基于电磁感应的物理电源的设计

祁迎春，路桂娟

(廊坊职业技术学院，河北廊坊065000)

基于电磁感应的物理电源的设计

祁迎春，路桂娟

(廊坊职业技术学院，河北廊坊065000)

高压侧提取电能的特征量一直是电源系统存在的难题。利用电磁感应原理，研制了一种利用电流互感器从高压侧获取电能参数的物理电源。该电源以悬浮式电磁感应为主要技术手段，能够有效地完成电源运行状态的自适应调节。实验结果表明，这种电磁感应电源在线路电流从10～1 000 A的范围内，能为高压侧的电子设备提供约500 mW的功率，输出电压达到了预期效果，具有一定的推广价值。

电磁感应；物理电源；DSP；电子电路

高压侧电路的工作状态一直是电力系统稳定工作的前提。但是，各种高压侧信号的采集都需要相应的传感器来完成运行数据的采集。为了满足电气隔离的使用要求，这些传感器和监测装置都不能利用高压线路供电，需要配备其他电源供电。目前，所采用的电源大多数是电池供电，而电池供电由于其寿命有限性的原因，需要定期更换。当监测仪器是位于人烟稀少的郊外时，这样的维护工作会因为各种原因而变得困难重重，这就给高压线路工作的可靠性和稳定性造成了不利的影响，因此，设计应用于高压线路的监测电源具有重要的价值[1]。

1 高压侧监控设备供电电源技术方案分析

高压侧监控设备供电电源的应用技术方案主要有以下几种：(1)新能源利用；(2)蓄电池供电；(3)激光供能；(4)线路电磁感应电源。下面分析它们的应用及优缺点。

(1)新能源利用

目前，新能源的利用主要集中在两种方式上：一种是太阳能供电；另一种为风能供电。这两种方式都具有绿色、可持续能源的特点，但是也具有受外界环境影响大，发电不稳定的缺点。同时，由于太阳能和风能电池的转换效率都不太高，使其能够提供测量电流等参数的范围都比较窄，对于比较宽的测量要求，新能源无法提供合适的电能供给。

(2)蓄电池供电

蓄电池供电是电源系统的主流设备，其优点是结构简单，技术成熟，工作稳定，实现起来比较简单。但是蓄电池也受电池的容量及寿命的限制，具有一般电源电池所具有的缺点，所以在实际中，利用蓄电池作为高压侧供电设备很少被采用。不过，在实际中，利用蓄电池和新能源联合供电，两者取长补短，也能达到良好的供电效果。

(3)激光供能

利用激光或其他的光源从低电位侧通过光纤将光能量传送到高电位侧，再由光电转换器件将光能量转换为电能量，经过DC/DC变换后提供稳定的电源输出[2]。激光供电的效果取决于其设备中的光电器件，好的光电器件价格昂贵，质量一般的光电器件寿命短且工作稳定性差，导致应用范围变小。

(4)线路电磁感应取能

线路电磁感应取能是采用电磁式电流传感器从高压传输线路上直接取能，经过电流传感器二次线圈的输出，再进行整流、滤波和稳压后，为高压侧的监测电子设备提供相应的物理电源。采用这种方式供电，具有结构简单、易于实现的优点，但是存在着当电网电流波动时，其输出电压也会产会波动的问题，因此，利用一定的技术方法对其进行改进是应用的前提。

除以上的几种之外，还有利用电容器等电气设备进行在线取能等方法，在此不再一一赘述。

2 线路电磁感应取能基本原理分析

线路电磁感应在线取能电源基本原理如图1所示。

图1 电流传感器高压线路在线取能原理示意图

如图1所示，整个电流由四部分组成，分别为线圈、整流电路、滤波电路、稳压电路等。其中线圈的一次端采集高压电，利用电圈的二次端进行能量传递转换；整流电路完成将交流信号转换为直流信号的功能；滤波电路对直流信号的其它噪音信号进行滤除；稳压电路完成直流稳压的功能，最后提供直流输出。

对于线路电磁感应取能供电方式来说，图1所示的结构存在着两个问题亟需解决：

(1)取能端是通过线圈的一次端在高压侧取能，二次端输出，当一次端处于大电流时，取能线圈会产生过剩功率，而且高电流会产生较大的热能耗，影响电源的工作效率和工作的稳定性；

(2)当高压侧的线路电流动态变化时，直流电源的输出也会产生不稳定的状态。

为了解决以上的两个问题，本文采用高压侧悬浮式电磁感应加保护电路的方式来改进电流取能的方案。

3 高压侧悬浮式电磁感应物理电源的设计

电磁感应物理电源的本质是采用电磁互感方式将高压线路上的大电流变成小电流，再经过整流滤波稳压等环节，最后输出直流电能。为了消除大电流的影响，本文在线圈的二次侧采用悬浮式电磁感应原理来实现多余功能的抵消，从而达到电流在合理的范围内输出的目的。

悬浮式电磁感应工作原理如图2所示。

图2 悬浮式电磁感应工作原理示意图

如图2所示，线圈一次侧由一根电缆组成，e为一次侧电动势，N为一次侧绕组匝数。线圈的二次侧采用两组线圈同铭端反接的方式。一组线圈为取能线圈，另一组线圈为补偿线圈，其中取能线圈的铁心采用初始磁导率较高的磁性材料，而补偿线圈采用初始磁导率较低的磁性材料，由于二者反接，所以二次侧产生的感应电动势也不相同，从而可以利用感应电动势的反向作用，将高压侧所产生的多余功率抵消，同时系统也可以得到宽范围补偿的输出电能，降低其所产生的热耗。图中，e2为二次侧取能线圈电动势，N2为二次侧取能线圈绕组匝数，e3为二次侧补偿线圈电动势，N3为二次侧补偿线圈绕组匝数。

二次侧感应电动势分为两种情况：当从高压侧所取电流值较小时，取能线圈由于初始磁导率高，所以会产生比较大的感应电动势，而补偿线圈的初始磁导率低，所以产生的感应电动势几乎为0，总的感应电动势为e2－e3几乎和e2相同。该电动势经过保护电路、整流、滤波后输入稳压电路，最后形成直流输出。

而当从高压侧所取电流值较大时，取能线圈所产生感应电动势较大，而补偿线圈所产生感应电动势也较大，总的感应电动势为e2－e3，反接的补偿线圈起到平衡多余电动势的作用，从而将输出功率降到合理的范围。

为了提高物理电源工作的稳定性，系统还需增加由气体放电管、压敏电阻、瞬间抑制二极管和半导体防浪涌保护器件所组成的冲击保护电路。

4 结论

该电源以悬浮式电磁感应为主要技术手段，完成了高压侧取能物理电源的设计。该电源二次侧线圈采用取能线圈和补偿线圈互补的方式，能够有效地完成电源运行状态的自适应调节。实验结果表明，这种电磁感应电源在线路电流从10～1 000 A的范围内，能为高压侧的电子设备提供约500 mW的功率，输出电压达到了预期的效果，具有一定的推广价值。

[1]吴志勇.电磁感应数字电源的设计与实现[D].北京：华北电力大学，2011：2-3.

[2]陈海彬.新型高压线缆悬浮式电磁感应通信电源的设计[D].北京：华北电力大学，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，讲师，主要研究方向为物理教育。