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文檔簡介
1、. .論電能的傳輸*:李小龍學(xué)號:79專業(yè):電力系統(tǒng)及其自動化研究方向:電能質(zhì)量分析與控制1. 前言在我們很小的時候就知道:拿著玻璃棒在頭發(fā)上摩擦之后,就能夠吸起很小的紙屑,這就是摩擦起電。而在電氣信息化的當(dāng)今社會中,電能已經(jīng)成為了當(dāng)前人們必不可缺的一種能量形式。在目前,在絕大多數(shù)的場合中,電能是通過線路傳導(dǎo)的方式從電網(wǎng)傳輸?shù)接秒娫O(shè)備的。但是在某些場合電能通過磁的耦合而進(jìn)展無線傳輸。在接下來的文章中將對電能通過線路傳輸和經(jīng)過無線傳輸?shù)脑砗蛢?yōu)缺點(diǎn)進(jìn)展研究和分析1。2. 電能的傳輸2.1. 電學(xué)根本知識2.1.1. 電壓電壓也稱作電勢差或電位差,是衡量單位電荷在靜電場中由于電勢不同所產(chǎn)生的能量差
2、的物理量。其大小等于單位正電荷因受電場力作用從A點(diǎn)移動到B點(diǎn)所作的功,電壓的方向規(guī)定為從高電位指向低電位的方向。此概念與水位上下所造成的“水壓相似。需要指出的是,“電壓一詞一般只用于電路當(dāng)中,“電勢差和“電位差那么普遍應(yīng)用于一切電現(xiàn)象當(dāng)中。電壓是推動電荷定向移動形成電流的原因。電流之所以能夠在導(dǎo)線中流動,也是因為在電流中有著高電勢和低電勢之間的差異。2.1.2. 電流電流是指電荷的定向移動。電源的電動勢形成了電壓,繼而產(chǎn)生了電場力,在電場力的作用下,處于電場內(nèi)的電荷發(fā)生定向移動,形成了電流。電流的大小稱為電流強(qiáng)度簡稱電流,符號為I,是指單位時間內(nèi)通過導(dǎo)線某一截面的電荷量,每秒通過1庫侖的電量稱
3、為1安培A。電流的產(chǎn)生有三個條件:1、必須有能夠自由移動的電荷。2、導(dǎo)體兩端存在電壓差。3、電路必須為通路。2.1.3. 電能電能泛指與電相聯(lián)系的能量,嚴(yán)格地應(yīng)指電場能。普通的電能指的是在一定時間內(nèi)電路元件或者設(shè)備吸收或發(fā)出的電能量。電能的或者是由各種形式的能量轉(zhuǎn)化而來的,而這些能量般的的轉(zhuǎn)化過程是由各樣的發(fā)電廠和各種各樣的電池完成的。在一情形下,變化的磁場以波的形式傳播,傳播過程中伴隨著能量傳遞。2.2. 導(dǎo)體中電磁能量傳輸電磁場是一種特殊運(yùn)動形態(tài)物質(zhì),具有點(diǎn)擦能量就是一個很好的證明,正是由于這種電磁能量在空間的傳播,才使人類賴以建立龐大的通信與電力系統(tǒng)。在時變電磁場中,由于電場與磁場的不斷
4、變化,并由空間一點(diǎn)傳到另一點(diǎn),因而形成傳播于空間攜帶著電磁能量的電磁波,無論是通信還是電力系統(tǒng),它們的功率傳輸過程都是電磁能量在空間的傳播過程2。在空間某點(diǎn)的電磁能量密度設(shè)為1:=12D+12HB (2-1)從麥克斯韋方程組出發(fā),可以得到電磁現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律:vjEdv=-tv12D+HBdv-s(E×H)ds2-2上式2-2中,E×H為電磁場的能流密度矢量,亦稱坡印廷矢量,記作S,那么有:S=E×H(2-3)上式2-2中說明,空間任意體積V內(nèi)產(chǎn)生的電功率,等于單位時間內(nèi),體積V中電磁能的減少與通過體積V的界面S流入的能量之和。假設(shè)空間體積V中還有運(yùn)動的電荷,
5、那么此式中的j包括傳導(dǎo)電流密度和運(yùn)流電流密度兩局部。能流密度矢量S是為描述電磁場能量的傳播而引入的,引入時并未附加任何限制條件。因此,它應(yīng)具有一般意義,即不僅適用于變化的電磁場,對穩(wěn)恒場或靜場亦應(yīng)成立。在穩(wěn)恒電流情況下,場不隨時間而變,電磁能對時間的變化率tv12D+HBdv=0,那么式2-2變?yōu)椋簐jEdv=-s(E×H)ds2-4式2-4說明在穩(wěn)恒條件下,空間任意體積V內(nèi)產(chǎn)生的電功率等于單位時間內(nèi)穿過體積V的界面S流入的能量。而負(fù)號表示能量流入該閉合面。下面以均勻單行傳輸線為例進(jìn)展說明。單行傳輸線指的是電路的回線距其甚遠(yuǎn),影響可以忽略不計。設(shè)長直傳輸線半徑為,電導(dǎo)率為常數(shù),在線路
6、中通以穩(wěn)恒電流,導(dǎo)線長度為l不含電源,那么該段導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生的電功率為:PQ=vjEdv。積分區(qū)域V為該段導(dǎo)線的體積,即V=2l。應(yīng)用歐姆定律并整理得到:PQ=vjEdv=vj2dv=v1(2)2dv=(2)21vdv=2212l=2l2=2Rl (2-5)在式2-5中,Rl為該段導(dǎo)線的電阻,2Rl即為該段導(dǎo)線電阻上消耗的功率。下面來研究該功率是如何傳輸?shù)?。取電流I的方向為Z軸正向,那么導(dǎo)線內(nèi)E的方向沿Z軸正向,磁場方向沿環(huán)繞Z軸的同心圓的切線方向。由式S=E×H可知,能流密度矢量S的方向沿徑向指向?qū)Ь€軸心,如圖2-1所示2。它說明電流通過導(dǎo)線時消耗的能量,是由導(dǎo)線外部空間進(jìn)入,并沿徑向
7、向軸線流動的,利用電磁學(xué)的公式可以求出離開軸線r(r<a)處的E和H分別為:E=j=I2ezH=Ir22(-ey)那么有:S=E×H=-I2r224ez×ey=-I2r224ex由上式可見:在r=0處,S=0,在r=a處,S=-I2223ex在以a為半徑,長為l的圓柱面上,單位時間內(nèi)進(jìn)入該面的能量流那么為:Pa=-s(E×H)ds=I2l2=I2Rl2-6由上式2-6可見,Pa與式2-5中該段導(dǎo)線電阻上消耗的功率PQ一樣,這說明該段導(dǎo)線上消耗的功率,是通過導(dǎo)線周圍的電磁場傳輸?shù)?,且等于從?dǎo)線外部沿徑向進(jìn)入導(dǎo)線內(nèi)的電磁功率。在導(dǎo)線外部,由于導(dǎo)線外表有電荷分布導(dǎo)
8、體電勢比附近局部高,因此,E外除有切向分量外,還有法向分量。所以能流密度矢量S也有切向分量和法向分量,其法向分量與導(dǎo)線內(nèi)能流密度矢量方向一致,切向分量與導(dǎo)線外表帶電性質(zhì)有關(guān)??梢宰C明的是:假設(shè)導(dǎo)線外表有正電荷分布時,那么S外的切向分量跟導(dǎo)線中電流方向一樣;假設(shè)導(dǎo)線外表有負(fù)電荷分布時,那么S外的切向分量跟導(dǎo)線中電流方向相反。在導(dǎo)線外部,電磁能是由導(dǎo)線附近的電磁場傳輸?shù)?,其中一局部進(jìn)入導(dǎo)線內(nèi)轉(zhuǎn)化為焦耳熱,另一局部沿著導(dǎo)線方向向前傳輸,以供電路負(fù)載所消耗23。2.3. 無線電能傳輸2.3.1 現(xiàn)有傳輸方式在當(dāng)前的絕大多數(shù)場合中,電能是通過傳導(dǎo)的方式從電網(wǎng)傳輸?shù)接秒娫O(shè)備的,在傳輸?shù)倪^程中又往往用到了插
9、座和插頭,但是在某些場合,例如化工,采礦等易燃易爆的環(huán)境中,由摩擦引起的火花足以引發(fā)平安事故。另外,在大功率移動負(fù)載充電的電動汽車以及機(jī)車,一般采用滑動接觸的方式,在車輛運(yùn)行時,由此引來的導(dǎo)線的滑動磨損,產(chǎn)生的火花以及裸露的傳輸線等給平安營運(yùn)帶來了隱患。因此無線能量傳輸平安、可靠、壽命長、使用方便、維修本錢低等優(yōu)點(diǎn)便發(fā)揮出來4。現(xiàn)有的無線能量傳輸方式主要有以下3種:一、共振感應(yīng)耦合技術(shù)該技術(shù)是一種全新的無線供電技術(shù)非輻射電磁能諧振隧道效應(yīng)。它的關(guān)鍵在于利用了非輻射性磁耦合兩個一樣頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合,采用單層線圈,兩端各放置一個平板電容器,共同組成諧振回路,減少能量浪費(fèi)?;谄胀?/p>
10、磁感應(yīng)耦合的非接觸電力傳輸,那么是利用數(shù)百圈嚴(yán)密纏繞的線圈,但只能在數(shù)毫米的范圍才得到60%以上的傳輸效率,而該系統(tǒng)只是纏繞了5圈粗銅線作為天線的線圈,在進(jìn)展2m傳輸時效率約為40%,距離為1m時效率竟高達(dá)90%??梢娺@種融合了電磁共振的無線供電技術(shù)別具一格。二、微波能量傳輸技術(shù)微波是波長介于無線電波和紅外線輻射之間的電磁波,目前已廣泛應(yīng)用于微波爐、氣象雷達(dá)、導(dǎo)航和移動通信。在目前已經(jīng)有過相關(guān)的實驗對該技術(shù)的可行性進(jìn)展了驗證,但是至于該技術(shù)如何實用化進(jìn)展商業(yè)推廣還有待研究。三、激光能量傳輸技術(shù)激光方向性強(qiáng)、能量集中,利用激光可以攜帶大量的能量,可以用較小的發(fā)射功率實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的書店,有關(guān)研究選
11、擇激光的優(yōu)勢在于其所需的傳輸和接收設(shè)備是微波所需的1/10,不存在干擾通信衛(wèi)星的風(fēng)險使用微波卻存在這種問題。它的缺乏之處在于障礙物會影響激光與接收裝置之間的能量交換,使用激光不能像微波那樣可以闖過云層,射束能量可能會在中途喪失約一半。2.3.2新型感應(yīng)耦合能量傳輸機(jī)理新型感應(yīng)耦合能量傳遞機(jī)理與變壓器傳遞功率有類似之處,即都是通過電磁感應(yīng)原理將能量由一次側(cè)傳遞到二次能量接收側(cè)。但與傳統(tǒng)變壓器不同的是:(1)變壓器的原邊線圈通常都是多匝線圈,而在新型能量傳輸模式中,原邊僅僅是一根載流體;(2)變壓器原副邊均采用嚴(yán)密耦合且磁場介質(zhì)通常采用具有高磁導(dǎo)特性的鐵磁性材料,具有很高的傳輸效率,而新型電能無線
12、傳輸模式由于平安的需要或機(jī)械因素的限制,初次級之間有一定的距離,致使磁場傳輸介質(zhì)中包括磁導(dǎo)率很低的空氣磁路段,其耦合程度大大降低。新型感應(yīng)耦合能量無線傳輸系統(tǒng)是通過使用特殊構(gòu)造變壓器的電磁感應(yīng)實現(xiàn)的,在這種變壓器中,初級能量通過氣隙或其他介質(zhì)感應(yīng)耦合到次級,因此和傳統(tǒng)變壓器有很大的不同,較大氣隙導(dǎo)致變壓器具有較大漏感,其儲能降低變壓器效率并增加器件應(yīng)力。因此,利用漏感的電路拓?fù)淙缰C振或軟開關(guān)拓?fù)涫墙鉀Q這一問題的較優(yōu)選擇。3. 總結(jié)與展望在本文中,利用電磁學(xué)中坡印廷定理進(jìn)展了線路中電磁能的傳輸研究,并對無線能量傳輸進(jìn)展了介紹。無線電能傳輸作為一種新型的電能傳輸方式,在平安性、可靠性、維護(hù)本錢以及使用壽命上具有傳統(tǒng)的利用導(dǎo)線進(jìn)展電能傳輸無可比擬的優(yōu)點(diǎn),近年來受到國內(nèi)外廣泛的
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