高压电源母线供电低功耗低压直流电源的研制
摘要
安装在高压电源母线上的在线监测设备是由可靠、稳定的直流电源支持的，不能从工业低压交流电源或化学电池获得。本文提出了一种基于电磁感应原理的高压电源母线低压低功率直流电源的设计方案。该电路由能量采集线圈、整流器和稳压电路和分流器以及并联线圈组成。该电源可以在母线小电流的情况下工作，也可以在大电流的情况下通过启动分流线圈输出稳定的直流电压。实验结果表明，该电源输出电压分别为3.3V和5V，输出功率大于120 mW，母线起动电流较小，不超过5A，所有这些都可以满足在线监测设备的需要。
关键词：高压电源母线；直流电源；并联线圈
1.简介
为了保证电力系统的安全运行，越来越多的监控设备需要直接安装在高压电源母线上进行实时监控，典型的监控设备有电子式电流互感器和在线总线温度监测设备。所有这些器件都是由低压直流电源驱动的。根据国家电力系统的规则，低压电源不允许直接从高压侧母线供电。早期的电源，如化学电池和光电池，被证明是寿命短和不可靠的[1]，所以直接使用高压电源母线[1]-[2]为这些器件开发低压直流电源是必不可少的。
关键问题与设计目标
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- 关键问题
当高压电源通过交流母线传输时，会在周围产生交变磁场。我们可以设计一个线圈来感应来自磁场的交流电，然后通过整流器和调节器获得直流电压〔1〕-〔4〕。这是从高压母线获得直流电源基本思想。
由于高压母线的复杂情况，需要解决以下几个导致电流变化显著的问题。
1）芯材的选择。由于在母线电流较小的情况下，铁芯激励电流小，但当电流较大时会饱和，因此需要变压器铁心相对较大。 具有相对较小的饱和磁感应强度，较小的涡流和磁滞损耗，提高了磁芯长期使用时的热稳定性。
2）在母线上小电流时的工作状态[4]。由于电源母线的电流范围从几安培到数百安培-几乎100倍的变化，直流电源的运行状态设计应考虑是否能提供足够的电压和功率进行监测，以防其在母线具有较小的电流时无法工作。
3）当总线中大电流时的操作状态〔4〕。当母线电流较大时，铁芯可以因饱和产生热量，设计增加直流电源电压。
4）当母线短路、浪涌或雷击时的运行状态〔1〕〔4〕。当短路、浪涌、雷击发生时，必须采取合理的保护措施来避免监测设备的损坏。综上所述：首先要解决的关键问题是：当电力系统的电流较小时为高压侧的监控设备提供足够的功率，第二个是如何提供稳定的电源。当过大的电压通过监测设备时，可吸收过大功率而不会损坏设备。
2.2.设计目标
基于电流输入功率设计目标变压器。
1）输出电压3.3V，5V。
2）输出功率＞12MW。
- 母线起动电流＜5A。
3.电路设计
3.1.电路图
电路图如图1所示。
该电路包括能量采集线圈、控制分流线圈、整流滤波电路、电压调节器。电路、控制电路、二极管保护电路、防雷电路和超级电容器。电磁感应能量采集线圈由高压母线引入一定程的交流功率。
控制分流线圈主要是在大电流通过高压母线时减少磁芯中的磁通量和能量获取线圈感应的电压，根据磁势原理，通过控制电路[5]控制线圈的导通。
稳压电路将输入电压从直流9V-16V转换成3.3V和5V的电压。
调节器芯片。雷电保护电路是为了避免雷电冲击引起的电源电路损坏。
超级电容器在总线开路等特殊情况下起备用电源的作用。
3.2.磁芯和线圈的设计
磁芯的选择和线圈匝数的设计先通过理论计算，并根据工程试验进行调整。根据市场调研和工程试验，采用内芯厚度为0.35mm的EI 15型冷轧硅钢片是合理的。磁芯截面面积可以通过变压器的理论计算，然后由母线宽度和工程实验确定。根据设计目标，截面面积为约10mmtimes;15mm。磁芯设计中有许多影响因素，如磁芯形状、填充物、堆叠系数等；工艺因素、温度系数、磨损等因素；次级绕组的导线材料、电流密度、回路阻抗、损耗和温度效应，更重要的是，在线圈和绕组的生产中，有一些细微之处，各种缺陷之间的差异。因此，对于线圈的设计，特别是确定二次绕组匝数只能根据（1）给出一种粗略估算方法，并通过实际情况，由电路调试确定。
其中f代表频率（50Hz），BS代表硅钢的饱和磁感应强度（约1.5T），以及AC表示芯的横截面积。
3.4.并联电路的设计
由线圈引出的交流电源需要转换成DC电源。为监控设备提供直流稳压电路。直流电源一般由以下四部分组成：变压器、整流器、滤波电路和电压调节电路，如图2所示。并采用全桥整流器和电容滤波器。这个SIPX公司生产的芯片SPX5205-3.3被称为3.3V降压调节器电路。SPX5205（TSO-23 5PIN芯片封装）是一种具有低成本、低噪声LDO Buck变换器的芯片。输出电流最大为150毫安。其最大绝对电压差为210MV，静态电流为70mu;A，输入电压为2.5V~16V，高频电容与电源并联，以减少调节器芯片对电源电压的影响。5V降压稳压器电路采用SIPX公司生产的SPX9300—5.0（TO -263 3PIN芯片封装），SPX9300是一款低成本、低噪声的LDO降压转换器芯片，最大可用输出电流为3A，低压差为550MV，静态电流为900mu;A，输入电压为2.5V~16V。大范围电力系统在总线或电路中引起的电流（几千到几千安培）的巨大变化使得调节电源的设计更加困难。解决问题的关键在于，并联电路的设计是为了保证主电路的稳定可靠工作。为高压电路提供电源。电路的关键部件是三端双向可控硅开关元件。提供零关断功能。摩托罗拉系列MOC3063型双向可控硅驱动器选择为分流线圈的控制开关元件。当总线中的电流足够大时，由能量获取线圈引起功率增加，MOC3063输入端的电压和电流导致MOC3063的输出将三端双向可控硅开关元件打开，然后分流线圈将根据磁能平衡原理工作，以降低功率。从而保护后续调节电路。降低调节芯片的输入电压，控制分流的电路如图3所示。
3.5。电路保护
电路保护是供电安全的重要保障，是户外环境下高侧电路和供电工作的重要保障。保护电路应考虑防雷电和浪涌能力。在最近的研究中，双极和单极瞬态抑制二极管电视被用作雷电和浪涌保护装置[1][4]。当雷电冲击时，它可以转换双极性高压。阻抗以1times;10e-12s的速率降低，使双极电压与选择值一致，吸收浪涌功率，避免雷电冲击造成的损伤。
4. 实验数据分析与结论
为了测试所设计的电源的性能，建造了一个大电流的实验平台。实际上，高压母线现场不能完全按照实验室条件进行模拟，但根据拟合曲线推断后续工作是可行的。
4.1 匝数
试验条件：母线电流8A，负载75欧。匝数与圈数的关系电压输出如表1所示。根据测量数据的分析，选择75匝为能量获取线圈的实际匝数。
4.2 分流线圈激活条件
理论分析表明，当母线电流增大时，感应电流增大，整流器输出电压也增加，如果母线电流在一定程度上增加，整流器输出电压持续增加，后续电压调节器可能被烧毁。所以有必要启动控制分流线圈降低调节器电路的输入电压以保护后续调节电路
表2显示了总线电流和输出电压与75Omega;负载之间的关系。从MATLAB拟合的曲线可知，在高压电缆中电流约为200 A。电磁感应线圈输出电压达到16V，这可能会烧掉电压调节器。因此需要激活分流线圈以减少调节器电路的输入电压，保护稳压器电路。
5.结论
实验证明，电流互感器等电磁感应电源为母线高压侧的监控设备提供低功耗低压直流电源。当母线电流较小时，电源可以安全可靠地工作。当母线电流很大时可以启动分流线圈解决铁芯饱和发热问题，保护电源电路及后续设备。但启动分流线圈的匝数和母线电流的取值依赖于工程试验。然而，电路设计有其自身的缺陷。 当母线电流小于5A时，输出电压不稳定；其次，当母线电流太大时，分流线圈需要足够的散热空间。
一种基于Jiles-Atherton磁滞理论的变压器模型
摘要：提出了一种适用于低频的变压器模型。为了描述铁心的磁化现象，采用jiles astherton磁滞模型，这种模型可以产生较小的回路不对称性和剩磁。在一个工业电阻焊接变压器的实验室里将所得结果与实测结果进行了比较。
关键词：Jiles-Atherton，变压器，B(H)，模拟。
1导言
长期以来，人们一直在寻找通用的变压器模型，即能够预测变压器在宽频率范围内的行为以及所有可能的负载情况的模型。这样的模型可以作为黑箱纳入电力系统分析包，如EMTP或SPICE。这样，程序的用户就不必再担心模块的有效性了。
不同的模型可以用于不同的频率范围和不同的负载情况的变压器。文[1]对模型作了概述。只要变压器有负载并且适用频率较低，可采用较为简单的模型：漏抗、铜损耗、绕组电容。
对于无负载变压器，必须考虑变压器铁芯的非线性行为。只要磁化电流差不多是正弦的，即使考虑磁滞和饱和度也会有可接受的结果。但对于非正弦电流或电压的情况，还没有提出令人满意的模型。例如，空载变压器的励磁涌流、铁磁谐振过电压，以及本文研究的课题：焊接变压器的晶闸管控制。特别困难的是非线性和频率相关效应的结合。CTS前者要求建立时域模型，后者则需要更加面向频域的方法，如用于传输线建模。电压或电流越非正弦，频率越高，频率依赖性越强。由于非线性，正弦激励不再保证正弦响应。因此，只有在初步研究之后才能确定适用的频率范围。
2 Jiles-Atherton模型
Jiles和Atherton[2，3]利用铁磁材料中磁畴的物理理论，根据磁性材料的物理性质描述了非线性磁芯。这个Jiles-Atherton模型需要以下输入参数：磁化强度饱和、热能参数、畴弯曲常数、畴各向异性常数、域间耦合参数。这些不是变压器制造商或变压器材料制造商可以提供的参数。事实上，它们甚至不能通过测量直接确定。各种公司该模型所要求的Re滞回参数是理论的，可以通过实验测量矫顽力、剩磁、饱和磁通密度、初始静滞量来计算。敏感性、初始正常磁化率和最大微分磁化率。这是一个迭代的试错过程[4，5].由50赫兹曲线定义不明确的参数可以对涌流的大小有很大的影响。
用这种方法对变压器铁芯进行建模所需的其他铁心参数包括铁心的磁横截面、磁路长度和层压堆芯系数。
3变压器B(H)回路的仿真
本文的变压器模型是建立在铁心的Jiles-Atherton(JA)理想模型的基础上的。一些商业上可用的程序[6]使用JA模型来模拟DYN磁性器件的AMC行为。将JA模型应用于工业电阻焊变压器的仿真。根据制造商的数据和测量结果，电阻焊变压器具有以下额定数据：一次电压380 v；二次空载电压(1.41-4.63)V；常规功率24 kVA；额定频率50 Hz；晶闸管控制。D开关；主抽头位置数目9。变压器是一个单相的外壳型铁心。对JA模型的参数进行了估计，利用Vrms/IRMS模型得到被测回路的B(H)和饱和特性，合理准确地产生了定量特性。
图1显示了用于电阻焊接变压器铁芯的模拟B(H)回路的示例。在此模拟中，采用正弦波电流激励二次绕组，二次绕组开路。
模拟采用以下参数：一次匝数150次，二次匝数1次，平均磁芯面积118平方厘米，磁路平均长度45厘米，堆芯系数0.95，有效气隙长度=0cm。确定了以下理论参数：磁化强度饱和：2.05times;106 A/m；热能参数250[A/m]；畴弯曲常数0.4；畴各向异性常数320[A/m]；畴间耦合参数2.8E-4。除了理论JA参数外，铁心参数是直接从变压器几何形状得到的。理论参数在迭代过程中，通过将模拟滞后环与实验获得的结果进行匹配来获得S。模拟磁化电流如图1所示。
表1给出了电阻焊变压器铁芯的模拟磁芯性能，并与实测铁心参数进行了比较。
结果表明，模拟结果与实验室试验数据吻合较好。
4仿真结果与试验结果比较
4.1稳态研究
对基于ja滞环模型的电阻焊变压器模型进行了稳态试验，包括正弦运行和非正弦不连续运行。表2比较了变压器正弦运行在负载条件下的稳态结果.
表3比较了被测变压器一次侧相(晶闸管)控制情况下不同点火角度的测量结果和仿真结果。模拟与实测的比较发射角为3.48ms的电流如图3所示。基于Jiles-Atherton铁磁滞回理论的变压器模型的稳态结果表明：试验结果与试验结果吻合较好，适用于不同的负载情况和不同的供电条件。
这些结果证实了JA模型对于正弦、非正弦和不连续操作是非常准确的。
4.2瞬态研究
接着，在瞬态运行中，对基于JA理论的电阻焊接变压器模型进行了测试。对两种不同的情况进行了瞬态研究，这两种情况都是DRIVi变压器铁芯饱和。首先，进行了突涌瞬态研究。通过定义绕组电压beta;=0的零过渡，模拟了变压器空载时的暂态性能。分析变压器暂态性能的样本结果如图4所示。相应的B(H)环如图5所示。同样，图6和图7显示了beta;=pi;/4开关角的仿真结果。
从图4中最坏的瞬态开关结果(beta;=0)可以清楚地观察到一次电流的指数衰减直流分量。电流波形在开始时显示一个峰值。将模拟的励磁涌流与实测的励磁涌流进行了比较。然而，模拟结果表明，励磁涌流的增加不足。当测量结果显示电流比空载稳态电流大90倍时，基于JA变压器模型的仿真结果仅增加4倍。在解释实验结果时，必须记住测量值是近似的。在随后的变压器切换期间，铁芯可保留未知量的剩余磁通，该剩余磁通量建立了如此大的涌流。
通过研究不同的饱和情况，通过抑制其中一个晶闸管的触发脉冲，发现jA模型高估了模拟p的增加。电流比测量值高出两倍。图8给出了模拟的一次和二次电流形状。由直流磁化引起的铁心磁通变化为sh。如图9所示。
模拟得到的电流、磁通和
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