基于电流互感器的磁能量收集系统及其参数设计方法与流程

1.本发明涉及磁感应取能技术，具体涉及一种基于电流互感器的磁能量收集系统及其参数设计方法。


背景技术：

2.磁感应取能技术以法拉第电磁感应定律为基础，对环境中的磁能量进行收集，并通过磁电转换感应出交流电，从而实现传感设备或其它用电负载的自供电。近些年来，智能电网发展迅速，其中，输电线路状态实时监测是智能电网发展的重要基础。无线传感网络能够实时监控输电线路及设备的运行状态，因此，如何实现传感器的持续稳定供电逐渐成为国内外的研究热点。
3.随着输电线路总里程的不断增加和传感检测设备的迅速发展，如攀爬机器人、视觉相机等设备得到了大量应用，使得对磁能收集器的自供电需求越来越大；且为了满足输电线路的安全问题，磁能收集器的体积和重量不宜过大，因此，需要对取能参数或取能电路进行合理地优化与设计，使其功率密度尽可能增大。
4.为了提高功率输出，有的学者采用附加绕组对磁场进行调控以延缓磁芯的饱和、采用取能ct(current transformer，电流互感器)和电池协同供电或通过增加磁芯截面积或对取能电路进行优化控制来提高功率输出。然而，这些方法带来额外的器件，会造成取能设备体积重量增加，给输电线路的安全运行带来隐患。
5.在某些应用场合需求下，磁能量收集器的体积和重量要求存在限制，为了满足取能的需求，需对磁能量收集器的前端部分进行合理的优化设计，使得磁能量收集器能够以最小的体积达到所需功率要求。


技术实现要素：

6.基于上述需求，本发明的首要目的在于提出一种基于电流互感器的磁能量收集系统，该磁能量收集系统的结构简单，绕线匝数和磁芯截面积能够根据不同的应用场景做出快速的调整，使其可以工作在最大功率点，提高取能设备的功率密度，以最小的体积实现传感设备的自供电要求。
7.为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
8.一种基于电流互感器的磁能量收集系统，取能部分包括磁芯和线圈绕组，其关键在于：所述磁芯采用二分裂磁环结构卡接扣合而成，在其中一段磁环结构上绕制所述线圈绕组，在所述磁芯中间预留有供输电线缆穿过的通孔。
9.可选地，在所述线圈绕组的末端设置有功率变换电路。
10.可选地，所述功率变换电路包括整流电路和dc/dc变换模块。
11.可选地，在所述功率变换电路的输出端连接有负载。
12.可选地，所述负载为纯阻性负载。
13.可选地，所述磁芯外侧设置有一对半弧形的绝缘导磁容置槽，所述二分裂磁环结
构中的上下两半弧形的磁芯分别卡设在所述绝缘导磁容置槽内。
14.基于上述结构，本发明的另一目的在于提供一种基于电流互感器的磁能量收集系统的最优功率参数设计方法，其关键在于，包括以下步骤：
15.s1：将输电线电流视为理想正弦电流源，并确定输电线电流幅值i
p
、电流角频率ω、所需输出功率p
l
和饱和磁感应强度bs；
16.s2：确定最大功率输出时的取能时间ts；
17.s3：按照确定线圈绕组的匝数n；
18.s4：按照确定磁芯截面积a
core
。
19.可选地，步骤s2中取能时间ts设计为6.81ms。
20.可选地，根据步骤s4所确定的磁芯截面积a
core
和输电线的粗细确定磁芯的长度和厚度。
21.本发明的效果是：
22.(1)本发明提供的基于电流互感器的磁能量收集系统，能够通过对磁芯截面积和绕组匝数的优化设计使系统工作在最大功率点，满足功率需求，提高系统的功率密度，减小系统的重量和体积。
23.(2)本发明提供的基于电流互感器的磁能量收集系统的最优功率参数设计方法，能够在特定工作环境需求下快速对其参数进行最优设计，提高系统输出功率密度。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
25.图1为本发明实施例中的整体结构图；
26.图2为本发明实施例中磁能量收集系统的结构示意图。
具体实施方式
27.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
28.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
29.如图1和图2所示，本实施例提供了一种基于电流互感器的磁能量收集系统，取能部分包括磁芯和线圈绕组，所述磁芯采用二分裂磁环结构卡接扣合而成，在其中一段磁环结构上绕制所述线圈绕组，在所述磁芯中间预留有供输电线缆穿过的通孔。
30.通过图1可以看出，在所述线圈绕组的末端设置有功率变换电路，所述功率变换电路包括整流电路和dc/dc变换模块，在所述功率变换电路的输出端连接有负载，所述负载为
纯阻性负载。
31.为了便于磁芯的安装，具体实施时，所述磁芯外侧还可以设置一对半弧形的绝缘导磁容置槽，所述二分裂磁环结构中的上下两半弧形的磁芯分别卡设在所述绝缘导磁容置槽内。
32.通过上述结构设计，在不同应用场景下，线圈的匝数可以方便的调整，通过选用不同大小的磁芯也可以方便的改变磁芯的截面积，使其以最小的体积达到所要求的功率输出。
33.结合上述结构，本实施例还公开一种基于电流互感器的磁能量收集系统的参数设计方法，包括以下步骤：
34.s1：将输电线电流视为理想正弦电流源，并确定输电线电流幅值i
p
、电流角频率ω、所需输出功率p
l
和饱和磁感应强度bs；
35.s2：确定最大功率输出时的取能时间ts；
36.s3：按照确定线圈绕组的匝数n；
37.s4：按照确定磁芯截面积a
core
。
38.为了更好的理解上述方法所带来的技术效果，下面对其设计原理做进一步的描述：
39.由于电力线路相当于流过一次侧一匝绕组的电流，一次侧漏感和绕组内阻可以忽略不计；当磁芯具有较高磁导率时，二次侧漏感相比于励磁电感也可以忽略其影响；励磁电阻反映了磁芯的有功损耗，通常分为涡流损耗和磁滞损耗，目前磁芯大多采用钢板叠压而成，保证层间有效绝缘，有效阻断涡流通道，涡流损耗低；磁滞损耗主要与不同材料的磁滞回线有关，磁滞损耗低的磁芯材料，磁滞损耗可以忽略不计；由于副边等效电流常常为微安级别，将二次侧绕组内阻的损耗忽略不计。因此，磁能收集器所处工作环境和电路为理想状态，电力线路为理想正弦电流源，工作电路不考虑损耗，负载可视为纯阻性。
40.在对磁芯截面积(a
core
)、绕组匝数(n)的优化设计时，考虑设计合适截面积既能满足功率输出要求，又不会因过大截面积造成材料浪费及体积增加；合理设计的匝数可以在特定负载情况下将磁能量收集器工作在p-r曲线的最优功率点。
41.输电线电流表示为i
p
，假定其为理想正弦电流源，表示为：
42.i
p
＝i
p sin(ωt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
43.假设磁芯工作时磁饱和特性为理想状态，即在磁芯未饱和时，励磁电感值很大，励磁支路近似为开路状态，二次侧感应出交流电压；当磁通累积到饱和值时，磁通值不变化，励磁电感值快速降低为零，二次侧电压为零，取能装置只在未饱和时传输能量：
44.45.负载功率等效为每个取能周期内负载(r
l
)上瞬时功率积分的平均值，即p
l
表示为：
[0046][0047]
其中，ts为磁芯取能时间，即未饱和时间，即原边电流、负载电阻、绕组匝数和取能时间决定了取能装置的功率传输能力。
[0048]
基于电流互感器的磁能量收集系统进行磁电的转换，其输出的功率受到饱和时间的限制，而饱和时间和磁能量收集器能承载的最大磁通量息息相关，根据法拉第电磁关系，磁芯的累积磁通等于二次侧电压对时间的积分，表示为：
[0049][0050]
其中，“2”代表磁通累积从-bs到bs，bs为取能ct的饱和磁感应强度，a
core
为磁芯的截面积，由式(4)可以得出取能时间ts，ts表达式为：
[0051][0052]
因为饱和时间和bs、a
core
、n有关，因此，对磁芯的截面积和匝数进行合理设计可以对输出功率进行控制。将式(5)代入到式(3)，得到输出功率与各取能ct设计参数的关系表达式，即：
[0053][0054]
由(6)式可知，在不同的输电线电流及负载情况下，通过合理地选择磁芯材料，设计相应的截面积及匝数可以满足相应的工程需求。根据式(5)和式(6)，通过matlab可以得出各参数对输出功率的影响规律，即在同等条件下匝数的改变只影响最大功率点的变化，而最大输出功率不会发生改变；磁芯截面积的改变影响取能ct的最大输出功率，且最大功率点也存在变化；除此之外，还能够发现无论取能ct的参数如何变化，最大功率输出时的取能时间是相同的，即步骤s2中取能时间ts为6.81ms。
[0055]
取能ct磁芯的设计遵循的前提为在一定的电流和负载条件下满足功率输出要求，尽可能使磁芯体积减小。在功率、一次侧电流和负载已知条件下，根据上文得出的结论，当取能区段ωts为2.14时，此时取能ct工作在最大功率点，根据式(3)，能够得出设计的匝数应为：
[0056]
[0057]
根据式(4)和式(7)，能够得出设计的磁芯截面积为：
[0058][0059]
按照上述过程所设计的取能参数(磁芯截面积、绕组匝数)即是负载能拾取到的最大功率的最优参数。
[0060]
具体实施时，还可以根据步骤s4所确定的磁芯截面积a
core
和输电线的粗细确定磁芯的长度和厚度。
[0061]
综上可以看出，本发明提出的一种基于电流互感器的磁能量收集系统及其参数设计方法，能够使负载处于最大功率点状态，以最小的体积实现所需功率需求。
[0062]
最后需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，这样的变换均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。