高壓輸配電線路低下限死區(qū)感應(yīng)取能電源的研究

謝志遠(yuǎn)，畢亭亭，李亞康，聶盛陽

（華北電力大學(xué) 電子與通信工程系，河北 保定 071003）

高壓輸配電線路低下限死區(qū)感應(yīng)取能電源的研究

謝志遠(yuǎn)，畢亭亭，李亞康，聶盛陽

（華北電力大學(xué) 電子與通信工程系，河北 保定 071003）

為解決高壓智能電氣設(shè)備供電問題，提出了一種高壓輸配電線路低下限死區(qū)感應(yīng)取能電源設(shè)計方案。采用兩種磁芯并行工作，根據(jù)電流范圍選擇不同的磁芯進(jìn)行取能，分析了感應(yīng)取能原理，研究了各參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)合Saber仿真軟件進(jìn)行建模分析，確定了磁芯尺寸和二次側(cè)匝數(shù)，設(shè)計了后續(xù)電路并進(jìn)行了實驗測試。結(jié)果表明：該感應(yīng)取能電源能夠在3 A～1 000 A電流范圍穩(wěn)定供能，滿足高壓智能電氣設(shè)備供電要求。

感應(yīng)取能；鐵基納米晶；硅鋼；Saber

0　引言

在電力系統(tǒng)安全運(yùn)行中，智能電氣設(shè)備對眾多參數(shù)的監(jiān)測起著關(guān)鍵作用[1]，因此，對其供電電源的研究有重要意義。目前主要供電方式是感應(yīng)取能供電。

由于高壓母線電流波動范圍較大[2]，要求取能電源適應(yīng)很寬的電流變化范圍，較多研究者進(jìn)行了相關(guān)研究[1，3，4]，若不增加備用電源，只能使電源在幾十安培到上千安培范圍內(nèi)取能，死區(qū)較大。為此提出了一種感應(yīng)取能電源設(shè)計方案，具有較寬電流工作范圍，并通過仿真與實驗進(jìn)行了驗證。

1　整體結(jié)構(gòu)

該感應(yīng)取能電源結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。包括取能單元、總控制單元和后續(xù)電路，取能單元包括兩個不同材質(zhì)取能磁芯。測量線圈實時測量線上電流，作為控制信號，總控制單元通過對電流值判斷，控制選取不同的磁芯。后續(xù)電路包括保護(hù)電路、整流濾波電路及DC/DC處理電路。

圖1　感應(yīng)取能電源結(jié)構(gòu)框圖

2　原理分析

感應(yīng)取能電源原理類似于變壓器[5]。設(shè) I1、I2分別為帶負(fù)載后一次側(cè)、二次側(cè)的電流，Iμ為勵磁電流，E2為二次側(cè)感應(yīng)電動勢，U2為二次側(cè)電壓，N2為二次側(cè)匝數(shù)，f為工作頻率(50 Hz)，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，μ為相對磁導(dǎo)率，A為磁芯截面積，l為磁路長度，R為電阻。結(jié)合電機(jī)學(xué)相關(guān)原理及變壓器矢量圖計算可得：

功率P為：

由式(3)、式(4)可知：二次側(cè)帶負(fù)載時，輸出電壓大小與工作頻率、一次側(cè)電流、二次側(cè)匝數(shù)、磁芯磁導(dǎo)率、尺寸、負(fù)載有關(guān)；輸出功率存在最值，該最值只與工作頻率、磁芯磁導(dǎo)率、磁芯尺寸及一次側(cè)電流有關(guān)。

利用 Saber軟件[6]對取能電源各相關(guān)參數(shù)間關(guān)系進(jìn)行仿真分析。設(shè)定二次匝數(shù)100，負(fù)載30Ω，使一次電流從5 A增加到60 A；設(shè)定一次電流 1 A，二次負(fù)載 10Ω，使匝數(shù)從 10增加到 100；設(shè)定一次電流 1 A，二次匝數(shù)100，使負(fù)載從10Ω增加到200Ω。結(jié)合仿真結(jié)果進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

(1)二次匝數(shù)與負(fù)載確定時，增加一次電流，二次電壓峰值隨之增大，成線性關(guān)系，負(fù)載功率也隨之增大，成平方關(guān)系。(2)一次電流與負(fù)載確定時，增加二次匝數(shù)，二次電壓先增大后減小，負(fù)載功率也先增大后減小。匝數(shù)適當(dāng)時，可使輸出電壓、功率達(dá)到最大。(3)一次電流與二次匝數(shù)確定時，增加負(fù)載，其上電壓逐漸增大，功率先增大后減小。當(dāng)阻值增加到一定程度，輸出電壓基本不變。阻值取合適值時，負(fù)載功率達(dá)到最值。

3　核心單元設(shè)計

3.1取能磁芯

3.1.1材料選擇

制作磁芯的材料主要有硅鋼片、坡莫合金和微晶合金，通過分析它們的特性參數(shù)可知，硅鋼片飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高，但初始磁導(dǎo)率較低，適合大電流時取能。坡莫合金初始磁導(dǎo)率較高，但是電流稍大就容易飽和。微晶合金初始磁導(dǎo)率很高，小電流時容易獲得較大輸出，適合小電流時取能。

3.1.2磁芯匝數(shù)的確定

結(jié)合河北申科電子股份有限公司磁芯制品規(guī)格，小電流取能磁芯選定O型鐵基納米晶磁芯，外徑D1=130mm，內(nèi)徑d1=50mm，高度h1=45mm；大電流取能磁芯選定 O型硅鋼片，外徑D2=122mm，內(nèi)徑d2=78mm，高度h2=15mm。

由于硅鋼磁芯取能技術(shù)較為成熟，此處不再贅述，下面進(jìn)行小電流取能磁芯匝數(shù)的確定。根據(jù)鐵基納米晶合金磁化曲線上B與H關(guān)系，選取當(dāng)一次電流較小時，磁芯工作點磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.70 T～1.05 T之間。穩(wěn)壓單元輸入電壓最小值為6 V。當(dāng)一次電流為 3 A～10 A時，計算得出二次匝數(shù)N1=21；當(dāng)電流為10 A～100 A時，為保證磁芯飽和時二次電壓不至過大，導(dǎo)致電流為100 A時切換造成的電壓沖擊過大，同時當(dāng)額定負(fù)載為 50Ω時功率輸出足夠大(≥25 W)，令下式成立：

得出二次側(cè)匝數(shù)N2≤95。當(dāng)電流＞100 A時，匝數(shù)設(shè)置為600匝，此時二次側(cè)電流很小。結(jié)合MCT工具進(jìn)行建模及電路仿真。經(jīng)過多次分析，確定當(dāng)電流為3 A～10 A，匝數(shù)為25，仿真波形如圖2。當(dāng)電流為10 A～100 A，匝數(shù)為80，仿真波形如圖3。當(dāng)一次電流較大，大電流取能磁芯二次匝數(shù)為550，仿真波形如圖4。

圖2　25匝時仿真波形

圖3　80匝時仿真波形

圖4　550匝時仿真波形

3.1.3磁芯切換

根據(jù)電流范圍選擇不同磁芯取能，可拓寬取能電源對電流的適應(yīng)范圍。不同電流范圍內(nèi)，總控制單元控制繼電器導(dǎo)通/關(guān)斷選取不同的磁芯或抽頭：3 A～100 A時選取小電流取能磁芯，大電流取能磁芯短路不工作；100 A～1 000 A時，選取大電流取能磁芯，小電流取能磁芯短路不作使用。磁芯切換控制框圖如圖5。結(jié)合上文分析及測試，將小電流取能磁芯的二次繞組設(shè)置為3個子抽頭，不用的抽頭斷開。電流為3 A～10 A，J1閉合，選擇匝數(shù) N1，25匝；電流為 10 A～100 A，J2閉合，共接入 80匝；電流為 100 A～1 000 A，J3閉合，直接將小電流取能磁芯二次側(cè)短路。3個繞組切換框圖如圖6。

3.2保護(hù)電路

發(fā)生雷擊時，取能磁芯會感應(yīng)很高的沖擊電壓，對后端電路不利。因此，在整流濾波電路兩端并接瞬變抑制二極管(TVS)，以限制輸出的沖擊電壓。電路圖如圖7所示。

圖5　磁芯切換控制框圖

圖6　3個繞組切換框圖

圖7　整流濾波及過流保護(hù)電路

3.3DC/DC處理電路

比較理想的穩(wěn)壓器是LM5576，輸入電壓范圍 6 V～75 V，通過內(nèi)部集成的 170 mΩ N溝道 MOSFET，可使輸出電流為3 A。本次設(shè)計輸出電壓為5 V，電路如圖8所示。

圖8　LM5576電路圖

為濾除噪聲，C1選擇 0.47μF陶瓷電容。C2和 C3使電感紋波電流平滑，選擇 22μF陶瓷電容和150μF有機(jī)電容。為限制VIN引腳處紋波電壓，C4、C5選擇2個2.2μF、100 V陶瓷電容。D1選擇DPAK封裝的100 V肖特基二極管。

4　實驗測試與結(jié)論

按設(shè)計參數(shù)制作磁芯。實驗所用升流器型號是KLJC-Ⅲ，可輸出0 A～1 000 A電流，利用滑線變阻器充當(dāng)負(fù)載。測試平臺示意圖如圖9所示。

圖9　測試平臺示意圖

首先測試小電流取能磁芯。選擇25匝，負(fù)載50Ω，電流從1 A增加到10 A，觀察負(fù)載電壓有效值及波形，測試數(shù)據(jù)如表1。選擇80匝，電流從10 A增加到100 A，測試數(shù)據(jù)如表2。其次測試大電流取能磁芯。選擇匝數(shù)550匝，負(fù)載50Ω，電流從100 A增加到1 000 A，測試數(shù)據(jù)如表3。最后進(jìn)行電源整體測試。測試DC-DC輸出電壓，測試數(shù)據(jù)如表4。

表1　25匝時測試數(shù)據(jù)

表2　80匝時測試數(shù)據(jù)

表3　550匝時測試數(shù)據(jù)

表4　取能電源測試數(shù)據(jù)

測試結(jié)果表明，當(dāng)母線電流為3 A時，取能電源開始工作，死區(qū)較小，且通過切換抽頭或磁芯，避免磁芯過度飽和，能夠?qū)崿F(xiàn)在 3 A～1 000 A電流變化范圍內(nèi)穩(wěn)定供能。通過理論分析與仿真測試可知，如果在相關(guān)參數(shù)上加以調(diào)整，此電源設(shè)計方案能夠適應(yīng)不同智能電氣設(shè)備的供電要求。

[1]張立洪.高壓側(cè)感應(yīng)電源的研究與設(shè)計[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2013.

[2]何曉陽，王小英，王錚，等.高壓輸電線自具電源的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(3)：137-140，144.

[3]肖波，徐敏捷，席朝輝，等.高壓側(cè)感應(yīng)取能電源的研究[J].高壓電器，2013(1).

[4]張露.電力電纜測溫系統(tǒng)取能電源設(shè)計研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[5]黃新波，石杰，陳小雄，等.基于互感取能的導(dǎo)線監(jiān)測傳感器電源設(shè)計[J].高壓電器，2014(9)：16-22.

[6]APOLONIO R，VASCONCELL A B.The use of Saber simulator for non-linear magnetic devices simulation：analysis and improvement[C].IEEE International Symposium on Industrial Electronics，ISIE′03，Uberlandia，Brazil，June 2003：511-515.

Research of high voltage transmission line induction power supply with low limit deadband

Xie Zhiyuan，Bi Tingting，Li Yakang，Nie Shengyang
(Department of Electronic and Communication Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to solve the power supply of high voltage intelligent electrical equipment,the design of high voltage transmission line induction power supply with low limit deadband was introduced.Adopt two cores in parallel and choose different core to work according to the scope of current.The principle of the induction power supply was analyzed and the relationship between various parameters was studied.With the Saber simulation,the core size and turn number of the secondary winding were determined.The power circuit was designed and the experiment was done.Results show that the induction power supply can provide sable power between three amperes to one thousand amperes and meet the requirement of high voltage electrical equipment power supply.

induction power supply；nanocrystalline；silicon steel；Saber

TM89，TP303

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.033

謝志遠(yuǎn)（1964-），男，博士，教授，主要研究方向：配網(wǎng)自動化和電力系統(tǒng)通信。

畢亭亭（1988-），女，碩士研究生，主要研究方向：電子與通信工程。

李亞康（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

中文引用格式：謝志遠(yuǎn)，畢亭亭，李亞康，等.高壓輸配電線路低下限死區(qū)感應(yīng)取能電源的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(1)：126-128，132.

英文引用格式：Xie Zhiyuan，Bi Tingting，Li Yakang，et al.Research of high voltage transmission line induction power supply with low limit deadband[J].Application of Electronic Technique，2016，42(1)：126-128，132.