基于无线电能传输技术的隔离电源控制器研制[1]

刘慧标 李晓东 李 涛 李 宏



基于无线电能传输技术的隔离电源控制器研制[1]

刘慧标1）李晓东2）李 涛1）李 宏1）

1）中国地震局地壳应力研究所，地壳动力学重点实验室，北京 100085 2）新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐 830011

在开展地震监测过程中，电力线引入感应雷是导致地震观测设备损坏的主要因素之一。通过对传统防雷技术与无线电能传输技术的综合研究，设计出一种电隔离的无线供电系统，以抑制电力线带来的干扰，保护后端观测设备，制作出系统样机，并提供供电系统样机实验室性能测试数据。

防雷 无线电能传输 系统设计 性能测试

引言

我国是多雷电灾害的国家，很多地震台站都受到雷电干扰。雷电不仅影响台站设备产出数据的准确性，也是造成台站地震监测设备损坏的主要因素之一。按雷电在空气中发生的部位，雷电大概可分为三种：云中放电、云间放电、云地放电。云地放电是带电云层与大地之间的迅猛放电，对建筑物、电子电气设备和人、畜的危害甚大，是通常所说的雷击，也是雷电危害地震台站的主要形式。雷击危害地震台站有两种途径：一是直击雷，是指带电云层于大地上某一点直接放电，遭受直击雷概率很小，但是其危害很大，不仅危害仪器设备，也危及人身、建筑安全，一般可通过外接避雷装置的方式防直击雷；二是感应雷，带电云层由于静电感应作用，使地面某一范围带电，当直击雷发生后，云层带电迅速消失，而地面某些范围由于散流电阻大，以至于出现高电压发生闪击和电磁感应的现象，通过电力线、信号线、传输线、天线等进入观测设备造成损害。据统计，在实际地震监测中，雷击导致的设备损坏绝大部分都是由感应雷造成的，而其中约70%是由电力线引入（黄锡定等，2007）。

由于电力线在户外大都是架空明线，雷电感应的高压极易沿电力线进入台站，干扰数据观测，甚至造成设备损坏。针对这种情况，结合对传统防雷手段的分析，本文提出了一种新型的电隔离的供电方式，将观测设备与市电电力线隔离，从而防止电力线的干扰引入。

1 传统电源隔离方法

为了能有效抑制电力线引入感应雷，保证地震台站地震监测设备正常工作，研发人员开展了很多相关工作，并提出了多种解决办法。

1.1 太阳能供电方式

由太阳能电池板、控制器、蓄电池和负载组成太阳能供电系统。在光照充分时，太阳能电池板吸收太阳能并转换为电能，由控制器控制为设备供电、蓄电池充电；在光照不足时，控制器控制蓄电池为设备供电。这种供电方式可以从供电的源头解决电力线引入感应雷的情况，但是由于太阳能供电系统的发电量受地区、时间、气候条件的影响很大，很多日照量不足的地区难以满足仪器设备稳定持续供电的要求，且价格比较昂贵，因此只在部分地区得到应用。

1.2 发电机供电方式

由市电、电动机、发电机、负载组成发电机供电系统。使用市电驱动电动机，通过皮带带动发电机工作，给观测设备供电，实现了观测设备与市电电力线的绝缘隔离，很好地解决了电源线引入干扰的问题。但由于电动机依赖市电供电，当有断电事故发生且系统没有外接蓄电池为设备供电时，就会造成设备供电中断，且在实际使用中，此供电系统电能转换效率低，长时间持续工作易导致皮带断裂，造成供电中断，加上工作中噪声、震动很大，使用并不广泛。

1.3 双蓄电池切换供电方式

该供电系统由市电、电源检测及控制转换电路、蓄电池、负载组成。系统使用两组蓄电池，当电源控制电路检测到给设备供电的蓄电池电压下降到小于供电电压时，切换蓄电池，将已充好电的另一组蓄电池连接进设备的供电回路，给设备供电，同时接入市电给替换下来的蓄电池充电。这种状态反复切换，始终保持有一组蓄电池给设备供电，另一组充电。这种方法起到了负载与市电隔离，很好地防止了电力线引入感应雷损坏设备的事故，但由于充电器还是用到了交流电，并且接到了一组蓄电池上，因此需要解决充电器与设备的有效隔离问题。如果采用继电器等传统的切换及隔离方式，由于继电器触点的间距小，雷电产生的高电压会击穿接点的间距感应到设备上，从而损坏设备。而如果采用两个微型电机，控制电机的正反转，通过电机的传动装置，带动接点移动实现两组蓄电池交替供电与充电，虽然起到了防止电源线感应来的雷电击毁设备，但是难以实现蓄电池交替供电的无缝切换。

综合上述传统防雷手段的优点与缺点，可得出如下的结论：一是市电依然是目前最经济的电能来源；二是物理隔离是防止电力线引入感应雷的最有效方法；三是控制电路在保证设备持续稳定供电上能发挥很好的作用，但如果将控制电路添加在市电输入端的话，存在雷电入侵损坏控制电路的潜在危害，因此控制电路最好安置在供电电路的后端。

2 无线电能传输技术现状

无线电能传输技术（Wireless Power Transfer Technology）又称无接触电能传输（Contactless Power Transmission，CPT）技术，早在19世纪末，著名电气工程师尼古拉特斯拉就提出了无线电能传输技术（André Kurs等，2007），但直到21世纪初才得到迅速发展。2006年10月日本展出了无线电力传输系统，此系统输出端电力为7V、400mA，收发线圈间距为4mm时，输电效率最大为50%，可用于手机快速充电（白明侠等，2010）；2007年6月麻省理工学院的研究人员实现了在短距离内的无线电力传输，他们通过电磁感应利用磁耦合共振原理，成功地点亮了离电源2m多远处的一个60W灯泡（André Kurs等，2007）；2008年9月，北美电力研讨会最新发布的论文显示，他们已经在美国内华达州的雷电实验室，成功地将800W电力用无线的方式传输到5m远的距离（白明侠等，2010）。

无线电能传输技术目前可以通过三种方式实现。一是电磁感应式，利用电流通过线圈产生磁场实现近程无线供电，可用于低功率、近距离传输；二是电磁共振式，利用磁耦合共振效应近程无线供电，可用于中等功率、中等距离传输；三是电磁辐射式，将电力转换成电波以辐射传输供电，可用于大功率、远距离传输（黄学良等，2013）。目前电磁感应式技术发展比较成熟，其工作原理如图1所示，初级线圈L1与次级线圈L2之间利用磁耦合来传递能量，发射端初级线圈L1中通以交变电流，该交变电流将在初级线圈L1周围形成交变磁场，处在该交变磁场中的次级线圈L2由电磁感应产生感应电动势，经过整流滤波为负载供电。

从图1可看出，电磁感应式无线电能传输的发射端和接收端之间有较大气隙存在，无任何接触点，使得发射端和接收端没有电接触，弥补了传统电力线接触式供电的固有缺陷，可有效隔离电力线引入的各种干扰。如果能将无线电能传输技术应用到地震监测设备供电上，实现设备与电力线的电隔离，便能有效防止电力线引入感应雷损坏设备的事故。

3 基于无线电能传输技术的隔离电源技术方案

综合传统防雷技术和无线电能传输技术的优点，本文设计出了如图2所示的隔离电源控制器系统。系统采用无线电能传输技术，实现设备供电与市电供电的物理隔离，可有效地抑制由于市电电力线引入的各类干扰，提高后端观测设备运行的可靠性。该电源控制系统还包括智能电源管理模块，可外接大容量蓄电池作为观测系统的备份电源，实现24小时不间断供电。

该隔离电源控制器系统包括电磁转换发射模块、磁电转换接收模块、充电管理模块三部分。

3.1 电磁转换发射模块

电磁转换发射模块是将市电转换为射频功率信号并通过发射线圈发射出去的模块，主要由三部分组成：交流/直流电路、振荡电路、功率放大电路。其原理如图3所示。模块实现两个转换：一是将市电交流220V转换为直流电压；二是将直流信号转换为1.2—1.5MHz的射频功率信号，以便接收电路能高效利用能量，其原理如图3所示。

市电经过交流/直流电路部分，转换为可供555定时器与LC谐振网络使用的直流信号。振荡电路作为振荡信号源，系统采用NE555定时器构成频率可调的多谐振荡器，产生正弦信号作为本振信号，功率放大电路可提高发射电路与接收电路之间的能量传输效率，本振信号经功率放大电路放大后，通过LC谐振网络将能量发射出去。

3.2 磁电转换接收模块

接收模块是将接收线圈接收到的射频信号进行转换处理的模块，其原理如图4所示。在实际应用中，线圈中经过电磁感应得到的交变信号不能直接用于负载供电，需进行整流、滤波以及稳压处理，经处理之后得到的直流电压方可供负载使用。

常用的整流电路有全波整流、半波整流和桥式整流等，本系统采用单相桥式全波整流。接收电压通过整流电路转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，经整流得到的脉动电压含有较大的电压脉动，不能直接作为设备的供电电压，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当发射端电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化，因此添加稳压电路，使输出直流电压基本不受外界干扰，从而获得足够高的稳定性。

3.3 充电管理模块

充电管理模块用来实现为设备24小时不间断供电，由电源管理模块、铅酸电池组成。在电源管理模块设计中采用DC-UPS-10电源模块，该电源模块是一款针对锂电、铅酸电池充电而设计的直流UPS电源模块。当有直流电源输入时，模块的输出电压等于输入电压。当输入直流电源断电（或低于电池电压）时由蓄电池供电，输出等于电池电压。

由此设计出来的充电管理模块有两个工作模式：模式一是当接收端有直流电输入到管理模块时，接收端的输出电压直接作为负载的输入电压为负载供电，同时为蓄电池充电，如图5黑色实线所示；模式二是当接收端没有电能输入到管理模块时，此时接收端输出电压为零，管理模块控制蓄电池为设备供电，如图5黑色虚线所示。这样可无缝切换，实现不间断供电的功能。

4 样机性能测试

在具体系统设计过程中，经过多次实验，选择了1.2—1.5MHz的频率段作为电能传输的优势频率，匹配较好的线圈，实现了间距30mm，近20W的能量传输。测试阶段采用数据采集器作为负载，数据采集器正常工作功率为3W，蓄电池采用铅酸电池。设计出的系统样机实物如图6所示。

4.1 控制器系统对外输出电压测试

在保证电源控制器正常工作的前提下，随机抽取输入电压，用电压表、示波器测试电源控制器各个工作状态下的输出电压稳定性、纹波参数。包括市电供电下空载、带负载工作状态以及电池供电情况下空载、带负载工作状态，测试中接入的负载为单个数据采集器，稳定工作功率3W，测试结果见表1和表2。

表1 输入市电224V系统输出电压 Table 1 System output under voltage /224V

表2 蓄电池供电系统输出电压 Table 2 System output under voltage/accumulator

通过表1和表2可以看出，控制器系统在市电供电下空载、带负载工作状态以及电池供电情况下空载、带负载工作状态下的输出电压均控制在DC12V±1%，输出稳定性较好。

4.2 控制器系统长时间持续供电测试

在采用市电供电的工作模式中，系统负载为单个数据采集器，稳定工作功率为3W，每2h读取一次负载端输入电压、电流值，得到如图7所示的负载端输入电压、电流曲线。

当没有市电接入，蓄电池为负载供电时，为系统外接三台数据采集器，此时系统输出功率约为12W，每2h读取一次负载端输入电压电流值，得到如图8所示负载端输出电压电流曲线。

通过图7和图8可以看出，市电供电与蓄电池供电情况下，负载端的输入电压均控制在DC12V±1%，最大输出电流≤1A，负载端输入电压电流曲线数值波动小，较平滑，控制器系统在两种供电模式下供电均比较稳定。

5 结语

本研究将无线电能传输技术应用于地震台站地震监测设备供电中，实现监测设备与市电的物理隔离，为解决地震台站市电引入感应雷及其他干扰的问题提供了一种新思路，对提高地震监测设备的运行稳定性和产出数据的准确性做了有益尝试，同时为进一步开展大功率、中远距离无线供电技术研究打下良好的基础。经实验室性能测试，该隔离电源控制器系统最大输出功率约为12W，可满足大多数地震监测设备的供电需求，下一步的工作将测试隔离电源控制器在野外实际应用中的工作能力。

白明侠，黄昭，2010．无线电力传输的历史发展及应用. 湘南学院学报，31（5）：51—53.

黄学良，谭林林，陈中等，2013．无线电能传输技术研究与应用综述．电工技术学报，28（10）：1—8.

黄锡定，梁焕贞，2007. 地震台站应用防雷技术探讨．地震地磁观测与研究，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

[1] 基金项目 中国地震局地壳应力研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项（ZDJ2013-06）

［收稿日期］2015-05-29

［作者简介］刘慧标，男，生于1990年。硕士。主要研究领域：地震观测仪器研究。E-mail：snk5257@163.com

［通讯作者］李涛，男，生于1980年。硕士，副研究员。主要研究领域：钻孔形变观测技术、仪器仪表技术。E-mail：lit2012 @qq.com

刘慧标，李晓东，李涛，李宏，2016．基于无线电能传输技术的隔离电源控制器研制．震灾防御技术，11（1）：117—124．

doi：10.11899/zzfy20160113