CN101728876B

CN101728876B - 电力隧道电缆非接触式感应取电装置

Info

Publication number: CN101728876B
Application number: CN2010100025392A
Authority: CN
Inventors: 李少辉; 姜理远; 杨震威; 张明广; 付怀珍
Original assignee: Shandong Conwell Communication Technology Co Ltd
Current assignee: Conway Communication Technology Co., Ltd
Priority date: 2010-01-11
Filing date: 2010-01-11
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2030-01-11
Also published as: CN101728876A

Abstract

本发明公开了一种电力隧道电缆非接触式感应取电装置。它具有结构简单，使用方便，可以非接触式取电等优点，其结构为：它包括至少一个取电回路，各取电回路包括互感式取电装置，该装置与整流电路连接，整流电路与保护电路和功率因数矫正电路连接，功率因数矫正电路与稳压电路电路；各取电回路中的稳压电路则与取电平衡控制电路连接。

Description

电力隧道电缆非接触式感应取电装置

技术领域

本发明涉及一种能在电力隧道中无供电线路情况下，通过非接触式感应取电方法获取电能的电力隧道电缆非接触式感应取电装置。

背景技术

目前电力隧道的辅助设备(照明、机械通风、防火预警)建设逐步展开。在以往的电力隧道中，通常都没有专门布设交流220V或其它专用于隧道内辅助设备的供电回路，这样就给在此情况下开发和布设电缆监控系统、隧道照明系统等带来了极大的不便，因此通常情况只能采用电池作为主要能源提供，这样一方面要求设备的功耗要极低，同时还必须定期更换电池，给工作带来极大的不便。

由于电力隧道的特点是距离长、范围广、使用环境潮湿、隧道内水汽较重，部分地段污水存积，甚至会产生沼气，因此对隧道内设备的可靠性要求极高；同时考虑到隧道内作业、施工人员的安全，通常要求隧道内辅助设备的供电采用低压，这样就要求供电线路必须采用大口径的电缆来布设，而这样又极大地增加了供电线路的投资，通常情况下是难以接受的，为此必须找到一种便宜的、安全的方案才能接受。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种具有结构简单，使用方便，可以非接触式取电等优点的电力隧道电缆非接触式感应取电装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

它包括至少一个取电回路，各取电回路包括互感式取电装置，该装置与整流电路连接，整流电路与保护电路和功率因数矫正电路连接，功率因数矫正电路与稳压电路连接；各取电回路中的稳压电路则与取电平衡控制电路连接。

所述互感式取电装置包括互感器及其配套的线圈L2和电容C1，预防尖峰脉冲的瞬态电压抑制二极管TVS1跨接在线圈L2和电容C1两端；电容C1两端还并联高频滤波电容C2，高频滤波电容C2与整流电路连接，所述整流电路为全桥整流电路B1。

所述互感器为硅钢制，在负载为100Ω电阻时，获取最大电能所需的互感器线圈匝数为100匝。

所述保护电路为高压防护电路，它由二极管ZD1、电容C3、晶闸管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3组成，串联的二极管ZD1与电容C3两端并联串联的晶闸管Q1与电阻R3，晶闸管Q1的触发极与电阻R2连接，电阻R2一路连接在二极管ZD1和电容C3之间，另一路与电阻R1连接，电阻R1连接在电容C3和电阻R2之间；所述功率因数矫正电路由电容E1、电容E2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、电阻R4组成，电容E1与二极管D2的阴极连接，二极管D3的阳极与电容E2连接，阴极与电容E1连接，电容E2与二极管D2的阳极连接，二极管D1的阴极经电阻R4接在二极管D3与电容E2间，二极管D1的阳极连接在电容E1与二极管D2之间；在高压防护电路与功率因数矫正电路间并联泄压二极管TVS2。

所述稳压电路包括输入滤波电容E3，输入滤波电容E3一端接地，另一端与上拉电阻R5连接，上拉电阻R5与直流输入电源连接，上拉电阻R5与芯片工作控制端JA1串接，芯片工作控制端JA1另一端接地；频率补偿电容C5、C6并联并与电源芯片U1连接，电源芯片U1还与定时电容C7连接；电源芯片U1输出端与串联的电阻R7、R8、R9组成的电压调整电路连接，电源芯片U1的FB引脚连接在电阻R8和电阻R9之间，检测输出电压并降低开关频率，在输出电压低于调节电平时控制软起动电压斜坡速率。

所述取电平衡控制电路包括并联的二极管TVS3、滤波电容E5和滤波电容C12，二极管TVS3与滤波电容E5间连接二极管D6，二极管TVS3还与熔断器FR1连接；滤波电容C12两端并联控制芯片U2，控制芯片U2的4脚即为公共设定端，各电源芯片通过一公共电阻进行设定，各电源芯片共同作用，最终形成一个统一的电源。

本发明源自互感器技术，但互感器提取的电能不论从电能的总量上，还是取电特性上都无法满足现有设备的需要。通过实验，申请人发现互感器在取电情况下所取电能的大小与互感器线圈的匝数、取电电阻的大小都有直接的关系。

在通过互感器的主干电流一定且输出电阻不变的情况下，研究互感器的取电线圈匝数与互感器最终输出功率的关系，通过实验发现，取电线圈匝数与最终输出功率之间存在着极值关系，即当输出电阻一定(100Ω)时，只有当匝数取某个值(100匝)时负载电压才最大、输出功率才最高，匝数高于或低于该数值时，负载电压和输出功率都会减少，且匝数距指定值越远，负载电压和输出功率减少就越多。由此可知，只有在取电线圈具有这一匝数的情况下才能在该输出电阻上使取出的功率达到最大。(即最大输出功率对应的匝数是靠实验来确定的，其后的实验均在此基础上，并保证受此影响的电路均在此条件下工作。)

CT环匝数对输出功率的影响

条件：输入电流5A，输出电阻100Ω

匝数	300	275	250	225	200	175	150	125	115	105	100	95
													负载电压(V)	1.57	1.69	1.84	2.00	2.18	2.38	2.58	2.78	2.84	2.86	2.87	2.85
输出功率(mW)	24.6	28.5	33.8	40.0	47.5	56.6	66.5	77.3	80.6	81.8	82.4	81.2

同时，申请人对同一互感器挂接不同负载电阻的工作情况进行了测试，测得输出电压随着负载电阻的增大而增大，而输出电流则随负载电阻的增大而减小，申请人还发现在输出功率上同样存在极值情况，即只有当负载电阻为某一固定值时输出功率才最大，负载电阻大于或小于该数值尽管负载电压或电流也增大，但输出功率却呈明显地减少现象。实验数据见下表：

电流CT环输出功率(100匝)

通过对不同材质的互感器做以上的实验，结果发现不同材质(铁氧体、硅钢片)的互感器其取电线圈的最佳匝数、最大输出功率对应的负载电阻等均不相同，相同尺寸互感器所能取得的最大功率也有所不同。即取电线圈用互感器只有选用特定材料才能获取最大输出功率，而实际上该特定材料恰恰是当前应用最广泛的硅钢！通过分析我们认为互感器所能取得的最大功率与互感器所用材质的饱合磁感应强度一致，而当前我们常用的互感器材料中，硅钢的饱合磁感应强度为2T、坡莫合金为0.8T、超微晶为1.2T、非晶为1.6T，可见正是最常用的硅钢是我们所需的磁材料！该结论已经实验证明，即同样尺寸的坡莫合金互感器和硅钢互感器当输出电阻均为100Ω时，双方同样达到最大输出功率时，双方的匝数各不相同，硅钢的最大功率要远大于坡莫合金的最大功率；我们还做了非晶互感器和硅钢互感器的对比实验，结论与之相同。对于磁材料的选择，我们所考虑的主要依据有两点：1、我们认为找到了一种材料所制互感器的最大输出功率与该材料的饱合磁感应强度直接相关，而硅钢的饱合磁感应强度最大；2、由于我们所用互感器必须为两个半圆制成，而这两个半圆相互之间接合的紧密程度与整体反映出的磁感应强度密切相关，通常情况下下降70％以上，而在这些磁材料中，只有硅钢更容易加工打磨，因此最终硅钢制成的两个半圆的互感器的磁感应强度最大。同时硅钢的价格也更便宜，为此硅钢就是我们的最终选择！

为此我们通过不断选材、反复测试，最终在同样外形尺寸情况下我们找到了能够获得最大电能的互感器的材质-硅钢、及在指定负载电阻(100Ω)上获取最大电能所需的互感器线圈匝数-100匝。

为将在此情况下取得的电能有效地转化为可用的电能，在此基础上申请人首先对该电能进行普通的整流、滤波，结果发现效果很不理想，无法有效地将所取电能转化为直流电，通过示波器观察此时互感器输出信号波形畸变，为改善此状况，我们对电路参数进行了反复地测试、调整，同时查找资料参考前人的解决方法，最终通过加入磁环来改善、稳定了输出波形。

同时通过实验发现滤波电容的大小对输出电流的影响非常明显，通过不断更换该电容的大小，发现该电容的大小同样与输出功率之间存在着极值关系，即存在某一容值的电容能使电路输出功率最大，最终经实验确定了该滤波电容的大小，具体电路见图2。

电流CT环匝数对输出功率的影响

结论：在输入电流固定、负载固定情况下，CT环在匝数为100匝时输出电流最大，即输出功率最大。

为将互感器提取的电能较为可靠地转化为直流电，在经全桥转换成直流电后还要首先经高压防护电路进行保护，然后再经功率因数矫正电路修正后，再接入专用开关电源芯片中，具体电路见图3。功率因数矫正(PPFC)电路用于对脉动直流的波谷部分进行调整，使整流后形成的脉动直流更加平滑，从而提高整个电路的功率因数。图4是PPFC电路输出电压u和交流输入电流的波形。

为将该直流电有效地转为稳压电源，还需相应地稳压器件；为此试验了多种稳压电源芯片，发现大多数芯片不能很好的完成此项功能，后经反复测试发现主要原因在于那些芯片要求的输入电容过大，影响了前级互感器的取电效率，为此特意找到了本款电源芯片，经实验效果良好。

利用该开关电源芯片将上述CT环取得的电能形成稳定的直流电压输出。实测该电路形成的直流输出能量已经十分接近(90％以上)理论上所能取得的最大电能。具体电路见图5。

其后，为获取能尽可能多的电能，申请人采用了多路取电的方法，即同时用多个CT环取电，并在各CT环取电完成后，再想办法将其组合成一个电源供后续电路使用。为此我们通过查找资料选用了一款专用的电源芯片，该芯片能平衡使用各取电回路，即能保证各回路的输出基本相同，这样既能有效提高整体的供电能力，同时也保证了各取电回路的安全。该芯片相关的电路见图6。

以上电路经实测，在主线路电流满足基本要求时，单路该装置能提供约1.5W的有效功率输出，若同时利用3～5个该装置取电，则能有效提供多达5～8W的输出功率，从而满足大多数信号采集设备的供电需要。

该装置通常可安装于电缆的接地端处(该处较细、同时单根独立)，也可安装于电缆的主线路上，只是所需的CT环的尺寸不同，同时也要求相应线路上能提供便于安装的地方。

附图说明

图1是电缆非接触式感应取电装置结构示意图；

图2非接触式感应取电基本装置图；

图3是非接触式感应取电保护装置图；

图4是功率因数矫正(PPFC)电路输出电压随输入电流变化的波形图；

图5是专用稳压电源芯片相关电路图；

图6是专门平衡各取电回路的电源芯片工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细阐明。

图1中，它包括至少一个取电回路，各取电回路包括互感式取电装置7，该装置与尖峰吸收电路6和整流电路5连接，整流电路5与保护电路4和功率因数矫正电路3连接，功率因数矫正电路3与稳压电路2电路；各取电回路中的稳压电路2则与取电平衡电路1连接。

图2是非接触式感应取电基本装置图。其中，XP1是取电互感器附带线圈的接线端，L2是配套的线圈，C1是配套的电容，B1是转为直流电所用的全桥，TVS1为预防尖峰脉冲的瞬态电压抑制二极管，C2为高频滤波电容。绕有指定匝数的取电互感器将所取得的电能经XP1及配套线圈L2和配套电容C1相互作用，形成能量相对稳定的交流电送至全桥B1整流，在此电路中同时装有预防尖峰脉冲的TVS1及高频滤波电容C2，防止线路上的高频电流成份混入后级电路，同时对线路上的偶发尖峰脉冲进行滤除。

图3是非接触式感应取电保护装置图，其中高压防护电路由ZD1、C3、Q1、R1、R2、R3组成，功率因数矫正电路由E1、E2、D1、D2、D3、R4组成。

为将互感器提取的电能较为可靠地转化为直流电，全桥B1转换后的直流电还要再经由ZD1、C3、Q1、R1、R2、R3组成的高压防护电路和由E1、E2、D1、D2、D3、R4组成的功率因数矫正电路，再接入后续的专用开关电源芯片U1中。

高压防护电路由ZD1、C3、Q1、R1、R2、R3组成，用于当主线路中的电流过大取出的电压过高时保护后续电路之用；ZD1和R1形成最简易的稳压电路，C3为滤波电容，A点电位随转换后的直流电压高低而变；当转换后的直流电压低于设定值时，保护电路Q1不动作；当转换后的直流电压高于设定值时，A点电位就会高于Q1的导通电压，保护电路Q1瞬间导通，过高的电压通过Q1、R3被泄放掉，当泄放后的电压低于设定值后，防护电路Q1恢复不再动作，直到取出的电压再次高于设定值时再次动作，从而使后级电压始终低于设定值；即使主线路上的电流极大，取出的电能极多，也能使后级电路工作于断续状态，从而即保护了后级电路的正常工作，也实现了大电流情况下取电电路同样能正常工作。

TVS2同样是对转换后的过高直流电压进行泄放，保证后续电路的安全。

功率因数矫正(PPFC)电路由E1、E2、D1、D2、D3、R4组成，它能对脉动直流的波谷部分进行调整，使整流后形成的脉动直流更加平滑，从而提高整个电路的功率因数。

图4是功率因数矫正(PPFC)电路输出电压随输入电流变化的波形图

在t0～t1时间内，桥式整流输出电压Uz通过E1、D1、R4、E2对E1、E2充电，同时为负载供电，由于充电时间常数很小，E1、E2充电速度很快，当Uz到达峰值Um时，E1、E2上的电压U E1＝U E2＝Um/2；

在t1～t2时间内，Um/2＜Uz＜U E1+U E2，D3和D2均反偏截至，E1、E2无放电回路，负载仍由整流电压Uz供电；

在t2～t3时间内，Um/2＜Uz，桥式整流管截止，电容E1通过D2对负载放电，电容E2通过D3也对负载放电；

在t3～t4时间内，Uz＞U E1、Uz＞U E2，桥式整流管的另一对开始导通，为负载供电，当Uz＞U E1+U E2时，Uz通过E1、E2、D1、R4对E1、E2充电，t4时刻U E1＝U E2＝Um/2；

在t4～t5时间内，Um/2＜Uz＜U E1+U E2，E1、E2仍无放电回路，负载仍由Uz供电；

在t5～t6时间内，Um/2＜Uz，桥式整流管截止，电容E1通过D2，E2通过D3又对负载开始放电，以后将循环上述过程。由上述分析不难看出，当电路达稳态后，整流二极管的导通时间明显增大，其输入电流波形得到较大的改善(接近正弦波)。实验表明，采用PPFC电路可使输入电流总谐波含量降低到30％以下，功率因数可提高到0.90以上。

图5是专用稳压电源芯片相关电路图，其中E3是输入滤波电容，R5为/SHDN脚的上拉电阻，JA1为芯片工作控制端，C5、C6、R6通常用于频率补偿，C7为定时电容。

其中，E3是输入滤波电容，R5为/SHDN脚的上拉电阻，JA1为芯片工作控制端，通常情况下JA1开路，以使该芯片连续工作，当JA1短接时，/SHDN脚电位为零，芯片处于待机状态。C5、C6、R6通常用于频率补偿，C7为定时电容。

电源芯片U1的输出是可调的，通过电阻R7、R8、R9的阻值可简单地设定所需的输出电压，电源芯片U1的FB引脚的作用并不仅限于输出电压检测，它还降低了开关频率，并可在输出电压低于调节电平时控制软起动电压斜坡速率。

专用电源芯片U1能够在很宽的温度和输入电压范围内精确地调节输出电压。该芯片还能够通过在一个宽广的负载电流范围内维持高效率来最大限度地减小“始终接通”系统中的电源能量消耗。其很宽的输入电压范围使其成为要求苛刻的隧道内设备供电的理想选择。微功率偏置电流和突发模式操作有助于在整个负载范围内维持高效率，并产生仅微安级的无负载静态电流。

图6是专门平衡各取电回路的电源芯片工作原理图，其中FR1是用于输入过流的自恢复保险丝，TVS3为预防输入过压的尖峰脉冲瞬态抑制器，D6则为防止输入反接的肖特基二极管，E5为滤波电容，C12为高频滤波电容，D7为防止set端电压过高的二极管，C13为set脚滤波电容，R10为输出平衡电阻。其中，FR1、TVS3和D6为电源保护电路，防止电源极性接反、电源瞬间高压等现象，E5、C12为滤波电容，4脚即为公共设定端，几个连在一起的电源芯片通过一公共电阻R10进行设定，通过这些电源芯片共同作用，最终形成一个统一的电源。

Claims

1.一种电力隧道电缆非接触式感应取电装置，其特征是，它包括至少一个取电回路，各取电回路包括互感式取电装置，该装置与整流电路连接，整流电路与保护电路和功率因数矫正电路连接，功率因数矫正电路与稳压电路连接；各取电回路则与取电平衡控制电路连接；

所述互感式取电装置包括互感器及其配套的线圈L2和电容C1，预防尖峰脉冲的瞬态电压抑制二极管TVS1跨接在线圈L2和电容C1两端；电容C1两端还并联高频滤波电容C2，高频滤波电容C2与整流电路连接，所述整流电路为全桥整流电路B1；

2.如权利要求1所述的电力隧道电缆非接触式感应取电装置，其特征是，所述稳压电路包括输入滤波电容E3，输入滤波电容E3一端接地，另一端与上拉电阻R5连接，上拉电阻R5与直流输入电源连接，上拉电阻R5与电源芯片U1工作控制端JA1串接，电源芯片U1工作控制端JA1另一端接地；频率补偿电容C5、C6并联并与电源芯片U1连接，电源芯片U1还与定时电容C7连接；电源芯片U1输出端与串联的电阻R7、R8、R9组成的电压调整电路连接，电源芯片U1的FB引脚连接在电阻R8和电阻R9之间，检测输出电压并降低开关频率，在输出电压低于调节电平时控制软起动电压斜坡速率。

3.如权利要求2所述的电力隧道电缆非接触式感应取电装置，其特征是，所述取电平衡控制电路包括并联的二极管TVS3、滤波电容E5和滤波电容C12，二极管TVS3与滤波电容E5间连接二极管D6，二极管TVS3还与熔断器FR1连接；滤波电容C12两端并联控制芯片U2，控制芯片U2的4脚即为公共设定端，各电源芯片通过一公共电阻进行设定，各电源芯片共同作用，最终形成一个统一的电源。