基于電磁感應的物理電源的設計

祁迎春，路桂娟

(廊坊職業(yè)技術學院，河北廊坊065000)

基于電磁感應的物理電源的設計

祁迎春，路桂娟

(廊坊職業(yè)技術學院，河北廊坊065000)

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

電磁感應；物理電源；DSP；電子電路

高壓側電路的工作狀態(tài)一直是電力系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提。但是，各種高壓側信號的采集都需要相應的傳感器來完成運行數(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。當監(jiān)測儀器是位于人煙稀少的郊外時，這樣的維護工作會因為各種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，設計應用于高壓線路的監(jiān)測電源具有重要的價值[1]。

1 高壓側監(jiān)控設備供電電源技術方案分析

高壓側監(jiān)控設備供電電源的應用技術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)線路電磁感應電源。下面分析它們的應用及優(yōu)缺點。

(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；另一種為風能供電。這兩種方式都具有綠色、可持續(xù)能源的特點，但是也具有受外界環(huán)境影響大，發(fā)電不穩(wěn)定的缺點。同時，由于太陽能和風能電池的轉換效率都不太高，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)的主流設備，其優(yōu)點是結構簡單，技術成熟，工作穩(wěn)定，實現(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，所以在實際中，利用蓄電池作為高壓側供電設備很少被采用。不過，在實際中，利用蓄電池和新能源聯(lián)合供電，兩者取長補短，也能達到良好的供電效果。

(3)激光供能

利用激光或其他的光源從低電位側通過光纖將光能量傳送到高電位側，再由光電轉換器件將光能量轉換為電能量，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備中的光電器件，好的光電器件價格昂貴，質量一般的光電器件壽命短且工作穩(wěn)定性差，導致應用范圍變小。

(4)線路電磁感應取能

線路電磁感應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，再進行整流、濾波和穩(wěn)壓后，為高壓側的監(jiān)測電子設備提供相應的物理電源。采用這種方式供電，具有結構簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，但是存在著當電網(wǎng)電流波動時，其輸出電壓也會產(chǎn)會波動的問題，因此，利用一定的技術方法對其進行改進是應用的前提。

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

2 線路電磁感應取能基本原理分析

線路電磁感應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行能量傳遞轉換；整流電路完成將交流信號轉換為直流信號的功能；濾波電路對直流信號的其它噪音信號進行濾除；穩(wěn)壓電路完成直流穩(wěn)壓的功能，最后提供直流輸出。

對于線路電磁感應取能供電方式來說，圖1所示的結構存在著兩個問題亟需解決：

(1)取能端是通過線圈的一次端在高壓側取能，二次端輸出，當一次端處于大電流時，取能線圈會產(chǎn)生過剩功率，而且高電流會產(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)當高壓側的線路電流動態(tài)變化時，直流電源的輸出也會產(chǎn)生不穩(wěn)定的狀態(tài)。

為了解決以上的兩個問題，本文采用高壓側懸浮式電磁感應加保護電路的方式來改進電流取能的方案。

3 高壓側懸浮式電磁感應物理電源的設計

電磁感應物理電源的本質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采用懸浮式電磁感應原理來實現(xiàn)多余功能的抵消，從而達到電流在合理的范圍內(nèi)輸出的目的。

懸浮式電磁感應工作原理如圖2所示。

圖2 懸浮式電磁感應工作原理示意圖

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

二次側感應電動勢分為兩種情況：當從高壓側所取電流值較小時，取能線圈由于初始磁導率高，所以會產(chǎn)生比較大的感應電動勢，而補償線圈的初始磁導率低，所以產(chǎn)生的感應電動勢幾乎為0，總的感應電動勢為e2－e3幾乎和e2相同。該電動勢經(jīng)過保護電路、整流、濾波后輸入穩(wěn)壓電路，最后形成直流輸出。

而當從高壓側所取電流值較大時，取能線圈所產(chǎn)生感應電動勢較大，而補償線圈所產(chǎn)生感應電動勢也較大，總的感應電動勢為e2－e3，反接的補償線圈起到平衡多余電動勢的作用，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體防浪涌保護器件所組成的沖擊保護電路。

4 結論

該電源以懸浮式電磁感應為主要技術手段，完成了高壓側取能物理電源的設計。該電源二次側線圈采用取能線圈和補償線圈互補的方式，能夠有效地完成電源運行狀態(tài)的自適應調(diào)節(jié)。實驗結果表明，這種電磁感應電源在線路電流從10～1 000 A的范圍內(nèi)，能為高壓側的電子設備提供約500 mW的功率，輸出電壓達到了預期的效果，具有一定的推廣價值。

[1]吳志勇.電磁感應數(shù)字電源的設計與實現(xiàn)[D].北京：華北電力大學，2011：2-3.

[2]陳海彬.新型高壓線纜懸浮式電磁感應通信電源的設計[D].北京：華北電力大學，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，主要研究方向為物理教育。