CN102437657A - 多线圈的电线能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多线圈的电线能量采集器，它由2个或2个以上的感应换能器、电源管理电路和蓄能元件组成；感应换能器套接在输电线外，各个感应换能器的输出端以串联或并联的方式连接后输入至电源管理电路的输入端，电源管理电路对感应换能器的输出进行调谐、整流、稳压并控制蓄能元件的充、放电动作；本发明的有益技术效果是：通过改变感应换能器的数量，来控制能量采集器转化的能量总量；通过调整多个感应器输出的连接方式，来调整换能输出的电流和电压增益；换能器无需接入输电线，结构简单、设置方便、检修、维护方便，输出参数的可调节性好。

Description

多线圈的电线能量采集器

技术领域

本发明涉及一种为低功耗电子监测装置提供能量的装置，尤其涉及一种多线圈的电线能量采集器。

背景技术

能量采集器可以采集周围环境中的光能、热能、电磁能、机械能等各种形式的能量并将其转换成电能，从而成为一种可自我维持的新型电源。

随着科学技术逐渐发展，用电设备已经深入人们生活的各个角落，并且种类越来越繁多，用电需求也呈逐年增加的趋势，因此，供电设备以及用电环境的安全也越来越受到人们的重视,对输/供电线状态的监测需求十分迫切；而电子监测装置的电源问题是电力线/网监测技术发展和应用面临的关键问题之一，采集电力线/网环境中的电磁能为电子监测装置提供电源，是一种可行的技术思路。

采集交流电线周围的电磁能，使用线圈是最有效可行的方法之一。线圈式的电流互感器在电流测量方面有广泛的应用，除了用作电流测试之外，电流互感器也可用于能量采集的换能器。但是用作能量采集时，互感器的负载不再像用作电流测量时的负载那样小到可以基本忽略不计，由于充电过程中，换能器的负载阻抗呈现出时变特性，充电满时互感器的输出端近似开路。而且电流互感器在用作能量采集器时，需要电流互感器有较高的输出电压，才能驱动后端的调谐、整流、稳压等电源管理电路为蓄能元件充电。

对于确定尺寸和材料的磁芯，换能输出的电流增益随着线圈匝数的减小而增加，输出的电压增益随着匝数的增加而增大，所以一旦线圈的匝数选定后，换能输出的电流增益和电压增益的乘积基本为一确定值。电流互感器在用作能量采集的换能器时，往往需要电流互感器有较大的输出电流，如果只通过匝数来调整输出电流、电压增益，就可能会在保持了要求的电流增益时，输出电压较低，导致无法驱动后端的整流、稳压、充电等电源管理电路；反过来如果保持了较高的输出电压增益，则输出电流低，通过电源管理电路对蓄能元件的充电时间会很长。在给定线圈匝数时，通过磁芯的磁通面面积改变，也可以调整换能器的输出电流增益和电压增益——改变磁通面面积，如果负载近似为零时，输出电流增益基本不变，输出电压增益变化，而负载不能近似为零时，输出电流和电压增益都会变化，且变化情况除了与负载、线圈的阻抗有关之外，还和磁芯特性有关，导致设计中的参数计算复杂，而且不便于调整。

中国专利CN201110172803.1中，多个电流互感器的原边被串联接在220V交流电线上进行能量采集，每个互感器的输出和一路电源管理电路相连，事实上，这个方案只有在单个电流互感器的电流和电压输出足够驱动后端电路时才有效；同时该专利的方案中，需要将电流互感器接入交流电线，既增加了装置设置的难度又在安装时破坏了输/供电线路的完整性。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种多线圈的电线能量采集器，它由2个或2个以上带磁芯的线圈式感应换能器结合电源管理电路和蓄能元件组成；感应换能器套接在输电线外，各个感应换能器的输出端以串联或并联的方式连接后输入至电源管理电路，电源管理电路实现对感应换能器的输出进行调谐、整流、稳压并控制蓄能元件的充、放电动作。

单个换能器的结构由“C”形磁芯、线圈和磁闭合装置组成；线圈缠绕在“C”形磁芯上，各个感应换能器上的线圈的输出端以串联或并联的方式连接后与电源管理电路的输入端相连；输电线从“C”形磁芯上的缺口处套入“C”形磁芯内；磁闭合装置连接在“C”形磁芯上缺口处位置，磁闭合装置闭合后，“C”形磁芯和磁闭合装置组成的结构体形成封闭的磁回路；输/供电交流电线作为感应换能器的原边，线圈形成感应换能器的次级，电线周围的交变磁场被由“C”形磁芯和磁闭合装置组成的闭合磁路汇聚并在线圈上感应出电输出。

本发明的有益技术效果是：通过改变感应换能器的数量，来控制能量采集器转化的能量总量；通过调整多个感应器输出的连接方式，来调整换能输出的电流和电压增益：串联时，换能器的总输出电流增益保持为单个换能器的输出电流增益，输出电压增益随串联的感应器个数增多而增大，并联时：换能器的总输出电压增益保持单个换能器的输出电压增益基本不变，输出电流增益随并联的感应器个数增多而增大；换能器无需接入输电线，结构简单、设置方便、检修、维护方便，输出参数的可调节性好。

附图说明

图1、本发明的结构示意图一（图中标记1所示为交流电线）；

图2、本发明的结构示意图二；

图3、串联方式连接时，本发明的电气原理图；

图4、并联方式连接时，本发明的电气原理图；

图5、在1Arms电线电流下，分别由N=1和N=2的1000匝线圈组成的电线能量采集器对50V470mF电容进行充电的结果；

图6、在1Arms电线电流下，分别由N=1和N=2的3000匝线圈组成的电线能量采集器对50V470mF电容进行充电的结果。

具体实施方式

本发明的方案为：一种多线圈的电线能量采集器，它由2个或2个以上的感应换能器2、电源管理电路和蓄能元件组成；感应换能器2套接在输电线外，各个感应换能器2的输出端以串联或并联的方式连接后输入至电源管理电路，电源管理电路实现对感应换能器2的输出进行调谐、整流、稳压并控制蓄能元件的充、放电动作；

单个感应换能器2的结构由“C”形磁芯2-1、线圈2-2和磁闭合装置2-3组成；线圈2-2缠绕在“C”形磁芯2-1外，各个感应换能器2上的线圈2-2的输出端以串联或并联的方式连接后与电源管理电路的输入端相连；输电线从“C”形磁芯2-1上的缺口处套入“C”形磁芯2-1内；磁闭合装置2-3连接在“C”形磁芯2-1上缺口处位置，磁闭合装置2-3闭合后，“C”形磁芯2-1和磁闭合装置2-3组成的结构体形成封闭的磁回路，同时，磁闭合装置2-3还起到了防止输电线从“C”形磁芯2-1内脱出的作用；

交流输/供电线作为感应换能器2的原边，线圈2-2形成感应换能器2的次级，电线周围的交变磁场被由“C”形磁芯2-1和磁闭合装置2-3组成的闭合磁路汇聚并在线圈2-2上感应出电输出。

与现有技术相比本发明的创新之处有两点：1）感应换能器2数量为多个，多个感应换能器2可根据需要选择并联或串联的连接方式，组合方式灵活多变，可根据不同的设备需要灵活调整参数。例如：每个感应换能器的匝数可以设计为较小，以增大感应电流输出，通过串联的感应换能器的个数增加来提高换能输出的电压。或者，每个感应换能器的匝数可以设计为较大，以增大感应电压输出，通过并联的感应换能器的个数增加来提高换能输出的电流。

不同匝数的感应换能器2的充电差异，以及多个线圈的输出端串、并联后的充电效果可由如下分析来说明：1个1000匝线圈的感应换能器2（其充电效果由图5中实线所示）、两个1000匝线圈的感应换能器2串联（其充电效果由图5中虚线所示）、1个3000匝线圈的感应换能器2（其充电效果由图6中实线所示）以及2个3000匝线圈的感应换能器2（其充电效果由图6中虚线所示）并联时的充电效果分别由图5和图6示出。充电结果表明，线圈2-2匝数越小，充电时间越快，但电容上可充得的最大电压随之减小；多个线圈2-2以串联方式进行输出能够成倍增大电容上可充得的最大电压；多个线圈2-2以并联方式进行输出能够减少充电时间。所以在实际使用中，只有采用小匝数线圈2-2以串联方式输出、大匝数线圈2-2以并联方式输出才能达到较好的输出效果，从而保证感应换能器2输出的电流和电压数值同时都满足要求，从而在较大电流范围内均能够驱动后端负载。

2）本发明的装置无需接入输电线，保护了输/供电线路的完整性，也减少了安装设备时的难度。

Claims (1)

1.一种多线圈的电线能量采集器，其特征在于：它由2个或2个以上的感应换能器（2）、电源管理电路和蓄能元件组成；感应换能器（2）套接在输电线外，各个感应换能器（2）的输出端以串联或并联的方式连接后输入至电源管理电路的输入端，电源管理电路对感应换能器（2）的输出进行调谐、整流、稳压并控制蓄能元件的充、放电动作；

单个感应换能器（2）的结构由“C”形磁芯（2-1）、线圈（2-2）和磁闭合装置（2-3）组成；线圈（2-2）缠绕在“C”形磁芯（2-1）上，各个感应换能器（2）上的线圈（2-2）的输出端以串联或并联的方式连接后与电源管理电路的输入端相连；输电线从“C”形磁芯（2-1）的缺口处套入“C”形磁芯（2-1）内；磁闭合装置（2-3）连接在“C”形磁芯（2-1）缺口处位置，磁闭合装置（2-3）闭合后，“C”形磁芯（2-1）和磁闭合装置（2-3）组成的结构体形成封闭的磁回路；

交流输/供电线作为感应换能器（2）的原边，线圈（2-2）形成感应换能器（2）的次级，电线周围的交变磁场被由“C”形磁芯（2-1）和磁闭合装置（2-3）组成的闭合磁路汇聚并在线圈（2-2）上感应出电输出。

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