CN108063500B - 一种在线监测无线传感器的磁谐振非接触供电***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电气设备技术领域，公开了一种在线监测无线传感器的磁谐振非接触供电***及方法，非接触供电***包括磁谐振非接触供电电源MR‑CPS，用于以磁谐振方式非接触发射和接收电能，给无线传感器提供工作电源，并将磁谐振非接触供电电源的反馈控制嵌入无线传感器；无线传感器，用于在线监测电气设备状态量，并以无线方式把电气设备状态数据发送给上位机；同时公开一种自动寻求Buck电路输出稳压的临界输入功率值的方法。本发明既能满足安装在电气设备高压侧的无线传感器的供电需求，同时将MR‑CPS的反馈控制嵌入无线传感器，降低了***成本，并且使能量的传输具有自适应可控性，有效提高了***对环境的自适应性。
Description
技术领域
本发明属于电气设备技术领域，尤其涉及一种在线监测无线传感器的磁谐振非接触供电***及方法。应用于电气设备中。
背景技术
采用无线方式传输数据的传感器(简称无线传感器)具有无需布线、方便灵活等优点，已成为高压电气设备重要在线监测方式。无线传感器需要工作电源，但由于高压电气设备电压高和电气绝缘安全要求，无线传感器不仅难于直接从高压电气设备取电，而且很难由低压侧市电直接供电，因此工作电源成为制约其进一步应用和发展的关键技术。
目前研究和采用的给高压电气设备在线监测传感器供电方式主要有：锂电池、光伏电池、激光、压电或热电能量收集、电场能量收集、电流互感器取电等。锂电池是最简单的供电方式，但电池容量有限、耐高温差，长期运行时需要较频繁停电来更换电池。光伏电池需要户外使用，且依赖于光照。激光供电稳定，不受电磁干扰，但光电转换效率低、成本高、寿命短。压电或热电能量收集方式采用压电或者热电效应来收集能量，收集能量有限，且受母线电流等影响，存在供电死区等问题。电场能量收集方式收集的电能取决于电压等级和电极板面积，收集能量很有限，存在设计困难、杂散电容对取电性能影响较大等问题。电流互感器取电是将带磁芯的线圈穿套在高压母线上，利用母线电流产生的交变磁场来取电，应用比较广泛，但存在当母线电流小时取电不足、母线短路等原因造成过电流时易对传感器造成干扰、甚至损坏等缺点；此外，对于存量很大的已有高压电气设备，特别是对于结构紧凑的开关柜等，由于直接把电流互感器穿套在高压母线排上将破坏电气绝缘，需要改造高压电气设备的关键部件，所以电流互感器取电不具有经济可行性。
非接触电能传输技术传输电能时，电能发射和接收单元之间没有电气连接，其中磁谐振非接触电能传输技术能在较远距离较高效传输电能，在电动车充电器以及消费类电子设备中获得较广泛研究，但在电力高压领域研究和应用很少。由于非接触电能传输技术传输电能时，电能发射和接收单元之间没有电气连接，可以隔着一定距离非接触传输电能，满足高压电气设备的电气绝缘要求。因此本发明提出采用非接触电能传输技术的磁谐振非接触供电电源(简称MR-CPS)给高压电气设备在线监测传感器供电，特别是高压开关柜应用场合。与户外高压架空线相比，高压开关柜结构紧凑、金属部件多，电磁环境、温度环境、安装要求等使得MR-CPS工作环境更严苛，技术难度更大。
综上所述，现有技术存在的问题是：
已有高压电气设备在线监测无线传感器的供电方案不能很好满足高压电气设备电气绝缘要求，同时提供长期稳定充足的电能。
而对于磁谐振非接触供电电源MR-CPS，由于MR-CPS在实际应用中会存在线圈谐振频率可能漂移、周边有金属物、安装位置有偏差等的影响，需要加大能量发射模块的输入功率，以保证输出能稳压，但这种方式不利于节能，且较大的功率损耗还造成***发热严重、散热困难，影响***运行的稳定性和可靠性。因此有必要进行自适应反馈控制，使得能量的传输具有可控性，保证复杂现场应用的自适应性，同时又不会导致能量浪费，提高***稳定性和可靠性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种在线监测无线传感器的磁谐振非接触供电***及方法。本发明既能够给安装在高压电气设备高压侧的无线传感器提供长期稳定充足的工作电源，而且满足电气设备高压绝缘要求，又能有效提高***对环境的自适应性，使***长久、稳定、可靠的运行。
本发明是这样实现的，一种自动寻求Buck电路输出稳压的临界输入功率值的方法，包括：
开机时，先以一定步长不断降低或不断增大高频功率放大电路的输入功率Pin_Amf，通过判断Buck电路输出电压是否稳压，找到Buck电路临界输出稳压对应的临界输入电压Vin_Buck_L，对应的临界输入功率Pin_Amf_L；之后再加一定步长裕量的输入功率Pin_Amf，使得Buck电路输出稳压，并记录此时Buck电路输入电压Vin_Buck_F；
当由于外部原因使得Buck电路输入电压Vin_Buck超过Vin_Buck_F一伏时，则自适应降低输入功率Pin_Amf重新执行以找到新的临界稳压对应的输入电压Vin_Buck_L和Pin_Amf_L；
当由于外部原因使得Vin_Buck低于Vin_Buck_L时，则自适应增大输入功率Pin_Amf重新执行以找到新的临界稳压对应的输入电压Vin_Buck_L和Pin_Amf_L；
否则保持输入功率不变。
本发明另一目的在于提供一种在线监测无线传感器的磁谐振非接触供电***，应用于电气设备中，包括：
磁谐振非接触供电电源(简称MR-CPS)，用于以磁谐振方式非接触发射和接收电能，给无线传感器提供工作电源，并将磁谐振非接触供电电源MR-CPS的反馈控制嵌入无线传感器；
无线传感器，用于在线监测电气设备运行状态量，并以无线方式把电气设备高压侧的运行状态数据发送给上位机。
进一步，所述磁谐振非接触供电电源MR-CPS包括发射功率侧和接收侧；所述发射功率侧包括AC/DC稳压模块、高频功率放大模块和能量发射模块；
所述AC/DC稳压模块采用反激电路；
所述高频功率放大模块采用E类高频开关功率放大电路；
所述接收侧包括能量接收模块和整流稳压模块；
所述整流稳压模块采用全桥整流和Buck稳压电路；
所述能量发射模块、能量接收模块构成磁谐振非接触电能传输单元。
进一步，所述无线传感器包括传感器、单片机、无线通信模块和上位机；所述无线通信模块采用ZigBee模块进行通讯。
进一步，所述磁谐振非接触供电电源MR-CPS，利用市电经过反激电路产生直流电作为E类高频开关功率放大电路的输入，E类高频开关功率放大电路生成MHz正弦交流电作为能量发射模块的激励源，能量接收模块接收到相应的能量后经整流和稳压Buck电路后为无线传感器供电；
无线传感器将采集到的高压电气设备运行状态量传给上位机，也将稳压Buck电路的输出电压信息传给发射侧。
进一步，所述自适应反馈控制包括稳压Buck电路的输出电压信息采集、发射侧与接收侧间的无线通信以及发射侧能量的控制；
所述反馈控制中，
当Buck电路输入电压小于其输出稳压值时，输出不能稳压；
当Buck电路输入电压大于其输出稳压值时，输入功率恒定，输出稳压；
当Buck稳压电路负载电阻恒定时，其输出电压随高频功率放大电路输入功率的变化存在一个临界输入功率值使得Buck电路输出能稳压；当输入功率低于临界输入功率值时，输出不能稳压；当输入功率高于临界输入功率值时，输出稳压。
本发明的优点及积极效果为：
本发明既能够给安装在高压电气设备高压侧的无线传感器提供长期稳定充足的工作电源，而且满足电气设备高压绝缘要求。由于磁谐振非接触供电电源MR-CPS采用市电供电，与已有常用的锂电池供电方法对比，MR-CPS无须间隔一段时间就要停机检修更换电池等，大大提高了高压电气设备的利用率，从而有效节约了运行成本。
本发明采用了自适应反馈控制，使得MR-CPS能很好自适应复杂环境，特别是适用于电磁环境、温度环境复杂，周围金属多的高压电气设备，如高压开关柜；降低了安装时要求能量发射和接收模块对准精度要求，从而易于安装，而且有效提高了电能传输效率，如本发明实施例的样机中，在传输距离为13cm时，与开环控制相比效率约提高了20％，在传输距离为18cm时，约提高了3％。
本发明的自适应反馈控制嵌入无线传感器，即共用了无线传感器的Zigbee模块和单片机，充分利用了无线传感器的单片机和无线发射模块作为MR-CPS的反馈控制模块，有效降低了***成本，如本发明实施例的样机中成本可降低约15-20％。
附图说明
图1是本发明实施例提供的在线监测无线传感器的磁谐振非接触供电***示意图。
图中：1、磁谐振非接触供电电源MR-CPS；2、无线传感器。
图2是本发明实施例提供的磁谐振非接触供电电源MR-CPS的功率电路图。
图3是本发明实施例提供的Buck稳压电路的输入特性曲线图。
图4是本发明实施例提供的Buck电路输出电压随高频功率放大电路输入功率的变化曲线图。
图5是本发明实施例提供的跟踪临界稳压点的程序框图。
图6是本发明实施例提供的发射侧能量控制电路图。
图7是本发明实施例提供的开环与闭环控制的效率对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由于磁谐振非接触供电电源MR-CPS在实际应用中会存在线圈谐振频率可能漂移、周边有金属物、安装位置有偏差等的影响，需要加大能量发射模块的输入功率裕量，以保证输出能稳压，但这种方式不利于节能，且较大的功率损耗还造成***发热严重、散热困难，影响***运行的稳定性和可靠性。因此有必要进行自适应反馈控制，使得能量的传输具有可控性，保证复杂现场应用的自适应性，同时又不会导致能量浪费，提高***稳定性和可靠性。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1至图7所示，本发明实施例提供的在线监测无线传感器的磁谐振非接触供电***，包括：
磁谐振非接触供电电源MR-CPS 1，用于以磁谐振方式非接触发射和接收电能，给无线传感器提供工作电源，并将磁谐振非接触供电电源MR-CPS的反馈控制嵌入无线传感器；
无线传感器2，用于在线监测电气设备运行状态量，并以无线方式把电气设备高压侧的运行状态数据发送给上位机。
所述磁谐振非接触供电电源MR-CPS包括发射功率侧和接收侧；所述发射功率侧包括AC/DC稳压模块、高频功率放大模块和能量发射模块；
所述AC/DC稳压模块采用反激电路；
所述高频功率放大模块采用E类高频开关功率放大电路；
所述接收侧包括能量接收模块和整流稳压模块；
所述整流稳压模块采用全桥整流和Buck稳压电路；
所述能量发射模块、能量接收模块构成磁谐振非接触电能传输单元。
所述无线传感器包括传感器、单片机、无线通信模块和上位机；所述无线通信模块采用ZigBee模块进行通讯。
所述磁谐振非接触供电电源MR-CPS，利用市电经过反激电路产生直流电作为E类高频开关功率放大电路的输入，E类高频开关功率放大电路生成MHz正弦交流电作为能量发射模块的激励源，能量接收模块接收到相应的能量后经整流和稳压Buck电路后为无线传感器供电；
无线传感器将采集到的高压电气设备运行状态量，如温度等传给上位机，也将稳压Buck电路的输出电压信息传给发射侧。
所述自适应反馈控制包括稳压Buck电路的输出电压信息采集、发射侧与接收侧间的无线通信以及发射侧能量的控制；
所述反馈控制中，
当Buck电路输入电压小于其输出稳压值时，输出不能稳压；
当Buck电路输入电压大于其输出稳压值时，输入功率恒定，输出稳压；
当Buck稳压电路负载电阻恒定时，其输出电压随高频功率放大电路输入功率的变化存在一个临界输入功率值使得Buck电路输出能稳压；当输入功率低于临界输入功率值时，输出不能稳压；当输入功率高于临界输入功率值时，输出稳压。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
本发明实施例提供的MR-CPS的功率电路如图2所示，市电经过反激电路产生直流电作为E类高频开关功率放大电路的输入，E类高频开关功率放大电路生成MHz正弦交流电作为能量发射模块的激励源，能量接收模块接收到相应的能量后经整流和稳压Buck电路后为无线传感器供电。其中能量发射和接收模块由相应的补偿网络和发射、接收线圈构成。无线传感器将采集到的高压电气设备运行状态量传给上位机，也将稳压Buck电路的输出电压信息传给发射侧。图2中，上半部分为MR-CPS发射功率侧；下半部分为MR-CPS接收侧，该部分安装在高压电气设备的高电压部位，用于监测高压电气设备的运行状态量。
以下将详细阐述反馈控制的工作原理：
对理想情况下稳压Buck变换器电路分析可知，当Buck电路输入电压小于其输出稳压值时，输出不能稳压，此时，Buck电路输出电压与输入相同，输入电阻等于实际负载电阻，Buck电路为恒阻性负载；当Buck电路输入电压大于其输出稳压值时，输出稳定电压Vo_Buck_W，输入功率恒定，Buck电路为恒功率负载Vo_Buck_W 2/RL。据此可得到如图3Buck稳压电路的输入特性曲线，即可分为恒阻段和恒功率段。图中横轴表示Buck电路负载电阻RL，纵轴表示输入功率Pin_Buck。可知，当用作稳压的Buck电路工作于恒阻时，即Buck电路没有工作在稳压，其输出电压Vo_Buck随高频功率放大电路的输入功率Pin_Amf的变化曲线如图4的线段1部分所示；当用作稳压的Buck电路工作在稳压时，其输出电压Vo_Buck随高频功率放大电路的输入功率Pin_Amf的变化曲线如图4的线段2部分所示。线段1和线段2转折处对应的功率即为Buck电路临界输出稳压点A的临界功率Pin_Amf_L，Pin_Amf_max为高频功率放大电路允许的最大输入功率。
可知，当输入功率低于临界功率Pin_Amf_L，Buck电路输出不能稳压；当输入功率高于Pin_Amf_L时，输出稳压，但是此时***的磁谐振非接触供电电源MR-CPS效率随输入功率Pin_Amf增大而降低。因此MR-CPS较好的工作状态是在临界稳压点。
本发明自动寻求稳压的临界输入功率值方法为：
开机时，先以一定步长不断降低或不断增大高频功率放大电路的输入功率Pin_Amf，通过判断Buck电路输出电压是否稳压，找到Buck电路临界输出稳压对应的临界输入电压Vin_Buck_L，对应的临界输入功率Pin_Amf_L；之后再加一定步长裕量的输入功率Pin_Amf，使得Buck电路输出稳压，并记录此时Buck电路输入电压Vin_Buck_F；
当由于外部原因(如功率发射侧和接收侧之间的传输距离变小，漂移的谐振频率靠近开关频率等影响)使得Buck电路输入电压Vin_Buck超过Vin_Buck_F一伏时，则减小反激电路输出电压，即自适应降低输入功率Pin_Amf重新执行以找到新的临界稳压对应的输入电压Vin_Buck_L和Pin_Amf_L；
当由于外部原因(如功率发射侧和接收侧之间的传输距离变大，漂移的谐振频率远离开关频率、周围金属物等影响)使得Vin_Buck低于Vin_Buck_L时，则增大反激电路输出电压，即自适应增大输入功率Pin_Amf重新执行以找到新的临界稳压对应的输入电压Vin_Buck_L和Pin_Amf_L；
否则保持输入功率不变。
相应的跟踪临界稳压点的程序框图如图5。
图6为发射端能量控制实现电路：接收侧(安装在电气设备高压侧)无线传感器的单片机将采样得到的Buck稳压电路的输出电压信号通过无线通信Zigbee模块发送到发射侧，发射侧的单片机根据此信号产生一定占空比的PWM波，经过RC滤波后得到直流电压信号Vref_1，该信号用于改变反激电路反馈控制的基准电压Vref，从而改变反激电路的输出电压，即高频功率放大电路的输入电压，从而改变高频功率放大电路的输出功率，即改变能量发射模块的输入功率。
图7为***的磁谐振非接触供电电源MR-CPS开环和闭环控制时不同传输距离下的效率对比。从图中可看出，闭环控制的MR-CPS的效率比开环控制的均有提高，且在传输距离较近时，效率提高了约20％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种在线监测无线传感器的磁谐振非接触供电***，其特征在于，所述在线监测无线传感器的磁谐振非接触供电***包括：
磁谐振非接触供电电源MR-CPS，用于以磁谐振方式非接触发射和接收电能，给无线传感器提供工作电源，并将磁谐振非接触供电电源MR-CPS的反馈控制嵌入无线传感器；
无线传感器，用于在线监测电气设备状态量，并以无线方式把电气设备高压侧的运行状态数据发送给上位机；
所述磁谐振非接触供电电源MR-CPS包括发射功率侧和接收侧；所述发射功率侧包括AC/DC稳压模块、高频功率放大模块和能量发射模块；
所述AC/DC稳压模块采用反激电路；
所述高频功率放大模块采用E类高频开关功率放大电路；
所述接收侧包括能量接收模块和整流稳压模块；
所述整流稳压模块采用全桥整流和Buck稳压电路；
所述能量发射模块、能量接收模块构成磁谐振非接触电能传输单元；
所述在线监测无线传感器的磁谐振非接触供电***自动寻求临界输入功率值的方法包括：
以一定步长不断降低或不断增大高频功率放大电路的输入功率Pin_Amf，通过判断Buck电路输出电压是否稳压，找到Buck电路临界输出稳压对应的临界输入电压Vin_Buck_L，对应的临界输入功率Pin_Amf_L；之后再加一定步长裕量的输入功率Pin_Amf，使Buck电路输出稳压，并记录Buck电路输入电压Vin_Buck_F；
当Buck电路输入电压Vin_Buck超过Vin_Buck_F一伏时，自适应降低输入功率Pin_Amf，重新寻找新的临界稳压对应的输入电压Vin_Buck_L和Pin_Amf_L；
当Vin_Buck低于Vin_Buck_L时，自适应增大输入功率Pin_Amf，重新寻找Vin_Buck低于Vin_Buck_L时的临界稳压对应的输入电压Vin_Buck_L和Pin_Amf_L；
否则保持输入功率不变。
2.如权利要求1所述在线监测无线传感器的磁谐振非接触供电***，其特征在于，所述无线传感器包括传感器、单片机、无线通信模块和上位机；所述无线通信模块采用ZigBee模块进行通讯。
3.如权利要求1所述在线监测无线传感器的磁谐振非接触供电***，其特征在于，所述磁谐振非接触供电电源MR-CPS，利用市电经过反激电路产生直流电作为E类高频开关功率放大电路的输入，E类高频开关功率放大电路生成MHz正弦交流电作为能量发射模块的激励源，能量接收模块接收到相应的能量后经整流和稳压Buck电路后为无线传感器供电；
无线传感器将采集到的高压电气设备运行状态量传给上位机，同时将稳压Buck电路的输出电压信息传给发射侧。
4.如权利要求1所述在线监测无线传感器的磁谐振非接触供电***，其特征在于，所述自适应反馈控制包括稳压Buck电路的输出电压信息采集、发射侧与接收侧间的无线通信以及发射侧能量的控制；
所述反馈控制中，
当Buck电路输入电压小于输出稳压值时，输出不能稳压；
当Buck电路输入电压大于输出稳压值时，输入功率恒定，输出稳压；
当Buck稳压电路负载电阻恒定时，输出电压随高频功率放大电路输入功率的变化存在一个临界输入功率值使Buck电路输出能稳压；当输入功率低于临界输入功率值时，输出不能稳压；当输入功率高于临界输入功率值时，输出稳压。
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