劉慧標(biāo) 李曉東 李 濤 李 宏
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基于無線電能傳輸技術(shù)的隔離電源控制器研制[1]
劉慧標(biāo)1)李曉東2)李 濤1)李 宏1)
1)中國地震局地殼應(yīng)力研究所,地殼動力學(xué)重點實驗室,北京 100085 2)新疆維吾爾自治區(qū)地震局,烏魯木齊 830011
在開展地震監(jiān)測過程中,電力線引入感應(yīng)雷是導(dǎo)致地震觀測設(shè)備損壞的主要因素之一。通過對傳統(tǒng)防雷技術(shù)與無線電能傳輸技術(shù)的綜合研究,設(shè)計出一種電隔離的無線供電系統(tǒng),以抑制電力線帶來的干擾,保護后端觀測設(shè)備,制作出系統(tǒng)樣機,并提供供電系統(tǒng)樣機實驗室性能測試數(shù)據(jù)。
防雷 無線電能傳輸 系統(tǒng)設(shè)計 性能測試
引言
我國是多雷電災(zāi)害的國家,很多地震臺站都受到雷電干擾。雷電不僅影響臺站設(shè)備產(chǎn)出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,也是造成臺站地震監(jiān)測設(shè)備損壞的主要因素之一。按雷電在空氣中發(fā)生的部位,雷電大概可分為三種:云中放電、云間放電、云地放電。云地放電是帶電云層與大地之間的迅猛放電,對建筑物、電子電氣設(shè)備和人、畜的危害甚大,是通常所說的雷擊,也是雷電危害地震臺站的主要形式。雷擊危害地震臺站有兩種途徑:一是直擊雷,是指帶電云層于大地上某一點直接放電,遭受直擊雷概率很小,但是其危害很大,不僅危害儀器設(shè)備,也危及人身、建筑安全,一般可通過外接避雷裝置的方式防直擊雷;二是感應(yīng)雷,帶電云層由于靜電感應(yīng)作用,使地面某一范圍帶電,當(dāng)直擊雷發(fā)生后,云層帶電迅速消失,而地面某些范圍由于散流電阻大,以至于出現(xiàn)高電壓發(fā)生閃擊和電磁感應(yīng)的現(xiàn)象,通過電力線、信號線、傳輸線、天線等進入觀測設(shè)備造成損害。據(jù)統(tǒng)計,在實際地震監(jiān)測中,雷擊導(dǎo)致的設(shè)備損壞絕大部分都是由感應(yīng)雷造成的,而其中約70%是由電力線引入(黃錫定等,2007)。
由于電力線在戶外大都是架空明線,雷電感應(yīng)的高壓極易沿電力線進入臺站,干擾數(shù)據(jù)觀測,甚至造成設(shè)備損壞。針對這種情況,結(jié)合對傳統(tǒng)防雷手段的分析,本文提出了一種新型的電隔離的供電方式,將觀測設(shè)備與市電電力線隔離,從而防止電力線的干擾引入。
1 傳統(tǒng)電源隔離方法
為了能有效抑制電力線引入感應(yīng)雷,保證地震臺站地震監(jiān)測設(shè)備正常工作,研發(fā)人員開展了很多相關(guān)工作,并提出了多種解決辦法。
1.1 太陽能供電方式
由太陽能電池板、控制器、蓄電池和負(fù)載組成太陽能供電系統(tǒng)。在光照充分時,太陽能電池板吸收太陽能并轉(zhuǎn)換為電能,由控制器控制為設(shè)備供電、蓄電池充電;在光照不足時,控制器控制蓄電池為設(shè)備供電。這種供電方式可以從供電的源頭解決電力線引入感應(yīng)雷的情況,但是由于太陽能供電系統(tǒng)的發(fā)電量受地區(qū)、時間、氣候條件的影響很大,很多日照量不足的地區(qū)難以滿足儀器設(shè)備穩(wěn)定持續(xù)供電的要求,且價格比較昂貴,因此只在部分地區(qū)得到應(yīng)用。
1.2 發(fā)電機供電方式
由市電、電動機、發(fā)電機、負(fù)載組成發(fā)電機供電系統(tǒng)。使用市電驅(qū)動電動機,通過皮帶帶動發(fā)電機工作,給觀測設(shè)備供電,實現(xiàn)了觀測設(shè)備與市電電力線的絕緣隔離,很好地解決了電源線引入干擾的問題。但由于電動機依賴市電供電,當(dāng)有斷電事故發(fā)生且系統(tǒng)沒有外接蓄電池為設(shè)備供電時,就會造成設(shè)備供電中斷,且在實際使用中,此供電系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換效率低,長時間持續(xù)工作易導(dǎo)致皮帶斷裂,造成供電中斷,加上工作中噪聲、震動很大,使用并不廣泛。
1.3 雙蓄電池切換供電方式
該供電系統(tǒng)由市電、電源檢測及控制轉(zhuǎn)換電路、蓄電池、負(fù)載組成。系統(tǒng)使用兩組蓄電池,當(dāng)電源控制電路檢測到給設(shè)備供電的蓄電池電壓下降到小于供電電壓時,切換蓄電池,將已充好電的另一組蓄電池連接進設(shè)備的供電回路,給設(shè)備供電,同時接入市電給替換下來的蓄電池充電。這種狀態(tài)反復(fù)切換,始終保持有一組蓄電池給設(shè)備供電,另一組充電。這種方法起到了負(fù)載與市電隔離,很好地防止了電力線引入感應(yīng)雷損壞設(shè)備的事故,但由于充電器還是用到了交流電,并且接到了一組蓄電池上,因此需要解決充電器與設(shè)備的有效隔離問題。如果采用繼電器等傳統(tǒng)的切換及隔離方式,由于繼電器觸點的間距小,雷電產(chǎn)生的高電壓會擊穿接點的間距感應(yīng)到設(shè)備上,從而損壞設(shè)備。而如果采用兩個微型電機,控制電機的正反轉(zhuǎn),通過電機的傳動裝置,帶動接點移動實現(xiàn)兩組蓄電池交替供電與充電,雖然起到了防止電源線感應(yīng)來的雷電擊毀設(shè)備,但是難以實現(xiàn)蓄電池交替供電的無縫切換。
綜合上述傳統(tǒng)防雷手段的優(yōu)點與缺點,可得出如下的結(jié)論:一是市電依然是目前最經(jīng)濟的電能來源;二是物理隔離是防止電力線引入感應(yīng)雷的最有效方法;三是控制電路在保證設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定供電上能發(fā)揮很好的作用,但如果將控制電路添加在市電輸入端的話,存在雷電入侵損壞控制電路的潛在危害,因此控制電路最好安置在供電電路的后端。
2 無線電能傳輸技術(shù)現(xiàn)狀
無線電能傳輸技術(shù)(Wireless Power Transfer Technology)又稱無接觸電能傳輸(Contactless Power Transmission,CPT)技術(shù),早在19世紀(jì)末,著名電氣工程師尼古拉特斯拉就提出了無線電能傳輸技術(shù)(André Kurs等,2007),但直到21世紀(jì)初才得到迅速發(fā)展。2006年10月日本展出了無線電力傳輸系統(tǒng),此系統(tǒng)輸出端電力為7V、400mA,收發(fā)線圈間距為4mm時,輸電效率最大為50%,可用于手機快速充電(白明俠等,2010);2007年6月麻省理工學(xué)院的研究人員實現(xiàn)了在短距離內(nèi)的無線電力傳輸,他們通過電磁感應(yīng)利用磁耦合共振原理,成功地點亮了離電源2m多遠處的一個60W燈泡(André Kurs等,2007);2008年9月,北美電力研討會最新發(fā)布的論文顯示,他們已經(jīng)在美國內(nèi)華達州的雷電實驗室,成功地將800W電力用無線的方式傳輸?shù)?m遠的距離(白明俠等,2010)。
無線電能傳輸技術(shù)目前可以通過三種方式實現(xiàn)。一是電磁感應(yīng)式,利用電流通過線圈產(chǎn)生磁場實現(xiàn)近程無線供電,可用于低功率、近距離傳輸;二是電磁共振式,利用磁耦合共振效應(yīng)近程無線供電,可用于中等功率、中等距離傳輸;三是電磁輻射式,將電力轉(zhuǎn)換成電波以輻射傳輸供電,可用于大功率、遠距離傳輸(黃學(xué)良等,2013)。目前電磁感應(yīng)式技術(shù)發(fā)展比較成熟,其工作原理如圖1所示,初級線圈L1與次級線圈L2之間利用磁耦合來傳遞能量,發(fā)射端初級線圈L1中通以交變電流,該交變電流將在初級線圈L1周圍形成交變磁場,處在該交變磁場中的次級線圈L2由電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,經(jīng)過整流濾波為負(fù)載供電。
從圖1可看出,電磁感應(yīng)式無線電能傳輸?shù)陌l(fā)射端和接收端之間有較大氣隙存在,無任何接觸點,使得發(fā)射端和接收端沒有電接觸,彌補了傳統(tǒng)電力線接觸式供電的固有缺陷,可有效隔離電力線引入的各種干擾。如果能將無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用到地震監(jiān)測設(shè)備供電上,實現(xiàn)設(shè)備與電力線的電隔離,便能有效防止電力線引入感應(yīng)雷損壞設(shè)備的事故。
3 基于無線電能傳輸技術(shù)的隔離電源技術(shù)方案
綜合傳統(tǒng)防雷技術(shù)和無線電能傳輸技術(shù)的優(yōu)點,本文設(shè)計出了如圖2所示的隔離電源控制器系統(tǒng)。系統(tǒng)采用無線電能傳輸技術(shù),實現(xiàn)設(shè)備供電與市電供電的物理隔離,可有效地抑制由于市電電力線引入的各類干擾,提高后端觀測設(shè)備運行的可靠性。該電源控制系統(tǒng)還包括智能電源管理模塊,可外接大容量蓄電池作為觀測系統(tǒng)的備份電源,實現(xiàn)24小時不間斷供電。
該隔離電源控制器系統(tǒng)包括電磁轉(zhuǎn)換發(fā)射模塊、磁電轉(zhuǎn)換接收模塊、充電管理模塊三部分。
3.1 電磁轉(zhuǎn)換發(fā)射模塊
電磁轉(zhuǎn)換發(fā)射模塊是將市電轉(zhuǎn)換為射頻功率信號并通過發(fā)射線圈發(fā)射出去的模塊,主要由三部分組成:交流/直流電路、振蕩電路、功率放大電路。其原理如圖3所示。模塊實現(xiàn)兩個轉(zhuǎn)換:一是將市電交流220V轉(zhuǎn)換為直流電壓;二是將直流信號轉(zhuǎn)換為1.2—1.5MHz的射頻功率信號,以便接收電路能高效利用能量,其原理如圖3所示。
市電經(jīng)過交流/直流電路部分,轉(zhuǎn)換為可供555定時器與LC諧振網(wǎng)絡(luò)使用的直流信號。振蕩電路作為振蕩信號源,系統(tǒng)采用NE555定時器構(gòu)成頻率可調(diào)的多諧振蕩器,產(chǎn)生正弦信號作為本振信號,功率放大電路可提高發(fā)射電路與接收電路之間的能量傳輸效率,本振信號經(jīng)功率放大電路放大后,通過LC諧振網(wǎng)絡(luò)將能量發(fā)射出去。
3.2 磁電轉(zhuǎn)換接收模塊
接收模塊是將接收線圈接收到的射頻信號進行轉(zhuǎn)換處理的模塊,其原理如圖4所示。在實際應(yīng)用中,線圈中經(jīng)過電磁感應(yīng)得到的交變信號不能直接用于負(fù)載供電,需進行整流、濾波以及穩(wěn)壓處理,經(jīng)處理之后得到的直流電壓方可供負(fù)載使用。
常用的整流電路有全波整流、半波整流和橋式整流等,本系統(tǒng)采用單相橋式全波整流。接收電壓通過整流電路轉(zhuǎn)換為直流電壓,即將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動電壓,經(jīng)整流得到的脈動電壓含有較大的電壓脈動,不能直接作為設(shè)備的供電電壓,需通過低通濾波電路濾波,使輸出電壓平滑。交流電壓通過整流、濾波后雖然變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓,但是當(dāng)發(fā)射端電壓波動或者負(fù)載變化時,其平均值也將隨之變化,因此添加穩(wěn)壓電路,使輸出直流電壓基本不受外界干擾,從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。
3.3 充電管理模塊
充電管理模塊用來實現(xiàn)為設(shè)備24小時不間斷供電,由電源管理模塊、鉛酸電池組成。在電源管理模塊設(shè)計中采用DC-UPS-10電源模塊,該電源模塊是一款針對鋰電、鉛酸電池充電而設(shè)計的直流UPS電源模塊。當(dāng)有直流電源輸入時,模塊的輸出電壓等于輸入電壓。當(dāng)輸入直流電源斷電(或低于電池電壓)時由蓄電池供電,輸出等于電池電壓。
由此設(shè)計出來的充電管理模塊有兩個工作模式:模式一是當(dāng)接收端有直流電輸入到管理模塊時,接收端的輸出電壓直接作為負(fù)載的輸入電壓為負(fù)載供電,同時為蓄電池充電,如圖5黑色實線所示;模式二是當(dāng)接收端沒有電能輸入到管理模塊時,此時接收端輸出電壓為零,管理模塊控制蓄電池為設(shè)備供電,如圖5黑色虛線所示。這樣可無縫切換,實現(xiàn)不間斷供電的功能。
4 樣機性能測試
在具體系統(tǒng)設(shè)計過程中,經(jīng)過多次實驗,選擇了1.2—1.5MHz的頻率段作為電能傳輸?shù)膬?yōu)勢頻率,匹配較好的線圈,實現(xiàn)了間距30mm,近20W的能量傳輸。測試階段采用數(shù)據(jù)采集器作為負(fù)載,數(shù)據(jù)采集器正常工作功率為3W,蓄電池采用鉛酸電池。設(shè)計出的系統(tǒng)樣機實物如圖6所示。
4.1 控制器系統(tǒng)對外輸出電壓測試
在保證電源控制器正常工作的前提下,隨機抽取輸入電壓,用電壓表、示波器測試電源控制器各個工作狀態(tài)下的輸出電壓穩(wěn)定性、紋波參數(shù)。包括市電供電下空載、帶負(fù)載工作狀態(tài)以及電池供電情況下空載、帶負(fù)載工作狀態(tài),測試中接入的負(fù)載為單個數(shù)據(jù)采集器,穩(wěn)定工作功率3W,測試結(jié)果見表1和表2。
表1 輸入市電224V系統(tǒng)輸出電壓 Table 1 System output under voltage /224V
表2 蓄電池供電系統(tǒng)輸出電壓 Table 2 System output under voltage/accumulator
通過表1和表2可以看出,控制器系統(tǒng)在市電供電下空載、帶負(fù)載工作狀態(tài)以及電池供電情況下空載、帶負(fù)載工作狀態(tài)下的輸出電壓均控制在DC12V±1%,輸出穩(wěn)定性較好。
4.2 控制器系統(tǒng)長時間持續(xù)供電測試
在采用市電供電的工作模式中,系統(tǒng)負(fù)載為單個數(shù)據(jù)采集器,穩(wěn)定工作功率為3W,每2h讀取一次負(fù)載端輸入電壓、電流值,得到如圖7所示的負(fù)載端輸入電壓、電流曲線。
當(dāng)沒有市電接入,蓄電池為負(fù)載供電時,為系統(tǒng)外接三臺數(shù)據(jù)采集器,此時系統(tǒng)輸出功率約為12W,每2h讀取一次負(fù)載端輸入電壓電流值,得到如圖8所示負(fù)載端輸出電壓電流曲線。
通過圖7和圖8可以看出,市電供電與蓄電池供電情況下,負(fù)載端的輸入電壓均控制在DC12V±1%,最大輸出電流≤1A,負(fù)載端輸入電壓電流曲線數(shù)值波動小,較平滑,控制器系統(tǒng)在兩種供電模式下供電均比較穩(wěn)定。
5 結(jié)語
本研究將無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于地震臺站地震監(jiān)測設(shè)備供電中,實現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備與市電的物理隔離,為解決地震臺站市電引入感應(yīng)雷及其他干擾的問題提供了一種新思路,對提高地震監(jiān)測設(shè)備的運行穩(wěn)定性和產(chǎn)出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性做了有益嘗試,同時為進一步開展大功率、中遠距離無線供電技術(shù)研究打下良好的基礎(chǔ)。經(jīng)實驗室性能測試,該隔離電源控制器系統(tǒng)最大輸出功率約為12W,可滿足大多數(shù)地震監(jiān)測設(shè)備的供電需求,下一步的工作將測試隔離電源控制器在野外實際應(yīng)用中的工作能力。
白明俠,黃昭,2010.無線電力傳輸?shù)臍v史發(fā)展及應(yīng)用. 湘南學(xué)院學(xué)報,31(5):51—53.
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André Kurs, Karalis A., Moffatt R. et al., 2007. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances. Science, 317 (5834): 83-86.
Research of Isolated Power Supply Control System Based on Wireless Power Transfer Technology
Liu Huibiao1), Li Xiaodong2), Li Tao1)and Li Hong1)
1)Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, CEA, Beijing 100085, China 2)Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China
In earthquake monitoring, induction lightning imported by the power line is one of the main factors that causes earthquake observation equipment damage. Based on the comprehensive study of traditional lightning protection technology and the wireless transmission technology, we put forward an isolated power supply control system to restrain interference brought by the power line and protect the back-end observation equipment. Finally, we develop a model machine of this isolated power supply control system, and provide the testing properties of the model device in the laboratory in this article.
Lightning protection; Wireless power transmission; System design; Performance test
[1] 基金項目 中國地震局地殼應(yīng)力研究所中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(ZDJ2013-06)
[收稿日期]2015-05-29
[作者簡介]劉慧標(biāo),男,生于1990年。碩士。主要研究領(lǐng)域:地震觀測儀器研究。E-mail:snk5257@163.com
[通訊作者]李濤,男,生于1980年。碩士,副研究員。主要研究領(lǐng)域:鉆孔形變觀測技術(shù)、儀器儀表技術(shù)。E-mail:lit2012 @qq.com
劉慧標(biāo),李曉東,李濤,李宏,2016.基于無線電能傳輸技術(shù)的隔離電源控制器研制.震災(zāi)防御技術(shù),11(1):117—124.
doi:10.11899/zzfy20160113