高壓電纜感應(yīng)式取電電源分析及設(shè)計(jì)

摘要：通過建立高壓電纜感應(yīng)取電的精確工作模型，推導(dǎo)了取電線圈輸出功率與輸出電壓、負(fù)載阻值、磁芯參數(shù)及線圈匝數(shù)的關(guān)系，并提出取電線圈的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)穩(wěn)壓電路，第1級(jí)采用滯環(huán)控制的Boost電路預(yù)穩(wěn)壓，輸出較高的電壓以獲取大的輸出功率，并有效防止磁芯飽和；第2級(jí)采用Buck電路獲得所需的供電電壓。最后，為驗(yàn)證理論推導(dǎo)的正確性，設(shè)計(jì)了一個(gè)取電穩(wěn)壓電路，在電纜電流為0．2～1 kA范圍內(nèi)，該取電電路可穩(wěn)定輸出15 V／18 W的直流電。
關(guān)鍵詞：電源；高壓電纜；穩(wěn)壓電路

1 引言
對于高壓輸電線路上的電氣設(shè)備，研究穩(wěn)定可靠、具有較大輸出功率的供電電源具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。常見的供電方式有太陽能電池供電、電流感應(yīng)式供電和高壓側(cè)電容環(huán)分壓供電。
在此研究電流感應(yīng)式取電電源的設(shè)計(jì)。在電力系統(tǒng)中，電流互感器(CT)將初級(jí)電流轉(zhuǎn)換為較小的次級(jí)電流，用來進(jìn)行保護(hù)、測量等。為了測得初級(jí)電流值，CT所接的負(fù)載通常為電阻，因而CT輸出電壓電流均為正弦波；為提高測量精度，應(yīng)使勵(lì)磁電流很小。在分析CT應(yīng)用于高壓電纜進(jìn)行取電的模型時(shí)，一些文獻(xiàn)也采用了CT結(jié)構(gòu)。然而，由于CT實(shí)際所接為整流負(fù)載，使其輸出電壓為方波，相應(yīng)的勵(lì)磁電流也不是正弦波且不能忽略，這一區(qū)別導(dǎo)致電流感應(yīng)式取電電源采用CT電路構(gòu)建模型分析設(shè)計(jì)時(shí)存在較大的誤差。
在此采用新型高壓電纜取電線圈模型進(jìn)行分析，推導(dǎo)出取電線圈輸出功率與輸出電壓、負(fù)載阻值、磁芯參數(shù)及線圈匝數(shù)間的關(guān)系，并提出了取電線圈的設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)穩(wěn)壓電路，使高壓側(cè)電流在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓能保持恒定，同時(shí)提高磁芯的輸出功率，減少輸出電壓紋波并有效防止磁芯飽和，從而延長其使用壽命。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論的正確性。

2 取電線圈負(fù)載工作模型分析及設(shè)計(jì)
2．1 模型分析
圖1示出高壓電纜取電原理圖，設(shè)N1，N2分別為初、次級(jí)匝數(shù)，N1=1匝；i1(t)為高壓側(cè)正弦電流；i2(t)為實(shí)際流至負(fù)載的電流；im(t)為勵(lì)磁電流，根據(jù)電磁感應(yīng)定律及變壓器磁動(dòng)勢平衡方程：N1i1(t)=N2i2(t)+N2im(t)，可建立圖2a所示的取電線圈負(fù)載工作模型。圖2a將取電線圈統(tǒng)一折算到次級(jí)進(jìn)行分析。i1(t)／N2為初級(jí)折算到次級(jí)的等效電流；R1，L1為初級(jí)漏阻、漏電感；Rm，Lm為勵(lì)磁電阻、電感；R2，L2為次級(jí)漏阻、漏電感；u(t)為取電線圈兩端電壓；C為穩(wěn)壓電容；uo為負(fù)載電壓。

對圖2a所示模型進(jìn)行簡化：由于高壓電纜的電流源性質(zhì)，初級(jí)漏阻抗可忽略；對取電線圈而言，次級(jí)漏阻抗相對勵(lì)磁阻抗非常小，可忽略；考慮整流橋的壓降，在實(shí)際功率計(jì)算中可用實(shí)測電壓數(shù)據(jù)加上其壓降來逼近真實(shí)的輸出功率，因而模型中也可忽略；在勵(lì)磁阻抗中，Lm遠(yuǎn)大于Rm，即取電線圈輸出功率的分析也主要由Lm決定。綜上，簡化后模型如圖2b所示。
2．2 負(fù)載電流連續(xù)
設(shè)C足夠大，i2(t)連續(xù)，即i2(t)除二極管換向點(diǎn)外始終大于零，穩(wěn)態(tài)時(shí)u(t)，im(t)波形見圖3。

根據(jù)法拉第感應(yīng)定理，取電線圈兩端電壓為：
u(t)=N2dψ／dt=N2SdBc／dt (1)
式中：S為磁芯橫截面積；Bc為磁芯工作時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
對式(2)在0～T(T為初級(jí)交流電流周期)內(nèi)積分，可得取電線圈兩端方波電壓的絕對值為：
u=4N2SBc／T (2)
u同時(shí)滿足：u=Lmdim(t)／dt，聯(lián)立式(2)解得：

式中：A=4(t-kT)／T；k=0，1，2…。