一种基于串联电容的磁场能量收集系统及其功率提升方法技术方案

本发明专利技术涉及无线取能技术领域，具体公开了一种基于串联电容的磁场能量收集系统及其功率提升方法，通过在感应取能单元后，在整流滤波电路前串联一电容，通过负载检测电路识别负载阻值，分析不同应用场景下的最大功率输出条件，以法拉第电磁感应定律为基础，综合考虑了系统的非线性磁饱和特型，确定了串联电容的电容值，实现了无需额外控制单元的宽感应电流范围的最大功率输出，有效地提高了磁能量收集系统的输出功率密度。同时，本发明专利技术只增加了一个电容元件，无额外的控制损耗，实现了感应电流变化条件下系统的最大功率追踪，系统结构简单，设计方法简单，适用范围广，给实际工程应用提供了较大的方便。提供了较大的方便。提供了较大的方便。

【技术实现步骤摘要】
一种基于串联电容的磁场能量收集系统及其功率提升方法


[0001]本专利技术涉及无线取能
，尤其涉及一种基于串联电容的磁场能量收集系统及其功率提升方法。

技术介绍

[0002]近年来，智能电网(Smart Grid,SG)一直在高速发展。为了保证SG的安全和快速发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)被广泛用于监测电力线的实时运行信息，如电压、电流和温度。实时监控应用的主要瓶颈是缺乏自给自足的能源。在这方面，能量收集(Energy Harvest,EH)技术是确保WSN持续自供电的有前途的解决方案。
[0003]迄今为止，研究人员在太阳能和风能供应方面拥有广泛的研究和实践经验。这两种EH技术可以有效地为监控设备供电。然而，它们的输出功率取决于天气条件，能量收集装置通常很大，自供电可靠性和安全性较差。输电线路周围存在着大量的磁场能量，且越靠近输电线路磁场越强，这给磁能量收集技术的应用提供了坚实的基础。因此，磁能量收集(Magnetic Energy Harvesting,MEH)技术具有高功率密度，高供电可靠性，低成本，体积小等特点，被广泛应用在输电线路传感设备自供电领域。
[0004]随着传感需求的增加，越来越多的传感设备，如攀爬机器人、摄像机等大功率设备也被广泛应用在智能电网中。这给磁能量收集技术也带来了挑战，即在不增加输电线路负担的情况下提高磁能量收集系统的输出功率密度。
[0005]目前的感应能量收集系统中，常常通过增加磁芯体积来达到功率提升的目的，这种往往会增加输电系统的负担，加大系统运行的风险。也有通过外加控制电源来抑制磁芯饱和，达到功率提升的目的，这种方法控制复杂且会带来额外的器件损耗。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种基于串联电容的磁场能量收集系统及其功率提升方法，解决的技术问题在于：如何在无需额外控制单元的宽感应电流范围下实现最大功率输出，提升系统输出功率密度。
[0007]为解决以上技术问题，本专利技术提供一种基于串联电容的磁场能量收集系统，包括顺序连接的感应取能单元、串联电容、整流滤波电路和负载；所述串联电容的参数值C
aopt
由系统工作周期T和所述负载的电阻值R
L
确定。
[0008]优选的，所述串联电容的参数值＝T/(4R
L
)。
[0009]优选的，所述感应取能单元包括套设在输电线上的和绕制在所述环形磁芯上的感应线圈绕组。
[0010]优选的，所述感应线圈绕组的绕制方式为：
[0011]沿着所述输电线的方向将感应线圈顺序绕在所述环形磁芯的弧形壁面上，得到所述感应线圈绕组。
[0012]优选的，所述整流滤波电路包括整流器和滤波电容，所述整流器采用由二极管D1、
二极管D2、二极管D3和二极管D4构成的无源整流电路。
[0013]本专利技术还提供一种磁场能量收集系统的功率提升方法，包括步骤：
[0014]S1、构建磁场能量收集系统，所述磁场能量收集系统包括顺序连接的感应取能单元、整流滤波电路和负载，并在所述感应取能单元之后、所述整流滤波电路之前连接一个串联电容；
[0015]S2、确定所述感应能量收集系统的工作角频率ω，从而确定系统的工作周期T＝2π/ω；
[0016]S3、通过负载检测电路，根据负载上电压和电流获取负载的电阻值R
L
；
[0017]S4、根据系统的工作周期T和负载的电阻值R
L
确定所述串联电容的最优电容值C
aopt
。
[0018]进一步地，在所述步骤S3中，根据C
aopt
＝T/(4R
L
)确定所述串联电容的最优电容值C
aopt
。
[0019]进一步地，在所述步骤S1中，所述感应取能单元包括套设在输电线上的和绕制在所述环形磁芯上的感应线圈绕组。
[0020]进一步地，所述感应线圈绕组的绕制方式为：
[0021]沿着所述输电线的方向将感应线圈顺序绕在所述环形磁芯的弧形壁面上，得到所述感应线圈绕组。
[0022]进一步地，所述整流滤波电路包括整流器和滤波电容，所述整流器采用由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4构成的无源整流电路。
[0023]进一步地，在最优串联电容设计上，将现有负载阻值划分范围，如较小负载、小负载、大负载三类。同时选择在系统中加入电容自适应调整电路，由三个串联电容组成的阵列和选择开关组成，根据负载检测电路确定负载阻值，确认负载所属范围，依据C
aopt
＝T/(4R
L
)确定串联电容值，通过开关选择合适的电容值，能够实现宽负载情况下的较大功率输出。
[0024]本专利技术提供的一种基于串联电容的磁场能量收集系统及其功率提升方法，通过在感应取能单元后，在整流滤波电路前串联一电容，通过负载检测电路识别负载阻值，分析不同应用场景下的最大功率输出条件，以法拉第电磁感应定律为基础，综合考虑了系统的非线性磁饱和特型，实现了无需额外控制单元的宽感应电流范围的最大功率输出，有效地提高了磁能量收集系统的输出功率密度。同时，本专利技术只增加了一个电容元件，无额外的控制损耗，实现了感应电流变化条件下系统的最大功率追踪，系统结构简单，设计方法简单，适用范围广，给实际工程应用提供了较大的方便。除此之外，为了适应宽范围负载变化，选择在系统中加入电容自适应调整电路，通过开关选择合适的电容值，能够实现宽负载情况下的较大功率输出。
附图说明
[0025]图1是本专利技术实施例提供的一种基于串联电容的磁场能量收集系统的电路拓扑图；
[0026]图2是本专利技术实施例提供的图1的等效电路原理图；
[0027]图3是本专利技术实施例提供的副边感应电压、串联电容电压和负载电压的波形图；
[0028]图4是本专利技术实施例提供的磁场能量收集系统的功率提升方法的步骤流程图。
具体实施方式
[0029]下面结合附图具体阐明本专利技术的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本专利技术的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本专利技术专利保护范围的限制，因为在不脱离本专利技术精神和范围基础上，可以对本专利技术进行许多改变。
[0030]本专利技术实施例提供的一种基于串联电容的磁场能量收集系统，如图1所示，包括顺序连接的感应取能单元、串联电容、整流滤波电路和负载。感应取能单元包括套设在输电线上的和绕制在环形磁芯上的感应线圈绕组。感应线圈绕组的绕制方式为：沿着输电线的方向将感应线圈顺序绕在环形磁芯的弧形壁面上，得到感应线圈绕组。整流滤波电路包括整流器和滤波电容C，整流器采用由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4构成的无源整流电路。
[0031]在整流电路的输出端设置有滤波电容C，环形磁芯收集输电线周围的时变磁场，在感应线圈绕组末端感应出交流电压，经过半有源整流电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于串联电容的磁场能量收集系统，其特征在于，包括顺序连接的感应取能单元、串联电容、整流滤波电路和负载；所述串联电容的参数值C
aopt
由系统工作周期T和所述负载的电阻值R
L
确定。2.根据权利要求1所述的一种基于串联电容的磁场能量收集系统，其特征在于，所述串联电容的参数值＝T/(4R
L
)。3.根据权利要求2所述的一种基于串联电容的磁场能量收集系统，其特征在于：所述感应取能单元包括套设在输电线上的和绕制在所述环形磁芯上的感应线圈绕组。4.根据权利要求3所述的一种基于串联电容的磁场能量收集系统，其特征在于，所述感应线圈绕组的绕制方式为：沿着所述输电线的方向将感应线圈顺序绕在所述环形磁芯的弧形壁面上，得到所述感应线圈绕组。5.根据权利要求4所述的一种基于串联电容的磁场能量收集系统，其特征在于：所述整流滤波电路包括整流器和滤波电容，所述整流器采用由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4构成的无源整流电路。6.一种磁场能量收集系统的功率提升方法，其特征在于，包括步骤：S1、构建磁场能量收集系统，所述磁场能量收集系统包括顺序连接的感应取能单元、整流滤波电路和负载，并在所述感应取能单元之后、所述整流滤波电路之前连接一个串联电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，端娜，刘钊玮，何正友，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：