CN104701892B - 一种具有耦合、测量功能的取电电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有耦合、测量功能的取电电路，所述取电电路，包括：一高压电源；取电单元的第一供电端连接所述高压电源，用以从所述高压电源上获取低压电能，所述取电单元的电压输出端连接负载，所述取电单元的第二供电端接地；电容，所述电容的一端同时连接所述高压电源和所述取电单元的供电端；电感，串联于所述电容的另一端与电源地之间；转换单元，连接所述电感的一端且接地，用以获取电压数据；载波发生器，并联于所述电感的两端。通过取电单元可从高压电源上获取低压电能，利用电容获取高频信号，采用电感防止高频载波信号短路，采用转换单元获取高压电源的电压数据，该取电电路具有安装方便以及工作效率高等优点。

Description

一种具有耦合、测量功能的取电电路

技术领域

本发明涉及高压取电领域，尤其涉及一种具有耦合、测量功能的取电电路。

背景技术

从高压电线上获取能量，目前主要有两种方式：电流感应式取电和电压感应式取电。

电流感应取电主要运用电流的磁场感应效应，而在副线圈上感应出电压并输出电流，电流感应方式原理简单，实施较为简易。但输出的电流容易受线路的实际电流影响，输出功率随线路电流的波动大，当线路电流小于一定值，输出功率将非常小。因而，在实际使用中很受限制。而高灵敏度的电流感应式取电装置安装时必须截断电线以便电流取电装置从中穿过，安装繁琐不便。

电压感应式取电，主要运用高压电场获取能量。主要方式为电容分压，但电容分压理论上获取能量很低，结合实际条件，纯电容分压取电，理论取交流功率在5W以下，实际可供使用的直流应在2W以下，因而感应取电产品实用化程度低。

综上所述，现有的从高压电线上获取能量技术存在，输出电流不稳定，安装不便，以及工作效率低等缺点。

发明内容

针对现有的高压取电存在的上述问题，现提供一种旨在实现可输出稳定电流、安装方便且工作效率高的具有耦合、测量功能的取电电路。

具体技术方案如下：

一种具有耦合、测量功能的取电电路，包括：

一高压电源；

一取电单元，所述取电单元的第一供电端连接所述高压电源，用以从所述高压电源上获取低压电能，所述取电单元的电压输出端连接负载，所述取电单元的第二供电端接地，所述取电单元包括：

一变压器，所述变压器的原边的一端形成所述取电单元的第一供电端连接所述高压电源；

一第一开关，所述第一开关的电流输入端连接所述变压器的原边的另一端；

一第二开关，所述第二开关的电流输入端同时连接所述变压器的原边的另一端和所述第一开关的电流输入端；

一储能单元，所述储能单元的电流输入端连接所述第二开关的电流输出端，所述储能单元的电流输出端形成所述取电单元的第二供电端连接所述第一开关的电流输出端且接地，所述储能单元用以存储所述高压电源上的电压；

一磁自饱和控制器，所述变压器的副边为所述磁自饱和控制器供电，所述磁自饱和控制器包括两个控制端，所述磁自饱和控制器的第一控制端连接所述第一开关的控制端，用以控制所述第一开关的导通或关断；所述磁自饱和控制器的第二控制端连接所述第二开关的控制端，用以控制所述第二开关的导通或关断；

一电容，所述电容的一端同时连接所述高压电源和所述取电单元的第一供电端；

一电感，串联于所述电容的另一端与电源地之间；

一转换单元，连接所述电感的一端且接地，用以获取电压数据；

一载波发生器，并联于所述电感的两端。

优选的，所述磁自饱和控制器还包括一监测端和两个采集端；

所述磁自饱和控制器的第一采集端连接所述第一开关的电流输出端，用以采集所述第一开关的输出电流，获取第一采集信号；

所述磁自饱和控制器的第二采集端连接所述第二开关的电流输出端，用以采集所述第二开关的输出电流，获取第二采集信号；

所述磁自饱和控制器的监测端连接所述储能单元的电流输入端，用以监测所述储能单元的输入电压，获取监测信号；

所述磁自饱和控制器根据所述第一采集信号、所述第二采集信号和所述监测信号控制所述第一开关的导通或关断，以及所述第二开关的导通或关断。

优选的，还包括：

一DC/DC转换单元，串联于所述取电单元与所述负载之间。

优选的，所述电容采用陶瓷电容。

优选的，所述陶瓷电容的电容容量范围在：3.3nF至10nF之间。

优选的，所述电感采用阻波电感。

优选的，所述阻波电感的额定电流为0.2A，电感量为4.7mH。

优选的，还包括：

显示单元，连接所述转换单元，用以对所述电压数据进行显示。

优选的，所述第一开关采用三极管，所述三极管的基极形成所述第一开关的控制端，所述三极管的集电极形成所述第一开关的电流输入端，所述三极管的发射极形成所述第一开关的电流输出端。

优选的，所述第二开关采用三极管，所述三极管的基极形成所述第二开关的控制端，所述三极管的集电极形成所述第二开关的电流输入端，所述三极管的发射极形成所述第二开关的电流输出端。

上述技术方案的有益效果：

本技术方案通过取电单元可从高压电源上获取低压电能，采用DC/DC转换单元可将获取的电压能量转换为稳定电压的直流输出，利用电容获取高频信号，采用电感防止高频载波信号短路，采用转换单元获取高压电源的电压数据，该取电电路具有安装方便以及工作效率高等优点。

附图说明

图1为本发明所述具有耦合、测量功能的取电电路的一实施例的电路图；

图2为本发明所述取电单元的一实施例的电路图。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1和图2所示，一种具有耦合、测量功能的取电电路，包括：

一高压电源HV；

一取电单元，取电单元的第一供电端连接高压电源HV，用以从高压电源HV上获取低压电能，取电单元的电压输出端连接负载，取电单元的第二供电端接地，取电单元包括：

一变压器T1，变压器T1的原边的一端连接高压电源HV；

一第一开关K1，第一开关K1的电流输入端连接变压器T1的原边的另一端；

一第二开关K2，第二开关K2的电流输入端同时连接变压器T1的原边的另一端和第一开关K1的电流输入端；

一储能单元，储能单元的电流输入端连接第二开关K2的电流输出端，储能单元的电流输出端连接第一开关K1的电流输出端且接地，储能单元用以存储高压电源HV上的电压；

一磁自饱和控制器，变压器T1的副边为磁自饱和控制器供电，磁自饱和控制器包括两个控制端，磁自饱和控制器的第一控制端连接第一开关K1的控制端，用以控制第一开关K1的导通或关断；磁自饱和控制器的第二控制端连接第二开关K2的控制端，用以控制第二开关K2的导通或关断，

一电容C，电容C的一端同时连接高压电源和取电单元的第一供电端；

一电感L，串联于电容C的另一端与电源地之间；

一转换单元，连接电感L的一端且接地，用以获取电压数据；

一载波发生器，并联于电感L的两端。

取电电路可应用于10KV线路中，输出直流功率可达30瓦，可配载波产品和其他配电终端为其提供直流电源。采用电容C可获取携带有高压电源HV电压信息的高频信号，根据该信号可检测出线路电压的状况，且电容C除了可耦合获取电能外，也可为载波信号提供输入/输出通道，其中载波信号衰耗小于3db，通信频带带宽50K～10M。

在本实施例中，通过磁自饱和控制器的磁滞特性控制两个开关的导通或关断，从而实现将高压转低压的开关变换，同时将高压能量传到低压的储能单元中；取电单元可从高压电源HV上获取低压电能，利用电容C获取高频信号，采用电感L防止高频载波信号短路，采用转换单元获取高压电源HV的电压数据，该取电电路具有安装方便以及工作效率高等优点。

在优选的实施例中，磁自饱和控制器还包括一监测端和两个采集端；

磁自饱和控制器的第一采集端连接第一开关K1的电流输出端，用以采集第一开关K1的输出电流，获取第一采集信号；

磁自饱和控制器的第二采集端连接第二开关K2的电流输出端，用以采集第二开关K2的输出电流，获取第二采集信号；

磁自饱和控制器的监测端连接储能单元的电流输入端，用以监测储能单元的输入电压，获取监测信号；

磁自饱和控制器根据第一采集信号、第二采集信号和监测信号控制第一开关K1的导通或关断，以及第二开关K2的导通或关断。

如图2所示，磁自饱和控制器的工作原理为：当高压电源HV一旦接入，第一开关K1立即打开，变压器T1的反馈提供能量形成正反馈，致使变压器T1原边电流随时间近似线性增加。这一过程第一开关K1上的压降很低，可近似认为为零。当变压器T1的原边电流接近额定的峰值电流Ipk时磁自饱和控制器逐步打开第二开关K2，并逐步关闭第一开关K1，直到变压器T1的原边电流达到峰值电流Ipk时，第一开关K1完全关断，第二开关K2完全导通，这一过程属于软开软关(这一缓变过程很短暂，小于震荡周期的1/20)。第二开关K2导通后，变压器T1的原边低压端的电压完全被储能单元钳位，储能单元上的电压缓慢逐步上升，变压器T1的原边的储能电流也逐步减小，当电流接近0时，第一开关K1逐步导通，第二开关K2逐步关断，直到原边的电流为0时，第一开关K1完全导通，第二开关K2完全管关断，也是一软开软关过程(这一缓变过程很短暂，小于震荡周期的1/20)。如此往复实现开关，将高压能量传到低压储能单元上去，两个开关第一开关K1和第二开关K2均不承受高电压和较大的电流，实现将高压转低压的开关变换。

在优选的实施例中，还包括：

一DC/DC转换单元，串联于取电单元与负载之间。

DC/DC转换单元并联于储能单元的两端，进一步地，储能单元采用一电解电容C1，电解电容C1的正极形成储能单元的电流输入端，电解电容C1的负极形成储能单元的电流输出端。DC/DC转换单元的输入/输出隔离电压可以为6000Vdc，也可以根据实际要求进行更换。

在本实施例中通过控制第一开关K1和第二开关K2的导通或断开，可将高压电能传递至低压的电解电容C1上去，从而获取低压电能。通过DC/DC转换单元可将取电单元获取的电压能量转换为稳定电压的直流输出，同时为输出的电能提供了安全隔离。

在优选的实施例中，电容C采用陶瓷电容。

陶瓷电容具有使用温度较高，比容量大，耐潮湿性好，介质损耗较小，电容温度系数可在大范围内选择等优点。

在优选的实施例中，陶瓷电容的电容容量范围在：3.3nF至10nF之间。

进一步地，还可选用30KV，6.8nF的陶瓷电容，对于10KV线路，陶瓷电容可选用3.3nF，4.7nF，8.2nF或10nF等，它对高频载波信号的阻抗可达到几十欧～几百欧。

在优选的实施例中，电感L采用阻波电感。

阻波电感可防止高频载波信号被短路并方便载波信号接入，同时又可以有效防止低频高压窜入载波端口。阻波电感对载波信号的短路阻抗可达到几千欧～几十千欧。而对50Hz的阻抗只有1欧姆左右。体积很小，约半截成人大拇指那么大。

在优选的实施例中，阻波电感的额定电流为0.2A，电感L量为4.7mH。

在优选的实施例中，还包括：

显示单元，连接转换单元，用以对电压数据进行显示。

在具有耦合、测量功能的取电电路中，由于取电单元直接与一次线路并联，因此对取电单元的安全防护等级要求较高。具体的防护方式如下：

防雷保护：电力设备对防雷等级的要求较高。采用高压输入前端并联氧化锌防***的方式，对电流输入前端进行雷击保护，另外对电源输入后端采用压敏电阻进行电压隔离，对后续设备进行安全隔离。

过压保护：使输入电压安全等级到达45KV以上，保障设备安全。

过流保护：在取电单元中，在高压电源HV接入前端串入高压保险丝，保险丝保护电流小于100mA，熔断时间小于1ms，确保快速隔离故障，避免了线路的接地故障。

接地保护：在取电电路的接地端都采用压敏电阻可靠接地，装置内部采用铜屏蔽保护后灌封，保障设备安全。

从而使取电电路满足安全规定要求，符合抗雷击、抗击穿、过流过压保护等保护信息，达到设备的安全特性。整个电路集合了取电，信号耦合和线路电压取样等三功能于一体，采用灌封浇筑，爬点距离满足10KV交流要求，安装方式可采用螺丝孔安装或者挂式安装(体积小，安装方便，位置灵活，易满足10KV交流爬电距离要求)。整个装置的总重量小于1000g。***尺寸约：180mmxΦ120mm。

在优选的实施例中，第一开关K1采用三极管，三极管的基极形成第一开关K1的控制端，三极管的集电极形成第一开关K1的电流输入端，三极管的发射极形成第一开关K1的电流输出端。三极管可采用NPN型三极管。

在优选的实施例中，第二开关K2采用三极管，三极管的基极形成第二开关K2的控制端，三极管的集电极形成第二开关K2的电流输入端，三极管的发射极形成第二开关K2的电流输出端。三极管可采用NPN型三极管。

在优选的实施例中，将10KV高压电源HV转换为低压电能时，变压器T1可釆用10槽骨架；变压器的导线可采用0.2毫米的三层绝缘线(AWG32,TEX-B)，导线外侧可设置有0.2毫米的铁氟龙套管；变压器的原边绕线为200匝，副边绕线为1匝；变压器的铁芯可釆用EER铁氧体，EER铁氧体为PC40软磁铁氧体磁芯，变压效果最优。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种具有耦合、测量功能的取电电路，其特征在于，包括：

一高压电源；

一取电单元，所述取电单元的第一供电端连接所述高压电源，用以从所述高压电源上获取低压电能，所述取电单元的电压输出端连接负载，所述取电单元的第二供电端接地，所述取电单元包括：

一变压器，所述变压器的原边的一端形成所述取电单元的第一供电端连接所述高压电源；

一第一开关，所述第一开关的电流输入端连接所述变压器的原边的另一端；

一第二开关，所述第二开关的电流输入端同时连接所述变压器的原边的另一端和所述第一开关的电流输入端；

一储能单元，所述储能单元的电流输入端连接所述第二开关的电流输出端，所述储能单元的电流输出端形成所述取电单元的第二供电端连接所述第一开关的电流输出端且接地，所述储能单元用以存储所述高压电源上的电压；

一磁自饱和控制器，所述变压器的副边为所述磁自饱和控制器供电，所述磁自饱和控制器包括两个控制端，所述磁自饱和控制器的第一控制端连接所述第一开关的控制端，用以控制所述第一开关的导通或关断；所述磁自饱和控制器的第二控制端连接所述第二开关的控制端，用以控制所述第二开关的导通或关断；

一电容，所述电容的一端同时连接所述高压电源和所述取电单元的第一供电端；

一电感，串联于所述电容的另一端与电源地之间；

一转换单元，连接所述电感的一端且接地，用以获取电压数据；

一载波发生器，并联于所述电感的两端；

所述第一开关采用三极管，所述三极管的基极形成所述第一开关的控制端，所述三极管的集电极形成所述第一开关的电流输入端，所述三极管的发射极形成所述第一开关的电流输出端。

2.如权利要求1所述具有耦合、测量功能的取电电路，其特征在于，所述磁自饱和控制器还包括一监测端和两个采集端；

所述磁自饱和控制器的第一采集端连接所述第一开关的电流输出端，用以采集所述第一开关的输出电流，获取第一采集信号；

所述磁自饱和控制器的第二采集端连接所述第二开关的电流输出端，用以采集所述第二开关的输出电流，获取第二采集信号；

所述磁自饱和控制器的监测端连接所述储能单元的电流输入端，用以监测所述储能单元的输入电压，获取监测信号；

所述磁自饱和控制器根据所述第一采集信号、所述第二采集信号和所述监测信号控制所述第一开关的导通或关断，以及所述第二开关的导通或关断。

3.如权利要求1所述取电电路，其特征在于，还包括：

一DC/DC转换单元，串联于所述取电单元与所述负载之间。

4.如权利要求1所述取电电路，其特征在于，所述电容采用陶瓷电容。

5.如权利要求4所述取电电路，其特征在于，所述陶瓷电容的电容容量范围在：3.3nF至10nF之间。

6.如权利要求1所述取电电路，其特征在于，所述电感采用阻波电感。

7.如权利要求6所述取电电路，其特征在于，所述阻波电感的额定电流为0.2A，电感量为4.7mH。

8.如权利要求1所述取电电路，其特征在于，还包括：

显示单元，连接所述转换单元，用以对所述电压数据进行显示。

9.如权利要求1所述具有耦合、测量功能的取电电路，其特征在于，所述第二开关采用三极管，所述三极管的基极形成所述第二开关的控制端，所述三极管的集电极形成所述第二开关的电流输入端，所述三极管的发射极形成所述第二开关的电流输出端。