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(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,，取能單元包括兩個不同材質(zhì)取能磁芯。測量線圈實(shí)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。

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：

    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,，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=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,，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,，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50 Ω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,。

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,。

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)計參數(shù)制作磁芯。實(shí)驗(yàn)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,。

    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,，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。

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