基于電流互感器的磁能量收集系統及其參數設計方法與流程

1.本發明涉及磁感應取能技術，具體涉及一種基于電流互感器的磁能量收集系統及其參數設計方法。


背景技術：

2.磁感應取能技術以法拉第電磁感應定律為基礎，對環境中的磁能量進行收集，并通過磁電轉換感應出交流電，從而實現傳感設備或其它用電負載的自供電。近些年來，智能電網發展迅速，其中，輸電線路狀態實時監測是智能電網發展的重要基礎。無線傳感網絡能夠實時監控輸電線路及設備的運行狀態，因此，如何實現傳感器的持續穩定供電逐漸成為國內外的研究熱點。
3.隨著輸電線路總里程的不斷增加和傳感檢測設備的迅速發展，如攀爬機器人、視覺相機等設備得到了大量應用，使得對磁能收集器的自供電需求越來越大；且為了滿足輸電線路的安全問題，磁能收集器的體積和重量不宜過大，因此，需要對取能參數或取能電路進行合理地優化與設計，使其功率密度盡可能增大。
4.為了提高功率輸出，有的學者采用附加繞組對磁場進行調控以延緩磁芯的飽和、采用取能ct(current transformer，電流互感器)和電池協同供電或通過增加磁芯截面積或對取能電路進行優化控制來提高功率輸出。然而，這些方法帶來額外的器件，會造成取能設備體積重量增加，給輸電線路的安全運行帶來隱患。
5.在某些應用場合需求下，磁能量收集器的體積和重量要求存在限制，為了滿足取能的需求，需對磁能量收集器的前端部分進行合理的優化設計，使得磁能量收集器能夠以最小的體積達到所需功率要求。


技術實現要素：

6.基于上述需求，本發明的首要目的在于提出一種基于電流互感器的磁能量收集系統，該磁能量收集系統的結構簡單，繞線匝數和磁芯截面積能夠根據不同的應用場景做出快速的調整，使其可以工作在最大功率點，提高取能設備的功率密度，以最小的體積實現傳感設備的自供電要求。
7.為了實現上述目的，本發明所采用的具體技術方案如下：
8.一種基于電流互感器的磁能量收集系統，取能部分包括磁芯和線圈繞組，其關鍵在于：所述磁芯采用二分裂磁環結構卡接扣合而成，在其中一段磁環結構上繞制所述線圈繞組，在所述磁芯中間預留有供輸電線纜穿過的通孔。
9.可選地，在所述線圈繞組的末端設置有功率變換電路。
10.可選地，所述功率變換電路包括整流電路和dc/dc變換模塊。
11.可選地，在所述功率變換電路的輸出端連接有負載。
12.可選地，所述負載為純阻性負載。
13.可選地，所述磁芯外側設置有一對半弧形的絕緣導磁容置槽，所述二分裂磁環結
構中的上下兩半弧形的磁芯分別卡設在所述絕緣導磁容置槽內。
14.基于上述結構，本發明的另一目的在于提供一種基于電流互感器的磁能量收集系統的最優功率參數設計方法，其關鍵在于，包括以下步驟：
15.s1：將輸電線電流視為理想正弦電流源，并確定輸電線電流幅值i
p
、電流角頻率ω、所需輸出功率p
l
和飽和磁感應強度bs；
16.s2：確定最大功率輸出時的取能時間ts；
17.s3：按照確定線圈繞組的匝數n；
18.s4：按照確定磁芯截面積a
core
。
19.可選地，步驟s2中取能時間ts設計為6.81ms。
20.可選地，根據步驟s4所確定的磁芯截面積a
core
和輸電線的粗細確定磁芯的長度和厚度。
21.本發明的效果是：
22.(1)本發明提供的基于電流互感器的磁能量收集系統，能夠通過對磁芯截面積和繞組匝數的優化設計使系統工作在最大功率點，滿足功率需求，提高系統的功率密度，減小系統的重量和體積。
23.(2)本發明提供的基于電流互感器的磁能量收集系統的最優功率參數設計方法，能夠在特定工作環境需求下快速對其參數進行最優設計，提高系統輸出功率密度。
附圖說明
24.為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。
25.圖1為本發明實施例中的整體結構圖；
26.圖2為本發明實施例中磁能量收集系統的結構示意圖。
具體實施方式
27.下面將結合附圖對本發明技術方案的實施例進行詳細的描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，因此只作為示例，而不能以此來限制本發明的保護范圍。
28.需要注意的是，除非另有說明，本技術使用的技術術語或者科學術語應當為本發明所屬領域技術人員所理解的通常意義。
29.如圖1和圖2所示，本實施例提供了一種基于電流互感器的磁能量收集系統，取能部分包括磁芯和線圈繞組，所述磁芯采用二分裂磁環結構卡接扣合而成，在其中一段磁環結構上繞制所述線圈繞組，在所述磁芯中間預留有供輸電線纜穿過的通孔。
30.通過圖1可以看出，在所述線圈繞組的末端設置有功率變換電路，所述功率變換電路包括整流電路和dc/dc變換模塊，在所述功率變換電路的輸出端連接有負載，所述負載為
純阻性負載。
31.為了便于磁芯的安裝，具體實施時，所述磁芯外側還可以設置一對半弧形的絕緣導磁容置槽，所述二分裂磁環結構中的上下兩半弧形的磁芯分別卡設在所述絕緣導磁容置槽內。
32.通過上述結構設計，在不同應用場景下，線圈的匝數可以方便的調整，通過選用不同大小的磁芯也可以方便的改變磁芯的截面積，使其以最小的體積達到所要求的功率輸出。
33.結合上述結構，本實施例還公開一種基于電流互感器的磁能量收集系統的參數設計方法，包括以下步驟：
34.s1：將輸電線電流視為理想正弦電流源，并確定輸電線電流幅值i
p
、電流角頻率ω、所需輸出功率p
l
和飽和磁感應強度bs；
35.s2：確定最大功率輸出時的取能時間ts；
36.s3：按照確定線圈繞組的匝數n；
37.s4：按照確定磁芯截面積a
core
。
38.為了更好的理解上述方法所帶來的技術效果，下面對其設計原理做進一步的描述：
39.由于電力線路相當于流過一次側一匝繞組的電流，一次側漏感和繞組內阻可以忽略不計；當磁芯具有較高磁導率時，二次側漏感相比于勵磁電感也可以忽略其影響；勵磁電阻反映了磁芯的有功損耗，通常分為渦流損耗和磁滯損耗，目前磁芯大多采用鋼板疊壓而成，保證層間有效絕緣，有效阻斷渦流通道，渦流損耗低；磁滯損耗主要與不同材料的磁滯回線有關，磁滯損耗低的磁芯材料，磁滯損耗可以忽略不計；由于副邊等效電流常常為微安級別，將二次側繞組內阻的損耗忽略不計。因此，磁能收集器所處工作環境和電路為理想狀態，電力線路為理想正弦電流源，工作電路不考慮損耗，負載可視為純阻性。
40.在對磁芯截面積(a
core
)、繞組匝數(n)的優化設計時，考慮設計合適截面積既能滿足功率輸出要求，又不會因過大截面積造成材料浪費及體積增加；合理設計的匝數可以在特定負載情況下將磁能量收集器工作在p-r曲線的最優功率點。
41.輸電線電流表示為i
p
，假定其為理想正弦電流源，表示為：
42.i
p
＝i
p sin(ωt)
???????????????????????????
(1)
43.假設磁芯工作時磁飽和特性為理想狀態，即在磁芯未飽和時，勵磁電感值很大，勵磁支路近似為開路狀態，二次側感應出交流電壓；當磁通累積到飽和值時，磁通值不變化，勵磁電感值快速降低為零，二次側電壓為零，取能裝置只在未飽和時傳輸能量：
44.45.負載功率等效為每個取能周期內負載(r
l
)上瞬時功率積分的平均值，即p
l
表示為：
[0046][0047]
其中，ts為磁芯取能時間，即未飽和時間，即原邊電流、負載電阻、繞組匝數和取能時間決定了取能裝置的功率傳輸能力。
[0048]
基于電流互感器的磁能量收集系統進行磁電的轉換，其輸出的功率受到飽和時間的限制，而飽和時間和磁能量收集器能承載的最大磁通量息息相關，根據法拉第電磁關系，磁芯的累積磁通等于二次側電壓對時間的積分，表示為：
[0049][0050]
其中，“2”代表磁通累積從-bs到bs，bs為取能ct的飽和磁感應強度，a
core
為磁芯的截面積，由式(4)可以得出取能時間ts，ts表達式為：
[0051][0052]
因為飽和時間和bs、a
core
、n有關，因此，對磁芯的截面積和匝數進行合理設計可以對輸出功率進行控制。將式(5)代入到式(3)，得到輸出功率與各取能ct設計參數的關系表達式，即：
[0053][0054]
由(6)式可知，在不同的輸電線電流及負載情況下，通過合理地選擇磁芯材料，設計相應的截面積及匝數可以滿足相應的工程需求。根據式(5)和式(6)，通過matlab可以得出各參數對輸出功率的影響規律，即在同等條件下匝數的改變只影響最大功率點的變化，而最大輸出功率不會發生改變；磁芯截面積的改變影響取能ct的最大輸出功率，且最大功率點也存在變化；除此之外，還能夠發現無論取能ct的參數如何變化，最大功率輸出時的取能時間是相同的，即步驟s2中取能時間ts為6.81ms。
[0055]
取能ct磁芯的設計遵循的前提為在一定的電流和負載條件下滿足功率輸出要求，盡可能使磁芯體積減小。在功率、一次側電流和負載已知條件下，根據上文得出的結論，當取能區段ωts為2.14時，此時取能ct工作在最大功率點，根據式(3)，能夠得出設計的匝數應為：
[0056]
[0057]
根據式(4)和式(7)，能夠得出設計的磁芯截面積為：
[0058][0059]
按照上述過程所設計的取能參數(磁芯截面積、繞組匝數)即是負載能拾取到的最大功率的最優參數。
[0060]
具體實施時，還可以根據步驟s4所確定的磁芯截面積a
core
和輸電線的粗細確定磁芯的長度和厚度。
[0061]
綜上可以看出，本發明提出的一種基于電流互感器的磁能量收集系統及其參數設計方法，能夠使負載處于最大功率點狀態，以最小的體積實現所需功率需求。
[0062]
最后需要說明的是，以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍，這樣的變換均應涵蓋在本發明的權利要求和說明書的范圍當中。