摘要：針對(duì)在特殊情況下，較大功率用電設(shè)備取電難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)能夠輸出24 V/100 W的電流互感器取電電源。該取電電源系統(tǒng)由整流濾波電路、Boost-Buck電路、電壓控制模塊組成，通過(guò)對(duì)取電線圈的理論分析及電路的仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其具有可行性。

關(guān)鍵詞：電流互感器；取電電源；Boost-Buck電路

中圖分類號(hào)：TM452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

在實(shí)際運(yùn)行中，架空線路經(jīng)常會(huì)發(fā)生線路覆冰、線路舞動(dòng)、絕緣子閃絡(luò)等不安全現(xiàn)象，地下電纜線路也常常因雨水天氣，導(dǎo)致工井內(nèi)出現(xiàn)積水現(xiàn)象，電纜被積水長(zhǎng)期浸泡將影響電纜線的使用壽命，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成隱患[1-2]。為保證輸電線路的正常運(yùn)行，有必要在架空線路和地下電纜工井安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備，從而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題并避免事故的發(fā)生[3]。

電網(wǎng)中的監(jiān)測(cè)巡查設(shè)備常用供電方式有太陽(yáng)能板供電、激光供電、風(fēng)能供電、電容分壓式供電和電流互感器感應(yīng)取電等[4]。其中，電流互感器感應(yīng)取電有廣闊的發(fā)展前景，其具有供能方式簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)設(shè)備中。電流互感器原理與變壓器相似，高壓線路一次側(cè)電流經(jīng)過(guò)電流互感器感應(yīng)取電，在二次側(cè)得到交流電，然后經(jīng)過(guò)取電電源得到穩(wěn)定的直流電[5]。

功率較大的巡查監(jiān)測(cè)設(shè)備的功率約為100 W，這對(duì)取電電源的輸出功率提出了較高要求，而目前所研究的取電電源大多輸出功率在20 W以下，無(wú)法滿足其運(yùn)行條件。本文結(jié)合電流互感器感應(yīng)取電、整流濾波穩(wěn)壓、控制模塊和直流/直流（direct current/direct current，DC/DC）變換器模塊設(shè)計(jì)出一種能輸出24 V/100 W的取電電源，解決了功率較大的監(jiān)測(cè)設(shè)備的供電問(wèn)題。

1 取電線圈原理分析

電流互感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，從輸電線路感應(yīng)出電流，將該電流經(jīng)互感器二次側(cè)導(dǎo)出至后級(jí)取電電源電路。為簡(jiǎn)化分析，將外接負(fù)載視為阻性負(fù)載，忽略磁芯損耗和漏電勢(shì)，取電線圈負(fù)載等效模型如圖1所示。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，通過(guò)取電線圈的勵(lì)磁電流建立磁芯磁通，線圈副邊根據(jù)變化的磁通感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，線圈副邊輸出電壓有效值E2的表達(dá)式：

E2 =πfN2Φm。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中，N2為副邊線圈匝數(shù)；Φm為取電線圈磁芯內(nèi)通過(guò)的磁通；f為母線電流頻率。

根據(jù)安培環(huán)路定律可知：

Φm = BmS。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

Bm = μHm。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

Hm = 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

式中，Bm為磁芯飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度；Hm為取電線圈磁芯內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的有效值；S為取電線圈的磁芯截面積；μ為磁芯磁導(dǎo)率；N1為原邊匝數(shù)；Im為勵(lì)磁電流的有效值；L為線圈平均磁路長(zhǎng)度。

輸電母線作為取電線圈的原邊，在計(jì)算時(shí)原邊匝數(shù)N1取1匝。聯(lián)立式（1）～（4）可得：

E2 = 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （5）

Im =" 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （6）

由式（6）可知，Im與E2、L成正比，與N1、N2、S成反比，在線圈材料和取電線路確定的情況下母線電流頻率f與磁芯磁導(dǎo)率μ為常數(shù)。為了提高傳輸效率，減小勵(lì)磁電流損耗，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能減小磁芯磁路長(zhǎng)度和增大磁芯截面積，并且選擇磁導(dǎo)率較大的磁芯材料。

在一次側(cè)損耗的情況下，實(shí)際流入互感器二次側(cè)負(fù)載的電流I2：

I2 = 。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （7）

式中，I1為母線電流。

聯(lián)立式（6）和式（7）可得：

I2 =" -" 。" " " " " " " " " " " " " " " " " "（8）

由式（8）中可知，在給定線圈磁芯材料以及磁芯尺寸和線圈匝數(shù)的情況下，可由母線電流得出互感器二次側(cè)負(fù)載的電流，根據(jù)此條件可選定取電線圈大小及材料參數(shù)。

2 取電電源電路設(shè)計(jì)

基于上述取電線圈原理分析可知，電流互感器取電具有特殊性，其特殊性是輸電線路所造成的能量的不確定性和二次側(cè)電壓的不穩(wěn)定性。由于電網(wǎng)負(fù)荷的改變，輸電線路電流也隨之變化，在輸電線路電流較大時(shí)，電流互感器獲取能量多，二次側(cè)感應(yīng)電壓也較大；在輸電線路電流較小時(shí)，電流互感器獲取能量少，二次側(cè)感應(yīng)電壓也較小，無(wú)法維持用電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

由于輸電線路電流變化范圍較大，如果不加以控制，二次側(cè)電壓也會(huì)出現(xiàn)較大的變化。取電電源是在取電線圈的基礎(chǔ)上，對(duì)二次側(cè)電流電壓進(jìn)行控制和處理，使得取電電源輸出穩(wěn)定直流電壓。取電電源主要由整流濾波電路、電壓控制模塊、Boost-Buck電路等模塊組成。

整流電路采用單相橋式不可控整理電路。DC/DC電源模塊采用Boost-Buck電路，Boost升壓電路經(jīng)過(guò)控制模塊控制后使電路能夠輸出穩(wěn)定的48 V電壓；Buck降壓電路采用固定占空比控制方式，使電壓由48 V降至24 V，從而給用電設(shè)備供電。

主電路中整流電路由4個(gè)二極管構(gòu)成整流回路，Boost-Buck電路中的兩個(gè)開關(guān)管采用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor， MOSFET），Boost電路中的MOSFET開關(guān)由控制模塊控制。本文設(shè)計(jì)的控制模塊采用電壓閉環(huán)控制，它根據(jù)給定值與輸出值形成控制偏差，將偏差的比例和積分通過(guò)線性組合形成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，使輸出達(dá)到給定值?？刂颇K結(jié)合功率因數(shù)校正技術(shù)，取電電源是一種電容輸入型電路，其輸入電流和電壓之間存在相位差，這會(huì)造成交換功率的損失，采用功率校正技術(shù)可以提高轉(zhuǎn)換效率。Buck電路中的MOSFET開關(guān)采用固定占空比控制，只需前端Boost電路能夠穩(wěn)定地輸出48 V電壓，后端Buck電路經(jīng)過(guò)固定占空比控制可得到穩(wěn)定的24 V電壓。該取電電源系統(tǒng)具有電壓控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制策略易實(shí)現(xiàn)、控制效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。

3 MATLAB仿真驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證電流互感器在線取電方法的有效性以及對(duì)理論分析的正確性，采用MATLAB/Simulink仿真軟件對(duì)電流互感器取電方法的理論模型進(jìn)行仿真分析，為簡(jiǎn)化分析，母線電流采用正弦變化的電流源表示，取電裝置的磁芯和線圈用變壓器代替，初級(jí)繞組匝數(shù)取1匝，次級(jí)繞組匝數(shù)取200匝，母線電流取20 A。

根據(jù)上述理論分析在MATLAB/Simulink仿真軟件中搭建取電電源電路仿真模型，整流部分采用由4個(gè)二極管組成的單相全波整流橋。DC/DC變換部分采用Boost-Buck電路，其中Boost電路采用電壓閉環(huán)控制，通過(guò)對(duì)Boost后級(jí)電壓進(jìn)行采樣，并改變其電路占空比與所給定理想值（48 V）進(jìn)行擬合，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）波形對(duì)Boost電路中的MOSFET進(jìn)行控制；Buck電路采用固定占空比控制策略對(duì)前端Boost電路所輸出電壓進(jìn)行降壓，使其達(dá)到用電設(shè)備所需電壓值。利用電壓閉環(huán)控制傳遞函數(shù)，調(diào)節(jié)比例積分參數(shù)，使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定的48 V直流電壓。

經(jīng)過(guò)電壓控制模塊調(diào)節(jié)后的Boost電路可以穩(wěn)定輸出48 V直流電壓。后端Buck電路采用固定占空比的控制方式，使占空比固定為0.5，電壓經(jīng)過(guò)Buck電路便可由48 V降至24 V，達(dá)到本次設(shè)計(jì)目的。

經(jīng)過(guò)Boost-Buck電路后可以穩(wěn)定輸出24 V直流電壓，在特定負(fù)載情況下可以輸出4.3 A直流電流，功率可達(dá)到100 W左右，此仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

由表1可以看出，當(dāng)二次側(cè)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)輸出電壓仍能穩(wěn)定輸出24 V直流電壓，并且在負(fù)載為6.0 Ω時(shí)輸出功率可以接近100 W，但是隨著二次側(cè)負(fù)載的增大，輸出功率逐漸減小。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上分析，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)采用特制電流互感器，互感器磁芯材料為非晶合金，線圈外徑為100 mm，線圈內(nèi)徑為38 mm，匝數(shù)為200匝，取電電源樣機(jī)采用CREE公司生產(chǎn)的半橋模塊搭建Boost-Buck電路，利用數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processing，DSP）技術(shù)對(duì)開關(guān)管進(jìn)行控制，控制芯片采用TMS320F28335。

母線從線圈中穿過(guò)，利用自耦調(diào)壓器提供不同幅值的電流，調(diào)壓器輸入端接220 V/50 Hz三相交流電，三相輸出端分別接3根電爐絲負(fù)載，使導(dǎo)線形成回路，線圈輸出端連接電源模塊，負(fù)載用6 Ω的功率電阻代替。

通過(guò)自耦調(diào)壓器使母線電流升高至20 A，電流互感器副邊感應(yīng)電壓為20 V左右，互感器副邊連接整流橋，整流后交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，整流濾波后通過(guò)Boost電路使電壓穩(wěn)定至48 V。采用電壓傳感器對(duì)Boost電路輸出端進(jìn)行采樣，利用DSP對(duì)采樣值進(jìn)行比例積分參數(shù)控制。由實(shí)測(cè)波形可知，Boost輸出電壓穩(wěn)定至48 V左右，誤差小于

1 V。但是通過(guò)示波器可以看出，Boost輸出電壓有較大紋波，不利于負(fù)載的穩(wěn)定工作。

由于Boost電路輸出電壓存在較大紋波，需要對(duì)電壓進(jìn)行處理，在后級(jí)添加Buck電路，Buck電路采用固定占空比控制方式，使電壓穩(wěn)定至24 V并消除紋波。通過(guò)示波器可以看出，負(fù)載兩端電壓穩(wěn)定至24 V左右，誤差小于1 V，穩(wěn)定性良好。

如圖2所示，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的數(shù)值基本相符。在特定負(fù)載條件下，取電裝置能輸出24 V直流電壓和100 W的功率，證明了理論分析及仿真的正確性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電流互感器取電電源在較大功率用電設(shè)備上的應(yīng)用進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)取電線圈原理的分析，確定了母線電流、取電線圈磁芯截面積、線圈磁路長(zhǎng)度、二次側(cè)匝數(shù)等因素對(duì)取電線圈的影響，設(shè)計(jì)出一種能夠輸出24 V/100 W的新型取電裝置。利用MATLAB仿真對(duì)方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可靠性良好，能夠滿足

24 V/100 W用電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。本設(shè)計(jì)具有功率較大、效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，擁有廣闊的應(yīng)用空間和良好的發(fā)展前景。

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