人体静电无线传输模型的建立及研究

薛 鹏，李宏侠

(长春工业大学 电气与电子工程学院，长春 130012)

人体静电无线传输模型的建立及研究

薛 鹏，李宏侠

(长春工业大学 电气与电子工程学院，长春 130012)

静电无线检测技术利用法拉第电磁感应定律，把空气作为静电传输的介质，实现静电的无线传输和检测，可以有效解决传统的静电电能检测技术存在的问题。本文在分析了静电电能无线传输技术的原理基础上，通过对松耦合变压器的等效模型进行分析，建立了静电电能无线传输模型。以此模型为研究基础，设计了系统的控制电路，并对系统的稳定性进行分析，最后应用Multisim 10软件对控制器进行了仿真，验证系统设计的合理性。

人体静电; 无线传输; 稳定性分析

0 引言

在石油、化工和电子生产企业中，人体携带静电可能引起事故，严重的甚至会造成人身伤害，因此静电检测消除技术对于高危企业是非常必要的，而静电检测技术又是重中之重。静电无线检测技术是利用法拉第电磁感应定律，把空气作为静电传输的介质，实现静电的无线传输和检测。可以有效解决传统的静电电能检测技术存在的问题，是比较新型、安全的检测方式。在很多行业有很好的应用前景。但是，静电电能无线传输效率干扰比较严重，导致这项技术的发展受到制约。本文根据目前静电电能无线传输存在的问题，设计了补偿式无线传输模型，通过仿真实验验证了系统的稳定性，验证了模型可以有效的提高系统的传输效率，提高了静电电能检测技术的准确性。

1 原理

汽车静电无线传输系统主要由无线传输电路、一次侧电路和二次侧电路三部分组成，其中，无线传输电路由逆变电路、一次侧补偿电路、松耦合变压器、二次侧补偿电路组成。其静电无线传输系统结构如图1所示。其中高频逆变电路主要实现静电的逆变[1]，再由一次侧补偿电路进行补偿，通过松耦合变压器进行无线传输，二次侧进行检测，从而实现静电的无线传输。

图1 静电无线传输系统的结构图

静电无线传输系统等效模型主要由人体静电电源、松耦合变压器和负载检测电路三部分构成，如图2所示。其中电源由人体所带静电提供，松耦合变压器采用T型等效电路用来替代实际变压器，用电阻性负载作为负载电路，用于检测静电的强度折算人体实际静电强度。具体系统工作过程是由人体静电经逆变电路，补偿电路后通过松耦合变压器实现无线传输，到达二次侧后经补偿后给负载供电，用于检测[2]。设定人体静电经逆变后的AC能提供的电能标称为UAC,同时负载电路中R的两端电压为UR，用于检测。由于静电电能无线传输的角频率为ω，用GK作为T型松耦合变压器模型的UAC与UR的比值，所以GK表示静电无线传输的的能力。

图2 松耦合变压器T等效模型

如图2所示。在模型中各个阻抗分别满足式(1)、 式(2) 、式(3)和式(4)。

Z0=R，

(1)

Z1=Z0+jωl2δ，

(2)

(3)

Z3=jωl1δ+Z2，

(4)

这样 GK就可以用式(5)表示：

(5)

通过式(5)可以知道GK的大小是由参数Z0、Z1、Z2和Z3决定的，同时可以看出Z0、Z1、Z2和Z3是根据式(1)、式(2)、式(3)和式(4)中的参数R、lm、l1δ和l2δ决定的，由于这些参数计算起来比较复杂，而且不能直接表现出GK变化的趋势，这样可以简化这些参数，引入品质因数Q，可以用式(6)表示：

(6)

那么一次侧绕组自感电抗、漏感电抗和负载R存在耦合关系，通过方程可以表示为式(7)、式(8)、式(9)；

(7)

l1δ=(1-K)×l1，

(8)

l2δ=(1-K)×l2，

(9)

将式(6),(7),(8),(9)代入式(5)化简为式(10) ：

(10)

那么可以看出式(10)中的GK是随着Q和K的变化的函数，其中Q是品质因，K是耦合系数 QUOTE。

通过式(10)可以看出，如果当K=1时，GK此时并不改变，与Q无关，此时GK=1，也就是可以证明在T型模型中，如果模型中变压器的内置参数不发生变化的前提下，由于GK=1，R负载两端的电压不会随负载阻值的变化而改变的，其电压值应该等于该端的输入电压 QUOTE。如果减小R的阻值，那么负载R两端的功率有所增加[3]。

如果当K<1时，那么当Q改变，GK随Q的增加有变小的趋势，也就是可以证明在T型模型中，如果模型中变压器的内置参数不发生变化的前提下，当负载阻值发生减少时反而Q会增加，可以看出GK在减小。

同时可以发现如果不改变Q的前提下，T型模型中变压器的K增加GK会增大，而负载R上的功率会越大。但是在实际的运行过程中会发现变压器的K不容易达到1，所以K影响了松耦合变压器的静电传输效率。

2 控制电路实现

基于送耦合变压器的模型又设计了系统的控制电路，如图 3所示。控制电路的原理是采集电路实现一次侧的电流和电压的实时检测，把采集的信号通过整流和变松电路送到模数转换单元并最后传送到主控数字信号处理DSP芯片，然后经过DSP的高速计算，输出PWM脉冲信号[4]，用于控制高频逆变电路中的MOSFET开关电路达到谐振频率，这样可以有效提高系统传输效率。

图3 控制系统结构

图4为控制电路的仿真电路图。

图4 全桥逆变DC/AC电路

图5为控制系统逆变后曲线图。

图5 逆变输出波形图

从图5中可以看出逆变电路设计合理，输出波形是标准的正弦波。

3 稳定性分析

通过交流感应定律可以知道电能在传输过程中，实际是由于一次侧电流作为励磁转变成变化的磁场，并在二次侧形成一个感应电势，这样就有能量输出，如果要保障系统的稳定工作，模型的稳定性是需要验证的[5]，下面对系统模型的稳定性进行分析。

通过T型变压器等效模型可以知道变压器一次侧中的互感电势等效电路，如图6所示。

图6 一次侧互感电势等效电路

通过图6可知一次侧绕组的阻抗为：

ZP=RP+jωLP+Zr，

(11)

可列出电势平衡方程：

(12)

其中，RP为一次侧绕组阻值，LP为一次侧绕组电抗，RS为二次侧绕组阻值，LS为二次侧绕组电抗，M为绕组互感系数，RL为负载阻值，LL为负载电抗。

可以得出式(13)，(14)：

(13)

(14)

通过公式(13)可以知道，模型中的一次侧电流会随着绕组互感系数 M 、负载和系统频率变化而变化。但是，在实际运行过程中可以发现，一些参数是不会发生变化的，比如互感耦合值M，一、二次侧的绕组阻值，一、二次侧的绕组的电抗值，所以，一次侧的电流是受到检测电阻的阻值和系统频率影响的。而在逆变过程中，控制系统可以有效控制好模型中的工作频率[6]，因此，系统的工作频率也可以看做是固定值，不发生变化。影响到系统一次侧电流变化的只有检测负载，为使系统能够稳定运行需要对负载电路进行补偿[7]。其串联补偿系统图如图7所示。

图7 二次侧串联补偿系统图

此时二次侧等效阻抗变化为：

(15)

进行折算后阻抗Zrs为：

(16)

将式(15)代入式(16)得：

(17)

如果二次侧电路发生谐振，可以得出谐振频率ω关系为：

1-ω2L2CS=0，

(18)

(19)

由式(17)、式(18)和式(19)得出，当二次侧回路出现谐振时，负载总阻抗呈纯阻性，此时传输效率为最大值，系统稳定。故对系统的稳定性进行了系统仿真，其仿真结果如图8，图9所示。

图8 一次侧电流的幅频和相频特性曲线稳定性仿真曲线

图9 二次侧电流的幅频和相频特性曲线稳定性仿真曲线

通过图8和图9曲线可知，如果系统发生谐振，一次侧的电流曲线稳定，而二次侧电压的幅频是按比例增加和减小，与没发生谐振情况之前进行比较，可以发现系统的相位变化很小，电压值变化也很小，可以证明系统能不同状态下稳定运行。

4 结论

本文在分析了静电电能无线传输技术的原理基础上，通过对松耦合变压器的等效模型进行分析，建立了静电电能无线传输模型。以此模型为研究基础，设计了系统的控制电路，并对系统的稳定性进行分析，通过仿真实验验证系统模型建立的准确性，同时也验证了系统能对静电电能无线传输稳定运行。

[1] 马皓,周雯琪.电流型松散耦合电能传输系统的建模分析[J].电工技术学报，2005，20(10):66-71.

[2] 武瑛,严陆光，徐善纲.运动设备无接触供电系统耦合特性的研究[J].电工电能新技术，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.基于全桥谐振变换器的非接触电能传输系统基本特性研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.

责任编辑：程艳艳

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

吉林省科技厅科技发展计划项目(20140204076GX)

薛鹏(1979-)，男，吉林长春人，副教授，博士研究生，主要从事电力变换、电机拖动等方面研究。

TP212

A

1009-3907(2016)12-0010-05