取電線圈最大功率輸出電路及其設計方法
【專利摘要】一種取電線圈最大功率輸出電路及其設計方法，電路構成包括磁芯即原邊線圈、副邊線圈、在副邊線圈的兩端并聯(lián)負載電阻和電容，及其設計方法。該電路使取電線圈始終工作在最大功率輸出點，從而實現(xiàn)取電電源的最大功率輸出。
【專利說明】
取電線圈最大功率輸出電路及其設計方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及輸電線路技術領域，特別是一種取電線圈最大功率輸出電路及其設計 方法。
【背景技術】
[0002] 為實時監(jiān)測輸電線路的運行信息，有效的減少輸電線路的故障次數(shù)，國內(nèi)外都在 大力發(fā)展輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)，其結構如圖1所示，將監(jiān)測裝置直接安裝在輸電線路上， 監(jiān)測導線傾角、應力、溫度、導線電流等信息，通過無線通信網(wǎng)絡將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控平臺， 監(jiān)控平臺綜合在線監(jiān)測的參量和線路運行工況對輸電線路的狀態(tài)做出評價。近幾年的應用 情況表明供電和通信成為制約輸電線路在線監(jiān)測技術發(fā)展的兩大重要瓶頸。
[0003] 目前較為成熟的取電技術主要有太陽能、風能、電容分壓取能、激光供能、感應取 能、溫差取能和振動取能等方式。對比了目前上述幾種能量獲取方式，認為感應取能是最 適合于輸電線路的一種取能方式。USI、OTLM杭州雷鳥和西安金源都已經(jīng)有基于感應取能 的商用產(chǎn)品，由于能量供應的限制，上述產(chǎn)品都將工作范圍限定在50A以上，從應用情況來 看，現(xiàn)場很多輸電線路的電流值在50A以下，從而限制了上述產(chǎn)品的正常運行。
[0004] 對于輸電線路在線監(jiān)測電源而言，不僅能適應負荷的大范圍波動，還要不影響輸 電線路本體的安全，因此感應取電電源應滿足如下要求：①動態(tài)范圍大。輸電線路上電流變 化范圍很大，峰值電流可達1000A以上，而低谷電流只有40A左右，對配電網(wǎng)來說其低谷電 流可低至10A。而取電線圈的輸出功率與線路電流大小呈正相關關系，如圖2所示此時需通 過合理的方法來控制取電線圈的輸出功率，使之在寬動態(tài)范圍內(nèi)一直輸出穩(wěn)定的功率。② 單位功率密度高。出于線路安全方面的考慮，線路上監(jiān)測裝置重量有嚴格限制，如：普通輸 電線路監(jiān)測裝置重量不大于2. 5kg，微風振動監(jiān)測裝置重量不超過lkg，配網(wǎng)監(jiān)測裝置重量 不超過500g。因此感應取電電源需有較高的單位功率密度，來保證在輸電線路運行最低負 荷時仍然可以供應負載所需功率。③抗沖擊能力強。輸電線路在運行過程中可能會受短路 電流和雷電電流的沖擊，并且電流峰值可達數(shù)十kA，因此感應取電電源需能承受上述沖擊 電流。
[0005] 國內(nèi)外學者對感應取能技術的研究主要集中在取電線圈的功率輸出模型和保護 兩個方面。N. M. Roscoe，M. D. Judd, L. Fraser, "A novel inductive electromagnetic energy harvester for condition monitoring sensors, '，in Proc. Int. Conf. Condit. Monitor. Diagnosis, Sep. 2010, pp. 615 - 618.
[0006] N. M. Roscoe，M. D. Judd，and J. Fitch，"Development of magnetic induction energy harvesting for condition monitoring，" in Proc. 44th Int.Univ. Power Eng. Conf.，Sep. 2009, pp. I - 5.
[0007] N. M. Roscoej Judd M. D. Harvesting energy from magnetic fields to power condition monitoring sensors. " IEEE Sensors J. , vol. 13, no. 6, pp. 2263-2270, 2013.] 等將取電線圈等效為電壓源或者電流源，當負載電阻等于電源內(nèi)阻時，取電電源輸出功率 達到最大。實際上，取電線圈的輸出電壓隨著負荷電流的變化而變化，取電線圈的負載變化 時，其輸出電壓、電流同時變化，上述假設條件不嚴格成立。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種取電線圈最大功率輸出電 路及其設計方法，該電路使取電線圈始終工作在最大功率輸出點，提高取電電源的最大的 功率密度，從而實現(xiàn)取電電源的最大功率輸出。
[0009] 本發(fā)明的技術解決方案如下：
[0010] -種取電線圈最大功率輸出電路，特點在于其構成包括磁芯即原邊線圈、副邊線 圈、在副邊線圈的兩端并聯(lián)負載電阻和電容。
[0011] 上述取電線圈最大功率輸出電路的設計方法，其特點在于該方法包括下列步驟：
[0012] 1)設定最低工作電流條件下的功率密度指標λ ;
[0013] 2)根據(jù)取電線圈的最大功率輸出條件按下列公式計算最低工作電流條件下的磁 化電流I ll值
[0014] 式中，Za = OC (^是磁滯損耗電流I h的數(shù)值與平行于磁通的電流I ^數(shù)值之間 的轉換的系數(shù)，K為磁滯損耗電流4的數(shù)值與平行于磁通的電流I w數(shù)值之間的轉換的指 數(shù)，I1為原邊電流，
[0015] 3)選定磁芯的材料，根據(jù)磁芯材料的密度w，磁芯體積V，從下列公式計算出取電 磁芯的的外徑Do和厚度h ;
[0016]
[0017]
[0018]
[0019] 式中，V為磁芯的固定體積，D1為取電磁芯的內(nèi)徑，W為磁芯的重量，Pniax為最大輸 出功率，f為工作頻率；
[0020] 4)根據(jù)下列公式計算負載電阻R和電容C :
[0021]
[0022] (.14):
[0023] 式中，Ir為負載電阻上的電流，E2為取電線圈二次側的感應電壓，N 2為取電線圈副 邊匝數(shù)，μ為磁芯的有效磁導率，Ill為磁化電流，I1為原邊電流，f為電源頻率，α是取電 線圈原邊電流I 1和磁化電流I u之間的夾角，α = 90度。
[0024] 本發(fā)明的設計原理：
[0025] I CT取電模型
[0026] 為分析取電線圈的功率輸出特性，根據(jù)基本電磁感應理論建立的取電線圈負載等 效模型圖如圖3所示。
[0027] 設導線上流過電流為is，取電線圈的內(nèi)徑為D1，外徑為D ci，厚度為h，匝數(shù)為N2,則在 取電線圈二次側的感應電壓E2S :
[0028]
(1)
[0029] 式中，μ為磁芯的有效磁導率，Iu為磁化電流。
[0030] 根據(jù)磁動勢平衡方程式可得：
[0031]
(2)
[0032] 式中，&為原邊線圈匝數(shù)，此處取1，N2為副邊線圈匝數(shù)，Ini為勵磁電流。
[0033] 考慮到磁滯損耗，勵磁電流^可以分解為平行于磁通的電流和垂直于磁通的磁 滯損耗電流/^ :，滿足
[0034]
⑶
[0035] 若忽略原副邊的漏磁和線圈內(nèi)阻后，取電線圈的負載模型向量圖如下所示：
[0036] 圖中匕為負載中阻性電流分量，/e為負載中的感性或容性電流分量，從圖4中可 以列出如下等式：
[0037]
[0038]
[0039]
[0040] 磁芯的鐵損可根據(jù)下列Steinmetz經(jīng)驗公式計算：
[0041] Pv=CnFBp (7)
[0042] 單位體積磁芯的損耗功率Pv是交變磁化頻率f和磁通密度振幅B的指數(shù)函數(shù)。 Cm、α、β是經(jīng)驗參數(shù)，兩個指數(shù)α、β的取值范圍為1〈&〈3,2〈0〈3，，上式中，電源頻率€ 一定，因此，單位體積磁芯的磁滯損耗功率只與磁通密度振幅B有關，若近似認為磁芯的磁 滯電阻為R ni，則
[0043]
(8)
[0044] 對比式⑴和（3)，可將鐵損電流4表示如下：
[0045]
(.9)
[0046] 式中（^是磁滯損耗電流I &的數(shù)值與平行于磁通的電流數(shù)值之間的轉換的系數(shù)， K為磁滯損耗電流的數(shù)值與平行于磁通的電流數(shù)值之間的轉換的指數(shù)，將式（9)代入式（6) 得到取電線圈的輸出功率模型如下：
[0047]
C10)
[0048] 由式（10)可知α為獨立變量，當α = 90度時，輸出功率達到最大，此時/Ijii 的相差為90度，同時可得到取電線圈的負載為容性負載。
[0049] 因此輸出功率的最大條件為：
[0050]
⑴).
[0051] 依據(jù)式（11)可得到取電線圈的最大功率輸出條件是 ，此時最大輸 出功率為：
[0052]
^ 1°)
[0053] 根據(jù)q/c + l)/,/ =Zi解出Iii，代入⑷和式（5)即可得到最大功率，同時可求出最 大功率點時的電阻和電容取值：
[0054] R = E2/Ir (13)
[0055] (⑴
[0056]
[0057] (1.5)
[0058] 若定義單位輸出功率密度λ為輸出功率與體積之比，則有：
[0059]
[0060] 可見，選定磁芯材料，固定磁芯體積、磁導率和原邊電流后，功率密度正比于
[0061] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的技術效果：
[0062] 本發(fā)明分別從理論和實驗兩方面論證了磁芯形狀、副邊匝數(shù)等因素對取電線圈輸 出功率的影響，建立了基于容阻模型的取電線圈的功率輸出模型，使其單位功率密度提高 一倍以上，進一步建立了由取電線圈和電源管理模塊構成的取電電源的功率輸出特性，使 取電線圈始終工作在最大功率輸出點，從而實現(xiàn)取電電源的最大功率輸出。
【附圖說明】
[0063] 圖1是現(xiàn)有輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖
[0064] 圖2是現(xiàn)有方法來控制取電線圈的輸出功率，使之在寬動態(tài)范圍內(nèi)一直輸出穩(wěn)定 的功率。
[0065] 圖3是本發(fā)明取電線圈負載等效模型示意圖
[0066] 圖4是考慮磁滯損耗的阻容性模型向量圖
[0067] 圖5是本發(fā)明取電線圈最大功率輸出電路實施例示意圖。
[0068] 圖6是本發(fā)明取電線圈最大功率輸出電路實施例負載電阻R通過滑動變阻器動態(tài) 調(diào)節(jié)，觀察負載電阻上功率變化立體示意圖。
【具體實施方式】
[0069] 先請參閱圖3,圖3是本發(fā)明取電線圈負載等效模型示意圖，由圖可見，本發(fā)明取 電線圈最大功率輸出電路，其構成包括磁芯即原邊線圈N1、副邊線圈N2、在副邊線圈的兩 端并聯(lián)負載電阻R和電容C。
[0070] 本發(fā)明取電線圈最大功率輸出電路實施例的設計方法，包括下列步驟：
[0071] 1)設定要求磁芯輸出功率密度λ為I. 38mW/g@10A，即要求Ikg的磁芯能在IOA 原邊電流情況下輸出1380mW的功率；
[0072] 2)選定磁芯的以硅鋼材料作為本實施例的磁芯，其密度為7. 35g/cm3,（^為0. 22， k為0.95,有效磁導率為0.01，I1= 10A，根據(jù)
計算可得到1為27. 5A;
[0073] 將Iu代入另
得到最大輸出功率 ^
則此時磁芯的功率密度為：
[0074]
[0075] 3)設定磁芯的內(nèi)徑Di為55mm，重量為450g，令λ >1. 2mW/g,可計算得到D。 < 75mm〇
[0076] 此時可確定磁芯的形狀為D。= 75mm，D丨=55mm，h = 30mm，
[0077] 4) R = E2/Ir (13)
[0078]
^ 14 }
[0079] 在根據(jù)式13和式14計算得到C = 17. luF，R = 1050歐姆。
[0081] 實驗模型如圖5所示。將電流發(fā)生器的電流分別設置為10A，負載電容C從0開始 步進為5uF，負載電阻R通過滑動變阻器動態(tài)調(diào)節(jié)，觀察負載電阻上功率變化如圖6所示，由 圖6可知最大輸出功率約為600mW，與理論計算相符。
【主權項】
1. 一種取電線圈最大功率輸出電路，特征在于其構成包括磁忍即原邊線圈（NI)、副邊 線圈（N2)、在副邊線圈的兩端并聯(lián)負載電阻（R)和電容（C)。2. 權利要求1所述的取電線圈最大功率輸出電路的設計方法，其特征在于，該方法包 括下列步驟： ① 設定最低工作電流條件下的功率密度指標入；② 根據(jù)取電線圈的最大功率輸出條件按下列公式計算最低工作電流條件下的磁化電 流IU值： 式中 I滯損耗電流IP。的數(shù)值與平行于磁通的電流I ,數(shù)值之間的轉換 的系數(shù)，k為磁滯損耗電流Ip。的數(shù)值與平行于磁通的電流I ,數(shù)值之間的轉換的指數(shù)，11為 原邊電流； ③ 選定磁忍的材料，根據(jù)磁忍材料的密度W，磁忍體積V，從下列公式計算取電磁忍的 的外徑D。和厚度h ;式中，V為磁忍的固定體積，Di為取電磁忍的內(nèi)徑，W為磁忍的重量，P m。、為最大輸出功 率，f為工作頻率； ④ 根據(jù)下列公式計算負載電阻R和電容C :(13) C14) 式中，Ik為負載電阻上的電流，E2為取電線圈二次側的感應電壓，Nz為取電線圈副邊應 數(shù)，y為磁忍的有效磁導率，Iu為磁化電流，Il為原邊電流，f為電源頻率，a是取電線圈 原邊電流Il和磁化電流IU之間的夾角，a = 90度。
【文檔編號】H02J3/00GK106033886SQ201510111209
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月13日
【發(fā)明人】劉亞東, 胡琛臨, 謝瀟磊, 盛戈皞, 江秀臣
【申請人】上海交通大學