基于電磁感應(yīng)的物理電源的設(shè)計(jì)

祁迎春，路桂娟

(廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北廊坊065000)

基于電磁感應(yīng)的物理電源的設(shè)計(jì)

祁迎春，路桂娟

(廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北廊坊065000)

高壓側(cè)提取電能的特征量一直是電源系統(tǒng)存在的難題。利用電磁感應(yīng)原理，研制了一種利用電流互感器從高壓側(cè)獲取電能參數(shù)的物理電源。該電源以懸浮式電磁感應(yīng)為主要技術(shù)手段，能夠有效地完成電源運(yùn)行狀態(tài)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種電磁感應(yīng)電源在線路電流從10～1 000 A的范圍內(nèi)，能為高壓側(cè)的電子設(shè)備提供約500 mW的功率，輸出電壓達(dá)到了預(yù)期效果，具有一定的推廣價(jià)值。

電磁感應(yīng)；物理電源；DSP；電子電路

高壓側(cè)電路的工作狀態(tài)一直是電力系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提。但是，各種高壓側(cè)信號(hào)的采集都需要相應(yīng)的傳感器來完成運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。為了滿足電氣隔離的使用要求，這些傳感器和監(jiān)測裝置都不能利用高壓線路供電，需要配備其他電源供電。目前，所采用的電源大多數(shù)是電池供電，而電池供電由于其壽命有限性的原因，需要定期更換。當(dāng)監(jiān)測儀器是位于人煙稀少的郊外時(shí)，這樣的維護(hù)工作會(huì)因?yàn)楦鞣N原因而變得困難重重，這就給高壓線路工作的可靠性和穩(wěn)定性造成了不利的影響，因此，設(shè)計(jì)應(yīng)用于高壓線路的監(jiān)測電源具有重要的價(jià)值[1]。

1 高壓側(cè)監(jiān)控設(shè)備供電電源技術(shù)方案分析

高壓側(cè)監(jiān)控設(shè)備供電電源的應(yīng)用技術(shù)方案主要有以下幾種：(1)新能源利用；(2)蓄電池供電；(3)激光供能；(4)線路電磁感應(yīng)電源。下面分析它們的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)。

(1)新能源利用

目前，新能源的利用主要集中在兩種方式上：一種是太陽能供電；另一種為風(fēng)能供電。這兩種方式都具有綠色、可持續(xù)能源的特點(diǎn)，但是也具有受外界環(huán)境影響大，發(fā)電不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。同時(shí)，由于太陽能和風(fēng)能電池的轉(zhuǎn)換效率都不太高，使其能夠提供測量電流等參數(shù)的范圍都比較窄，對于比較寬的測量要求，新能源無法提供合適的電能供給。

(2)蓄電池供電

蓄電池供電是電源系統(tǒng)的主流設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)起來比較簡單。但是蓄電池也受電池的容量及壽命的限制，具有一般電源電池所具有的缺點(diǎn)，所以在實(shí)際中，利用蓄電池作為高壓側(cè)供電設(shè)備很少被采用。不過，在實(shí)際中，利用蓄電池和新能源聯(lián)合供電，兩者取長補(bǔ)短，也能達(dá)到良好的供電效果。

(3)激光供能

利用激光或其他的光源從低電位側(cè)通過光纖將光能量傳送到高電位側(cè)，再由光電轉(zhuǎn)換器件將光能量轉(zhuǎn)換為電能量，經(jīng)過DC/DC變換后提供穩(wěn)定的電源輸出[2]。激光供電的效果取決于其設(shè)備中的光電器件，好的光電器件價(jià)格昂貴，質(zhì)量一般的光電器件壽命短且工作穩(wěn)定性差，導(dǎo)致應(yīng)用范圍變小。

(4)線路電磁感應(yīng)取能

線路電磁感應(yīng)取能是采用電磁式電流傳感器從高壓傳輸線路上直接取能，經(jīng)過電流傳感器二次線圈的輸出，再進(jìn)行整流、濾波和穩(wěn)壓后，為高壓側(cè)的監(jiān)測電子設(shè)備提供相應(yīng)的物理電源。采用這種方式供電，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但是存在著當(dāng)電網(wǎng)電流波動(dòng)時(shí)，其輸出電壓也會(huì)產(chǎn)會(huì)波動(dòng)的問題，因此，利用一定的技術(shù)方法對其進(jìn)行改進(jìn)是應(yīng)用的前提。

除以上的幾種之外，還有利用電容器等電氣設(shè)備進(jìn)行在線取能等方法，在此不再一一贅述。

2 線路電磁感應(yīng)取能基本原理分析

線路電磁感應(yīng)在線取能電源基本原理如圖1所示。

圖1 電流傳感器高壓線路在線取能原理示意圖

如圖1所示，整個(gè)電流由四部分組成，分別為線圈、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等。其中線圈的一次端采集高壓電，利用電圈的二次端進(jìn)行能量傳遞轉(zhuǎn)換；整流電路完成將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)的功能；濾波電路對直流信號(hào)的其它噪音信號(hào)進(jìn)行濾除；穩(wěn)壓電路完成直流穩(wěn)壓的功能，最后提供直流輸出。

對于線路電磁感應(yīng)取能供電方式來說，圖1所示的結(jié)構(gòu)存在著兩個(gè)問題亟需解決：

(1)取能端是通過線圈的一次端在高壓側(cè)取能，二次端輸出，當(dāng)一次端處于大電流時(shí)，取能線圈會(huì)產(chǎn)生過剩功率，而且高電流會(huì)產(chǎn)生較大的熱能耗，影響電源的工作效率和工作的穩(wěn)定性；

(2)當(dāng)高壓側(cè)的線路電流動(dòng)態(tài)變化時(shí)，直流電源的輸出也會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的狀態(tài)。

為了解決以上的兩個(gè)問題，本文采用高壓側(cè)懸浮式電磁感應(yīng)加保護(hù)電路的方式來改進(jìn)電流取能的方案。

3 高壓側(cè)懸浮式電磁感應(yīng)物理電源的設(shè)計(jì)

電磁感應(yīng)物理電源的本質(zhì)是采用電磁互感方式將高壓線路上的大電流變成小電流，再經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)，最后輸出直流電能。為了消除大電流的影響，本文在線圈的二次側(cè)采用懸浮式電磁感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)多余功能的抵消，從而達(dá)到電流在合理的范圍內(nèi)輸出的目的。

懸浮式電磁感應(yīng)工作原理如圖2所示。

圖2 懸浮式電磁感應(yīng)工作原理示意圖

如圖2所示，線圈一次側(cè)由一根電纜組成，e為一次側(cè)電動(dòng)勢，N為一次側(cè)繞組匝數(shù)。線圈的二次側(cè)采用兩組線圈同銘端反接的方式。一組線圈為取能線圈，另一組線圈為補(bǔ)償線圈，其中取能線圈的鐵心采用初始磁導(dǎo)率較高的磁性材料，而補(bǔ)償線圈采用初始磁導(dǎo)率較低的磁性材料，由于二者反接，所以二次側(cè)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也不相同，從而可以利用感應(yīng)電動(dòng)勢的反向作用，將高壓側(cè)所產(chǎn)生的多余功率抵消，同時(shí)系統(tǒng)也可以得到寬范圍補(bǔ)償?shù)妮敵鲭娔埽档推渌a(chǎn)生的熱耗。圖中，e2為二次側(cè)取能線圈電動(dòng)勢，N2為二次側(cè)取能線圈繞組匝數(shù)，e3為二次側(cè)補(bǔ)償線圈電動(dòng)勢，N3為二次側(cè)補(bǔ)償線圈繞組匝數(shù)。

二次側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢分為兩種情況：當(dāng)從高壓側(cè)所取電流值較小時(shí)，取能線圈由于初始磁導(dǎo)率高，所以會(huì)產(chǎn)生比較大的感應(yīng)電動(dòng)勢，而補(bǔ)償線圈的初始磁導(dǎo)率低，所以產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢幾乎為0，總的感應(yīng)電動(dòng)勢為e2－e3幾乎和e2相同。該電動(dòng)勢經(jīng)過保護(hù)電路、整流、濾波后輸入穩(wěn)壓電路，最后形成直流輸出。

而當(dāng)從高壓側(cè)所取電流值較大時(shí)，取能線圈所產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢較大，而補(bǔ)償線圈所產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢也較大，總的感應(yīng)電動(dòng)勢為e2－e3，反接的補(bǔ)償線圈起到平衡多余電動(dòng)勢的作用，從而將輸出功率降到合理的范圍。

為了提高物理電源工作的穩(wěn)定性，系統(tǒng)還需增加由氣體放電管、壓敏電阻、瞬間抑制二極管和半導(dǎo)體防浪涌保護(hù)器件所組成的沖擊保護(hù)電路。

4 結(jié)論

該電源以懸浮式電磁感應(yīng)為主要技術(shù)手段，完成了高壓側(cè)取能物理電源的設(shè)計(jì)。該電源二次側(cè)線圈采用取能線圈和補(bǔ)償線圈互補(bǔ)的方式，能夠有效地完成電源運(yùn)行狀態(tài)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種電磁感應(yīng)電源在線路電流從10～1 000 A的范圍內(nèi)，能為高壓側(cè)的電子設(shè)備提供約500 mW的功率，輸出電壓達(dá)到了預(yù)期的效果，具有一定的推廣價(jià)值。

[1]吳志勇.電磁感應(yīng)數(shù)字電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：華北電力大學(xué)，2011：2-3.

[2]陳海彬.新型高壓線纜懸浮式電磁感應(yīng)通信電源的設(shè)計(jì)[D].北京：華北電力大學(xué)，2008：2-3.

Design of physical power based on electromagnetic induction

QI Ying-chun,LU Gui-juan
(Langfang Polytechnic Institute,Langfang Hebei 065000,China)

It has always been the problem in the system of power supply with extracting the characteristics of electricity by high voltage side.The electromagnetic induction principle was used to design a physical power supply of electricity.The physical power supply got power parameters with current transformer from the high voltage side.The power supply using suspension electromagnetic induction as the main technical means effectively completed the adaptive regulation of operation of power supply.Experimental results show that at the line current range of 10-1000 A,the electromagnetic induction power supply can provide power of about 500 mW for the electronic devices by high voltage side.The output voltage achieves the desired effect.So the design has certain promotion value.

electromagnetic induction;physical power;DSP;electronic circuit

TM 41

A

1002-087 X(2016)08-1709-02

2016-03-16

祁迎春(1980—)，女，河北省人，講師，主要研究方向?yàn)槲锢斫逃?/p>