CN115622441A - 一种基于变压器的压电能量采集器及其功率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压电取能技术领域，尤其涉及一种基于变压器的压电能量采集器及其功率优化方法，包括：测量变压器箱体表面振动信号，并对采集到的振动信号进行时频域分析，得到监测点的振动中心频率；调整压电振子上质量块的位置，使压电振子共振频率等于振动中心频率；通过信号发生器模拟变压器箱体表面振动波形，作用于调频后的压电能量采集器，测量其输出特性，并对输出功率进行优化。本发明中，将压电振子的共振频率等于这个振动中心频率，从而能够俘获较高水平的发电功率，且通过模拟变压器表面振动波形，测量其输出特性，对输出功率进行优化，从而可以更好的适应变压器表面，对振动传感器提供更为稳定的电能，提高使用寿命和长期监测效果。

Description

一种基于变压器的压电能量采集器及其功率优化方法

技术领域

本发明涉及压电取能技术领域，尤其涉及一种基于变压器的压电能量采集器及其功率优化方法。

背景技术

在变压器的运行过程中，其本身存在振动，邮箱表面的振动时多振动源耦合叠加信号的结果，绕组与铁芯产生的振动通过液体路径与固体路径传到邮箱表面。变压器在整个运行器件，承受的电压相对稳定，即铁芯振动基本保持不变；绕组流过电流会发生较大变化，绕组振动是多线圈振动耦合叠加结果，不同大小电流下，不同位置线圈振动响应不同，对邮箱表面振动贡献率不同，因此，正常状态下邮箱表面振动差异性主要由绕组振动造成的。

收集变压器正常运行条件下的振动能量，为振动测量传感器供电，不但可以减小安装在线监测设备对变压器安全稳定运行的影响，还可以实现自取能以延长设备的单次使用寿命。

当前振动能量回收的方式主要有静电式、电磁式、压电式三种。静电式是利用静电感应原理将机械能转换为电能，电磁式是利用电磁感应原理将机械能转换为电能，压电式是利用压电材料的正压电效应将机械能转换为电能。其中，压电式振动能量回收方式是能量密度最高，而且压电能量回收系统结构简单，易于集成和实现微型化，可以广泛应用于生活和生产实践中，这相比电磁式和静电式具有较大的优势。然而传统悬臂梁固定方式压电振子存在频率带窄的问题，压电片的发电性能易受环境振动频率的影响，一旦环境振动频率与压电振子谐振频率稍有偏离，发电性能将迅速减弱。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提供了一种基于变压器的压电能量采集器及其功率优化方法，从而有效解决背景技术中的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于变压器的压电能量采集器功率优化方法，包括：

测量变压器箱体表面振动信号，并对采集到的振动信号进行时频域分析，得到监测点的振动中心频率；

调整压电振子上质量块的位置，使压电振子共振频率等于所述振动中心频率；

通过信号发生器模拟变压器箱体表面振动波形，作用于调频后的压电能量采集器，测量其输出特性，并对输出功率进行优化。

进一步地，通过加速度传感器对变压器箱体表面振动信号进行采集。

进一步地，所述时频域分析中，将所述振动信号经傅里叶变换得到频率-加速度曲线，所述振动中心频率为所述频率-加速度曲线中，加速度最大处对应的频率。

进一步地，调整压电振子上质量块的位置时，通过对比质量块不同位置下，共振频率与开路电压、带负载后负载电压和发电功率的变化趋势，对质量块位置进行调整。

进一步地，通过调整质量块与压电振子非固定端边的距离，对质量块的位置进行调整。

进一步地，所述测量其输出特性中，从所述信号发生器模拟输入振动信号，经功率放大器调整输入加速度波形幅值为实测加速度波形幅值，将放大后的信号提供给激振器，作用在激振器上的振动激励信号驱动压电振子振动，压电能量采集器将输出电能连接至负载电阻箱，通过示波器观察压电阵列的开路输出电压，并对负载电阻输出的负载电压和负载功率进行记录。

进一步地，对压电能量采集器中压电振子不同串并联进行组合，得到不同组合下的负载电压和负载功率，确定最优的串并联组合方式。

本发明中还包括一种压电能量采集器，包括若干压电振子，若干压电振子之间通过串并联的方式进行组合，每个所述压电振子包括基板、压电晶片和质量块，所述基板其中一端固定设置于变压器箱体表面，所述压电晶片设置于所述基板靠近固定端，所述质量块可调节设置于非固定端，且可调节与非固定端边的距离，对质量块位置进行调整；

其中，所述压电能量采集器通过如上述的方法进行功率优化。

本发明的有益效果为：本发明通过对变压器箱体表面的振动进行测量，得到监测点的振动中心频率，从而依据振动中心频率，将压电振子上的质量块位置进行调整，将压电振子的共振频率等于这个振动中心频率，从而在设置在变压器箱体监测点上时，能够俘获较高水平的发电功率，且通过模拟变压器表面振动波形，作用于调频后的压电能量采集器，测量其输出特性，对输出功率进行优化，从而可以更好的适应变压器表面，对振动传感器提供更为稳定的电能，提高使用寿命和长期监测效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1中方法的流程图；

图2为实施例2中方法的流程图；

图3为压电振子的结构示意图；

图4为实施例2中不同位置下输出特性对比情况， a为不同位置共振频率变化趋势，b为不同位置开路电压变化趋势，c为不同位置负载电压随负载电阻变化趋势，d为不同位置发电功率随负载电阻变化趋势；

图5为实施例2中变压器箱体表面振动信号，其中，a为1号监测点实测振动信号时域图，b为2号监测点实测振动信号时域图，c为1号监测点实测振动信号频域图，d为2号监测点实测振动信号频域图，e为1号监测点模拟振动信号波形，f为2号监测点模拟振动信号波形；

图6为测量的示意图；

图7为实施例2中模拟变压器振动后压电能量采集器发电功率，其中，a为1号监测点压电能量采集器发电功率，b为2号监测点压电能量采集器发电功率。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

如图1所示：一种基于变压器的压电能量采集器功率优化方法，包括如下步骤：

测量变压器箱体表面振动信号，并对采集到的振动信号进行时频域分析，得到监测点的振动中心频率；

调整压电振子上质量块的位置，使压电振子共振频率等于振动中心频率；

通过信号发生器模拟变压器箱体表面振动波形，作用于调频后的压电能量采集器，测量其输出特性，并对输出功率进行优化。

通过对变压器箱体表面的振动进行测量，得到监测点的振动中心频率，从而依据振动中心频率，将压电振子上的质量块位置进行调整，将压电振子的共振频率等于这个振动中心频率，从而在设置在变压器箱体监测点上时，能够俘获较高水平的发电功率，且通过模拟变压器表面振动波形，作用于调频后的压电能量采集器，测量其输出特性，对输出功率进行优化，从而可以更好的适应变压器表面，对振动传感器提供更为稳定的电能，提高使用寿命和长期监测效果。

在本实施例中，通过加速度传感器对变压器箱体表面振动信号进行采集。

其中，时频域分析中，将振动信号经傅里叶变换得到频率-加速度曲线，振动中心频率为频率-加速度曲线中，加速度最大处对应的频率。

由于需要更好的对振动能量进行转化，来获得较高水平发电功率，但是变压器在正常使用过程中，由于绕组振动导致的振动差异性，变压器振动在机电耦合作用下，当绕组固有频率满足电流激励的整数倍时，会出现参变共振多倍频振动，振动频率为电流频率的整数倍，通过将振动信号经傅里叶变换得到频率-加速度曲线，振动中心频率为频率-加速度曲线中，加速度最大处对应的频率，从而将压电振子的共振频率设置为振动幅度最大的频率，增加对振动能量的转化。

压电振子利用压电材料的压电效应产生电能，当对着压电晶体施加外力作用时，机械力引起压电晶体的弯曲形变，内部发生极化现象，并在晶体的两个表面产生极性相反的电荷，机械能就转换成了电能。压电振子谐振时，即外界激励频率接近其共振频率，其发电性能达到最佳。

作为上述实施例的优选，调整压电振子上质量块的位置时，通过对比质量块不同位置下，共振频率与开路电压、带负载后负载电压和发电功率的变化趋势，对质量块位置进行调整。

其中，通过调整质量块与压电振子非固定端边的距离，对质量块的位置进行调整。

在本实施例中，测量其输出特性中，从信号发生器模拟输入振动信号，经功率放大器调整输入加速度波形幅值为实测加速度波形幅值，将放大后的信号提供给激振器，作用在激振器上的振动激励信号驱动压电振子振动，压电能量采集器将输出电能连接至负载电阻箱，通过示波器观察压电阵列的开路输出电压，并对负载电阻输出的负载电压和负载功率进行记录。

其中，对压电能量采集器中压电振子不同串并联进行组合，得到不同组合下的负载电压和负载功率，确定最优的串并联组合方式。

压电能量采集器中通常设置多组的压电振子，多组压电振子通过不同的串并联的方式可以输出不同的功率特性，所以对压电能量采集器中压电振子不同串并联进行组合，得到不同组合下的负载电压和负载功率，确定最优的串并联组合方式。

本实施例中还包括一种压电能量采集器，包括若干压电振子，若干压电振子之间通过串并联的方式进行组合，每个压电振子包括基板、压电晶片和质量块，基板其中一端固定设置于变压器箱体表面，压电晶片设置于基板靠近固定端，质量块可调节设置于非固定端，且可调节与非固定端边的距离，对质量块位置进行调整；

其中，压电能量采集器通过如上述的方法进行功率优化。

实施例2：

如图2所示，在本实施例中，包括如下步骤：

步骤1：利用加速度传感器测量变压器箱体表面振动信号，并对采集到的振动信号进行时频域分析，得到监测点振动中心频率；

步骤2：通过调整质量块位置，使压电振子共振频率等于变压器监测点的振动中心频率，其发电功率达到最佳；

步骤3：通过信号发生器模拟实测变压器振动波形，作用于调频后的压电能量采集装置，测量其输出特性。

步骤1中，试验变压器是一台型号为SFSZ10-240000/220正在运行的有载调压电力变压器，经傅里叶分解后，得到监测点振动中心频率为200Hz。

变压器振动幅值和频谱特性直接决定着压电材料中心频率与可获取的振动能量。

如图3所示，压电片基板长*宽*高为30*10*0.2 mm，由铍青铜制成；质量块是长*宽*高为3*10*3 mm的纯钨块；压电晶片为Sm-doped-PMN-PT压电陶瓷，长*宽*高为10*10*0.2 mm。

质量块位置改变范围x为0.5-12.5 mm，其中x表示质量块与非固定端边的距离，对比不同位置下共振频率与开路电压变化趋势以及带载之后负载电压与发电功率对比情况，通过改变质量块位置使压电振子共振频率为200Hz。

步骤2中，压电振子谐振时，即外界激励频率接近其共振频率，其发电性能达到最佳。

如图4至7所示，测量方法为从信号发生器模拟输入变压器实测振动信号，经过功率放大器调整输入加速度波形幅值为实测加速度波形幅值，接着将放大的信号提供给激振器，作用在激振器上的振动激励信号驱动压电振子振动；压电能量采集器基于压电效应将机械振动能转换为电能，将输出电能连接至负载电阻箱，通过示波器观察压电阵列的开路输出电压，并对负载电阻输出的电压和功率进行记录。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于变压器的压电能量采集器功率优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

测量变压器箱体表面振动信号，并对采集到的振动信号进行时频域分析，得到监测点的振动中心频率；

调整压电振子上质量块的位置，使压电振子共振频率等于所述振动中心频率；

通过信号发生器模拟变压器箱体表面振动波形，作用于调频后的压电能量采集器，测量其输出特性，并对输出功率进行优化。

2.根据权利要求1所述的基于变压器的压电能量采集器功率优化方法，其特征在于，通过加速度传感器对变压器箱体表面振动信号进行采集。

3.根据权利要求2所述的基于变压器的压电能量采集器功率优化方法，其特征在于，所述时频域分析中，将所述振动信号经傅里叶变换得到频率-加速度曲线，所述振动中心频率为所述频率-加速度曲线中，加速度最大处对应的频率。

4.根据权利要求1所述的基于变压器的压电能量采集器功率优化方法，其特征在于，调整压电振子上质量块的位置时，通过对比质量块不同位置下，共振频率与开路电压、带负载后负载电压和发电功率的变化趋势，对质量块位置进行调整。

5.根据权利要求4所述的基于变压器的压电能量采集器功率优化方法，其特征在于，通过调整质量块与压电振子非固定端边的距离，对质量块的位置进行调整。

6.根据权利要求1所述的基于变压器的压电能量采集器功率优化方法，其特征在于，所述测量其输出特性中，从所述信号发生器模拟输入振动信号，经功率放大器调整输入加速度波形幅值为实测加速度波形幅值，将放大后的信号提供给激振器，作用在激振器上的振动激励信号驱动压电振子振动，压电能量采集器将输出电能连接至负载电阻箱，通过示波器观察压电阵列的开路输出电压，并对负载电阻输出的负载电压和负载功率进行记录。

7.根据权利要求6所述的基于变压器的压电能量采集器功率优化方法，其特征在于，对压电能量采集器中压电振子不同串并联进行组合，得到不同组合下的负载电压和负载功率，确定最优的串并联组合方式。

8.一种压电能量采集器，其特征在于，包括若干压电振子，若干压电振子之间通过串并联的方式进行组合，每个所述压电振子包括基板、压电晶片和质量块，所述基板其中一端固定设置于变压器箱体表面，所述压电晶片设置于所述基板靠近固定端，所述质量块可调节设置于非固定端，且可调节与非固定端边的距离，对质量块位置进行调整；

其中，所述压电能量采集器通过如权利要求1至7任一项所述的方法进行功率优化。

Images