新型高压侧自供电电源设计与研究.pdf

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1、第33卷第8期电工电能新技术Vo1．33．NO．82014年8月AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyAug．2014新型高压侧自供电电源设计与研究李衍川，江和(福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350108)摘要：分析了高压电场能量收集的原理，建立静电场耦合分布电容模型，并通过实验证明了模型的参考价值。随后，分析使用整流桥电路进行能量管理时的最佳功率点，并从增大超级电容充电电流的角度，设计了一种新型的管理电路，即同步电荷提取电路，以获得

2、最佳的能量存储能力。结果证明存在一个最佳占空比使得收集的能量最大化，从而缩短无线节点在线监测工作周期。关键词：能量收集；同步电荷提取；最佳占空比；在线监测中图分类号：TM910文献标识码：A文章编号：1003—3076(2014)08—0077．04能量。在实验室里，电压互感器的一次侧母排可以1引言提供高压电场，当薄铜片放置在母排附近时，其感应节能一直是人类的追求，而能量收集技术是一母排所形成的耦合电容可收集电场能量。该过程的种新的电源获取方法和概念，它能置于恶劣环境中电路模型和等效电路如图1所示。其中

3、c表示母自发电，为一些低功耗的传感节点供电⋯。能量收排与铜片的平行电容，C⋯。。表示对地耦合电容，。：集技术的发展，使得将周围环境的能量收集并存储为感应的母排电压，作为能量收集的交流输入电压。为有效电能成为可能，能量收集的最终目的就是设计一个能应用于电器高压侧的可靠电源，并且尽可能缩短传感节点的工作周期，从而获得更多的监测数据。目前市场上广泛应用的便携式带电指示器就是利用感应高压的原理，然而要为传感器以及无线收发器等组成的微系统供电还存在许多问题。不同的负载具有特定的电压和阻抗特性，这进一步削减了能量收

4、集器有限的能力。一直以来能量管理功f率转换效率的不足限制了它的进一步应用，本文研究了一种新型的能量管理电路，能从10kV母排上I收集近一毫瓦的功率，足够让低功耗节点在规定的图1能量收集电路模型图和等效电路图工作频率下持续运行。Fig．1DiagramandequivalentcircuitofE—filedharvesting2高压电场能量收集的原理电容c：可以根据平行板电容器的计算公式得高压母排周围存在非常强的电场，而电场感应到，而Coo~~o则可以利用ANSYS静电场的分析TRE—能量的原理是电容耦

5、合。文献[3]介绍了一种电场FFTZ方法得到。在母排与铜片之间加上能量管能量收集器的测试装置，并实验得出在交流150kV理电路时，改变了整个电容耦合的阻抗分布，负载两的传输线上，55cm长的铜管可以收集到380mW的收稿日期：2012·10—18基金项目：福建省自然科学基金资助项目(2o12JO5O87)作者简介：李衍川(1987．)，男，福建籍，硕士研究生，研究方向为智能电器及其在线监测技术；江和(1958一)，男，福建籍，副教授，研究方向为智能电器及其在线监测技术。78电工电能新技术第33卷端的电压

6、会被压得非常低，这将导致高压几乎全部加在铜片对地电容上，因此整个电路的电流几乎由对地耦合电容决定。但是另一方面，如果负载阻抗足够大，那么就可以得到比较大的。：，因此可以将能量管理电路的作用理解为匹配收集电路的阻抗使得负载输出功率最大化。3整流桥管理电路的最佳功率耦合电容感应能量是以交流的形式输出的，在电路分析上可以把这种激励源看成是由一个交流电流源和电容c组成，C实际就是对地耦合电容c⋯，而储能元件需要的是直流电压，因此由阶段1阶段2能量收集电路产生的电压要经过一个整流桥电路实现AC，DC的变换，之后再

7、经过一个足够大的滤图3整流桥电路工作波形图Fig．3Waveformsofrectifiercircuit波电容G，产生提供负载电流的电压，如图2所示。最终可以得到用来表示输出功率的表达式，即：，(r)sin(cot)一一一‘P：二(2)1，”0十1T“(，)～负载式(2)意味着输出功率和输出电压有关，想实一，二l／＼一现最大的功率输出，需要对输出电压进行调节，对输能量收集单元一【j【出功率的函数求极值可以很容易得出输出功率最大处的输出电压Vop,为：图2整流桥管理电路模型，Fig．2Diagramof

8、managementcircuitbasedonrectifierVop,(3)3．1最佳功率点的推导3．2最佳功率点的实验验证图4给出了整流桥输出功率随负载电阻从整流桥电路的每一个半波周期工作过程可以分IOOD~到lOOkD~变化时仿真和实验测得数据的比为两个阶段：在第一个阶段能量收集单元产生的源电流给极问电容C充电，在这个过程所有的二极较。可以看出随着电阻的增大，功率先增大后减小，这符合式(3)关于功率随着输出电压的变化规律。管都是反向