基于無線電能傳輸技術的隔離電源控制器研制[1]

劉慧標 李曉東 李 濤 李 宏

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基于無線電能傳輸技術的隔離電源控制器研制[1]

劉慧標1）李曉東2）李 濤1）李 宏1）

1）中國地震局地殼應力研究所，地殼動力學重點實驗室，北京 100085 2）新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊 830011

在開展地震監測過程中，電力線引入感應雷是導致地震觀測設備損壞的主要因素之一。通過對傳統防雷技術與無線電能傳輸技術的綜合研究，設計出一種電隔離的無線供電系統，以抑制電力線帶來的干擾，保護后端觀測設備，制作出系統樣機，并提供供電系統樣機實驗室性能測試數據。

防雷 無線電能傳輸 系統設計 性能測試

引言

我國是多雷電災害的國家，很多地震臺站都受到雷電干擾。雷電不僅影響臺站設備產出數據的準確性，也是造成臺站地震監測設備損壞的主要因素之一。按雷電在空氣中發生的部位，雷電大概可分為三種：云中放電、云間放電、云地放電。云地放電是帶電云層與大地之間的迅猛放電，對建筑物、電子電氣設備和人、畜的危害甚大，是通常所說的雷擊，也是雷電危害地震臺站的主要形式。雷擊危害地震臺站有兩種途徑：一是直擊雷，是指帶電云層于大地上某一點直接放電，遭受直擊雷概率很小，但是其危害很大，不僅危害儀器設備，也危及人身、建筑安全，一般可通過外接避雷裝置的方式防直擊雷；二是感應雷，帶電云層由于靜電感應作用，使地面某一范圍帶電，當直擊雷發生后，云層帶電迅速消失，而地面某些范圍由于散流電阻大，以至于出現高電壓發生閃擊和電磁感應的現象，通過電力線、信號線、傳輸線、天線等進入觀測設備造成損害。據統計，在實際地震監測中，雷擊導致的設備損壞絕大部分都是由感應雷造成的，而其中約70%是由電力線引入（黃錫定等，2007）。

由于電力線在戶外大都是架空明線，雷電感應的高壓極易沿電力線進入臺站，干擾數據觀測，甚至造成設備損壞。針對這種情況，結合對傳統防雷手段的分析，本文提出了一種新型的電隔離的供電方式，將觀測設備與市電電力線隔離，從而防止電力線的干擾引入。

1 傳統電源隔離方法

為了能有效抑制電力線引入感應雷，保證地震臺站地震監測設備正常工作，研發人員開展了很多相關工作，并提出了多種解決辦法。

1.1 太陽能供電方式

由太陽能電池板、控制器、蓄電池和負載組成太陽能供電系統。在光照充分時，太陽能電池板吸收太陽能并轉換為電能，由控制器控制為設備供電、蓄電池充電；在光照不足時，控制器控制蓄電池為設備供電。這種供電方式可以從供電的源頭解決電力線引入感應雷的情況，但是由于太陽能供電系統的發電量受地區、時間、氣候條件的影響很大，很多日照量不足的地區難以滿足儀器設備穩定持續供電的要求，且價格比較昂貴，因此只在部分地區得到應用。

1.2 發電機供電方式

由市電、電動機、發電機、負載組成發電機供電系統。使用市電驅動電動機，通過皮帶帶動發電機工作，給觀測設備供電，實現了觀測設備與市電電力線的絕緣隔離，很好地解決了電源線引入干擾的問題。但由于電動機依賴市電供電，當有斷電事故發生且系統沒有外接蓄電池為設備供電時，就會造成設備供電中斷，且在實際使用中，此供電系統電能轉換效率低，長時間持續工作易導致皮帶斷裂，造成供電中斷，加上工作中噪聲、震動很大，使用并不廣泛。

1.3 雙蓄電池切換供電方式

該供電系統由市電、電源檢測及控制轉換電路、蓄電池、負載組成。系統使用兩組蓄電池，當電源控制電路檢測到給設備供電的蓄電池電壓下降到小于供電電壓時，切換蓄電池，將已充好電的另一組蓄電池連接進設備的供電回路，給設備供電，同時接入市電給替換下來的蓄電池充電。這種狀態反復切換，始終保持有一組蓄電池給設備供電，另一組充電。這種方法起到了負載與市電隔離，很好地防止了電力線引入感應雷損壞設備的事故，但由于充電器還是用到了交流電，并且接到了一組蓄電池上，因此需要解決充電器與設備的有效隔離問題。如果采用繼電器等傳統的切換及隔離方式，由于繼電器觸點的間距小，雷電產生的高電壓會擊穿接點的間距感應到設備上，從而損壞設備。而如果采用兩個微型電機，控制電機的正反轉，通過電機的傳動裝置，帶動接點移動實現兩組蓄電池交替供電與充電，雖然起到了防止電源線感應來的雷電擊毀設備，但是難以實現蓄電池交替供電的無縫切換。

綜合上述傳統防雷手段的優點與缺點，可得出如下的結論：一是市電依然是目前最經濟的電能來源；二是物理隔離是防止電力線引入感應雷的最有效方法；三是控制電路在保證設備持續穩定供電上能發揮很好的作用，但如果將控制電路添加在市電輸入端的話，存在雷電入侵損壞控制電路的潛在危害，因此控制電路最好安置在供電電路的后端。

2 無線電能傳輸技術現狀

無線電能傳輸技術（Wireless Power Transfer Technology）又稱無接觸電能傳輸（Contactless Power Transmission，CPT）技術，早在19世紀末，著名電氣工程師尼古拉特斯拉就提出了無線電能傳輸技術（André Kurs等，2007），但直到21世紀初才得到迅速發展。2006年10月日本展出了無線電力傳輸系統，此系統輸出端電力為7V、400mA，收發線圈間距為4mm時，輸電效率最大為50%，可用于手機快速充電（白明俠等，2010）；2007年6月麻省理工學院的研究人員實現了在短距離內的無線電力傳輸，他們通過電磁感應利用磁耦合共振原理，成功地點亮了離電源2m多遠處的一個60W燈泡（André Kurs等，2007）；2008年9月，北美電力研討會最新發布的論文顯示，他們已經在美國內華達州的雷電實驗室，成功地將800W電力用無線的方式傳輸到5m遠的距離（白明俠等，2010）。

無線電能傳輸技術目前可以通過三種方式實現。一是電磁感應式，利用電流通過線圈產生磁場實現近程無線供電，可用于低功率、近距離傳輸；二是電磁共振式，利用磁耦合共振效應近程無線供電，可用于中等功率、中等距離傳輸；三是電磁輻射式，將電力轉換成電波以輻射傳輸供電，可用于大功率、遠距離傳輸（黃學良等，2013）。目前電磁感應式技術發展比較成熟，其工作原理如圖1所示，初級線圈L1與次級線圈L2之間利用磁耦合來傳遞能量，發射端初級線圈L1中通以交變電流，該交變電流將在初級線圈L1周圍形成交變磁場，處在該交變磁場中的次級線圈L2由電磁感應產生感應電動勢，經過整流濾波為負載供電。

從圖1可看出，電磁感應式無線電能傳輸的發射端和接收端之間有較大氣隙存在，無任何接觸點，使得發射端和接收端沒有電接觸，彌補了傳統電力線接觸式供電的固有缺陷，可有效隔離電力線引入的各種干擾。如果能將無線電能傳輸技術應用到地震監測設備供電上，實現設備與電力線的電隔離，便能有效防止電力線引入感應雷損壞設備的事故。

3 基于無線電能傳輸技術的隔離電源技術方案

綜合傳統防雷技術和無線電能傳輸技術的優點，本文設計出了如圖2所示的隔離電源控制器系統。系統采用無線電能傳輸技術，實現設備供電與市電供電的物理隔離，可有效地抑制由于市電電力線引入的各類干擾，提高后端觀測設備運行的可靠性。該電源控制系統還包括智能電源管理模塊，可外接大容量蓄電池作為觀測系統的備份電源，實現24小時不間斷供電。

該隔離電源控制器系統包括電磁轉換發射模塊、磁電轉換接收模塊、充電管理模塊三部分。

3.1 電磁轉換發射模塊

電磁轉換發射模塊是將市電轉換為射頻功率信號并通過發射線圈發射出去的模塊，主要由三部分組成：交流/直流電路、振蕩電路、功率放大電路。其原理如圖3所示。模塊實現兩個轉換：一是將市電交流220V轉換為直流電壓；二是將直流信號轉換為1.2—1.5MHz的射頻功率信號，以便接收電路能高效利用能量，其原理如圖3所示。

市電經過交流/直流電路部分，轉換為可供555定時器與LC諧振網絡使用的直流信號。振蕩電路作為振蕩信號源，系統采用NE555定時器構成頻率可調的多諧振蕩器，產生正弦信號作為本振信號，功率放大電路可提高發射電路與接收電路之間的能量傳輸效率，本振信號經功率放大電路放大后，通過LC諧振網絡將能量發射出去。

3.2 磁電轉換接收模塊

接收模塊是將接收線圈接收到的射頻信號進行轉換處理的模塊，其原理如圖4所示。在實際應用中，線圈中經過電磁感應得到的交變信號不能直接用于負載供電，需進行整流、濾波以及穩壓處理，經處理之后得到的直流電壓方可供負載使用。

常用的整流電路有全波整流、半波整流和橋式整流等，本系統采用單相橋式全波整流。接收電壓通過整流電路轉換為直流電壓，即將正弦波電壓轉換為單一方向的脈動電壓，經整流得到的脈動電壓含有較大的電壓脈動，不能直接作為設備的供電電壓，需通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。交流電壓通過整流、濾波后雖然變為交流分量較小的直流電壓，但是當發射端電壓波動或者負載變化時，其平均值也將隨之變化，因此添加穩壓電路，使輸出直流電壓基本不受外界干擾，從而獲得足夠高的穩定性。

3.3 充電管理模塊

充電管理模塊用來實現為設備24小時不間斷供電，由電源管理模塊、鉛酸電池組成。在電源管理模塊設計中采用DC-UPS-10電源模塊，該電源模塊是一款針對鋰電、鉛酸電池充電而設計的直流UPS電源模塊。當有直流電源輸入時，模塊的輸出電壓等于輸入電壓。當輸入直流電源斷電（或低于電池電壓）時由蓄電池供電，輸出等于電池電壓。

由此設計出來的充電管理模塊有兩個工作模式：模式一是當接收端有直流電輸入到管理模塊時，接收端的輸出電壓直接作為負載的輸入電壓為負載供電，同時為蓄電池充電，如圖5黑色實線所示；模式二是當接收端沒有電能輸入到管理模塊時，此時接收端輸出電壓為零，管理模塊控制蓄電池為設備供電，如圖5黑色虛線所示。這樣可無縫切換，實現不間斷供電的功能。

4 樣機性能測試

在具體系統設計過程中，經過多次實驗，選擇了1.2—1.5MHz的頻率段作為電能傳輸的優勢頻率，匹配較好的線圈，實現了間距30mm，近20W的能量傳輸。測試階段采用數據采集器作為負載，數據采集器正常工作功率為3W，蓄電池采用鉛酸電池。設計出的系統樣機實物如圖6所示。

4.1 控制器系統對外輸出電壓測試

在保證電源控制器正常工作的前提下，隨機抽取輸入電壓，用電壓表、示波器測試電源控制器各個工作狀態下的輸出電壓穩定性、紋波參數。包括市電供電下空載、帶負載工作狀態以及電池供電情況下空載、帶負載工作狀態，測試中接入的負載為單個數據采集器，穩定工作功率3W，測試結果見表1和表2。

表1 輸入市電224V系統輸出電壓 Table 1 System output under voltage /224V

表2 蓄電池供電系統輸出電壓 Table 2 System output under voltage/accumulator

通過表1和表2可以看出，控制器系統在市電供電下空載、帶負載工作狀態以及電池供電情況下空載、帶負載工作狀態下的輸出電壓均控制在DC12V±1%，輸出穩定性較好。

4.2 控制器系統長時間持續供電測試

在采用市電供電的工作模式中，系統負載為單個數據采集器，穩定工作功率為3W，每2h讀取一次負載端輸入電壓、電流值，得到如圖7所示的負載端輸入電壓、電流曲線。

當沒有市電接入，蓄電池為負載供電時，為系統外接三臺數據采集器，此時系統輸出功率約為12W，每2h讀取一次負載端輸入電壓電流值，得到如圖8所示負載端輸出電壓電流曲線。

通過圖7和圖8可以看出，市電供電與蓄電池供電情況下，負載端的輸入電壓均控制在DC12V±1%，最大輸出電流≤1A，負載端輸入電壓電流曲線數值波動小，較平滑，控制器系統在兩種供電模式下供電均比較穩定。

5 結語

本研究將無線電能傳輸技術應用于地震臺站地震監測設備供電中，實現監測設備與市電的物理隔離，為解決地震臺站市電引入感應雷及其他干擾的問題提供了一種新思路，對提高地震監測設備的運行穩定性和產出數據的準確性做了有益嘗試，同時為進一步開展大功率、中遠距離無線供電技術研究打下良好的基礎。經實驗室性能測試，該隔離電源控制器系統最大輸出功率約為12W，可滿足大多數地震監測設備的供電需求，下一步的工作將測試隔離電源控制器在野外實際應用中的工作能力。

白明俠，黃昭，2010．無線電力傳輸的歷史發展及應用. 湘南學院學報，31（5）：51—53.

黃學良，譚林林，陳中等，2013．無線電能傳輸技術研究與應用綜述．電工技術學報，28（10）：1—8.

黃錫定，梁煥貞，2007. 地震臺站應用防雷技術探討．地震地磁觀測與研究，28（5）：35—42.

André Kurs, Karalis A., Moffatt R. et al., 2007. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances. Science, 317 (5834): 83-86.

Research of Isolated Power Supply Control System Based on Wireless Power Transfer Technology

Liu Huibiao1), Li Xiaodong2), Li Tao1)and Li Hong1)

1）Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, CEA, Beijing 100085, China 2）Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China

In earthquake monitoring, induction lightning imported by the power line is one of the main factors that causes earthquake observation equipment damage. Based on the comprehensive study of traditional lightning protection technology and the wireless transmission technology, we put forward an isolated power supply control system to restrain interference brought by the power line and protect the back-end observation equipment. Finally, we develop a model machine of this isolated power supply control system, and provide the testing properties of the model device in the laboratory in this article.

Lightning protection; Wireless power transmission; System design; Performance test

劉慧標，李曉東，李濤，李宏，2016．基于無線電能傳輸技術的隔離電源控制器研制．震災防御技術，11（1）：117—124．

doi：10.11899/zzfy20160113