文章编号:1000-3673201606-1921-06    中图分类号:TM 133    文献标志码:A    学科代码:470·40

磁共振式无线输电样机对计量和

开关的电磁影响分析

刘超群1,魏斌2,刘家亮2,侯经洲2

1.西安交通大学 机械工程学院,陕西省 西安市 710049

2.中国电力科学研究院,北京市 海淀区 100192

 

Analysis of Electromagnetic Influence of Magnetic Resonance Wireless

 Transmission Prototype on Metering and Switches

LIU Chaoqun1, WEI Bin2, LIU Jialiang2, HOU Jingzhou2

(1. School of Engineering Mechanics, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi Province, China;

2. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China)


Abstract: Convenient, flexible, efficient and space-saving compared with conventional power transmission cable, wireless transmission technology (WPT) has become a hot technology. Compared to power transmission in free space, electromagnetic environment of WPT is very different, and its electromagnetic security issues become increasingly prominent. In this paper, six sets of hundred watt multi-frequency wireless transmission prototypes are designed and developed. Electric field strength, magnetic field strength and power density around the wireless transmission prototypes in different operating frequencies are tested using Narda-NBM520, and its results are compared with electromagnetic radiation safety limits for public. It shows that when testing point is at 50 cm above coils, electric field strength, magnetic field strength and power density meets safety standards. Finally, influence of wireless transmission prototype on metering and electronic switches at grid access point is analyzed. Results show that measurement error exists in meters under influence of high-frequency magnetic field, and electronic switch damage appeared in extreme cases.

KEY WORDS: wireless power transmission (WPT); electromagnetic resonance; electromagnetic environmental testing; electromagnetic safety

摘要:无线输电技术与常规有线电能传输相比,具有方便灵活、高效、节省空间等优点,成为了热点技术。与能量在自由空间传播相比,无线输电的电磁环境有很大不同,而电磁安全问题也变得日益突出。针对此问题,首先设计并研制了6组百瓦级多频点无线输电样机,然后利用电磁测试仪器Narda-NBM520测试了不同工作频率下的无线输电样机周围的电场强度、磁场强度和功率密度,并与电磁辐射公众安全限值进行对比,结果表明在距离线圈50 cm以上时电场强度、磁场强度和功率密度才符合安全标准。最后分析了无线输电样机对电网接入点的计量和电子开关的影响,结果表明,电表在高频磁场影响下出现了部分计量偏差,极限情况下电子开关出现了损毁情况。

关键词:无线输电;磁共振;电磁环境测试;电磁安全

DOI10.13335/j.1000-3673.pst.2016.06.046

引言

无线输电(wireless transmission technologyWPT)技术的引入将使电能的生产,输配和使用途径更加宽广,方式更加多样化,并可能引发人类生产和生活方式的重大变革[1-4]。目前,无线输电技术已成为在国内外学术界、工业界乃至民间都备受关注的热点技术,全球各国均投入大量的人力和物力,竞相争夺和抢占这一科技高点[5-10]

无线输电技术从距离上划分,可以分为短、中和长距离无线输电3大类,其中短距离以电磁感应式为代表,长距离以微波和激光输电为代表,而中距离以磁共振式为代表[1,11]。已有众多学者对磁共振无线输电技术进行研究:一类是针对电动汽车、家电等设备的无线供电,主要研究在厘米级传输距离下的无线输电结构优化设计、效率提升、电磁安全及应用等相关问题,所采用的工作频率一般在

10 kHz150 kHz[12-16];一类是针对高压电力设备在线监测等场合应用,主要研究在米级传输距离下的无线输电的设计、功率提升和材料特性等相关问题,所设计的系统工作频率一般在几百kHz到几十MHz[17-20]。由于磁共振无线输电技术还处在发展过程中,目前大多学者重点关注装置的设计和应用上,对电磁安全问题研究较少,试验数据缺乏。

在此背景下,本文为研究磁共振无线输电系统对周围设备产生的电磁影响,设计和开发了一套百瓦级、工作频率在kHz~MHz内的多频点无线输电样机,然后对不同频率下的电场、磁场和功率密度等性能进行对比分析,通过试验分析了不同频点下无线输电样机对计量电表和电子开关的影响程度。所获得的试验数据及结论可为磁共振式无线输电系统设计、应用及标准的建立提供参考。

1  多频点无线输电样机的设计与实现

1.1  多频点无线输电样机设计

目前,相关公司和研究机构设计和研制的无线输电产品和样机较多,均是在固定频率下实现无线传输功能,无法实现工作在多频率下的无线输电,因此本文需重新设计一套多频点的无线输电样机。

频点选择过程为:首先分析实验室已有高频功率源的输出频率和功率范围,分别为100 kHz~

10 MHz0~150 W,然后按照倍频的原则选择共振频率,并通过仿真分析判断是否能达到有效传输距离为20 cm的情况下传输功率不低于100 W,实际验证中发现150 kHz以下和4 MHz以上无法实现稳定的调频,由此最终方案确定150 kHz250 kHz

500 kHz1 MHz2 MHz4 MHz作为设计的无线输电样机的共振频率点。样机的设计框图见图1

1  多频点共振式无线输电系统设计框图

Fig. 1  Design diagram of multi-frequency resonance wireless power transmission system

如图1所示,无线输电样机包括能量发射端和能量接收端。能量发射端由隔离电源组、人机交互单元、高频信号发生单元、信号放大单元、信号隔离单元、高频驱动单元、扼流单元、变频及功率放大单元、匹配电容Ct及发射线圈组成。隔离电源组包括控制电路DC和主电路DC;能量接收端由接收线圈、第2匹配电容Cr、频率调整及工作负载组成。

1.2  多频点无线输电样机实现与测试

针对无线输电样机的磁传输部分,本文采用路的分析方式建立数学模型[21],通过对传输特性的分析,得到传输特性随各参量变化关系,然后根据

工作频率,由平面圆盘形线圈电感计算公式

(w为线圈的匝数,d为线圈的平均直径,决定,r为线圈的半径)计算

线圈电感L,匹配对应的电容C,并根据高频功率源输出电流范围调整线圈wd,得到多频率点对应的6组线圈的参数如表1所示。

1  线圈参数

Tab. 1  Parameters of six coils

频率

线圈尺寸

线圈

电感/mH

外半径/mm

内半径/mm

匝数

150 kHz

249.57

152.06

32

596.9

 

250 kHz

240.28

155.12

28

472.4

 

500 kHz

308.00

269.06

13

219.0

 

1 MHz

249.54

185.93

9

69.80

 

2 MHz

249.49

192.08

7

40.12

 

4 MHz

191.14

102.86

8

25.75

 

根据上述参数,加工制作出6组线圈,并利用已有的信号源和高频功率放大器组成高频功率电源,开发控制软件,组成多频点磁共振式无线输电样机,如图2所示。其中,图左上方为6组线圈,图下方为无线输电样机。

2  多频点磁共振式无线输电样机

Fig. 2  Multi-frequency electromagnetic resonance wireless transmission prototype

为验证试验样机结果,以工作频率1 MHz

2 MHz为例,本文对仿真和试验结果进行对比分析。其中,仿真和实验采用相同的参数,保持发射线圈和接收线圈不变并相等,通过匹配相应的电容C1C2,进行工作频率为1 MHz2 MHz时的实验分析。具体步骤是在0~100 cm传输距离范围内选取步长为5 cm,进行负载功率的测试,并与仿真结果进行对比,如图3所示。其中,工作频率1 MHz

3  无线输电样机的负载功率对比

Fig. 3  Comparative load power of wireless

transmission prototype

是以260 W灯泡为负载,2 MHz是以160 W灯泡为负载,实际负载为260 W的灯泡并联,因此所测得的最大功率均达到120 W。对比结果表明,实验结果与仿真结果基本吻合,也表明多频点无线输电系统达到了设计预期。

2  无线输电样机电磁环境分析

为了分析无线输电样机对电网接入点的电磁影响,本文采用德国Narda-NBM520测试了试验样机周围的电磁数据。

由前期仿真结果可知无线输电样机轴向的电磁场分布最强,径向的电磁场分布最弱,因此,测试无线输电样机周围的电磁数据只测试接收线圈一侧轴向和径向的电磁场和功率密度等数据即可。下面以1 MHz频率、100 W接收功率为例,获得的试验数据如图45所示。

如图4所示,接收线圈一侧的电场强度E、磁场强度H和功率密度Q的变化趋势均表现为:距离接收线圈越近,电磁参量幅值越大,距离接收线圈越远,电磁参量幅值越小;在两线圈中间位置时,3个参量均表现出最大值。电场强度E的最大值为461 V/m,磁场强度H的最大值为1.247 A/m,功率密度Q的最大值为622 W/m2;在距离接收线圈   50 cm范围内,电磁参数衰减最快,几乎呈现指数规律衰减,50 cm以后,衰减缓慢,100 cm以后,其测试值接近系统不工作时空间原有值。

4  1 MHz样机电磁参量轴向测试曲线

Fig. 4  Test curve of axial electromagnetic parameters of

1 MHz prototype

如图5所示,接收线圈一侧的电场强度E、磁场强度H和功率密度Q的变化趋势均表现为:距离接收线圈越近,电磁参量幅值越大,距离接收线圈越远,电磁参量幅值越小;在距离接收线圈边缘5 cm处,3个参量均表现出最大值,电场强度E的最大值为461 V/m,磁场强度H最大值为1.14 A/m,功率密度Q的最大值为500 W/m2;在距离接收线圈50 cm范围内,电磁参数衰减最快,呈现指数

 

5  1 MHz样机电磁参量径向测试曲线

Fig. 5  Test curve of radial electromagnetic parameters of 1 MHz prototype

衰减,50 cm以后,衰减缓慢,100 cm以后,其测试值接近系统不工作时空间原有值。

参照电磁辐射公众安全限值[13]的规定,在距离两线圈中间位置50 cm以上时,电场强度,磁场强度和功率密度才符合安全标准。

如表2所示,轴向和径向的规律基本相似。在同等条件下,同一位置,样机工作频率越大,电场强度E、磁场强度H和功率密度Q均越大。参量最大值在轴向方向、两线圈中间位置时。电场强度E的最大值为504 V/m,磁场强度H的最大值为

1.337 A/m,功率密度Q的最大值为674 W/m2。径向方向在距离接收线圈边缘5 cm处,3个参量均表现出最大值。在4 MHz时,电场强度E的最大值为504 V/m,其他频率下的最大值均比该值要小,磁场强度H的最大值为1.33 A/m,功率密度Q的最大值为674 W/m2。同样在距离两线圈中间位置在50 cm以上时,环境电磁场参数才符合电磁辐射职业安全限值。因此在现有电磁安全标准范围内,无线输电装置达到一定传输功率后,应增加电磁屏蔽以降低周围电磁的影响。

2  轴向和径向参量对比

Tab. 2  Axial and radial contrast parameters

位置

频率

Emax/

(V/m)

E50/

(V/m)

Hmax/

(A/m)

H50/

(V/m)

Qm/

(W/m2)

Q50/

(W/m2)

轴向

150 kHz

504.2

50.0

1.33

0.130

674.0

6.8

250 kHz

504.2

79.0

1.34

0.200

674.3

14.5

500 kHz

360.0

80.0

0.91

0.210

358.2

16.0

1 MHz

461.0

99.0

1.25

0.255

622.0

23.8

2 MHz

504.2

96.4

1.34

0.250

672.9

23.5

4 MHz

504.0

100.0

1.34

0.260

674.0

25.5

径向

150 kHz

451.0

48.7

1.25

0.120

560.0

5.3

250 kHz

462.0

70.5

1.26

0.180

667.0

11.5

500 kHz

456.0

80.0

1.24

0.200

612.0

15.8

1 MHz

426.0

75.0

1.14

0.200

500.0

14.0

2 MHz

470.0

88.0

1.33

0.230

674.3

18.5

4 MHz

504.0

90.0

1.34

0.240

674.3

20.9

注:Emax表示电场强度最大值,E50表示50 cm处的电场强度,Qm表示功率密度最大值。

3  无线输电样机对电网接入点计量的影响分析

为了研究磁共振式无线输电样机中磁场、高频信号等对接入点用电安全的影响[22],本文将智能电表和电子式电表以串联的方式放置于样机的周围,以2 kW的热电阻丝作为负载,接入电表的末端,通过电表的计量读数差异来反映样机对计量电表的影响,试验接线图如图6所示。

6  轴向和径向试验接线图

Fig. 6  Axial and radial test wiring diagram

在图6中,12块电表采用串联方式连接。串联顺序依次为:预付费式电表14、电子式电表5、预付费式电表11、电子式电表6、预付费式电表12,预付费式电表79、电子式电表10。其中,设置预付费式电表1为对照电表,放置于远离样机1 m外,默认未受样机电磁影响。电子式电表在读数时可以精确到0.01 kW×h,而预付费式电表可以精确到0.1 kW×h

试验中,以频率为1 MHz100 W接收功率为例,开启负载1~13 h后,测得的7个位置点的试验数据如图7和表3所示。从图7和表3得知,12块电表在计量读数上的总趋势是正确的,总体呈现下降趋势。即,串联电表越靠前,读数越大;串联电表越靠后,读数越小。与对照电表1相对比,处于系统电磁辐射偏远区域(50 cm远处)的电表在计量

7  1 MHz无线输电样机磁场对电表计量的影响

Fig. 7  Influence of magnetic field of 1MHz wireless transmission prototype on metering

3  1 MHz无线输电系统电表测试数据

Tab. 3  Meter’s testing data of 1MHz WPT

电表序号

用电量/(kW×h)

电表序号

用电量/(kW×h)

1

21.60

6

21.04

2

21.50

12

21.10

3

21.40

7

21.00

4

21.40

8

21.10

5

21.22

9

21.00

11

21.30

10

20.95

度数上并无明显偏差,即在接收功率为100 W的无线输电样机周围,高频磁场对电表的计量有微弱影响,如13 h后,对照电表1和电表9的读数相差0.6 kW×h,占参考数的2.78%,对照电表1和电

11的读数相差0.3 kW×h,占参考数的1.39%。电表5距离接收线圈外侧20 cm,电表6位于两线圈中间,读数分别为21.22 kW×h21.04 kW×h,其中,处于强磁场中的表6读数明显偏小,该处对应的电场强度为461 V/m,磁场强度为1.247 A/m,说明电表56受到电磁场影响相对较大。

整体来说,在传输功率为100 W等级的无线输电样机周围,高频电磁波对计量的影响相对较小,未导致计量电表偏差在误差范围外,这与无线输电样机的功率相对较小有关。但从趋势上判断,随着无线输电样机传输功率的增大,影响会增大。

4  无线输电样机对电子开关的影响分析

为了研究无线电力传输系统所产生的磁场、高频信号等对接入点的控制单元等设备的电磁干扰影响,进而分析其对接入点继电保护产生的影响,本文设计试验,利用控制相对简单的电子开关作为被测对象,试验研究百瓦功率对电子开关的影响,图8所示为试验电路接线和开关布置图。

试验中采用6块规格型号一致的电子开关,分别放置于强电磁干扰区。设置好各个电子开关的开通和关断时间,启动无线输电样机,同时借助于示波器DL850,检测定时开关的动作时间并做以记录,同样以频率1 MHz100 W接收功率为例,试

8  试验电路接线和开关布置图

Fig. 8  Layout of test circuit junction box and switch

验结果如图910所示。

试验中,一共设置了6组开断时间,开通时间分别为125102030 min,如图9所示。其中,开通时有正弦信号,关断后信号为0,从总体波形图上看,放置于不同位置的开关,在开通和关断时间上是一致的,说明无线输电样机对电子开关影响较小。为了进一步区分相对影响,本文对

30 min处动作进行局部分析,如图10所示。

9  样机对电子开关动作影响的总体波形图

Fig. 9  Overall prototype waveform diagram of the electronic switching effects

10  电子开关开通动作的局部分析图

Fig. 10  Local analysis diagram of an electronic switch opening operation

如图10,在1 MHz无线输电样机影响下,测得开关最大开通相差时间为0.484 s,说明高频电磁波对电子开关有影响,但由于开关控制的最大误差允许值为1 s,故认为各开关是同时开通和关断的。为说明不同工作频率对开关的影响程度,本文对不同频率对应的最大开断时间差进行对比,见表4

从表4可以看出,工作频率在1 MHz及以下时,

4  不同频率的开通时间差对比

Tab. 4  Compared with opening time difference in different frequencies

频率

最大开通时间差/s

150 kHz

0.432

250 kHz

0.350

500 kHz

0.346

1 MHz

0.484

2 MHz

1.272

4 MHz

1.278

开关控制的精准性均符合产品设计要求,其控制误差在0.5 s内。工作频率在2 MHz4 MHz时,开关控制精度下降,误差大于开关允许值1 s。其主要原因是:2 MHz及以上的高频交变电磁场变化较快,其电场强度E、磁场强度H、功率密度Q值相对较高,最大值分别达到了504 V/m1.33 A/m674 W/m2,较高的磁场变化率和磁场强度等对开关控制精度产生了影响,导致误差增大。另外,在试验过程中,4 MHz工作频率下,放在两线圈中间的2个电子开关初期工作正常,几小时后间或出现延时开关,后期试验时还出现重复性的动作故障,开关出现永久性破坏。主要原因是:无线输电样机产生的高频电磁波与电子开关元件产生了耦合,而开关管由于寄生电感、电容的存在,容易产生很高的电压及电流化率,当试验样机工作频率达到4 MHz时,较高的磁场变化率和磁场强度会导致开关管的电压或电流偶尔超过限值,从而导致部分开关管的损坏。由于试验中仅有不到5%的开关管损坏,因此本试验仅说明了高频交变磁场会对开关管及控制部件产生较大的影响。

由于电网的控制及继电保护主要由这类型的电子元器件组成,因此试验结果也说明无线输电样机的高频交变磁场会对电网接入点的控制及继电保护会产生较大的影响。

5  结论

1)设计并研制了150 kHz~4 MHz频率范围的6组百瓦级多频点无线输电样机,试验验证了无线输电样机参数达到预期目标。

2)利用无线输电样机测试了不同工作频率的无线输电样机周围电场强度、磁场强度和功率密度,并与电磁辐射公众安全限值进行对比,结果表明在距离两线圈中间位置在50 cm以上时,电场强度、磁场强度和功率密度才符合安全标准。

3)无线输电样机对电网接入点的计量有一定影响,但未超出计量的误差范围,从趋势上判断,随着传输功率的提高,无线输电样机会对电网接入点的计量产生较大影响。

4)随着无线输电样机工作频率的提高,对电子开关影响增大,频率达到2 MHz出现了开关未正常工作情况,4 MHz出现了开关损毁情况,说明了无线输电样机高频交变磁场会对电网接入点的控制及继电保护会产生较大的影响。

由于本文中开发的无线输电样机未加任何电磁防护,在实际应用过程中,应该考虑对无线输电样机进行电磁防护,但如何进行有效的防护,是今后一个重要的研究方向。

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(责任编辑  李兰欣)