人體靜電無線傳輸模型的建立及研究

薛 鵬，李宏俠

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，長春 130012)

人體靜電無線傳輸模型的建立及研究

薛 鵬，李宏俠

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，長春 130012)

靜電無線檢測技術(shù)利用法拉第電磁感應(yīng)定律，把空氣作為靜電傳輸?shù)慕橘|(zhì)，實現(xiàn)靜電的無線傳輸和檢測，可以有效解決傳統(tǒng)的靜電電能檢測技術(shù)存在的問題。本文在分析了靜電電能無線傳輸技術(shù)的原理基礎(chǔ)上，通過對松耦合變壓器的等效模型進行分析，建立了靜電電能無線傳輸模型。以此模型為研究基礎(chǔ)，設(shè)計了系統(tǒng)的控制電路，并對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析，最后應(yīng)用Multisim 10軟件對控制器進行了仿真，驗證系統(tǒng)設(shè)計的合理性。

人體靜電; 無線傳輸; 穩(wěn)定性分析

0 引言

在石油、化工和電子生產(chǎn)企業(yè)中，人體攜帶靜電可能引起事故，嚴(yán)重的甚至?xí)斐扇松韨Γ虼遂o電檢測消除技術(shù)對于高危企業(yè)是非常必要的，而靜電檢測技術(shù)又是重中之重。靜電無線檢測技術(shù)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律，把空氣作為靜電傳輸?shù)慕橘|(zhì)，實現(xiàn)靜電的無線傳輸和檢測?？梢杂行Ы鉀Q傳統(tǒng)的靜電電能檢測技術(shù)存在的問題，是比較新型、安全的檢測方式。在很多行業(yè)有很好的應(yīng)用前景。但是，靜電電能無線傳輸效率干擾比較嚴(yán)重，導(dǎo)致這項技術(shù)的發(fā)展受到制約。本文根據(jù)目前靜電電能無線傳輸存在的問題，設(shè)計了補償式無線傳輸模型，通過仿真實驗驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，驗證了模型可以有效的提高系統(tǒng)的傳輸效率，提高了靜電電能檢測技術(shù)的準(zhǔn)確性。

1 原理

汽車靜電無線傳輸系統(tǒng)主要由無線傳輸電路、一次側(cè)電路和二次側(cè)電路三部分組成，其中，無線傳輸電路由逆變電路、一次側(cè)補償電路、松耦合變壓器、二次側(cè)補償電路組成。其靜電無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中高頻逆變電路主要實現(xiàn)靜電的逆變[1]，再由一次側(cè)補償電路進行補償，通過松耦合變壓器進行無線傳輸，二次側(cè)進行檢測，從而實現(xiàn)靜電的無線傳輸。

圖1 靜電無線傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

靜電無線傳輸系統(tǒng)等效模型主要由人體靜電電源、松耦合變壓器和負(fù)載檢測電路三部分構(gòu)成，如圖2所示。其中電源由人體所帶靜電提供，松耦合變壓器采用T型等效電路用來替代實際變壓器，用電阻性負(fù)載作為負(fù)載電路，用于檢測靜電的強度折算人體實際靜電強度。具體系統(tǒng)工作過程是由人體靜電經(jīng)逆變電路，補償電路后通過松耦合變壓器實現(xiàn)無線傳輸，到達二次側(cè)后經(jīng)補償后給負(fù)載供電，用于檢測[2]。設(shè)定人體靜電經(jīng)逆變后的AC能提供的電能標(biāo)稱為UAC,同時負(fù)載電路中R的兩端電壓為UR，用于檢測。由于靜電電能無線傳輸?shù)慕穷l率為ω，用GK作為T型松耦合變壓器模型的UAC與UR的比值，所以GK表示靜電無線傳輸?shù)牡哪芰Α?/p>

圖2 松耦合變壓器T等效模型

如圖2所示。在模型中各個阻抗分別滿足式(1)、 式(2) 、式(3)和式(4)。

Z0=R，

(1)

Z1=Z0+jωl2δ，

(2)

(3)

Z3=jωl1δ+Z2，

(4)

這樣 GK就可以用式(5)表示：

(5)

通過式(5)可以知道GK的大小是由參數(shù)Z0、Z1、Z2和Z3決定的，同時可以看出Z0、Z1、Z2和Z3是根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)和式(4)中的參數(shù)R、lm、l1δ和l2δ決定的，由于這些參數(shù)計算起來比較復(fù)雜，而且不能直接表現(xiàn)出GK變化的趨勢，這樣可以簡化這些參數(shù)，引入品質(zhì)因數(shù)Q，可以用式(6)表示：

(6)

那么一次側(cè)繞組自感電抗、漏感電抗和負(fù)載R存在耦合關(guān)系，通過方程可以表示為式(7)、式(8)、式(9)；

(7)

l1δ=(1-K)×l1，

(8)

l2δ=(1-K)×l2，

(9)

將式(6),(7),(8),(9)代入式(5)化簡為式(10) ：

(10)

那么可以看出式(10)中的GK是隨著Q和K的變化的函數(shù)，其中Q是品質(zhì)因，K是耦合系數(shù) QUOTE。

通過式(10)可以看出，如果當(dāng)K=1時，GK此時并不改變，與Q無關(guān)，此時GK=1，也就是可以證明在T型模型中，如果模型中變壓器的內(nèi)置參數(shù)不發(fā)生變化的前提下，由于GK=1，R負(fù)載兩端的電壓不會隨負(fù)載阻值的變化而改變的，其電壓值應(yīng)該等于該端的輸入電壓 QUOTE。如果減小R的阻值，那么負(fù)載R兩端的功率有所增加[3]。

如果當(dāng)K<1時，那么當(dāng)Q改變，GK隨Q的增加有變小的趨勢，也就是可以證明在T型模型中，如果模型中變壓器的內(nèi)置參數(shù)不發(fā)生變化的前提下，當(dāng)負(fù)載阻值發(fā)生減少時反而Q會增加，可以看出GK在減小。

同時可以發(fā)現(xiàn)如果不改變Q的前提下，T型模型中變壓器的K增加GK會增大，而負(fù)載R上的功率會越大。但是在實際的運行過程中會發(fā)現(xiàn)變壓器的K不容易達到1，所以K影響了松耦合變壓器的靜電傳輸效率。

2 控制電路實現(xiàn)

基于送耦合變壓器的模型又設(shè)計了系統(tǒng)的控制電路，如圖 3所示。控制電路的原理是采集電路實現(xiàn)一次側(cè)的電流和電壓的實時檢測，把采集的信號通過整流和變松電路送到模數(shù)轉(zhuǎn)換單元并最后傳送到主控數(shù)字信號處理DSP芯片，然后經(jīng)過DSP的高速計算，輸出PWM脈沖信號[4]，用于控制高頻逆變電路中的MOSFET開關(guān)電路達到諧振頻率，這樣可以有效提高系統(tǒng)傳輸效率。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4為控制電路的仿真電路圖。

圖4 全橋逆變DC/AC電路

圖5為控制系統(tǒng)逆變后曲線圖。

圖5 逆變輸出波形圖

從圖5中可以看出逆變電路設(shè)計合理，輸出波形是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。

3 穩(wěn)定性分析

通過交流感應(yīng)定律可以知道電能在傳輸過程中，實際是由于一次側(cè)電流作為勵磁轉(zhuǎn)變成變化的磁場，并在二次側(cè)形成一個感應(yīng)電勢，這樣就有能量輸出，如果要保障系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，模型的穩(wěn)定性是需要驗證的[5]，下面對系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性進行分析。

通過T型變壓器等效模型可以知道變壓器一次側(cè)中的互感電勢等效電路，如圖6所示。

圖6 一次側(cè)互感電勢等效電路

通過圖6可知一次側(cè)繞組的阻抗為：

ZP=RP+jωLP+Zr，

(11)

可列出電勢平衡方程：

(12)

其中，RP為一次側(cè)繞組阻值，LP為一次側(cè)繞組電抗，RS為二次側(cè)繞組阻值，LS為二次側(cè)繞組電抗，M為繞組互感系數(shù)，RL為負(fù)載阻值，LL為負(fù)載電抗。

可以得出式(13)，(14)：

(13)

(14)

通過公式(13)可以知道，模型中的一次側(cè)電流會隨著繞組互感系數(shù) M 、負(fù)載和系統(tǒng)頻率變化而變化。但是，在實際運行過程中可以發(fā)現(xiàn)，一些參數(shù)是不會發(fā)生變化的，比如互感耦合值M，一、二次側(cè)的繞組阻值，一、二次側(cè)的繞組的電抗值，所以，一次側(cè)的電流是受到檢測電阻的阻值和系統(tǒng)頻率影響的。而在逆變過程中，控制系統(tǒng)可以有效控制好模型中的工作頻率[6]，因此，系統(tǒng)的工作頻率也可以看做是固定值，不發(fā)生變化。影響到系統(tǒng)一次側(cè)電流變化的只有檢測負(fù)載，為使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行需要對負(fù)載電路進行補償[7]。其串聯(lián)補償系統(tǒng)圖如圖7所示。

圖7 二次側(cè)串聯(lián)補償系統(tǒng)圖

此時二次側(cè)等效阻抗變化為：

(15)

進行折算后阻抗Zrs為：

(16)

將式(15)代入式(16)得：

(17)

如果二次側(cè)電路發(fā)生諧振，可以得出諧振頻率ω關(guān)系為：

1-ω2L2CS=0，

(18)

(19)

由式(17)、式(18)和式(19)得出，當(dāng)二次側(cè)回路出現(xiàn)諧振時，負(fù)載總阻抗呈純阻性，此時傳輸效率為最大值，系統(tǒng)穩(wěn)定。故對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)仿真，其仿真結(jié)果如圖8，圖9所示。

圖8 一次側(cè)電流的幅頻和相頻特性曲線穩(wěn)定性仿真曲線

圖9 二次側(cè)電流的幅頻和相頻特性曲線穩(wěn)定性仿真曲線

通過圖8和圖9曲線可知，如果系統(tǒng)發(fā)生諧振，一次側(cè)的電流曲線穩(wěn)定，而二次側(cè)電壓的幅頻是按比例增加和減小，與沒發(fā)生諧振情況之前進行比較，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的相位變化很小，電壓值變化也很小，可以證明系統(tǒng)能不同狀態(tài)下穩(wěn)定運行。

4 結(jié)論

本文在分析了靜電電能無線傳輸技術(shù)的原理基礎(chǔ)上，通過對松耦合變壓器的等效模型進行分析，建立了靜電電能無線傳輸模型。以此模型為研究基礎(chǔ)，設(shè)計了系統(tǒng)的控制電路，并對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析，通過仿真實驗驗證系統(tǒng)模型建立的準(zhǔn)確性，同時也驗證了系統(tǒng)能對靜電電能無線傳輸穩(wěn)定運行。

[1] 馬皓,周雯琪.電流型松散耦合電能傳輸系統(tǒng)的建模分析[J].電工技術(shù)學(xué)報，2005，20(10):66-71.

[2] 武瑛,嚴(yán)陸光，徐善綱.運動設(shè)備無接觸供電系統(tǒng)耦合特性的研究[J].電工電能新技術(shù)，2005，27(3):5-8.

[3] D Pommerenke.ESD-Transient fields,Arc simulation and rise time limit[J].Electrostatic,1995，36(1):31.

[4] MAGSUGI M，MURAKAWA K，K N．Measurement and analyis of electromagnetic pulse caused by electrostatic discharge [J]．IEEE Trans On EMC，1992(9)：647-654.

[5] LAURIN J，ZAKY G，KEITH G B．On the protection of digital circuit susceptibility to radiated EMI[J]．IEEE Trans On EMC，1995，37(4)：528-535.

[6] 封阿明.基于全橋諧振變換器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)基本特性研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

責(zé)任編輯：程艷艷

Establishment and Research of Human Body Electrostatic Wireless Transmission Model

XUE Peng, LI Hongxia

(College of Electrical and Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)

Static wireless detection technology, based on Faraday's law of electromagnetic induction, uses air as a medium for electrostatic transmission to realize the wireless transmission and detection on static electricity, which can effectively solve the problems existed in traditional electrostatic power detection technology. After the analysis on the principles of electrostatic energy wireless transmission technology, this paper establishes the wireless transmission model of electrostatic energy by analyzing the equivalent model of loosely coupled transformer, designs a control circuit of the system based on this model, and then analyzes the stability of the system, finally, makes a simulation on the controller by Multisim 10 software to verify the rationality of the system design.

human body static electricity; wireless transmission; stability analysis

2016-09-22

吉林省科技廳科技發(fā)展計劃項目(20140204076GX)

薛鵬(1979-)，男，吉林長春人，副教授，博士研究生，主要從事電力變換、電機拖動等方面研究。

TP212

A

1009-3907(2016)12-0010-05