双线圈非侵入式磁场取能系统及其宽负载功率提升方法

技术领域

本发明涉及无线供电技术领域，尤其涉及一种双线圈非侵入式磁场取能系统及其宽负载功率提升方法。

背景技术

母排是智能变电站的重要组成部分，承担着收集、分配和传输电能的关键功能。为了保证母排的可靠运行，需要对母排的温度、电压、电流等进行监测。无线传感器作为远程监控设备，在保证母排安全可靠运行方面发挥着不可替代的作用。然而，为传感器供电的电池的寿命有限，定期更换电池带来人力财力的损耗。因此，研究一种新型的传感器自供电方式迫在眉睫。

非侵入式磁场取能技术基于法拉第电磁感应定律，通过将通电导体所产生磁场的能量转换为电能，进而为传感器等受电设备供电。非侵入式磁场取能系统有体积小，结构简单，便于安装等优点。现阶段非侵入式磁场取能系统的研究聚焦在提升最优负载下的最大输出功率，但传感器的等效负载在它的工作过程中会发生改变，当传感器的等效负载远离最优负载时，系统输出的功率会降低，这严重影响了传感器的稳定工作，因此如何提高系统在宽负载范围内的输出功率对促进非侵入式磁场取能技术在传感器自供电中的应用是至关重要的。

发明内容

本发明提供一种双线圈非侵入式磁场取能系统及其宽负载功率提升方法，解决的技术问题在于：如何在传感器的等效负载发生变化时，仍能实现较高的功率输出。

为解决以上技术问题，本发明提供一种双线圈非侵入式磁场取能系统，包括原边侧和副边侧，所述原边侧包括母排，其电流为

所述副边侧还包括控制模块，所述控制模块用于获取所述直流负载R

优选的，所述第一取能线圈的自感为L

且有：

其中，ω为所述母排的电流的角频率，R＝R

优选的，R

优选的，所述整流器包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和开关管，所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管、所述第四二极管按照全桥方式连接，所述开关管反向并联所述第四二极管，所述控制模块通过控制所述开关管而控制所述整流器工作于全桥模式或半桥模式。

本发明还提供一种双线圈非侵入式磁场取能系统的宽负载功率提升方法，包括步骤：

S1、计算全桥模式下直流负载R

S2、计算全桥模式下等效交流负载R

S3、令P

S4、计算交流负载值R

S5、获取所述直流负载R

进一步地，在所述步骤S2中，等效交流负载R

进一步地，在所述步骤S2中，等效交流负载R

进一步地，在所述步骤S3中，R

进一步地，在所述步骤S4中，R

本发明提供的一种双线圈非侵入式磁场取能系统及其宽负载功率提升方法，建立了双线圈非侵入式磁场取能系统等效模型，并通过比较直流负载和切换点负载的大小来切换系统工作模式，维持系统在宽负载范围内的高功率输出。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种双线圈非侵入式磁场取能系统的电路图；

图2是本发明实施例提供的全桥模式下图1的等效电路图；

图3是本发明实施例提供的全桥模式下图2的等效电路图；

图4是本发明实施例提供的半桥模式下图1的等效电路图；

图5是本发明实施例提供的半桥模式下图4的等效电路图；

图6是本发明实施例提供的全桥模式和半桥模式下的输出功率随等效交流负载的变化曲线图；

图7是本发明实施例提供的全桥模式和半桥模式下输出功率随直流负载R

图8是本发明实施例提供的在负载变化时的系统动态响应实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

本发明实施例提供的一种双线圈非侵入式磁场取能系统，如图1所示，包括原边侧和副边侧，原边侧包括母排，其电流为

副边侧还包括控制模块，控制模块用于获取直流负载R

整流器包括第一二极管D

第一取能线圈的自感为L

且有：

其中，ω为母排的电流的角频率，R＝R

在全桥模式下，图1的等效电路图如图2所示，直流侧负载R

令R

根据法拉第电磁感应定律，线圈1两端产生的感应电压U

线圈2两端产生的感应电压U

双线圈非侵入式磁场取能系统简化等效电路图如附图3所示，根据基尔霍夫电压定律有：

其中阻抗Z

等效交流负载上的输出功率表达式为：

令输出功率的导数为0：

计算全桥模式下的最优负载为：

将(9)带入(7)计算全桥模式下的最大输出功率为：

在半桥模式下，图1的等效电路图如图4所示。直流侧负载R

则

根据法拉第电磁感应定律，线圈1两端产生的感应电压U

其中ω为母排电流的角频率，M

线圈2两端产生的感应电压U

基于可控整流桥的双线圈非侵入式磁场取能系统半桥模式简化等效电路图如附图5所示，根据基尔霍夫电压定律有：

其中Z

半桥模式等效交流负载上的输出功率表达式为：

令半桥模式下输出功率的导数为0：

根据(16)计算最优负载为：

R

将(17)带入(15)计算全桥模式最大输出功率为：

全桥模式下的最优等效交流负载是半桥模式下的1/4，但是最大输出功率相等。因此当等效交流负载R

基于上述分析内容，本发明实施例还提供一种双线圈非侵入式磁场取能系统的宽负载功率提升方法，包括步骤：

S1、计算全桥模式下直流负载R

S2、计算全桥模式下等效交流负载R

S3、令P

S4、计算交流负载值R

S5、获取直流负载R

图6为本基于可控整流桥的双线圈非侵入式磁场取能系统不同模式下输出功率随等效交流负载R

设定母排电流有效值I

本发明实施例提供的一种双线圈非侵入式磁场取能系统及其宽负载功率提升方法，建立了双线圈非侵入式磁场取能系统等效模型，并通过比较直流负载和切换点负载的大小来切换系统工作模式，维持系统在宽负载范围内的高功率输出。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。