CN117060601A - 一种电磁感应取能装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁感应取能装置及其控制方法。电磁感应取能装置包括环形磁芯、二次侧感应模块、整流模块和控制模块。环形磁芯套接于一次侧线路上。二次侧感应模块中的线圈绕制于环形磁芯上。整流模块的第一输入端与二次侧感应模块的第一端连接，其第二输入端与二次侧感应模块的第二端连接，输出端与用电设备连接，整流模块用于对二次侧感应模块产生的感应电源实施整流操作，生成供电电源。控制模块根据一次侧线路的电流值、感应电源的电压值和供电电源的电压值中的至少一个，调整二次侧感应模块的两端之间的等效匝数，实现了对电磁感应取能装置的控制，降低了一次侧线路对输出供电电源的影响，提高了电磁感应取能装置的稳定性。

Description

一种电磁感应取能装置及其控制方法

技术领域

本发明实施例涉及供电技术，尤其涉及一种电磁感应取能装置及其控制方法。

背景技术

随着智能电网的发展，高压输电线路的在线监测设备被广泛应用，其发挥的作用也愈加明显。而如何为高压输电线路在线监测设备提供一个安全、稳定和可靠的供电电源仍是一个亟待解决的关键问题。

电磁感应取能（也称作CT取能）可以通过挂载在交流输电线路上的电流互感器获取输电线路磁场中的能量，为其它设备供电。CT取能具有安装方便和运行可靠等优点，己成为当前交流输电线路的在线监测设备最合适的供给方式之一。

然而现有的CT取能装置在工作时输出电源受到一次侧线路影响较大，导致CT取能装置的供电稳定性较差。

发明内容

本发明提供一种电磁感应取能装置及其控制方法，以提高电磁感应取能装置的稳定性。

第一方面，本发明实施例提供了一种电磁感应取能装置，电磁感应取能装置包括：环形磁芯、二次侧感应模块、整流模块和控制模块；

所述环形磁芯套接于一次侧线路上；

所述二次侧感应模块包括第一端和第二端，所述二次侧感应模块中的线圈绕制于所述环形磁芯上；

所述整流模块包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端与所述二次侧感应模块的所述第一端连接，所述第二输入端与所述二次侧感应模块的所述第二端连接，所述输出端与用电设备连接，所述整流模块用于对所述二次侧感应模块产生的感应电源实施整流操作，生成供电电源；

所述控制模块分别与所述一次侧线路、所述二次侧感应模块和所述整流模块的输出端连接，用于根据所述一次侧线路的电流值、所述感应电源的电压值和所述供电电源的电压值中的至少一个，调整所述二次侧感应模块的两端之间的等效匝数。

可选地，所述二次侧感应模块还包括：M个首尾依次排列的二次侧线圈、与前M-1个所述二次侧线圈一一对应的选择继电器、一个第一开关继电器和与中间M-2个所述二次侧线圈一一对应的第二开关继电器；其中，M为大于2的整数；

所述第一开关继电器的一端与第一个所述二次侧线圈的同名端连接；所述第一开关继电器的另一端与第M个所述二次侧线圈的同名端连接，还经所述第二开关继电器与所述第二开关继电器对应的所述二次侧线圈的同名端连接；所述选择继电器的公共端与其对应的所述二次侧线圈的异名端连接，所述选择继电器的第一选择端与所述二次侧感应模块的第二端连接，所述选择继电器的第二选择端与其对应的所述二次侧线圈的下一所述二次侧线圈的同名端连接；所述第一个所述二次侧线圈的同名端与所述二次侧感应模块的所述第一端连接，所述第M个所述二次侧线圈的异名端与所述二次侧感应模块的所述第二端连接；

所述控制模块分别与所述选择继电器、所述第一开关继电器和所述第二开关继电器连接，用于根据所述一次侧线路的电流值、所述感应电源的电压值和所述供电电源的电压值中的至少一个，控制所述选择继电器、所述第一开关继电器和所述第二开关继电器的状态，以调整所述二次侧感应模块的两端之间的等效匝数。

可选地，各个所述二次侧线圈的匝数相等，均等于N，其中，N为大于1的整数。

可选地，各个所述二次侧线圈的匝数不全相等。

可选地电磁感应取能装置还包括开关模块，所述开关模块分别与所述二次侧感应模块的所述第一端和所述第二端连接；

所述控制模块还与所述开关模块连接，用于根据所述感应电源的电压值和所述供电电源的电压值中的至少一个，控制所述开关模块的通断状态。

可选地，所述整流模块还包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述输出端包括第一输出端和第二输出端；所述第一二极管连接于所述第一输入端与所述第二输出端之间，所述第二二极管连接于所述第二输入端和所述第二输出端之间，所述第三二极管连接于所述第一输入端和所述第一输出端之间，所述第四二极管连接于所述第二输入端和所述第一输出端之间；

所述开关模块包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管与所述第一二极管并联，所述第二开关管与所述第二二极管并联。

可选地，电磁感应取能装置还包括滤波模块，所述滤波模块设置于所述整流模块的输出端与用电设备之间，用于对所述供电电源进行滤波处理。

第二方面，本发明实施例还提供了一种电磁感应取能装置的控制方法，由第一方面所述的电磁感应取能装置中的控制模块来实施，电磁感应取能装置的控制方法包括：

在一次侧线路通电之前，将电磁感应取能装置调整至初始状态，其中，所述初始状态下的所述电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数最少；

根据所述一次侧线路的电流值与预设电流区间的相对关系，确定匝数设定值；

根据感应电源的电压值和供电电源的电压值，修正所述匝数设定值；

将所述电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数，调整为所述匝数设定值；

根据所述供电电源的电压值和本次控制时长，再次调整所述电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数。

可选地，所述初始状态下，第一开关管和第二开关管保持关断；

将所述电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数，调整为所述匝数设定值之后，还包括：

在所述等效匝数等于最大匝数的情况下，判断感应电源的电压值或供电电源的电压值是否超出正常范围的上限值；

在感应电源的电压值或供电电源的电压值超出正常范围的上限值的情况下，控制所述第一开关管和所述第二开关管导通；

在所述供电电源的电压值恢复至正常范围的下限值以下的情况下，控制所述第一开关管和所述第二开关管恢复关断。

可选地，根据所述供电电源的电压值和本次控制时长，再次调整所述电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数，包括：

判断所述供电电源的电压值是否小于正常范围的下限值；

在所述供电电源的电压值大于或等于正常范围的下限值的情况下，返回根据感应电源的电压值和供电电源的电压值，修正所述匝数设定值；

在所述供电电源的电压值小于正常范围的下限值的情况下，判断所述本次控制时长是否超出预设时间；

在所述本次控制时长超出所述预设时间的情况下，返回根据一次侧线路的电流值与预设电流区间的相对关系，确定匝数设定值；

在所述本次控制时长未超出所述预设时间的情况下，减少所述匝数设定值的数值，并返回将所述电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数调整为所述匝数设定值。

本发明实施例提供的电磁感应取能装置及其控制方法，电磁感应取能装置包括环形磁芯、二次侧感应模块、整流模块和控制模块。环形磁芯套接于一次侧线路上。二次侧感应模块中的线圈绕制于环形磁芯上。整流模块的第一输入端与二次侧感应模块的第一端连接，其第二输入端与二次侧感应模块的第二端连接，输出端与用电设备连接，整流模块用于对二次侧感应模块产生的感应电源实施整流操作，生成供电电源。控制模块根据一次侧线路的电流值、感应电源的电压值和供电电源的电压值中的至少一个，调整二次侧感应模块的两端之间的等效匝数，实现了对电磁感应取能装置的控制，采用调整二次侧等效匝数的方式降低一次侧线路对输出供电电源的影响，提高了电磁感应取能装置的稳定性。

附图说明

图1为背景技术中的电磁感应取能装置的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电磁感应取能装置的电路示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种电磁感应取能装置的电路示意图；

图4为本发明实施例提供的又一种电磁感应取能装置的电路示意图；

图5为本发明实施例提供的一种不同等效匝数下的感应电源的输出功率与一次侧线路中电流的关系曲线；

图6为本发明实施例提供的一种不同等效匝数下的感应电源的电压峰值与一次侧线路中电流的关系曲线；

图7为本发明实施例提供的一种一次侧线路的电流为50A时感应电源的电压与电流的波形示意图；

图8为本发明实施例提供的一种一次侧线路的电流为100A时感应电源的电压与电流的波形示意图；

图9为本发明实施例提供的一种一次侧线路的电流为150A时感应电源的电压与电流的波形示意图；

图10为本发明实施例提供的再一种电磁感应取能装置的电路示意图；

图11为本发明实施例提供的还一种电磁感应取能装置及其用电设备的电路示意图；

图12为本发明实施例提供的一种电磁感应取能装置的控制方法的流程示意图；

图13为本发明实施例提供的另一种电磁感应取能装置的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

如背景技术所述，现有的电磁感应取能装置的输出电源受一次侧线路的影响较大，这就导致电磁感应取能装置的供电稳定性较差。经发明人研究发现，当输电线路电流较小时，电磁感应取能装置取到的能量较少，常常无法给后续用电设备提供适当的电源；而当输电线路电流较大时，磁芯会深度饱和并在二次侧线圈中产生过高的电压尖峰，对后端元器件和用电设备造成损害，所以现有的电磁感应取能装置适用的输电线路电流范围小，其供电稳定性差。

为了解决上述问题，发明人进行了进一步研究。背景技术中的电磁感应取能装置如图1所示，现有电磁感应取能装置包括磁芯、二次线圈和整流滤波电路。传输交流电的输电线路穿过磁芯，输电线路中电流在磁芯中产生的交变磁场能在二次侧线圈中产生感应电压，感应电压经整流电路后为后端用电设备供电。

在电磁感应取能装置的分析中，可以忽略二次线圈的阻抗、漏抗、磁芯磁滞损耗和 涡流损耗等参数的影响，以简化电路分析。一方面，在图1所示的取能装置中，一次侧线路电 流为、二次侧线圈的电流为，励磁电流为，二次侧感应电动势为，二次侧电压为，二 次线圈匝数为，磁感应强度为，磁芯磁导率为，磁路长度为，磁芯截面积为，二次侧 的等效电阻为。电磁感应取能装置成立第一关系式和第二关系式。设系数，则输出电 压满足第三关系式。由第三关系式可知，当一次侧电 流增大时，二次侧线圈输出电压的有效值也随之增大。

当一次侧电流过大时，每个周期中磁芯均会有一段时间进入饱和区，即磁芯的磁 通量进入平顶区，磁通量的变化相对线性区非常缓慢，此时二次侧线圈感应出的电动势几 乎为零。但在一次侧电流过零点附近时，磁芯中磁感应强度会快速到达饱和，即磁芯中的磁 通量变化很快，此时将会产生尖峰电压。磁芯的饱和磁感应强度为，每半周内磁化曲线工 作点是由-至，二次侧感应电动势在半个周期内的积分满足第四公式。由第四公式可知，当磁芯工作在饱和状态时，二次侧 感应电动势在半个周期内的伏秒值是一个常数，与一次侧电流无关。随着一次侧电流幅值 越大，饱和程度加深，在半周期内磁通平顶区所占比例会增加，而二次侧感应电动势的平均 值不变，所以，随着磁芯饱和程度的增加，二次侧感应电动势的波形将越来越窄，峰值将越 来越高。背景技术中，二次侧电压超出后端电路耐压水平后，将控制泄放电路导通，以使整 流滤波电路输出功率为零，实现后端电路的保护。

另一方面，设二次侧等效输出阻抗为纯电阻，在磁芯未饱和时，二次侧输出功率可 以用第五公式表示为，由第五公式可知，在一次侧电流和二次侧输出阻 抗一定的情况下，如果磁芯未饱和，那么二次侧线圈的匝数越少，电磁感应取能装置的输出 功率越高。

本发明通过对二次侧线圈的配置，使二次侧线圈等效总匝数随一次侧电流的增大而增大，从而保证二次侧电压始终保持在合适的范围内，并获得足够高的输出功率，扩大了电磁感应取能装置的适用工作范围。在二次侧等效匝数增加至最大值后，为了避免磁芯深度饱和产生的二次侧过压尖峰造成的电路损坏，本发明还采用控制二次侧短路的方式，保护整流电路和后级用电设备。

基于以上原理，本发明实施例提出一种电磁感应取能装置，应用于交流线路输电。图2为本发明实施例提供的一种电磁感应取能装置的电路示意图，参照图2，电磁感应取能装置包括环形磁芯202、二次侧感应模块203、整流模块204和控制模块205。环形磁芯202套接于一次侧线路201上。二次侧感应模块203包括第一端a和第二端b，二次侧感应模块203中的线圈绕制于环形磁芯202上。整流模块204包括第一输入端c、第二输入端d和输出端206，第一输入端c与二次侧感应模块203的第一端a连接，第二输入端d与二次侧感应模块203的第二端b连接，输出端206与用电设备连接，整流模块204用于对二次侧感应模块产生的感应电源实施整流操作，生成供电电源。

控制模块205分别与一次侧线路201、二次侧感应模块203和整流模块的输出端206连接，用于根据一次侧线路201的电流值、感应电源的电压值和供电电源的电压值中的至少一个，调整二次侧感应模块203的两端之间的等效匝数。

具体地，一次侧线路201是指被取能的交流输电线路。环形磁芯202是指形状为环形的导磁铁芯，可以根据一次侧线路201中的交变电流产生感应磁场，示例性地，环形磁芯202的外形可以为圆环或方环。环形磁芯202套接在一次侧线路201上，使一次侧线路201穿过环形磁芯202的中心。二次侧感应模块203是指电磁感应取能装置的二次侧感应组件，可以包括第一端a、第二端b和绕制在环形磁芯202上的线圈。绕制在环形磁芯202上的线圈可以根据环形磁芯202中的磁通量产生感应电源。二次侧感应模块203的第一端a与第二端b之间线圈的等效匝数可调整，示例性地，二次侧感应模块203的第一端a与第二端b之间线圈的等效匝数的调整方式既可以是选用可调线圈，直接调整接入第一端a和第二端b之间的线圈的匝数。此外，也可以通过调整二次侧感应模块203的第一端a与第二端b之间多个线圈之间的串并联的连接关系来调整。例如，二次侧感应模块203包括8个线圈，这8个线圈可以直接串联在二次侧感应模块203的第一端a与第二端b之间，也可以8个线圈分为两组且每组的4个线圈串联后各组再并联在二次侧感应模块203的第一端a与第二端b之间，还可以8个线圈分为4组且每组的2个线圈串联后各组再并联在二次侧感应模块203的第一端a与第二端b之间，不同的组合和连接关系对应的等效匝数不全相同，控制模块205可以根据需求进行切换控制。

整流模块204是指对二次侧感应模块203产生的感应电源实施整流操作的整流组件，示例性地，整流模块204可以包括整流电桥。整流模块204可以将交流的感应电源整流为直流的供电电源，为用电设备供电。

控制模块205是指电磁感应取能装置的信号采集、处理和控制组件。控制模块205可以采集一次侧线路201的电流值、二次侧感应模块203生成感应电源的电压值以及整流模块204输出的供电电源的电压值中的至少一个。控制模块205可以根据一次侧线路201的电流值、二次侧感应模块203生成感应电源的电压值以及整流模块204输出的供电电源的电压值中的至少一个，对应调整二次侧感应模块的第一端和第二端之间接入线圈的等效匝数。示例性地，控制模块205可以在一次侧线路201通电之前将等效匝数调整至最小值。在一次侧线路201通电后，根据一次侧线路201的电流值的变化对应调整等效匝数，一方面在一次侧电流较小的情况下通过减少等效匝数提高感应电压的电压值，另一方面在一次侧电流较大的情况下，防止磁芯深度饱和产生电压峰值过高的供电电源损坏后级用电设备。

本实施例提供的电磁感应取能装置包括环形磁芯、二次侧感应模块、整流模块和控制模块。环形磁芯套接于一次侧线路上。二次侧感应模块中的线圈绕制于环形磁芯上。整流模块的第一输入端与二次侧感应模块的第一端连接，其第二输入端与二次侧感应模块的第二端连接，输出端与用电设备连接，整流模块用于对二次侧感应模块产生的感应电源实施整流操作，生成供电电源。控制模块根据一次侧线路的电流值、感应电源的电压值和供电电源的电压值中的至少一个，调整二次侧感应模块的两端之间的等效匝数，实现了对电磁感应取能装置的控制，采用调整二次侧等效匝数的方式降低一次侧线路对输出供电电源的影响，提高了电磁感应取能装置的稳定性。

可选地，图3为本发明实施例提供的另一种电磁感应取能装置的电路示意图，在前述实施例的基础上，参照图3，二次侧感应模块203还包括M个首尾依次排列的二次侧线圈N₁、N₂…N_m、与前M-1个二次侧线圈一一对应的选择继电器k₁₂、k₂₂…k_（m-1)2、一个第一开关继电器k₁₀和与中间M-2个二次侧线圈一一对应的第二开关继电器k₂₁、k₃₁…k_（m-1)1；其中，M为大于2的整数。

第一开关继电器k₁₀的一端与第一个二次侧线圈N₁的同名端连接；第一开关继电器k₁₀的另一端与第M个二次侧线圈N_m的同名端连接，还经第二开关继电器与第二开关继电器对应的二次侧线圈的同名端连接；选择继电器的公共端与其对应的二次侧线圈的异名端连接，选择继电器的第一选择端与二次侧感应模块203的第二端b连接，选择继电器的第二选择端与其对应的二次侧线圈的下一二次侧线圈的同名端连接。第一个二次侧线圈N₁的同名端与二次侧感应模块203的第一端a连接，第M个二次侧线圈N_m的异名端与二次侧感应模块的第二端b连接。

控制模块205分别与选择继电器、第一开关继电器k₁₀和第二开关继电器连接（图中未示出连接关系），用于根据一次侧线路201的电流值I₁’、感应电源的电压值U₂’和供电电源的电压值Ud’中的至少一个，控制选择继电器、第一开关继电器k₁₀和第二开关继电器的状态，以调整二次侧感应模块203的两端之间的等效匝数。

具体地，二次侧线圈是指二次侧感应模块203中绕制在环形磁芯上的线圈，M个二次侧线圈首尾依次排列地绕制在环形磁芯202上，其中，首尾依次排列是指每一二次侧线圈的同名端与前一二次侧线圈的异名端相邻，而二次侧线圈的异名端与后一二次侧线圈的同名端相邻。二次侧线圈的匝数可以大于20，不同二次侧线圈之间的匝数可以均相同、不完全相同或均不相同，可以根据需求设置。示例性地，一方面，各个二次侧线圈的匝数可以均相等，均等于N，其中，N为大于1的整数。另一方面，各个所述二次侧线圈的匝数也可以不全相等，优选地，二次侧感应模块203中多个二次侧线圈的匝数可以形成梯度，例如，二次侧感应模块203中8个二次侧线圈的匝数可以依次为10、20、30、40、50、60、70和80。

选择继电器是公共端与对应二次侧线圈的异名端连接的继电器，可以选择公共端与两个选择端中的任一实现连接。选择继电器的第一选择端与二次侧感应模块的第二端连接，选择继电器的第二选择端与其对应的二次侧线圈的下一二次侧线圈的同名端连接。在初始状态和默认状态下，选择继电器的公共端与第一选择端连接。

第一开关继电器k₁₀是并联总开关，示例性地，第一开关继电器k₁₀可以为常闭继电器。第一开关继电器k₁₀一端与第一个二次侧线圈N₁的同名端连接，第一开关继电器k₁₀另一端与第M个二次侧线圈N_m的同名端连接，其另一端还经第二开关继电器与第二开关继电器对应的二次侧线圈的同名端连接。在需要第一个二次侧线圈N₁与其他至少一个二次侧线圈并联在二次侧感应模块203的第一端a和第二端b之间的情况下，控制模块205可以控制第一开关继电器k₁₀保持常闭，而在需要多个二次侧线圈串联在二次侧感应模块203的第一端a和第二端b之间或者仅第一个二次侧线圈N₁连接在二次侧感应模块203的第一端a和第二端b之间的情况下，控制模块可以控制第一开关继电器断开。

第二开关继电器是指连接于第一开关继电器k₁₀和对应二次侧线圈的同名端之间的开关继电器。控制模块205可以通过调整选择继电器、第一开关继电器k₁₀和第二开关继电器的状态，控制二次侧感应模块203的第一端a和第二端b之间的等效匝数。

示例性地，在一次侧线路201通电之前，控制模块205将选择继电器k₁₂、k₂₂…k_（m-1)2、第一开关继电器k₁₀以及第二开关继电器k₂₁、k₃₁…k_（m-1)1调整为初始状态。在初始状态下，各个选择继电器k₁₂、k₂₂…k_（m-1)2的公共端分别与其第一选择端连接，第一开关继电器k₁₀和第二开关继电器k₂₁、k₃₁…k_（m-1)1均保持导通，使M个二次侧线圈N₁、N₂…N_m并联在二次侧感应模块203的第一端a和第二端b之间。在一次侧线路201通电后，控制模块205可以根据一次侧线路201的电流值I₁’，对应调整二次侧感应模块203的第一端a和第二端b之间的等效匝数，以使供电电源的电压值U_d’满足用电设备的需求。调整等效匝数的方式可以是先断开第一开关继电器k₁₀和各个第二开关继电器k₂₁、k₃₁…k_（m-1)1，再通过切换选择继电器k₁₂、k₂₂…k_（m-1)2的状态调整串联的二次侧线圈N₁、N₂…N_m的个数，以使等效匝数在单个二次侧线圈的匝数以上的范围调整，例如，二次侧线圈的匝数均为50，那么串联两个二次侧线圈的等效匝数等于50，串联三个二次侧线圈的等效匝数等于150。

本实施例提供的电磁感应取能装置中，二次侧感应模块还包括M个首尾依次排列的二次侧线圈、与前M-1个二次侧线圈一一对应的选择继电器、一个第一开关继电器和与中间M-2个二次侧线圈一一对应的第二开关继电器，控制模块可以根据一次侧线路的电流值、感应电源的电压值和供电电源的电压值中的至少一个，控制选择继电器、第一开关继电器和第二开关继电器的状态，以达到各个二次侧线圈的串联或并联的不同组合，实现第一端和第二端之间等效匝数的切换，等效匝数的可调范围较大，使得电磁感应取能装置能适应的一次侧线路的电流的范围也更广泛，提高了电磁感应取能装置的适用范围。

可选地，图4为本发明实施例提供的又一种电磁感应取能装置的电路示意图，在前述实施例的基础上，参照图4，电磁感应取能装置中二次侧线圈的个数M等于3，二次侧线圈的匝数均相等，均等于50。

示例性地，环形磁芯202可以选取环形铁基纳米晶材料的磁芯，其相对磁导率为50000H/m。环形磁芯202可以为圆环磁芯，其内径为58mm，外径为85mm，厚度（也称为高度）为40mm，其磁路长度为224mm，磁芯截面积为540mm²。在一次侧线路201的电流值I₁’大于6A时，供电电源的输出功率需要大于0.5W。在初始状态下，控制模块205控制第一开关继电器k₁₀和第二开关继电器k₁₂均处于常闭状态，此时3个二次侧线圈N₁、N₂和N₃并联，可以使二次侧感应模块203的第一端a和第二端b之间的等效匝数为50匝。根据一次侧线路201的电流值I₁’、感应电源的电压值U₂’和供电电源的电压值U_d’中的至少一个，控制模块205可以控制第一开关继电器k₁₀断开，第一个二次侧线圈N₁对应的选择继电器k₁₂的公共端投至第二选择端，其余开关继电器处于常闭状态，其余选择继电器的公共端均默认投至第一选择端，可以使二次侧感应模块203的第一端a和第二端b之间的等效匝数为100匝。根据一次侧线路201的电流值I₁’、感应电源的电压值U₂’和供电电源的电压值U_d’中的至少一个，控制模块205还可以控制第一开关继电器k₁₀和第二开关继电器k₂₁均断开，第一个二次侧线圈N₁和第二个二次侧线圈N₂对应的选择继电器的公共端均投至第二选择端，可以使二次侧感应模块203的第一端a和第二端b之间的等效匝数为150匝。

图5为本发明实施例提供的一种不同等效匝数下的感应电源的输出功率与一次侧线路中电流的关系曲线，结合图5，在一次侧线路的电流较低，例如6A时，二次侧感应模块的等效匝数为50匝对应的感应电源输出功率达到0.5W以上，远高于等效匝数等于其它匝数时的功率。而在一次侧线路的电流较高，例如50A时，50匝对应的感应电源输出功率最低，100匝对应的感应电源输出功率次之，而150匝对应的感应电源输出功率最高。

图6为本发明实施例提供的一种不同等效匝数下的感应电源的电压峰值与一次侧线路中电流的关系曲线，图7为本发明实施例提供的一种一次侧线路的电流为50A时感应电源的电压与电流的波形示意图，图8为本发明实施例提供的一种一次侧线路的电流为100A时感应电源的电压与电流的波形示意图，图9为本发明实施例提供的一种一次侧线路的电流为150A时感应电源的电压与电流的波形示意图，结合图6、图7、图8和图9，发明人研究发现，在一次侧线路的电流等于50A时，等效匝数为50匝对应的环形磁芯深度饱和，二次侧感应电源的电压波形和电流波形畸变严重，其电压峰值和电流峰值也最高，这会增加损坏后级用电设备的风险，还会造成电磁感应取能装置的输出功率降低。等效匝数为100匝对应的环形磁芯也深度饱和，但饱和的程度低于50匝对应的环形磁芯，其二次侧感应电源的电压峰值也很高，但波形的畸变程度低于50匝对应的二次侧感应电源的电压波形和电流波形。而等效匝数为150匝对应的环形磁芯刚进入饱和区，其二次侧感应电源的电压波形只是稍微畸变。所以，可以根据一次侧线路的电流的增加对应增加二次侧感应模块两端之间的等效匝数，一方面可以在一次侧线路的电流值较小（有效值小于6A）时，通过并联二次侧线圈增加感应电源的输出功率，以满足后级用电设备的用电需求，另一方面可以在一次侧线路的电流值增加时增加串联的二次侧线圈的数量，以降低感应电源的电压和电流波形的峰值，防止对后级电子元件和用电设备的损坏，提高取能装置的可靠性。

可选地，图10为本发明实施例提供的再一种电磁感应取能装置的电路示意图，在前述实施例的基础上，参照图10，电磁感应取能装置还包括开关模块，开关模块分别与二次侧感应模块203的第一端a和第二端b连接。控制模块205还与开关模块连接，用于根据感应电源的电压值U₂’和供电电源的电压值U_d’中的至少一个，控制开关模块的通断状态。

具体地，在检测到感应电源的电压值U₂’或供电电源的电压值U_d’超出正常范围上限的情况下，控制模块205可以控制开关模块导通，在检测到感应电源的电压值U₂’和供电电源的电压值U_d’跌落至正常范围下限以下的情况下，控制模块205可以控制开关模块关断。开关模块还可以与接地端连接，在导通的情况下，开关模块可以将二次侧感应模块203的第一端a和第二端b之间短路并接地，停止为整流模块204的第一输入端c和第二输入端d供电，防止后级整流模块204和用电设备因过流产生损坏。

示例性地，整流模块204还包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，输出端包括第一输出端e和第二输出端f；第一二极管D1连接于第一输入端c与第二输出端f之间，第二二极管D2连接于第二输入端d和第二输出端f之间，第三二极管D3连接于第一输入端c和第一输出端e之间，第四二极管D4连接于第二输入端d和第一输出端e之间。开关模块包括第一开关管T1和第二开关管T2，第一开关管T1与其对应的第一二极管D1反向并联，第二开关管T2与其对应的第二二极管D2反向并联。控制模块205可以在感应电源的电压值U₂’和供电电源的电压值U_d’中的至少一个超出对应正常范围上限的情况下，控制第一开关管T1和第二开关管T2导通，以控制二次侧感应模块203的两端之间发生短路，直至供电电源的电压值U_d’降低至适当值再控制第一开关管T1和第二开关管T2恢复关断。

示例性地，第一开关管T1和第二开关管T2可以为场效应管，场效应管与其对应的二极管反向并联，其中，反向并联指的是开关管和其对应的二极管的电流流通方向不同，示例性地，第一开关管T1的源极与其对应的第一二极管D1的阴极连接，第一开关管T1的漏极与其对应的第一二极管D1的阳极连接，相似地，第二开关管T2的源极与其对应的第二二极管D2的阴极连接，第二开关管T2的漏极与其对应的第二二极管D2的阳极连接。将反向并联二极管连接在场效应管的漏极和源极之间，当场效应管导通短路时，与其反向并联的二极管会自动导通，将瞬态过大的电流引到地上，从而可以避免损坏场效应管和其他元件的损坏。

可选地，图11为本发明实施例提供的还一种电磁感应取能装置及其用电设备的电路示意图，在前述实施例的基础上，参照图11，电磁感应取能装置还包括滤波模块207，滤波模块207设置于整流模块204的输出端207与用电设备之间，用于对供电电源进行滤波处理。

具体地，滤波模块207是指设置于整流模块204的输出端207和用电设备之间的滤波组件或电路，可以对供电电源进行滤波处理，去除电源的杂波，进一步提高供电电源质量，提高电磁感应取能装置的供电可靠性。

本发明实施例还提供一种电磁感应取能装置的控制方法，该方法应用于前述任意电磁感应取能装置的控制模块。图12为本发明实施例提供的一种电磁感应取能装置的控制方法的流程示意图，参照图12，电磁感应取能装置的控制方法包括：

S1201、在一次侧线路通电之前，将电磁感应取能装置调整至初始状态。

具体地，初始状态下的电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数最少，可以等于二次侧感应模块中匝数最小的一个二次侧线圈的匝数。由于磁芯未饱和的情况下，二次侧匝数越小，感应电源的输出功率越高。在一次侧线路刚通电时，为保证一次侧电流较小时仍能为后级用电设备提供足够的电能，可以将初始状态下的电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数最少。

S1202、根据一次侧线路的电流值与预设电流区间的相对关系，确定匝数设定值。

具体地，根据实验数据，为一次侧线路的电流设置多个预设电流区间，示例性地，在一次侧线路的最大历史电流小于50A的情况下，预设电流区间可以包括[0A,5A）、[5A,10A）、[10A,20A）和[20A,50A）。每一预设电流区间对应一个匝数设定值，预设电流区间对应的匝数设定值与预设电流区间的上限值成正相关。根据一次侧线路的电流值与预设电流区间的相对关系，可以确定匝数设定值。示例性地，若预设电流区间[0A,5A）对应的匝数设定值为150匝，那么在一次侧线路的电流值属于预设电流区间[0A,5A）的情况下，确定匝数设定值为150匝。

S1203、根据感应电源的电压值和供电电源的电压值，修正匝数设定值。

具体地，在调整二次侧感应模块的等效匝数时，除了可以考虑一次侧线路的电流，以提高感应电源输出的功率，还可以考虑感应电源的电压值和供电电源的电压值，进一步指正匝数设定值，使二次侧感应模块的等效匝数更符合后级用电设备的需求。示例性地，感应电源的电压值和供电电源均设置有正常范围，若检测到感应电源的电压值和供电电源的电压值均低于对应正常范围的上限值，则可以进一步增加匝数设定值的取值，使得二次侧感应模块的等效匝数更符合后级用电设备的需求。例如，每次增加的匝数可以等于二次侧感应模块中一个二次侧线圈的匝数。

S1204、将电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数，调整为匝数设定值。

具体地，通过控制二次侧感应模块中二次侧线圈之间的连接关系，可以将电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数，调整为匝数设定值。示例性地，若匝数设定值等于n个二次侧线圈的匝数之和，那么可以控制这n个二次侧线圈串联在二次侧感应模块的第一端和第二端之间。

S1205、根据供电电源的电压值和本次控制时长，再次调整电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数。

具体地，本次控制时长是指前次根据一次侧线路的电流值与预设电流区间的相对关系确定匝数设定值之时至当前时间的时间间隔。根据供电电源的电压值与其对应正常范围的下限值的关系，可以判断出调整后的等效匝数是否需要进一步调整。在需要调整且本次控制时长仍未超出预设时长的情况下，进一步减少电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数，并重新将电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数，调整为当前的匝数设定值。示例性地，若供电电源的电压值小于下限值且本次控制时长未超出预设时长，则可以进一步减少匝数设定值的取值并返回步骤S1204，使得二次侧感应模块的等效匝数更符合后级用电设备的需求。在不需要调整的情况下，可以返回根据感应电源的电压值和供电电源的电压值修正匝数设定值的步骤。而在需要调整而本次控制时长超出预设时长的情况下，可以返回根据一次侧线路的电流值与预设电流区间的相对关系确定匝数设定值的步骤。

本实施例提供的电磁感应取能装置的控制方法，在一次侧线路通电之前，将电磁感应取能装置调整至初始状态，其中，初始状态下的电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数最少，保证一次侧电流较小时仍能为后级用电设备提供足够的电能。根据一次侧线路的电流值与预设电流区间的相对关系，确定匝数设定值。根据感应电源的电压值和供电电源的电压值，修正匝数设定值。将电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数，调整为匝数设定值。根据供电电源的电压值和本次控制时长，再次调整电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数，实现了对电磁感应取能装置适应性控制，使得二次侧感应模块的等效匝数与一次侧线路的电流值相适应，一方面提高了一次侧线路电流小时供电电源的输出功率，另一方面降低了一次侧线路电流大的时候感应电源的电压峰值对后级电路的损坏，从而降低了一次侧线路对感应电源电压和输出功率的影响，提高了电磁感应取能装置的稳定性。

图13为本发明实施例提供的另一种电磁感应取能装置的控制方法的流程示意图，参照图13，电磁感应取能装置的控制方法包括：

S1301、在一次侧线路通电之前，将电磁感应取能装置调整至初始状态。

S1302、根据一次侧线路的电流值与预设电流区间的相对关系，确定匝数设定值。

S1303、根据感应电源的电压值和供电电源的电压值，修正匝数设定值。

S1304、将电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数，调整为匝数设定值。

步骤S1301、S1302、S1303和S1304分别与前述实施例中的步骤S1201、S1202、S1203和S1204一一对应内容相同，此处不再赘述。

S1305、在等效匝数等于最大匝数的情况下，判断感应电源的电压值或供电电源的电压值是否超出正常范围的上限值。

具体地，若在前述步骤中将等效匝数调整到了最大匝数，则表示一次侧线路的电流继续增加则无法再通过适应性调整二次侧感应模块的等效匝数来调节供电电源的电压，其中，最大匝数等于所有二次侧线圈的匝数之和。在等效匝数等于最大匝数的情况下，如果需要通过控制方法保证后级的整流模块和用电设备不因为电压峰值过高而损坏，需要引入对开关模块的控制。在此之前，需要判断感应电源的电压值或供电电源的电压值是否超出正常范围的上限值，感应电源电压的正常范围和供电电源电压的正常范围可以根据整流模块和后级用电设备的耐压级别来设置。

S1306、在感应电源的电压值或供电电源的电压值超出正常范围的上限值的情况下，控制第一开关管和第二开关管导通。

具体地，初始状态下，第一开关管和第二开关管保持关断。感应电源的电压值或供电电源的电压值超出正常范围的上限值，则表明若一次侧线路的电流在继续增加，后级的整流模块和用电设备会很快发生损坏。此时可以通过控制第一开关管和第二开关管导通来短路二次侧感应模块的第一端和第二端，将感应电源的电压引入接地端，降低感应电源和供电电源的电压值，防止对后级电路的损坏。

S1307、在供电电源的电压值恢复至正常范围的下限值以下的情况下，控制第一开关管和第二开关管恢复关断。

具体地，若供电电源的电压值恢复至正常范围的下限值以下，则表示电磁感应取能装置对用电设备的损坏影响消失，电磁感应取能装置可以重新对外供电，此时可以回复第一开关管和第二开关管的关断。

S1308、判断供电电源的电压值是否小于正常范围的下限值。

具体地，若将电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数调整为匝数设定值之后，供电电源的电压值小于正常范围的下限值，则表明当前的匝数设定值偏小，需要增加等效匝数。否则，表明当前的匝数设定值适当。

S1309在供电电源的电压值大于或等于正常范围的下限值的情况下，返回根据感应电源的电压值和供电电源的电压值，修正匝数设定值。

具体地，供电电源的电压值大于或等于正常范围的下限值，表明当前的匝数设定值适当，可以返回根据感应电源的电压值和供电电源的电压值，修正匝数设定值（也就是返回步骤S1303）。

S1310、在供电电源的电压值小于正常范围的下限值的情况下，判断本次控制时长是否超出预设时间。

具体地，供电电源的电压值小于正常范围的下限值表明当前的匝数设定值偏大，需要减小等效匝数，此时可以判断本次控制时长是否超出预设时间，根据判断结果再去确定是否减小等效匝数。

S1311、在本次控制时长超出预设时间的情况下，返回根据一次侧线路的电流值与预设电流区间的相对关系，确定匝数设定值。

具体地，因为一次侧电流也是实时变化的，本次控制时长超出预设时间，则表示一次侧线路可能发生了足够大的变化，所以需要重新返回根据一次侧线路的电流值与预设电流区间的相对关系，确定匝数设定值（也就是返回步骤S1302）。预设时间可以根据一次侧线路的历史数据来确定，示例性地，预设时间可以等于20ms。

S1312、在本次控制时长未超出预设时间的情况下，减少匝数设定值的数值，并返回将电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数调整为匝数设定值。

具体地，本次控制时长未超出预设时间，则可以减小等效匝数，以为后级用电设备输出足够的功率。

本发明实施例提供的电磁感应取能装置及其控制方法，电磁感应取能装置包括环形磁芯、二次侧感应模块、整流模块和控制模块。环形磁芯套接于一次侧线路上。二次侧感应模块中的线圈绕制于环形磁芯上。整流模块的第一输入端与二次侧感应模块的第一端连接，其第二输入端与二次侧感应模块的第二端连接，输出端与用电设备连接，整流模块用于对二次侧感应模块产生的感应电源实施整流操作，生成供电电源。控制模块根据一次侧线路的电流值、感应电源的电压值和供电电源的电压值中的至少一个，调整二次侧感应模块的两端之间的等效匝数，实现了对电磁感应取能装置的控制，采用调整二次侧等效匝数的方式降低一次侧线路对输出供电电源的影响，提高了电磁感应取能装置的稳定性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种电磁感应取能装置，其特征在于，包括：环形磁芯、二次侧感应模块、整流模块和控制模块；

所述环形磁芯套接于一次侧线路上；

所述二次侧感应模块包括第一端和第二端，所述二次侧感应模块中的线圈绕制于所述环形磁芯上；

所述整流模块包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端与所述二次侧感应模块的所述第一端连接，所述第二输入端与所述二次侧感应模块的所述第二端连接，所述输出端与用电设备连接，所述整流模块用于对所述二次侧感应模块产生的感应电源实施整流操作，生成供电电源；

所述控制模块分别与所述一次侧线路、所述二次侧感应模块和所述整流模块的输出端连接，用于根据所述一次侧线路的电流值、所述感应电源的电压值和所述供电电源的电压值中的至少一个，调整所述二次侧感应模块的两端之间的等效匝数。

2.根据权利要求1所述的电磁感应取能装置，其特征在于，所述二次侧感应模块还包括：M个首尾依次排列的二次侧线圈、与前M-1个所述二次侧线圈一一对应的选择继电器、一个第一开关继电器和与中间M-2个所述二次侧线圈一一对应的第二开关继电器；其中，M为大于2的整数；

所述第一开关继电器的一端与第一个所述二次侧线圈的同名端连接；所述第一开关继电器的另一端与第M个所述二次侧线圈的同名端连接，还经所述第二开关继电器与所述第二开关继电器对应的所述二次侧线圈的同名端连接；所述选择继电器的公共端与其对应的所述二次侧线圈的异名端连接，所述选择继电器的第一选择端与所述二次侧感应模块的第二端连接，所述选择继电器的第二选择端与其对应的所述二次侧线圈的下一所述二次侧线圈的同名端连接；所述第一个所述二次侧线圈的同名端与所述二次侧感应模块的所述第一端连接，所述第M个所述二次侧线圈的异名端与所述二次侧感应模块的所述第二端连接；

所述控制模块分别与所述选择继电器、所述第一开关继电器和所述第二开关继电器连接，用于根据所述一次侧线路的电流值、所述感应电源的电压值和所述供电电源的电压值中的至少一个，控制所述选择继电器、所述第一开关继电器和所述第二开关继电器的状态，以调整所述二次侧感应模块的两端之间的等效匝数。

3.根据权利要求2所述的电磁感应取能装置，其特征在于，各个所述二次侧线圈的匝数相等，均等于N，其中，N为大于1的整数。

4.根据权利要求2所述的电磁感应取能装置，其特征在于，各个所述二次侧线圈的匝数不全相等。

5.根据权利要求1-4任一所述的电磁感应取能装置，其特征在于，还包括开关模块，所述开关模块分别与所述二次侧感应模块的所述第一端和所述第二端连接；

所述控制模块还与所述开关模块连接，用于根据所述感应电源的电压值和所述供电电源的电压值中的至少一个，控制所述开关模块的通断状态。

6.根据权利要求5所述的电磁感应取能装置，其特征在于，所述整流模块还包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述输出端包括第一输出端和第二输出端；所述第一二极管连接于所述第一输入端与所述第二输出端之间，所述第二二极管连接于所述第二输入端和所述第二输出端之间，所述第三二极管连接于所述第一输入端和所述第一输出端之间，所述第四二极管连接于所述第二输入端和所述第一输出端之间；

所述开关模块包括第一开关管和第二开关管，所述第一开关管与所述第一二极管并联，所述第二开关管与所述第二二极管并联。

7.根据权利要求1所述的电磁感应取能装置，其特征在于，还包括滤波模块，所述滤波模块设置于所述整流模块的输出端与用电设备之间，用于对所述供电电源进行滤波处理。

8.一种电磁感应取能装置的控制方法，其特征在于，由权利要求1所述的电磁感应取能装置中的控制模块来实施，所述电磁感应取能装置的控制方法包括：

在一次侧线路通电之前，将电磁感应取能装置调整至初始状态，其中，所述初始状态下的所述电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数最少；

根据所述一次侧线路的电流值与预设电流区间的相对关系，确定匝数设定值；

根据感应电源的电压值和供电电源的电压值，修正所述匝数设定值；

将所述电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数，调整为所述匝数设定值；

根据所述供电电源的电压值和本次控制时长，再次调整所述电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数。

9.根据权利要求8所述的电磁感应取能装置的控制方法，其特征在于，所述初始状态下，第一开关管和第二开关管保持关断；

将所述电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数，调整为所述匝数设定值之后，还包括：

在所述等效匝数等于最大匝数的情况下，判断感应电源的电压值或供电电源的电压值是否超出正常范围的上限值；

在感应电源的电压值或供电电源的电压值超出正常范围的上限值的情况下，控制所述第一开关管和所述第二开关管导通；

在所述供电电源的电压值恢复至正常范围的下限值以下的情况下，控制所述第一开关管和所述第二开关管恢复关断。

10.根据权利要求8所述的电磁感应取能装置的控制方法，其特征在于，根据所述供电电源的电压值和本次控制时长，再次调整所述电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数，包括：

判断所述供电电源的电压值是否小于正常范围的下限值；

在所述供电电源的电压值大于或等于正常范围的下限值的情况下，返回根据感应电源的电压值和供电电源的电压值，修正所述匝数设定值；

在所述供电电源的电压值小于正常范围的下限值的情况下，判断所述本次控制时长是否超出预设时间；

在所述本次控制时长超出所述预设时间的情况下，返回根据一次侧线路的电流值与预设电流区间的相对关系，确定匝数设定值；

在所述本次控制时长未超出所述预设时间的情况下，减少所述匝数设定值的数值，并返回将所述电磁感应取能装置的二次侧感应模块的等效匝数调整为所述匝数设定值。