47% 11千伏 400 V 3.64% 11千伏 380 V 3.45% 11千伏 220 V 2%
10 kV 400 V 4% 10 kV 380 V 3.8% 10 kV 220 V 2.2% 6.6 kV 400 V 6.06% 6.6 kV 380 V 5.76%
6.6 kV 220 V 3.33% 6 kV 400 V 6.67% 6 kV 380 V 6.33% 6 kV 220 V 3.67% 3.3 kV 400 V 12.1%
3.3 kV 380 V 11.5% 3.3 kV 220 V 6.67% 2.2 kV 400 V 18.2% 2.2 kV 380 V 17.3% 2.2 kV 220 V 10%

高压/低压电力变压器
1000千伏 400 V 0.04% 1000千伏 380 V 0.04% 1000千伏 220 V 0.02% 765千伏 400 V 0.05% 765千伏 380 V 0.05%
765千伏 220 V 0.03% 500千伏 400 V 0.08% 500千伏 380 V 0.08% 500千伏 220 V 0.04% 400千伏 400 V 0.1%
400千伏 380 V 0.1% 400千伏 220 V 0.06% 230千伏 400 V 0.17% 230千伏 380 V 0.17% 230千伏 220 V 0.1%
220千伏 400 V 0.18% 220千伏 380 V 0.17% 220千伏 220 V 0.1% 132千伏 400 V 0.30% 132千伏 380 V 0.29%
132千伏 220 V 0.17% 110千伏 400 V 0.36% 110千伏 380 V 0.35% 110千伏 220 V 0.2% 66千伏 400 V 0.61%
66千伏 380 V 0.58% 66千伏 220 V 0.33% 50 kV 400 V 0.8% 50 kV 380 V 0.76% 50 kV 220 V 0.44%

输入电压水平:第四。输出电压水平:OV。
4.3.2。的潜力取代高压/ MV, MV / LV和高压/低压变压器与实用及配置

在文献中已经提到[52,64年),及配置可以被解释为一个扩张的电力变压器,它由两个线圈。事实上,电力变压器的方程已经在教科书76年- - - - - -78年]。促进分析,从(12),这是提醒PTE大约可以假定等于TR的绝对值的平方为给定的电力变压器。

因此,研究表4,观察TR电力变压器范围从0.02%到70%。然而,从节4.2,已经验证,实际DCR配置PTE范围从3.43 10−15%到97.67%。这意味着实际DCR配置TR范围从5.86左右 10−9%到98.83%。因此,实际的DCR配置TR设置定义了一组超集,包括各自的TR的电力变压器。为了验证这个重要的发现,在图12(一个)、实用及配置TR策划与耦合谐振器的数量和传输距离当DCR配置场景采用一个属性。在数据12 (b)12 (c),最小和最大电力变压器TR等高线弯曲,分别。

从数据12(一个)- - - - - -12 (c),很明显,实际DCR配置可以实惠,可靠,和可持续取代高压/ MV或MV / LV,或高压/低压电力变压器在所有TR实际DCR以来的操作周期配置重叠各自的电源变压器。然而,WPT技术定义了一个新的技术解决方案,需要时间和大量的研究工作,成为替代已经成熟和有效的验证技术,如电力变压器。

此外,数据的数值结果12(一个)- - - - - -12 (c)证明有效的转移路径的实际及配置可以足够长的时间到达距离超过1公里仅使用一些耦合谐振器。这距离不仅呈现顺序接受电力变压器的替换,但也可以允许更换整个输电线路分支。总之,情节等图12(一个)可以操作的经验法则来设计实践及配置所需的传输距离和TR。

4.4。去年电缆问题,电力变压器,实用及配置

如今,兴趣WPT技术的研究和开发已经飙升。的主要目标可能WPT系统的广泛应用是解决问题的最后电缆。为了解决这个问题,WPT网络可以与传统的混合电网基础设施。无论如何,最后一英里和去年电缆问题以及它们集成开辟新的视野电气工程和科学的社会学。

前调查实际的功能及配置的最小和最大支持WPT距离和强调过去的电缆问题解决方案,概述定义这个问题给出的参数:输电线路分支的长度和电力变压器的尺寸。

4.1.1。探索去年电缆的参数问题:长度的输电线路分支和电力变压器的尺寸

基于子网分类的部分4.3。1,各自的输电线路的特点是以下(24,25,43,62年,86年,87年,137年- - - - - -146年]。(1)高压子网。架空高压输电线路通常定义的最低成本交付方法大大量电力。公用事业公司主要采用架空高压子网为新城市,郊区和农村的安装。今天,数千公里的架空高压输电线路安装在超过120个国家。一般来说,他们从大约25公里到190公里一代点之前到达临界载荷的目的地。较短的树枝在10公里的范围使用50公里以架空高压输电线路连接它们之间或与高压/ MV《变形金刚》。(2)MV和LV子网。公用事业公司雇佣的开销或地下分布电网新城市,郊区和农村MV和LV安装。他们的选择取决于不同的标准成本等要求,现有电网拓扑,并计划限制。今天,在城市地区,约45% -75%的地下输电线路(MV或LV的主要或分支的)表现出的路径长度短于200米。只有1%的-9%的人现在的长度超过500米。这些路径长度非常短路径长度的传输开销相比多达1000可能会遇到。实际上,在郊区和农村环境中,这些长度大大延长。

认为电力变压器,他们的尺寸是由输入电压,输出电压,额定容量的支持。在这三个因素中,额定容量往往是关键参数,而不是输入和输出电压。基于上述子网分类、典型的维度的电力变压器使用以下141年,145年- - - - - -147年]。(1)高/ MV和高压/低压电力变压器。由于他们的高额定容量和高输入电压,其尺寸明显大于各自的MV / LV变压器。典型的长度、宽度和高度范围从2650毫米到4400毫米,从2250毫米到4250毫米和2750毫米到4900毫米,分别。(2)MV / LV电源变压器。除了各种类型的输电线路,MV / LV电源变压器定义当今电网的最常见的组成部分。有不同类型的MV / LV变压器根据使用。典型的长度、宽度和高度范围从670毫米到2400毫米,从600毫米到1450毫米和885毫米到2585毫米,分别。

10/24/11。接近去年电缆问题的解决方案

WPT通过DCR配置可以被归类到两个应用程序类,即,如下所示。(我)短期和中档应用程序类。到目前为止,这类高承诺作为设备替代技术,似乎特别适合日常城市和/或应用程序。事实上,短期和中档及配置的互动与外部减少谐振器由于其简单的DCR配置结构(44,54,103年,122年,148年]。为了提供增强的动力输送服务在短期和中档应用程序类,一些耦合谐振器和/或小的距离需要跨越。(2)远程应用程序类。这类礼物有限的使用者应用程序实现潜力和城市环境中由于高传输功率和长及所需的配置来实现电源与电力变压器的水平。为了提供增强的动力输送服务在远程应用程序中,几个耦合谐振器和相对跨越更大的距离相比,短期和中期需要应用程序类的安装及配置。通过这个类,并根据不同的子网,DCR配置可以替代电网设备和输电线路分支的一部分。在这个意义上,郊区和农村地区定义最合适的安装环境,可以应用在远程应用程序类。

中期调查的适用性和远程应用程序类,因此,他们的贡献解决方案最后电缆问题,高压/ MV, MV / LV和高压/低压电力变压器分别对待下面的仿真结果。表的基础上4最大、最小值、中位数和TR的高压值/ MV, MV / LV和高压/低压电力变压器被发表在表5。在同一个表中,相应的输入和输出电压水平也报道。


最低 中位数 最大
四世 机汇 TR 四世 机汇 TR 四世 机汇 TR

高压/ MV电力变压器
1000千伏 2.2 kV 0.22% 220千伏 10 kV 4.55% 50 kV 35千伏 70%

MV / LV电源变压器
35千伏 220 V 0.63% 6.6 kV 220 V 3.33% 2.2 kV 400 V 18.2%

高压/低压电力变压器
1000千伏 220 V 0.02% 230千伏 400 V 0.17% 50 kV 400 V 0.8%

输入电压水平:第四。输出电压水平:OV。

在图(13日),传输距离是策划与耦合谐振器的最低TR高压/ MV电源变压器DCR配置场景属性时采用。在相同的图,对部分4.1.1高压/ MV的最小和最大尺寸变形金刚。在数据13 (b)13 (c),同样的曲线与图(13日)吸引但对于中值和最大TR,分别。在数据(14日)- - - - - -14 (c)(15日)- - - - - -15 (c),同样的情节与人物(13日)- - - - - -13 (c)是弯曲的MV / LV和高压/低压变压器,分别。

观察数据(13日)- - - - - -13 (c),(14日)- - - - - -14 (c),(15日)- - - - - -15 (c),一些有趣的结论关于WPT之间的交互技术和去年可以推导出电缆问题,更具体地说,如下所示。(1)根据所需的TR,有大量可用的DCR配置和相应的传输距离。鉴于TR和所需的传输距离,耦合谐振器的具体数量可以直接被确定为所有类型的今天的降压变压器。(2)一般来说,传输距离及配置是一个凹函数对耦合谐振器的数量对于一个给定的TR。结合图的知识6,这种凹行为意味着相同的传输距离的结果可以通过两种不同的DCR配置在大多数情况下的传输距离。这个发现非常有用,因为之间的合适的选择及配置可能区分取决于频率和EMI当局强加的约束,安全操作的局限性对人类存在和健康,其他应用程序的限制,等等。(3)传输距离范围主要取决于所需的TR。低TRs-for例子,高/ MV和高压/低压电力transformers-permit长最大DCR配置传输距离而高TRs-for例子,MV / LV transformers-demand短的力量。相同的结果适用于最小的情况下传输距离。(4)在所有的情况下检查,电力变压器的尺寸小的子集定义相应的DCR配置传输距离集。因此,所有今天的降压变压器的类型可以被部署一个小数量的耦合谐振器,然而,超过他们现有的尺寸;说,高压/ MV, MV / LV和高压/低压变压器可以替换为4—2 - 11和2 - 6耦合谐振器当DCR配置场景采用一个属性。(5)尽管电力变压器替代的巨大潜力,及配置可以直接帮助去年电缆问题的部分解决方案。事实上,在所有的情况下检查,电力变压器最大尺寸明显低于所支持的最大传输距离及配置。平均而言,这个区别这两个极大值等于90米,100米和180米的高压/ MV, MV / LV,分别和高压/低压电力变压器。因此,除了电力变压器及配置可以有效地替代现有的分支线路的一部分。(6)结合前面的研究报告的部分4.1.1,很明显,实际DCR配置可以代替整个输电线路分支的MV和LV子网而他们可以替代部分高压子网输电线路分支。数值而言,平均而言,这区别这两个最大值的范围可以从7米到175米,从47米,150米和143米到219米的高压/ MV, MV / LV和高压/低压电力变压器,分别,所以周围的输电线路分支可以更换。因此,线路替代潜力取决于TR目标,变压器的尺寸,输电线路分支长度。(7)根据节4.1。7和表3DCR配置参数的情况下,很好地调整,因此,PTE和TR性能给出了代表图像的功能今天WPT的技术在中期和远程应用程序。然而,有足够的空间为改进以便DCR配置将是完美的调整,最后,揭示他们的最佳能力有关电缆的问题解决方案。

5。未来的工作

在现实中,有一个长途旅行之前WPT技术和最先进的产品遍布全球,广泛,可靠,可持续,并安全地采用社会取代一些传统的和可行的连接系统。然而,在这些WPT技术发展的初步阶段,理论方面和进步,愿景和概念证明是受欢迎的和必要的,。

DCR配置将加速各领域务实WPT技术的适应性等日常活动的动力输送,工业、医药、运输和消费电子产品(60,149年]。尤其是在引发和拱起危险的环境中可能发生,DCR配置可以完美的解决方案,采用以消除任何外部金属接触(67年]。

最后,需要电力电子,有更大的密实度,更好的可制造性和更高的性能触发器的追求戏剧性的增加操作的频率及配置。实现小型化等优点,更复杂的应用程序,改善PTE和TR的性能,和更好的集成无源元件的DCR配置,然而,需要设备、无源元件和电路设计,可以在有效运作所需的频率(150年,151年]。因此,一系列的相互关联和外围系统(例如,整流器,冷却系统,源晶体管,阻抗匹配系统中,调节器,过滤器,输入和输出子系统,e.t.c)需要重新设计的操作优化实际DCR配置将是保证,同时,实际的EMI DCR配置其他已经存在的电力和电信系统将减少(3,152年]。

6。结论

本文的替代潜力降压变压器和输电线路分支与DCR配置已经彻底调查。

基于详尽的理论分析以及实验和数值评估程序,降压变压器的重要替代潜力与DCR配置已被确认。除了这个关键验证,大量的二次研究已经报道:首先,分析理论分析适合DCR配置的研究提出了通过数值结果和实验测量和验证。此外,它已经表明,实用及配置已经在数值结果和用于电力变压器更换调整有关他们PTE和TR性能与最大实现PTE和TR相比,分别。第二,大量的参数影响PTE和TR的性能及配置已经认可,即耦合谐振器线圈的半径,耦合谐振器线圈的匝数,电线用于耦合谐振器的半径线圈,线圈耦合谐振器的数量,操作频率,和源和负载阻抗。这些设计参数的基础上,理论分析的结果,可能DCR配置调整已经认出这PTE的最大化和TR可能发生。第三,提出了近似CSM方法,应用并与相应的理论分析结果提供令人印象深刻的收敛结果:95%的实际及配置检查,绝对TR区别这两个方法是低于4.92%。近似CSM方法的主要优点是它的计算速度相比,各自的一个中期时的理论分析和远程部署及配置。第四,在所有160例高压/ MV, MV / LV,和高压/低压电力变压器在世界各地使用,实用及配置可以轻松替换所有。实际上,高压/ MV, MV / LV,和高压/低压电力变压器可以替换为4—2 - 11和2 - 6耦合谐振器,当实际DCR配置是不管他们的电力变压器的TRs部署。第五,考虑全面报告关于变压器和输电线路分支维度,通过验证,实际DCR配置不能仅仅用今天的所有降压变压器的电网,但也可以代替整个输电线路分支:在高压的情况下/ MV, MV / LV和高压/低压电力变压器及配置可以有效地替代90米,100米和180米的现有输电线路线路,分别。

最后,WPT技术和DCR配置已经被证实是理论上可行的技术解决方案取代电力变压器和相应的连接。然而,为了成为负担得起的,宽,可靠,可持续和安全电网组件,WPT技术和DCR配置需要大量的学术研究,系统交互和业务相关研究主题的兴趣。

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