一種寬電流工作范圍的CT取能電源設(shè)計(jì)方法

盧治江 王瑋 徐丙垠 梁棟 高田瑋

摘? 要： 針對(duì)利用CT從母線取能的電源設(shè)計(jì)中存在的小電流時(shí)供電死區(qū)和大電流時(shí)電源發(fā)熱的矛盾問(wèn)題，文中提出一種寬電流工作范圍的CT取能電源設(shè)計(jì)方法。在小母線電流時(shí)使鐵芯以最大功率輸出實(shí)現(xiàn)了鐵芯體積的最小化，在大母線電流時(shí)通過(guò)鐵芯的功率輸出導(dǎo)通角的自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)了電源電路對(duì)鐵芯輸出功率的控制，從而很好地避免了電源發(fā)熱。建立CT取能的等效模型，給出該電源方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該電源在20～1 000 A的母線電流范圍下，可穩(wěn)定提供5 W功率輸出，且電源在大母線電流時(shí)也無(wú)明顯發(fā)熱現(xiàn)象，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

關(guān)鍵詞： CT取能系統(tǒng); 電源設(shè)計(jì); 等效模型建立; 功率輸出控制; 自適應(yīng)控制; 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN86?34; TM727? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）06?0124?05

A design method of CT draw?out energy power supply with wide operating range current

LU Zhijiang， WANG Wei， XU Bingyin， LIANG Dong， GAO Tianwei

（School of Electrical and Electronic Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255049， China）

Abstract： In allusion to the problems existing in the power supply design of CT draw?out energy from bus， i.e. there is powered dead zone at small currents and power supply occurs in heating phenomenon at large currents， a design method of CT draw?out energy power supply with wide operating range current is proposed. At small bus currents， the volume minimization of iron core with the maximum power output is realized. At large bus currents， the power supply circuit can control the output power of the iron core by means of the adaptive control of the power output conduction angle of the iron core， so as to avoid the heating of the power supply. The equivalent model of CT draw?out energy is built， and the detailed design of the power supply is given. The actual measured results show that the power supply can stably provide 5 W power output in the bus current range of 20～1 000 A， and has no obvious heating phenomenon when the bus current is large， which verifies the effectiveness of this method.

Keywords： CT draw?out energy system; power supply design; equivalent model building; power output control; adaptive control; experimental testing

0? 引? 言

隨著電力行業(yè)對(duì)供電可靠性要求的不斷提高，輸電線路在線監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1?2]，例如輸電線路絕緣子污穢監(jiān)測(cè)、絕緣子泄漏電流監(jiān)測(cè)、覆冰監(jiān)測(cè)、分布式行波測(cè)距等。由于輸電線路在線監(jiān)測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期工作在野外，其電源一般不能由低壓側(cè)直接供給，因此電源技術(shù)成為制約其發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

常用的在線取能方式有太陽(yáng)能板供能、激光供能、分壓電容器取能、利用CT從母線取能等[1]。上述各種方式中，利用CT從母線取能的方式具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、電源體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、絕緣封裝簡(jiǎn)單、使用安全等優(yōu)點(diǎn)，因此該方式也成為目前實(shí)用化程度最高的取能方式[3?6]。利用CT從母線取能的方式主要存在兩個(gè)問(wèn)題：

1） 母線電流過(guò)小時(shí)，電源不能取得足夠功率，因此存在供電死區(qū);

2） 母線電流過(guò)大時(shí)，電源輸入功率過(guò)大從而導(dǎo)致電源發(fā)熱。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種寬電流工作范圍的CT取能電源設(shè)計(jì)方法，該方法通過(guò)為取能鐵芯選擇合適的尺寸與副邊匝數(shù)[4]，使鐵芯在小母線電流時(shí)以接近其最大功率進(jìn)行輸出，從而最大程度地降低供電死區(qū);在大母線電流時(shí)，通過(guò)對(duì)取能鐵芯的功率輸出導(dǎo)通角進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)電源電路輸入功率的控制，從而避免了電源的發(fā)熱。該電源在20～1 000 A母線電流范圍下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的5 W功率輸出，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了該方法的正確性。

1? CT取能系統(tǒng)分析

CT取能線圈功率輸出的等效模型如圖1所示。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律、磁動(dòng)勢(shì)平衡方程及全電流定律可知：

式中：[E2]為取能線圈副邊感應(yīng)電壓（有效值）;f為母線電流頻率;N1，N2分別為原邊和副邊匝數(shù)，[N1=1];I1，I2，Im分別為一次電流、二次電流及鐵芯的勵(lì)磁電流;Φm為主磁通;Bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度;Hm為磁場(chǎng)強(qiáng)度;S為鐵芯截面積;l為平均磁路長(zhǎng)度;μ為鐵芯磁導(dǎo)率，μ=μ0 μr，μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率。

聯(lián)立式（1）～式（4），副邊輸出功率P可表示為：

由式（6）可知：鐵芯輸出功率存在一個(gè)最大值，該最大值只與鐵芯材料、截面積、平均磁路長(zhǎng)度及母線電流有關(guān)，與副邊匝數(shù)無(wú)關(guān)[7]。由于電源的等效阻抗是一個(gè)固定值，要使，其副邊匝數(shù)也就是確定的。因此對(duì)一個(gè)材料和尺寸確定的鐵芯，必定存在一個(gè)確定的副邊匝數(shù)，使其電源電路對(duì)應(yīng)鐵芯以接近其最大功率進(jìn)行輸出[8]。

2? 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以用于110 kV輸電線路的分布式行波測(cè)距裝置為應(yīng)用背景，研究了一種新的CT取能電源設(shè)計(jì)方法，該電源可在母線電流20～1 000 A的寬電流范圍下，穩(wěn)定輸出5 W功率。圖2為本文設(shè)計(jì)電源的結(jié)構(gòu)框圖，包括導(dǎo)通角控制電路、整流濾波電路、DC?DC轉(zhuǎn)換電路。其中導(dǎo)通角控制電路通過(guò)控制副邊繞組的功率輸出導(dǎo)通角，進(jìn)而對(duì)鐵芯的輸出功率進(jìn)行控制;整流濾波電路用于將交流電壓轉(zhuǎn)換為單向脈動(dòng)直流電壓后并降低紋波;DC?DC轉(zhuǎn)換電路用于將整流濾波后較高的直流電壓變?yōu)樨?fù)載需要的直流電壓，并保證該電壓不受一次電流和負(fù)載變化的影響[9?10]。

2.1? 取能鐵芯及副邊繞組匝數(shù)的設(shè)計(jì)

鐵芯設(shè)計(jì)的原則是在滿足取能要求的前提下盡量降低鐵芯的尺寸，鐵芯的尺寸是由其最小工作電流要求決定的。根據(jù)式（6）可知，選擇初始磁導(dǎo)率高的鐵芯材料能降低其最小工作電流?？紤]到在線監(jiān)測(cè)設(shè)備多具有帶電安裝的要求，必須對(duì)鐵芯進(jìn)行切割，因此必須考慮氣隙對(duì)鐵芯功率的影響[4]。以20 A時(shí)輸出5 W功率為原則，根據(jù)式（6），鐵芯內(nèi)徑至少要40 mm，同時(shí)考慮電源安裝時(shí)線路的外徑、副邊繞組厚度、絕緣厚度因素，最終鐵芯內(nèi)徑選取65 mm、外徑95 mm，縱高110 mm、帶0.035 mm開(kāi)口氣隙的O型硅鋼片[4]鐵芯進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的分布式行波測(cè)距裝置其靜態(tài)功耗為5 W，使用5 V電壓。因此對(duì)電源測(cè)試來(lái)說(shuō)，可用5 Ω電阻對(duì)實(shí)際分布式行波測(cè)距裝置進(jìn)行等效。根據(jù)不同母線電流時(shí)鐵芯均存在最大功率輸出點(diǎn)的理論，其副邊匝數(shù)使要求的最小工作電流20 A時(shí)鐵芯能夠以最大功率進(jìn)行輸出?？紤]到本設(shè)計(jì)中電源電路的電壓要求其副邊匝數(shù)最少為100匝，因此為了確定最佳副邊繞組匝數(shù)，采用了實(shí)測(cè)尋找的方法，匝數(shù)從100匝開(kāi)始，以5匝為單位進(jìn)行增加，同時(shí)對(duì)負(fù)載的電流和電壓進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)?shù)刃щ娫措娐返妮敵龉β蔬_(dá)到最大時(shí)，此時(shí)的副邊繞組匝數(shù)即為系統(tǒng)需要的最佳匝數(shù)。本設(shè)計(jì)中，20 A時(shí)鐵芯輸出最大功率對(duì)應(yīng)的副邊繞組匝數(shù)為130匝。

2.2? 導(dǎo)通角控制及整流濾波電路

電源的導(dǎo)通角控制及整流濾波電路如圖3所示，導(dǎo)通角控制電路用于控制鐵芯副邊繞組的功率輸出導(dǎo)通角，其目的是控制電源電路對(duì)鐵芯輸出功率的獲取。利用可控硅在電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)自動(dòng)關(guān)斷的特性，選用雙向可控硅可使電源前端電路在每個(gè)周波內(nèi)均自動(dòng)“導(dǎo)通關(guān)閉”2次，若副邊繞組每半個(gè)周波內(nèi)的功率輸出導(dǎo)通角都為θ，則鐵芯線圈的副邊輸出功率P為：

式中：導(dǎo)通角θ取值范圍為0°～180°;[ω]為系統(tǒng)頻率;[φ]為母線電流和鐵芯勵(lì)磁電流之間的相位差，并當(dāng)?shù)刃ё杩构潭〞r(shí)，[φ]為常數(shù)。

正半周波內(nèi)，可控硅TR1，TR2最初不導(dǎo)通，副邊電壓Uin在過(guò)零后開(kāi)始增大，Uin整流變?yōu)橹绷麟妷汉笤跒樨?fù)載供能的同時(shí)對(duì)電容C1，C2充電，C1，C2充電到一定大小時(shí)，此時(shí)副邊電壓Uin的瞬時(shí)值增大到使穩(wěn)壓管D1導(dǎo)通，進(jìn)而分別觸發(fā)可控硅TR1，TR2導(dǎo)通，在TR1，TR2導(dǎo)通期間，電源停止獲取功率，此時(shí)利用C1，C2放電為負(fù)載供能，C1，C2在放電過(guò)程中其電壓不斷下降。負(fù)半周波內(nèi)，可控硅在其兩端電壓過(guò)零時(shí)首先自動(dòng)關(guān)斷，Uin瞬時(shí)值從零點(diǎn)開(kāi)始不斷增大，這期間Uin整流后在為負(fù)載供能的同時(shí)再次對(duì)電容C1，C2充電，當(dāng)C1，C2充電到一定大小時(shí)，Uin的瞬時(shí)值又增大到使穩(wěn)壓管D2導(dǎo)通，進(jìn)而再次觸發(fā)TR1，TR2導(dǎo)通，此時(shí)電源再次停止獲取功率，此后再次利用C1，C2放電為負(fù)載供能，如此循環(huán)反復(fù)。C4，R1構(gòu)成雙向可控硅的阻容吸收回路，用于吸收通斷瞬間的高頻信號(hào)。

由此可見(jiàn)，通過(guò)選擇合適的儲(chǔ)能電容C1，C2大小，即可保證每半個(gè)周波內(nèi)電容的儲(chǔ)能能夠滿足該半周波功率導(dǎo)通角不導(dǎo)通期間為負(fù)載不間斷地提供功率。母線電流越大，Uin越大，Uin的瞬時(shí)值越早達(dá)到穩(wěn)壓管閾值，可控硅越早導(dǎo)通，其導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，鐵芯線圈的有效功率輸出時(shí)間越短，對(duì)應(yīng)的功率輸出導(dǎo)通角θ越小，因此不同母線電流也即實(shí)現(xiàn)了對(duì)副邊輸出功率導(dǎo)通角θ的自適應(yīng)控制。

此外，由于可控硅導(dǎo)通時(shí)間由Uin的瞬時(shí)值決定，因此對(duì)大母線電流來(lái)說(shuō)，其較大的電流瞬時(shí)值也被及時(shí)導(dǎo)通的可控硅進(jìn)行了分流從而避免其流入電源電路，也就避免了大電流時(shí)的電源發(fā)熱，從而保證了電源的壽命和可靠性。

導(dǎo)通角控制電路后為全波整流電路，考慮到副邊電壓較高，而副邊電流較小，選用正向?qū)▔航递^小的整流橋芯片MB2S，其反向耐壓為200 V，正向電流可達(dá)30 A;C1，C2選用100 μF、耐壓63 V的電解電容，電容C3用于濾除高頻干擾。

2.3? DC?DC轉(zhuǎn)換電路

電源的DC?DC轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。DC?DC轉(zhuǎn)換電路將整流濾波后交流分量較小、數(shù)值較高的直流電壓變?yōu)樨?fù)載需要的直流電壓，并保證該電壓不受一次電流和負(fù)載變化的影響。DC?DC處理電路是基于隔離反激式變換器構(gòu)成[11]。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管IRFR220N導(dǎo)通時(shí)，反激變壓器一次側(cè)有電流通過(guò)，將能量?jī)?chǔ)存在反激變壓器中，此時(shí)二次繞組與反饋繞組輸出的電壓極性是上負(fù)下正，二極管截止，沒(méi)有輸出電壓，一次繞組電流線性增加，直到達(dá)到電流峰值時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷;在開(kāi)關(guān)管IRFR220N關(guān)斷時(shí)，一次繞組沒(méi)有電流通過(guò)，因電磁感應(yīng)原理，產(chǎn)生上負(fù)下正的感應(yīng)電壓，二次繞組與反饋繞組產(chǎn)生上正下負(fù)的感應(yīng)電壓，二極管導(dǎo)通，反激變壓器中儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為電能釋放到二次繞組和反饋繞組，并經(jīng)過(guò)整流濾波后獲得輸出電壓。由于選用峰值電流控制模式的反饋控制芯片NCP1234作為主控單元，芯片固定震蕩頻率為100 Hz。開(kāi)關(guān)頻率很高，則輸出電壓基本保持穩(wěn)定。輸出電壓經(jīng)過(guò)光電耦合器LTV?357T后，在集電極產(chǎn)生反饋電壓，此電壓在控制芯片的FB端內(nèi)部經(jīng)過(guò)調(diào)理產(chǎn)生的電流，與CS端檢測(cè)到的電流ICS進(jìn)行比較，當(dāng)ICS小于調(diào)理后電流時(shí)，控制芯片的DRV端輸出的PWM信號(hào)使開(kāi)關(guān)管保持導(dǎo)通，當(dāng)ICS等于調(diào)理后電流時(shí)，DRV端輸出的PWM信號(hào)使開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，并在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期起始自動(dòng)導(dǎo)通，如此循環(huán)反復(fù)。

通過(guò)電阻分壓來(lái)保證比較器LM2903的同相輸入端電壓恒大于反相輸入端電壓，使比較器LM2903恒定輸出高電平。假設(shè)二極管VD1正向?qū)▔航禐?.7 V，LM2903自身壓降為Vb（大于1 V），則滿足關(guān)系：

進(jìn)而就確保了U0始終大于Ufb，避免Ufb過(guò)高燒壞控制芯片F(xiàn)B端。

隔離反激式變換器中開(kāi)關(guān)管IRFR220N作為PWM調(diào)制器，反激變壓器與光電耦合器LTV?357T起到隔離作用，反激變壓器也等效為一個(gè)儲(chǔ)能電感，不斷地儲(chǔ)存能量和釋放能量。C5，C6，C7并聯(lián)使輸出電壓紋波平滑，也為瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)提供了電荷泵，選擇三個(gè)A型貼片鉭電容（100 μF，20 V）。為了限制VCC端的紋波電壓，C8，C9選擇兩個(gè)E型貼片鉭電容（10 μF，25 V），C10選擇100 nF貼片電容。隔離反激式變換器不僅所用器件少，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)輸入與輸出電氣隔離，降低了電源端對(duì)負(fù)載的干擾。

3? 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本設(shè)計(jì)電源應(yīng)用于110 kV輸電線路的分布式行波測(cè)距裝置，該電源要求在原邊電流20～1 000 A的寬電流范圍下，均能穩(wěn)定地為裝置提供5 W功率。

通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，來(lái)驗(yàn)證本電源設(shè)計(jì)方法的正確性。按照設(shè)計(jì)參數(shù)制作取能鐵芯，使用130匝、外徑粗細(xì)規(guī)格1.8 mm的漆包線繞制副邊繞組。使用升流器輸出測(cè)試用原邊電流，利用滑動(dòng)變阻箱作為負(fù)載。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

導(dǎo)通角控制電路中雙向可控硅選擇BTA41600，其最大工作電流達(dá)到45 A，耐壓級(jí)別達(dá)到600 V。通過(guò)產(chǎn)生10～1 000 A電流，用示波器實(shí)測(cè)可控硅兩側(cè)電壓波形，該波形即鐵芯線圈副邊輸出電壓波形，該波形反映出不同原邊電流時(shí)鐵芯具有不同的輸出導(dǎo)通時(shí)間。圖6為不同原邊電流時(shí)的電壓波形。

當(dāng)原邊電流較小時(shí)，如圖6a）所示，鐵芯磁通未飽和，波形近乎為正弦波。隨著原邊電流升高，如圖6b）～圖6i）所示，鐵芯開(kāi)始飽和，波形畸變?yōu)榧獠?且隨著原邊電流的增大，副邊電壓Uin越早使穩(wěn)壓管D1或D2導(dǎo)通，使得鐵芯的功率輸出導(dǎo)通角越小，其電壓波形越早變?yōu)? V，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通角控制電路對(duì)鐵芯輸出功率的自適應(yīng)控制。

針對(duì)CT取能電源負(fù)載的5 W，5 V輸出要求，使用5 Ω的等效負(fù)載對(duì)電源進(jìn)行整體測(cè)試。表1為原邊電流10～1 000 A時(shí)，負(fù)載電阻R的兩端電壓VOUT及負(fù)載獲得功率的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

由表1可知，原邊電流為10 A時(shí)，電源只有在空載時(shí)才能輸出5.01 V電壓，接任何大小負(fù)載該電壓均變?yōu)? V。因此原邊電流為10 A時(shí)，任何大小負(fù)載均不能獲得足夠的功率。當(dāng)原邊電流達(dá)到最少20 A時(shí)，其輸出功率可以達(dá)到5 W以上。

為驗(yàn)證最小原邊電流20 A時(shí)鐵芯以接近其最大功率進(jìn)行輸出，通過(guò)改變負(fù)載電阻測(cè)試電阻所獲得的功率，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，原邊電流固定為20 A，當(dāng)?shù)刃ж?fù)載為5 Ω時(shí)，取能電源接近其最大功率輸出。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該電源能夠在母線電流20～1 000 A的寬電流范圍下，均能提供5 W的功率輸出，且在大母線電流時(shí)也未出現(xiàn)明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

與目前在線監(jiān)測(cè)裝置的取能方式相比，本文所提出的寬電流工作范圍的CT取能電源方案，其體積更小、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、成本更低，能夠?qū)ω?fù)載長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定供能，而且避免了母線大電流時(shí)電源的發(fā)熱。將該電源樣機(jī)用于110 kV輸電線路的分布式行波測(cè)距裝置，掛網(wǎng)運(yùn)行表明，其運(yùn)行效果良好，有很好的工程實(shí)用價(jià)值。

注：本文通訊作者為王瑋。

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