自勵(lì)型磁耦合感應(yīng)取電系統(tǒng)仿真研究

翁利國(guó)，湯 霄，楊 勇，張陽(yáng)輝

（國(guó)網(wǎng)浙江杭州市蕭山區(qū)供電有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，城鄉(xiāng)用電量猛增，在用電高峰期，線路供電負(fù)荷在極限附近或超極限運(yùn)行的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生［1-2］。隨著輸電線路高負(fù)荷運(yùn)行情況越來(lái)越普遍，高壓輸送配電線路上接線管處接點(diǎn)溫度過(guò)高的問(wèn)題已成為線路安全運(yùn)行的 “死穴”。因此，為確保電網(wǎng)安全，需要對(duì)高壓線路的測(cè)溫線夾進(jìn)行全面檢測(cè)，防止接點(diǎn)溫度過(guò)高，降低其對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行產(chǎn)生的不良影響［3-4］。

目前，高壓輸配電線路上尚沒有實(shí)現(xiàn)高壓線夾結(jié)頭溫度預(yù)警的有效方式，高壓線路主要以翻牌警示器及傳統(tǒng)電池供電的溫度傳感器來(lái)達(dá)到監(jiān)測(cè)效果，然而該方案存在溫度傳感器體積大、電池壽命短、后期維護(hù)困難等問(wèn)題［5］。為此，設(shè)計(jì)一套以自勵(lì)型供電技術(shù)為取電方式的高壓線夾溫度智能預(yù)警系統(tǒng)，可有效提升測(cè)溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性；同時(shí)通過(guò)其超遠(yuǎn)距離無(wú)線發(fā)射，可實(shí)現(xiàn)帶電安裝，進(jìn)一步提升高壓線夾的測(cè)溫系統(tǒng)可操作性和可維護(hù)性。

自勵(lì)型磁耦合感應(yīng)取電系統(tǒng)是上述高壓線夾溫度智能預(yù)警系統(tǒng)中的重要設(shè)計(jì)。由于輸電線路測(cè)溫線夾要對(duì)后續(xù)傳感器、單片機(jī)以及LoRA 進(jìn)行持續(xù)供電，因此需要從電網(wǎng)上獲取一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓。而實(shí)際電網(wǎng)的電壓供應(yīng)并不十分穩(wěn)定，各個(gè)線路的環(huán)境也不盡相同［6-7］，故需要通過(guò)仿真，設(shè)計(jì)一種適用于電網(wǎng)的磁耦合感應(yīng)取電模型。

1 磁耦合感應(yīng)取電電路原理

在輸電線夾測(cè)溫系統(tǒng)中，磁芯環(huán)繞在高壓輸電線纜上，由于磁芯磁導(dǎo)率高，可將電磁場(chǎng)的能量收集起來(lái)［8］。磁芯中磁通量的交變會(huì)在感應(yīng)取電線圈上感應(yīng)出電壓和電流，從而驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路的工作，磁耦合感應(yīng)取電電路原理如圖1 所示。

圖1 中，磁芯和感應(yīng)取電線圈產(chǎn)生輸入電壓Vin，D1、D2、D3、D4共4 個(gè)二極管組合成整流橋，將感應(yīng)取電線圈獲取的50 Hz 交流電轉(zhuǎn)變成單向電；再通過(guò)后面的濾波電容C，將單向波動(dòng)電濾波形成直流電；由R1、DZ2、T1組成的啟動(dòng)電路為運(yùn)算放大器提供初始輸入信號(hào)，開啟運(yùn)算放大器的工作；T2、T3組成達(dá)林頓管，負(fù)責(zé)給外部負(fù)載電阻RL輸送能量；R3、R4、R2、DZ1組成的分壓電路負(fù)載給運(yùn)算放大器提供電壓反饋，穩(wěn)定負(fù)載電阻RL上的電壓，從而完成整個(gè)取電系統(tǒng)的模擬仿真。

圖1 磁耦合感應(yīng)取電電路原理

2 磁耦合感應(yīng)取電電路輸出電壓影響因素分析

2.1 輸入電壓對(duì)輸出電壓的影響

為了進(jìn)行電流各個(gè)元件參數(shù)的計(jì)算，通過(guò)SPICE 對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行仿真分析，從而模擬電網(wǎng)中輸入電壓Vin的波動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響。由于取電系統(tǒng)的電源源于感應(yīng)取電線圈，而感應(yīng)取電線圈環(huán)繞在高壓輸電線路上，如何選擇感應(yīng)取電線圈的輸入電壓Vin值變得尤為重要。為此，通過(guò)SPICE 仿真的方法，可以得出感應(yīng)取電線圈的合適輸入電壓值。

感應(yīng)線圈的圈數(shù)不同，對(duì)應(yīng)有不同的電壓，感應(yīng)取電線圈磁芯的磁性和線圈直徑?jīng)Q定其能從高壓線纜上富集的磁場(chǎng)通量，而磁場(chǎng)通量對(duì)應(yīng)于獲取能量的大?。?］。理論上，磁導(dǎo)率越高，線圈直徑越大，則內(nèi)部磁場(chǎng)通量越強(qiáng)［10］。而實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，考慮到成本和內(nèi)部損失原因，磁導(dǎo)率高且直徑大的線圈，其內(nèi)部的磁通量并沒有顯著的增強(qiáng)，對(duì)獲取高壓線纜的能量作用不大。

感應(yīng)取電電路中感應(yīng)線圈輸入電壓Vin對(duì)輸出電壓的影響如圖2 所示。圖2 中，感應(yīng)線圈輸入電壓Vin為50 Hz 正弦波，分別取10 V、20 V、30 V、40 V、50 V，Vout為感應(yīng)取電電源系統(tǒng)輸出電壓。從圖2 中可以看出，當(dāng)感應(yīng)取電線圈輸入電壓為10 V，輸出電壓小于8 V，且輸出電壓波動(dòng)大，對(duì)后續(xù)電路的分析和處理影響大；當(dāng)感應(yīng)取電線圈輸入電壓為20～50 V，輸出電壓約為8 V，且波動(dòng)很小，性能好。這可能是由于較低的輸入電壓，導(dǎo)致線圈取電敏感度不夠，造成輸出電壓的波動(dòng)較大。

圖2 感應(yīng)取電線圈輸入電壓Vin 對(duì)輸出電壓的影響

2.2 感應(yīng)取電電路中負(fù)載電阻對(duì)輸出電壓的影響

電源的負(fù)載效應(yīng)是其非常重要的性能之一。同一電源的負(fù)載電阻不同，會(huì)導(dǎo)致電源電壓存在波動(dòng)［11］。實(shí)際運(yùn)行中，有時(shí)負(fù)載電阻會(huì)非常小，而用于驅(qū)動(dòng)一些大功率的設(shè)備；有時(shí)負(fù)載電阻會(huì)非常大，又用于驅(qū)動(dòng)一些小功率的設(shè)備。

通過(guò)仿真分析，測(cè)試負(fù)載電阻RL在10～100 Ω仿真變化時(shí)，輸出電壓的變化情況，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖3 可以看出，輸出電阻在較大范圍內(nèi)變化的時(shí)候，輸出電壓波動(dòng)不大，維持在7.6～7.9 V 波動(dòng)，為可接受范圍。當(dāng)負(fù)載電阻為10 Ω 的時(shí)候，輸出電壓為7.6 V；隨著負(fù)載電阻的增加，輸出電壓逐漸增加，當(dāng)負(fù)載電阻增加到30 Ω 左右時(shí)，輸出電壓趨于穩(wěn)定，再增加負(fù)載電阻，輸出電壓變化不大；雖然負(fù)載電阻會(huì)吸收產(chǎn)品使用過(guò)程中產(chǎn)生的多余電量，起到緩沖和穩(wěn)定電路的作用，但負(fù)載電阻值較小時(shí)，其穩(wěn)定效果并不理想。

圖3 感應(yīng)取電電路中負(fù)載電阻對(duì)輸出電壓的影響

2.3 感應(yīng)取電電路中濾波電容C 對(duì)輸出電壓的影響

濾波電容C 是對(duì)電源的輸出紋波影響較大的因素之一，一般情況下電容越大，輸出的紋波系數(shù)就越小［12-13］。但是電容越大，占用的元件體積越大。因此，需要通過(guò)仿真對(duì)比濾波電容C 對(duì)輸出電壓的影響，來(lái)確定合適的電容值。

圖4 感應(yīng)取電濾波電容對(duì)輸出電壓的影響

針對(duì)不同的濾波電容C 進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以得出，當(dāng)濾波電容為10 μF時(shí)，輸出電壓表現(xiàn)出非常大的波動(dòng)，對(duì)后續(xù)的電路存在非常大的影響。為了減小輸出電壓的波動(dòng)，需要考慮增加濾波電容C。當(dāng)濾波電容C 增加到20 μF 的時(shí)候，紋波電壓減小了一半；隨著濾波電容C 的繼續(xù)增加，輸出電壓的紋波指數(shù)持續(xù)下降。當(dāng)濾波電容C增加到100 μF 的時(shí)候，紋波電壓已經(jīng)減小到0.1 V，滿足后續(xù)電路的要求。

3 磁耦合感應(yīng)取電電路中達(dá)林頓管功率影響因素分析

3.1 輸入電壓Vin 對(duì)輸出達(dá)林頓管功率的影響

設(shè)感應(yīng)取電線圈的輸入電壓為Vin，取50 Hz 正弦波，同時(shí)取正弦波的幅度分別為10～100 V，間隔為10 V，對(duì)比輸入電壓變化導(dǎo)致輸出達(dá)林頓管功率的變化情況。

如圖5 所示的輸入電壓對(duì)輸出達(dá)林頓管功率的影響結(jié)果，圖5 中表明輸出管功率隨著輸入電壓Vin的增加呈線性增加。這表明系統(tǒng)無(wú)法輸入電壓做到最好的優(yōu)化，輸入電壓Vin只能針對(duì)輸出電壓進(jìn)行優(yōu)化。上述分析已經(jīng)指出了輸入電壓Vin為20～50 V 時(shí)可以提供穩(wěn)定的輸出電壓。在這個(gè)基礎(chǔ)上輸入電壓Vin越小，則輸出達(dá)林頓管的功率越小，且波動(dòng)也越小。為此，綜合輸出電壓優(yōu)化和輸出達(dá)林頓管功率優(yōu)化兩項(xiàng)因素，輸入電壓Vin最佳值為20 V。

圖5 輸入電壓Vin 對(duì)輸出達(dá)林頓管功率的影響

3.2 負(fù)載電阻RL 對(duì)輸出達(dá)林頓管功率的影響分析

對(duì)于一個(gè)電源，負(fù)載變化對(duì)輸出達(dá)林頓管功率的影響同樣非常重要［14］。同一個(gè)電源，其負(fù)載電阻不同，會(huì)導(dǎo)致輸出達(dá)林頓管功率存在波動(dòng)。負(fù)載是未知的，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致達(dá)林頓管的功率過(guò)大，對(duì)整個(gè)電路的性能影響大［15］。通過(guò)設(shè)置負(fù)載電阻RL從10 Ω 到100 Ω 變化，仿真輸出達(dá)林頓管功率的變化情況。

如圖6 所示的負(fù)載電阻對(duì)輸出達(dá)林頓管功率的影響結(jié)果，從圖6 中可以看出，當(dāng)負(fù)載電阻RL為10 Ω時(shí)，輸出達(dá)林頓管功率有13 W 上下的波動(dòng)，但隨著負(fù)載電阻RL的增加，輸出達(dá)林頓管波動(dòng)逐漸減??；當(dāng)負(fù)載電阻RL增加到50 Ω，輸出達(dá)林頓管趨于穩(wěn)定，而再增加負(fù)載電阻RL，輸出達(dá)林頓管波動(dòng)無(wú)明顯改善，負(fù)載電阻RL在50 Ω 左右為最佳值。

圖6 負(fù)載電阻RL 對(duì)輸出達(dá)林頓管功率的影響分析

3.3 濾波電容C 對(duì)達(dá)林頓功率輸出管功耗的影響

設(shè)感應(yīng)取電線圈輸入電壓為Vin，電容兩端電壓為Uc，當(dāng)Vin從0 V 開始上升（即正半周開始）時(shí)接入負(fù)載RL，對(duì)比濾波電容從100 μF 升至1 000 μF 的達(dá)林頓管功率的變化。

如圖7 所示的濾波電容C 對(duì)達(dá)林頓功率輸出管功耗的影響結(jié)果，由于電容器在負(fù)載未接入時(shí)已充電，故剛接入負(fù)載時(shí)電壓較小，電容兩端的電壓按照指數(shù)規(guī)律慢慢下降，如圖7 中的ab 段所示。然后，交流電壓Uin按正弦規(guī)律上升，當(dāng)Vin>Uc時(shí)，二極管D1、D3受正向電壓作用而導(dǎo)通，此時(shí)Vin經(jīng)二極管D1、D3一方面向負(fù)載電阻RL提供電流，另一方面向電容器充電，Uc升高如圖7 中的bc 段，bc 段上面的部分為電路中的電流在整流電路內(nèi)阻上產(chǎn)生的壓降。Uc隨著交流電壓Vin升高到最大值后，Vin又按照正弦規(guī)律下降。當(dāng)Vin

圖7 濾波電容C 對(duì)達(dá)林頓功率輸出管功耗的影響

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)輸電線夾測(cè)溫系統(tǒng)的感應(yīng)取電系統(tǒng)進(jìn)行分析，并仿真模擬了輸入電壓Vin、負(fù)載電阻RL和濾波電容C 對(duì)輸出電壓和輸出達(dá)林頓管功率的影響，結(jié)果表明：當(dāng)輸入電壓Vin為20～50 V、負(fù)載電阻RL為30～50 Ω 以及濾波電容C≥100 μF 時(shí)，輸出電壓與輸出達(dá)林頓管功率的波動(dòng)幅度最小。

通過(guò)所設(shè)計(jì)感應(yīng)取電系統(tǒng)仿真分析模型，避免了電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證的冗長(zhǎng)周期，實(shí)現(xiàn)了對(duì)感應(yīng)取電系統(tǒng)，在不同元件參數(shù)下的能效快速分析，使得高壓線夾的測(cè)溫系統(tǒng)可操作性、可維護(hù)性得到進(jìn)一步的提升。