一種適應寬動態(tài)范圍母線電流工作的耦合取能電源的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及耦合取能電源相關技術領域，是一種適應寬動態(tài)范圍母線電流工作的耦合取能電源，其包括耦合取能單元、取能線圈切換控制單元和電壓調整單元；耦合取能單元包括能夠套裝在電力母線上的鐵芯和均勻地繞置在其上且?guī)в兄虚g抽頭的取能線圈，取能線圈切換控制單元可實時監(jiān)測電壓調整單元輸出電壓，自動平穩(wěn)地切換取能線圈的匝數。本實用新型結構合理而緊湊，取能效率較高，能夠根據母線電流動態(tài)調整取能線圈接入電路的匝數，解決了現有技術中耦合取能電源存在的工作電流范圍較窄、取能效率較低、取能線圈匝數切換時繼電器頻繁往復跳動等問題。
【專利說明】
-種適應寬動態(tài)范圍母線電流工作的輔合取能電源
技術領域
[0001] 本實用新型設及禪合取能電源相關技術領域，特別是一種適應寬動態(tài)范圍母線電 流工作的禪合取能電源，主要應用于交流母線上監(jiān)測裝置的電源供給。
【背景技術】
[0002] 禪合取能電源是通過在電力母線上套裝可開啟式的良磁導體，利用電磁感應原理 從母線電流在其周圍產生的交變磁場中截獲能量，再經整流、濾波、電壓變換得到負載所需 電源。禪合取能電源的優(yōu)點是電源結構簡單、成本低廉，面臨的困難是適應母線電流變化的 動態(tài)范圍不足，特別是電源的熱耗隨母線電流增大而增大，難W適應母線電流大的情況。
[0003] 為提高禪合取能電源工作電流的上限值，主要有兩種:一是通過穩(wěn)壓式，反饋控制 式和斬波控制式控制電路等通過電子器件泄能的方式來降低電源的熱耗，由于不能改變取 能線圈應數，使電源輸入能量不變，熱耗始終隨母線電流增大而增大，無法兼顧電流動態(tài)范 圍的下限和上限，導致電流互感取能電源工作電流范圍較窄；二是通過控制取能線圈變比 降低電源熱耗的方法，采用傳感線圈檢測次級電流，并通過控制繼電器的開合實現取能線 圈變比的切換，使次級電流始終保持在預先設定的范圍內，但該方式不僅增加控制鐵忍、傳 感線圈和較復雜的控制電路，功耗較大，降低了取能效率，無法降低啟動電流下限，而且對 取能線圈的切換控制的可靠性要求較高，設計不當容易導致繼電器頻繁動作。

【發(fā)明內容】

[0004] 本實用新型的目的是，針對現有技術中禪合取能電源存在的工作電流范圍較窄、 取能效率較低、取能線圈應數切換時繼電器頻繁往復跳動等問題，提出一種適應寬動態(tài)范 圍母線電流工作的禪合取能電源，其結構合理而緊湊，取能效率較高，能夠根據母線電流動 態(tài)調整取能線圈接入電路的應數W適應較寬動態(tài)范圍的母線電流。
[0005] 本實用新型的技術方案為：一種適應寬動態(tài)范圍母線電流工作的禪合取能電源， 包括:禪合取能單元、取能線圈切換控制單元和電壓調整單元;禪合取能單元包括能夠套裝 在電力母線上的鐵忍和均勻繞置在其上且?guī)в兄虚g抽頭的取能線圈，中間抽頭位于取能線 圈的總線圈的中部并形成分線圈；禪合取能單元與取能線圈切換控制單元連接，取能線圈 切換控制單元與電壓調整單元連接;取能線圈切換控制單元包括保護電阻、第一分壓電阻、 電阻值可調節(jié)的第二分壓電阻、限流電阻、ΝΡΝΞ極管、穩(wěn)壓電容、Ξ端可調分流基準源、繼 電器、光禪器件、上拉電阻和續(xù)流二極管;保護電阻的一端分別與輸入電源連接和第一分壓 電阻連接，保護電阻的另一端分別與繼電器和續(xù)流二極管的負極端連接，第一分壓電阻的 另一端與第二分壓電阻連接，第二分壓電阻與穩(wěn)壓電容并聯(lián)，穩(wěn)壓電容的負極端接模擬地， Ξ端可調分流基準源的集電極和發(fā)射極與穩(wěn)壓電容的兩端并聯(lián)，Ξ端可調分流基準源的基 極與限流電阻的一端連接，限流電阻的另一端與ΝΡΝΞ極管的基極連接，ΝΡΝΞ極管的集電 極與穩(wěn)壓電容的正極連接，ΝΡΝΞ極管的發(fā)射極與第二分壓電阻的電阻調節(jié)端連接，光禪器 件的輸入端負極端與Ξ端可調分流基準源的基極連接，光禪器件的輸入端正極端與續(xù)流二 極管的正極端和繼電器連接并接數字地，光禪器件的輸出端的正極端與上拉電阻的一端連 接，上拉電阻的另一端與外部電源連接。
[0006] 下面是對本實用新型技術方案的進一步優(yōu)化或/和改進：
[0007] 上述取能線圈的總線圈應數為使禪合取能電源輸出功率最大時的應數，分線圈應 數為總線圈應數的0.2~0.5倍。
[0008] 上述取能線圈切換控制單元可實時監(jiān)測電壓調整單元輸出電壓，母線電流較小 時，電壓調整單元的輸出電壓小于取能線圈切換控制單元電壓設定值，取能線圈的總線圈 接入電路，母線電流較大時，電壓調整單元的輸出電壓大于取能線圈切換控制單元電壓設 定值，繼電器動作，取能線圈的分線圈接入電路。
[0009] 上述電壓調整單元包括沖擊保護電路、整流濾波電路、過壓保護電路和DC/DC模 塊，整流濾波電路的輸入端與沖擊保護電路的輸出端連接，整流濾波電路的輸出端與過壓 保護電路的輸入端連接，過壓保護電路的輸出端與DC/D對莫塊的輸入端連接。
[0010] 上述沖擊保護電路為雙向瞬態(tài)抑制二極管，雙向瞬態(tài)抑制二極管的一端與取能線 圈總線圈和分線圈的公共端連接，雙向瞬態(tài)抑制二極管的另一端與總線圈的另一端連接。
[0011] 上述DC/DC模塊包括能夠使輸出電壓穩(wěn)定在5伏的降壓開關型集成穩(wěn)壓器忍片 LT3431。
[0012] 上述過壓保護電路的口檻電壓設定值高于取能線圈切換控制單元使繼電器動作 的電壓設定值，當DC/DC模塊輸出電壓超過過壓保護電路的口檻電壓設定值時，過壓保護電 路將后續(xù)電路與DC/D對莫塊斷開。
[0013] 上述Ξ端可調分流基準源為化431，光禪器件為TLP521。
[0014] 上述取能線圈切換控制單元還包括保護二極管，Ξ端可調分流基準源化431的基 極分別與保護二極管的負極端和限流電阻的一端連接，保護二極管的正極端與光禪器件的 負極端連接。
[0015] 本實用新型的優(yōu)點如下：
[0016] (1)采用帶中間抽頭的取能線圈，當輸電線路電流較小時采用總繞組取能，當輸電 線路電流較大時采用分繞組取能，總分繞組應數相差可W很大，且能夠平穩(wěn)切換，因此通過 改變應數能夠適應較寬的動態(tài)電流范圍。
[0017] (2)采用檢測取能線圈經過整流濾波后的直流電壓的電壓檢測法進行繞組的切 換，與采用傳感線圈檢測次級電流實現繞組變比切換相比，電壓檢測法較電流檢測法更加 靈敏，且省去了控制鐵忍和傳感線圈環(huán)節(jié)，有效降低了電壓轉換時的功耗，提高了取能效 率，進一步地降低了電流互感取能電源的最小啟動電流。
[0018] (3)取能線圈切換控制單元采用ΝΡΝΞ極管和Ξ端可調分流基準源，通過控制Ξ極 管的通斷改變分壓電阻比，構成正反饋，解決了現有技術中分壓電阻比為固定值時繼電器 在口檻電壓設定值附近頻繁切換使電壓調整單元輸出電壓極不穩(wěn)定的技術難題。
【附圖說明】
[0019] 圖1是禪合取能電源的結構框圖。
[0020] 圖2是取能線圈切換控制單元電路圖。
[0021] 圖3是過壓保護電路圖。
[0022] 圖4是DC/DC模塊電路圖。
[0023] 圖5是實施例二取能線圈切換控制單元電路圖。
[0024] 附圖中的編碼分別為：1為禪合取能單元，2為取能線圈切換控制單元，201為繼電 器控制電路，202為繼電器，3為電壓調整單元，R0為限流電阻，Q0為ΝΡΝΞ極管，R1為保護電 阻，R2為第一分壓電阻，R3為第二分壓電阻，C1為穩(wěn)壓電容，TL431為Ξ端可調分流基準源， 化P521為光禪器件，R4為上拉電阻，D1為續(xù)流二極管，Vin為第一輸入電源，VCC為外部電源， Q1為開關管，Vinl為第二輸入電源，D2為二極管，C2為輸入穩(wěn)壓電容，R5為限流電阻，D3為 齊納二極管，C3為儲能電容，R6為第Ξ分壓電阻，R7為第四分壓電阻，C4為輸出穩(wěn)壓電容， JGND為模擬地，GND為數字地，MAX6495為過壓保護忍片，LT3431為降壓開關型集成穩(wěn)壓器忍 片，D4保護二極管。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖和實施例對本實用新型做進一步詳細的說明。
[0026] 實施例一
[0027] 如圖1所示為禪合取能電源的結構框圖。禪合取能電源包括禪合取能單元1，取能 線圈切換控制單元2和電壓調整單元3,其中，電壓調整單元3包括沖擊保護電路、整流濾波 電路、過壓保護電路和DC/D對莫塊。禪合取能單元1的鐵忍套裝在電力母線上，帶中間抽頭的 取能線圈均勻地繞置于鐵忍上，根據電磁感應原理，取能線圈感應出交流電動勢，當交流電 動勢出現過電壓時沖擊保護電路的雙向瞬態(tài)抑制二極管將兩極的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸?浪涌功率，使兩極間的電壓巧位于一個預定值，防止受到過大的瞬時電壓破壞或干擾擊穿， 保護后續(xù)電路;整流濾波電路將禪合取能單元1感應輸出的交流電動勢轉換為直流電壓，進 一步地調整為在線監(jiān)測設備所需的直流電壓。取能線圈切換控制單元2可W根據禪合取能 單元1輸出能量的大小調整取能線圈應數，當母線電流較小時，電壓調整單元的輸出電壓小 于取能線圈切換控制單元的電壓設定值，取能線圈的總線圈接入電路；當母線電流較大時， 電壓調整單元的輸出電壓大于取能線圈切換控制單元的電壓設定值，繼電器動作，取能線 圈的分線圈接入電路。
[0028] 進一步地，整流濾波電路采用橋式整流濾波電路，將取能線圈感應的交流電壓整 流成直流電壓，當過壓保護電路檢測到其輸入電壓大于設定值時，斷開后續(xù)電路，用于保護 后續(xù)電路免受瞬間過電壓的破壞，DC/DC模塊采用降壓型電壓轉換器件，將直流電壓調整為 在線監(jiān)測設備所需的直流電壓。
[0029] 如圖2所示是取能線圈繞組切換控制單元電路圖。取能線圈切換控制單元2由繼電 器控制電路201和繼電器202兩部分組成，繼電器控制電路201的輸入端與過壓保護電路的 輸出端連接，其輸出端與繼電器202的輸入端連接用于控制繼電器202的開斷;繼電器202的 輸入端還與取能線圈連接，用于自動調整其繞組的應數，其輸出端與沖擊保護電路連接。在 本實施例中，繼電器控制電路201包括限流電阻R0、ΝΡΝΞ極管Q0、保護電阻R1、第一分壓電 阻R2、第二分壓電阻R3、穩(wěn)壓電容C1、S端可調分流基準源化431、光禪器件化Ρ521、上拉電 阻R4和續(xù)流二極管D1。保護電阻R1的一端分別與輸入電源Vin連接和第一分壓電阻R2連接， 保護電阻R1的另一端分別與繼電器202和續(xù)流二極管D1的負極端連接，第一分壓電阻R2的 另一端與第二分壓電阻R3連接，第二分壓電阻R3與穩(wěn)壓電容C1并聯(lián)，穩(wěn)壓電容C1的負極端 接模擬地JGND，S端可調分流基準源化431的集電極和發(fā)射極與穩(wěn)壓電容Cl的兩端電并聯(lián)， Ξ端可調分流基準源化431的基極與限流電阻R0的一端連接，限流電阻R0的另一端與ΝΡΝΞ 極管的基極連接，ΝΡΝΞ極管的集電極與穩(wěn)壓電容C1的正極連接，ΝΡΝΞ極管的發(fā)射極與第 二分壓電阻R3的電阻調節(jié)端連接，光禪器件TLP521的輸入端負極端與Ξ端可調分流基準源 TL431的基極連接，光禪器件化P521的輸入端正極端與續(xù)流二極管D1的正極端和繼電器202 連接，光禪器件TLP521的輸出端的負極端接數字地GND，光禪器件TLP521的輸出端的正極端 與上拉電阻R4的一端連接，上拉電阻R4的另一端與外部電源VCC連接。輸入電壓Vin經第一 分壓電阻R2、第二分壓電阻R3分壓，用于獲取基準參考電壓，穩(wěn)壓電容C1濾除直流電壓中的 交流分量，保護電阻R1用于保護繼電器，防止流過繼電器電流過大，上拉電阻R4將光禪器件 TLP521電壓上拉至VCC。
[0030] 該電路的工作原理為：當Ξ端可調分流基準源化431集電極輸入電壓小于2.5V時， 內部Ξ極管處于截止狀態(tài)，輸出高電平，ΝΡΝΞ極管導通，電阻分壓比為R31/(R3+R2)(定義 第二分壓電阻R3電阻調節(jié)端至下部電阻值為R31，電阻調節(jié)端至上部電阻值為R32,則R3= R31+R32)，光禪器件化P521截止，繼電器不動作；當Ξ端可調分流基準源化431集電極輸入 電壓大于2.5V時，Ξ端可調分流基準源化431被擊穿，內部Ξ極管處于導通狀態(tài)，輸出低電 平，ΝΡΝΞ極管關斷，電阻分壓比增加至R3AR3+R2)，確保Ξ端可調分流基準源化431處于擊 穿狀態(tài)，光禪器件化P521導通，驅動繼電器202動作，續(xù)流二極管D1用于吸收繼電器線圈的 反電勢。由于該在繼電器202動作前后，電阻分壓比改變形成正反饋，大大提高了取能線圈 應數切換的可靠性，解決了目前輸入電源Vin電壓在繼電器動作電壓設定臨界點附近時因 禪合取能電源帶負載或電流波動使輸入電壓Vin電壓波動從而使繼電器頻繁往復切換的問 題。
[0031] 進一步地，Ξ端可調分流基準源化431及光禪器件化P521均可W采用其他符合要 求的同系列元器件替代。
[0032] 如圖3所示是過壓保護電路圖。在本實施例中，過壓保護電路二極管D2、輸入穩(wěn)壓 電容C2、限流電阻R5、齊納二極管D3、儲能電容C3、N溝道M0SFET開關管Q1、第Ξ分壓電阻R6、 第四分壓電阻R7、輸出穩(wěn)壓電容C4和MAX6495構成。限流電阻R5、齊納二極管D3用于對輸入 電壓進行巧位，儲能電容C3選用至少luF的陶瓷電容，為MAX6495內部電路工作提供能量，第 Ξ分壓電阻R6、第四分壓電阻R7用于設置過壓保護口檻電壓，該口檻電壓值應高于取能線 圈切換控制單元繼電器切換時的電壓設定值，根據口檻電壓大小控制開關管Q1的通斷，當 電壓超過口檻電壓時，拉低M0SFET的柵極，M0SFET關斷，將負載與輸入電源斷開。
[0033] 如圖4所示是DC/DC模塊電路圖。為適應較寬動態(tài)范圍的輸電線路電流，在本實施 例中，DC/D對莫塊選用寬電壓范圍輸入的降壓開關型集成穩(wěn)壓器LT3431，將過壓保護電路輸 出的直流電壓轉換為在線監(jiān)測設備所需的直流電壓，其輸入電壓最高可達60V，最大輸出電 流3A，外圍器件簡單，效率高，能夠滿足負載功率在15WW內的功率需求。
[0034] 進一步地，可W使用降壓線性集成穩(wěn)壓器或其他可滿足電壓要求的穩(wěn)壓電路忍 片。
[00對實施例二
[0036]如圖5所示是本實施例取能線圈繞組切換控制單元電路圖。與實施例一不同的地 方為在Ξ端可調分流基準源化431的基極和光禪器件化P521增加一保護二極管D4，S端可 調分流基準源化431的基極和限流電阻R5的公共端與保護二極管D4的負極端連接，保護二 極管D4的正極端與光禪器件化P521的負極端連接。利用保護二極管D4的單向導電性，對光 禪器件進行保護，防止Ξ端可調分流基準源化431因過電壓損壞輸出電壓過高而使光禪器 件TLP521反向擊穿，燒毀光禪器件TLP521。
[0037] 實施 S
[0038] 具體地，根據W下實施例對本實用新型進行進一步地說明其優(yōu)點和工程應用價 值。將實施例二所公開的技術方案應用于輸電線路在線監(jiān)測中，在線監(jiān)測設備負載功耗為 1.8W，為便于輸電導線的安裝、拆卸及繞線方便，環(huán)形鐵忍切割采用半圓對稱線切割的方 式，取能線圈的總繞組應數為60應，分繞組應數為20應，取能線圈均采用直徑為0.3mm的銅 漆包線。取能線圈切換控制電路實驗測試結果如表1所示。
[0039] 表1.整流濾波電路輸出電壓及取能線圈繞組與試驗電流關系表
[0040]
[0041] ~當試驗電流上升至98A時鐵忍磁化曲
線已經進入飽和區(qū)域，此時取能線圈A-C接入' 電路，當試驗電流上升至110A時取能線圈切換控制電路繼電器動作，取能線圈切換至B-C接 入電路；當試驗電流上升至122A時開始降低試驗電流，當試驗電流下降至110A和108A時取 能線圈切換控制電路繼電器未動作，當試驗電流下降至82A時，取能線圈切換控制電路繼電 器動作，取能線圈B-C切換至A-C接入電路。該電路有效解決了輸電導線電流波動導致繼電 器誤切換的問題，提高了電路的抗干擾性。
[0042] W上技術特征構成了本實用新型的最佳實施例，其具有較強的適應性和最佳實施 效果，可根據實際需要增減非必要的技術特征，來滿足不同情況的需求，例如將取能線圈分 成Ξ組及W上，或者將電路中電子元器件用其他通用型號替代，運些都屬于本實用新型的 保護范圍。因此，本實用新型專利的保護范圍應W所附權利要求為準。
【主權項】
1. 一種適應寬動態(tài)范圍母線電流工作的親合取能電源，包括:親合取能單元、取能線圈 切換控制單元和電壓調整單元;耦合取能單元包括能夠套裝在電力母線上的鐵芯和均勻繞 置在其上且?guī)в兄虚g抽頭的取能線圈，中間抽頭位于取能線圈的總線圈的中部并形成分線 圈；親合取能單元與取能線圈切換控制單元連接，取能線圈切換控制單元與電壓調整單元 連接;其特征在于:取能線圈切換控制單元包括保護電阻、第一分壓電阻、電阻值可調節(jié)的 第二分壓電阻、限流電阻、NPN三極管、穩(wěn)壓電容、三端可調分流基準源、繼電器、光耦器件、 上拉電阻、續(xù)流二極管和保護二極管;保護電阻的一端分別與輸入電源連接和第一分壓電 阻連接，保護電阻的另一端分別與繼電器和續(xù)流二極管的負極端連接，第一分壓電阻的另 一端與第二分壓電阻連接，第二分壓電阻與穩(wěn)壓電容并聯(lián)，穩(wěn)壓電容的負極端接模擬地，三 端可調分流基準源的集電極和發(fā)射極與穩(wěn)壓電容的兩端并聯(lián)，三端可調分流基準源的基極 分別與限流電阻的一端和保護二極管的負極端連接，限流電阻的另一端與NPN三極管的基 極連接，NPN三極管的集電極與穩(wěn)壓電容的正極連接，NPN三極管的發(fā)射極與第二分壓電阻 的電阻調節(jié)端連接，光耦器件的輸入端負極端與保護二極管的正極端連接，光耦器件的輸 入端正極端與續(xù)流二極管的正極端和繼電器連接并接數字地，光耦器件的輸出端的正極端 與上拉電阻的一端連接，上拉電阻的另一端與外部電源連接。2. 根據權利要求1所述的適應寬動態(tài)范圍母線電流工作的耦合取能電源，其特征在于， 取能線圈的總線圈匝數為使耦合取能電源輸出功率最大時的匝數，分線圈匝數為總線圈匝 數的0.2~0.5倍。3. 根據權利要求1所述的適應寬動態(tài)范圍母線電流工作的耦合取能電源，其特征在于， 電壓調整單元包括沖擊保護電路、整流濾波電路、過壓保護電路和DC/DC模塊，整流濾波電 路的輸入端與沖擊保護電路的輸出端連接，整流濾波電路的輸出端與過壓保護電路的輸入 端連接，過壓保護電路的輸出端與DC/DC模塊的輸入端連接。4. 根據權利要求3所述的適應寬動態(tài)范圍母線電流工作的耦合取能電源，其特征在于， 沖擊保護電路為雙向瞬態(tài)抑制二極管，雙向瞬態(tài)抑制二極管的一端與取能線圈總線圈和分 線圈的公共端連接，雙向瞬態(tài)抑制二極管的另一端與總線圈的另一端連接。5. 根據權利要求3所述的適應寬動態(tài)范圍母線電流工作的耦合取能電源，其特征在于， DC/DC模塊包括能夠使輸出電壓穩(wěn)定在5伏的降壓開關型集成穩(wěn)壓器芯片LT3431。6. 根據權利要求1至5任一所述的適應寬動態(tài)范圍母線電流工作的耦合取能電源，其特 征在于，三端可調分流基準源為TL431，光耦器件為TLP521。
【文檔編號】H02H7/125GK205430069SQ201620162783
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月3日
【發(fā)明人】徐春營, 曹法明, 田雅蕓
【申請人】國網江西省電力公司南昌供電分公司, 國家電網公司