0 引言

    在電力系統安全運行中，智能電氣設備對眾多參數的監測起著關鍵作用^[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]，要求取能電源適應很寬的電流變化范圍，較多研究者進行了相關研究^[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取能，死區較大。為此提出了一種感應取能電源設計方案，具有較寬電流工作范圍，并通過仿真與實驗進行了驗證。

1 整體結構

    該感應取能電源結構框圖如圖1所示。包括取能單元、總控制單元和后續電路，取能單元包括兩個不同材質取能磁芯。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。后續電路包括保護電路、整流濾波電路及DC/DC處理電路。

2 原理分析

    感應取能電源原理類似于變壓器^[5]。設I₁、I₂分別為帶負載后一次側、二次側的電流，I_μ為勵磁電流，E₂為二次側感應電動勢，U₂為二次側電壓，N₂為二次側匝數，f為工作頻率(50 Hz)，B為磁感應強度，μ為相對磁導率，A為磁芯截面積，l為磁路長度，R為電阻。結合電機學相關原理及變壓器矢量圖計算可得：

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

    利用Saber軟件^[6]對取能電源各相關參數間關系進行仿真分析。設定二次匝數100，負載30 Ω，使一次電流從5 A增加到60 A；設定一次電流1 A，二次負載10 Ω，使匝數從10增加到100；設定一次電流1 A，二次匝數100，使負載從10 Ω增加到200 Ω。結合仿真結果進行分析，可得出以下結論：

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

3 核心單元設計

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可知，硅鋼片飽和磁感應強度高，但初始磁導率較低，適合大電流時取能。坡莫合金初始磁導率較高，但是電流稍大就容易飽和。微晶合金初始磁導率很高，小電流時容易獲得較大輸出，適合小電流時取能。

3.1.2 磁芯匝數的確定

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

    由于硅鋼磁芯取能技術較為成熟，此處不再贅述，下面進行小電流取能磁芯匝數的確定。根據鐵基納米晶合金磁化曲線上B與H關系，選取當一次電流較小時，磁芯工作點磁感應強度在0.70 T～1.05 T之間。穩壓單元輸入電壓最小值為6 V。當一次電流為3 A～10 A時，計算得出二次匝數N₁=21；當電流為10 A～100 A時，為保證磁芯飽和時二次電壓不至過大，導致電流為100 A時切換造成的電壓沖擊過大，同時當額定負載為50 Ω時功率輸出足夠大(≥25 W)，令下式成立：

得出二次側匝數N₂≤95。當電流>100 A時，匝數設置為600匝，此時二次側電流很小。結合MCT工具進行建模及電路仿真。經過多次分析，確定當電流為3 A～10 A，匝數為25，仿真波形如圖2。當電流為10 A～100 A，匝數為80，仿真波形如圖3。當一次電流較大，大電流取能磁芯二次匝數為550，仿真波形如圖4。

3.1.3 磁芯切換

    根據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范圍。不同電流范圍內，總控制單元控制繼電器導通/關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。結合上文分析及測試，將小電流取能磁芯的二次繞組設置為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短路。3個繞組切換框圖如圖6。

3.2 保護電路

    發生雷擊時，取能磁芯會感應很高的沖擊電壓，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。

3.3 DC/DC處理電路

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

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

4 實驗測試與結論

    按設計參數制作磁芯。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負載。測試平臺示意圖如圖9所示。

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

    測試結果表明，當母線電流為3 A時，取能電源開始工作，死區較小，且通過切換抽頭或磁芯，避免磁芯過度飽和，能夠實現在3 A～1 000 A電流變化范圍內穩定供能。通過理論分析與仿真測試可知，如果在相關參數上加以調整，此電源設計方案能夠適應不同智能電氣設備的供電要求。

參考文獻

[1] 張立洪.高壓側感應電源的研究與設計[D].秦皇島：燕山大學，2013.

[2] 何曉陽，王小英，王錚，等.高壓輸電線自具電源的設計[J].電子技術應用，2015，41(3)：137-140，144.

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

[4] 張露.電力電纜測溫系統取能電源設計研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[5] 黃新波，石杰，陳小雄，等.基于互感取能的導線監測傳感器電源設計[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.