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(dòng)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(jì)方案，具有較寬電流工作范圍，并通過仿真與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)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(gè)不同材質(zhì)取能磁芯。測量線圈實(shí)時(shí)測量線上電流，作為控制信號(hào)，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。

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，I_μ為勵(lì)磁電流，E₂為二次側(cè)感應(yīng)電動(dòng)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(jì)算可得：

    由式(3)、式(4)可知：二次側(cè)帶負(fù)載時(shí)，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30 Ω，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10 Ω，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10 Ω增加到200 Ω。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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，負(fù)載功率達(dá)到最值。

3 核心單元設(shè)計(jì)

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(shí)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(shí)容易獲得較大輸出，適合小電流時(shí)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=130 mm，內(nèi)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(nèi)徑d₂=78 mm，高度h₂=15 mm。

    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(shí)，磁芯工作點(diǎn)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(shí)，計(jì)算得出二次匝數(shù)N₁=21；當(dāng)電流為10 A～100 A時(shí)，為保證磁芯飽和時(shí)二次電壓不至過大，導(dǎo)致電流為100 A時(shí)切換造成的電壓沖擊過大，同時(shí)當(dāng)額定負(fù)載為50 Ω時(shí)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(shí)，匝數(shù)設(shè)置為600匝，此時(shí)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。

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(shí)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(shí)，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(gè)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(gè)繞組切換框圖如圖6。

3.2 保護(hù)電路

    發(fā)生雷擊時(shí)，取能磁芯會(huì)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。

3.3 DC/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(jì)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(jī)電容。為限制VIN引腳處紋波電壓，C₄、C₅選擇2個(gè)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(shí)驗(yàn)測試與結(jié)論

    按設(shè)計(jì)參數(shù)制作磁芯。實(shí)驗(yàn)所用升流器型號(hào)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(tái)示意圖如圖9所示。

    首先測試小電流取能磁芯。選擇25匝，負(fù)載50 Ω，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50 Ω，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。

    測試結(jié)果表明，當(dāng)母線電流為3 A時(shí)，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(jì)方案能夠適應(yīng)不同智能電氣設(shè)備的供電要求。

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