CN102244418A

CN102244418A - 电子式互感器工作电源

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Publication number: CN102244418A
Application number: CN2011101939672A
Authority: CN
Inventors: 聂一雄; 刘艺; 文波; 彭显刚; 王星华; 武小梅
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2011-11-16

Abstract

本发明公开了一种电子式互感器工作电源，包括直流电源、高频电源电路、低压侧无功补偿电路、电磁耦合单元、高压侧接收电路与恒负载变换电路；直流电源给高频电源电路供电，所述高频电源电路与低压侧无功补偿电路电连接；所述电磁耦合单元分为发送单元和接收单元，所述低压侧无功补偿电路接入电磁耦合单元的发送单元；所述高压侧接收电路接入电磁耦合单元的接收单元，且所述高压侧接收电路和恒负载变换电路电连接。本发明采用特殊的设计结构使电磁耦合线圈实现能量的高集中度收发，并通过特别设计的工作电路实现电能从低压侧到高压侧的可靠传送，值得推广。

Description

电子式互感器工作电源

技术领域

本发明涉及无接触功率传输技术领域，特别涉及一种电子式互感器工作电源。

背景技术

无接触功率传输技术是一种实现能量从静止设备向静止或可运动设备传输有效方法。其主要利用现代电力电子能量变换技术与磁场耦合技术,同时借助于现代控制理论和微电子控制技术。它既能减小向用电设备供电可能带来的安全隐患,又可以大大降低系统的能量传递受外界因素影响的程度。相比通过电气连接传递能量的方法，在技术上更为可靠、耐用。因此，该技术具有十分广阔的前景。

根据能量传输的机理，实现无接触功率传输的方法有3种：

1）电磁感应原理：通过特殊设计的功率发送和接收系统，以磁通作为媒介，利用电磁耦合感应产生电动势，再通过电子变换电路实现向负载的能量供应；

2）电磁波发送与接收原理：将电磁波通过天线发送、接收，再经过频率变换电路将电波的能量转换成常规形式加以利用；

3）耦合模理论：其原理是基于2个电磁波在满足规定条件的情况下，在同一波导（腔体）的不同电磁波的模式之间或不同波导（或腔体）的同一电磁波模式之间可以发生耦合谐振的现象，通过理论计算或实验的方法选择耦合模参数，利用强磁场耦合共振方式使能量在收发两个谐振腔之间有效传输。

以上是无接触功率传输的方法。而在电子式互感器的应用中，高低压侧电信号的转换为最常见的问题。为实现高低压侧电信号的完全隔离，高压侧信号处理用工作电源必须是悬浮式的。目前，该电源的设计主要有两种方法：

1）采用低压侧光供电方式，利用光电转换的工作原理，通过大口径光纤实现能量供给，其优点是电源稳定、可靠性高，不受母线电流的影响，但由于激光器提供的功率有限，且光电转换的效率也不高，光电池在长期满负荷工作条件下的寿命也难以保证，成本较高等缺点也不能完全满足现场要求。

2）利用工作电源与传感器同处高压端的特点，采用带铁芯的感应线圈直接从高压线路获取能源。这种方案能降低装置的复杂程度和对绝缘的要求，但存在线路电流过低或断路器跳闸时，电子式互感器将因缺少工作电源而不能工作的缺陷。

综上所述，目前的电子式互感器的高低压侧电信号的转换都存在若干的缺点，如何将无接触功率传输应用于电子式互感器的高低压侧电信号的转换，则成为颇为亟待的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种提高转换效率同时工作状态稳定的电子式互感器工作电源。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种电子式互感器工作电源，包括直流电源、高频电源电路、低压侧无功补偿电路、电磁耦合单元、高压侧接收电路与恒负载变换电路；所述直流电源给高频电源电路供电，所述高频电源电路与低压侧无功补偿电路电连接；所述电磁耦合单元分为发送单元和接收单元，所述低压侧无功补偿电路接入电磁耦合单元的发送单元；所述高压侧接收电路接入电磁耦合单元的接收单元，且所述高压侧接收电路和恒负载变换电路电连接。

优选地，所述高频电源电路为小功率高频电源电路，其包括方波发生电路、有源带通滤波电路与推挽放大电路；所述方波发生电路、有源带通滤波电路与推挽放大电路依次电连接。

优选地，所述方波发生电路由IC芯片和晶振构成，所述晶振与IC芯片连接；所述IC芯片的输出端与所述有源带通滤波电路的输入端电连接；所述有源带通滤波电路包括高通滤波电路和低通滤波电路，所述高通滤波电路一端与IC芯片的输出端电连接，其另一端与低通滤波电路电连接；所述高通滤波电路包括第一集成芯片，所述第一集成芯片的输入端依次连接电容C1与C2，所述电容C1与C2分别通过电感R1与R3接地；所述低通滤波电路包括第二集成芯片，所述第二集成芯片的输入端依次连接电感R4与R5，所述电感R4与R5分别通过电容C1与C2接地；所述第一集成芯片的输出端与第二集成芯片的输入端电连接；所述推挽放大电路包括第一变压器T1、第一三极管Q1、第二三极管Q2与第二变压器T2，所述第一变压器T1的初级绕组的一端与第二集成芯片的输出端电连接，第一变压器T1的次级输出分别连接第一三极管Q1与第二三极管Q2的基极，第一三极管Q1与第二三极管Q2的发射极均接地，第一三极管Q1与第二三极管Q2的集电极分别连入第二变压器T2的初级绕组，第二变压器T2的次级输出与低压侧无功补偿电路电连接。

优选地，所述低压侧无功补偿电路为串联补偿电路,所述串联补偿电路包括电阻Rp与Rr、无功补偿电容Cp、电感Lp与Lr，所述电阻Rp的一端与高频电源电路的输出端连接、其另一端与电容Cp、电感Lp、Lr与电阻Rr依次电连接，电阻Rr的另一端为输出端，向电磁耦合单元的发射单元输出信号。

优选地，所述低压侧无功补偿电路为并联补偿电路,所述并联补偿电路包括电阻Rp与Rr、无功补偿电容Cp、电感Lp与Lr；所述电阻Rp与电感Lp、Lr与电阻Rr依次电连接形成一支路，无功补偿电容Cp并联在该支路两端形成所述低压侧无功补偿电路，该电路的输入端与高频电源电路的输出端连接，其输出端向电磁耦合单元的发射单元输出信号。

优选地，所述电磁耦合单元的感应线圈为组合型或螺旋型，所述组合型的小线圈为平面型或抛物面型，所述螺旋型的小线圈为平面型或抛物面型。

优选地，所述高压侧接收电路由无功补偿电路、整流滤波电路和稳压电路组成，三者依次电连接，且均由电磁耦合单元的接收单元提供的电源供电。

优选地，所述无功补偿电路采用并联补偿谐振电路，其由电阻R_S、电感L_S、阻抗Z_P、补偿电容C_S组成，所述电阻R_S、电感L_S与阻抗Z_P依次电连接形成一支路，补偿电容C_S并联在支路两端形成无功补偿电路；所述功补偿电路的一端与电磁耦合单元的接收单元提供的电源电连接，另一端与整流滤波电路电连接。

优选地，所述整流滤波稳压电路包括整流电路和滤波电路，所述整流电路由二极管D₁、D₂与D₃与D₄构成的桥式电路构成，其D₁与D₂的交点与功补偿电路电连接，D₃与D₄的交点与电磁耦合单元的接收单元提供的电源电连接，D₁与D₃、D₂与D₄之间的交点分别接入滤波电路中，所述滤波电路由电容C₁与C₂构成，电容C₁与C₂并联接入电路，其输出端输出直流电压U_ab。

优选地，所述恒负载变化电路由直流电压U_ab供电；所述恒负载变化电路包括稳压二极管Dw，可变电阻RL、二极管D1、电阻R1与R2；稳压二极管Dw与电阻R2连接形成一支路，可变电阻RL并在稳压二极管Dw两端；二极管D1与电阻R1连接同时并在稳压二极管Dw与电阻R2形成的支路两端。

综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、本发明无接触电子式互感器工作电源电路利用无接触功率传输技术，采用特殊的设计结构使电磁耦合线圈实现能量的高集中度收发，并通过特别设计的工作电路实现电能从低压侧到高压侧的可靠传送；

2、本发明无接触电子式互感器工作电源电路采用的螺旋型或多线圈组合结构型的电磁耦合结构，实现能量的高集中度收发；

3、本发明无接触电子式互感器工作电源电路的低压侧为获得采用小功率高频电源电路，使低压侧通过晶振产生精确频率，再通过滤波电路和功率放大电路获得无接触功率传输功率发送用小功率高频电源电路，频率单一，无杂波；

4、本发明无接触电子式互感器工作电源电路的高压侧采用恒负载变换电路，降低负载波动对无接触功率传输效率的影响，效果显著。

附图说明

图1为本发明的结构原理方框图；

图2为本发明的高频电源电路图；

图3为本发明的低压侧无功补偿电路之串联电路图；

图4为本发明的低压侧无功补偿电路之并联电路图；

图5为本发明的电磁耦合机构单元组合型线圈示意图；

图6为本发明的电磁耦合机构单元螺旋形线圈示意图；

图7为本发明的高压侧无功补偿电路、整流滤波稳压电路图；

图8为发明的恒负载变换电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一种无接触电子式互感器工作电源电路，其利用无接触功率传输技术，采用特殊结构电磁耦合线圈实现能量的高集中度收发，并通过特别设计的工作电路实现电能从低压侧到高压侧的可靠传送。该电路包括直流电源1、高频电源电路2、低压侧无功补偿电路3、电磁耦合单元4、高压侧接收电路5和恒负载变换电路6。直流电源1给高频电源电路2供电，且高频电源电路2与低压侧无功补偿电路3电连接。电磁耦合单元4分为发送单元41和接收单元42。低压侧无功补偿电路3接入电磁耦合单元4的发送单元41；同时高压侧接收电路5接入电磁耦合单元4的接收单元42，且高压侧接收电路5和恒负载变换电路6电连接。

如图2所示，为高频电源电路2的电路图，高频电源电路2包括方波发生电路21、有源带通滤波电路22与推挽放大电路23。方波发生电路、有源带通滤波电路与推挽放大电路依次电连接。方波发生电路由IC芯片（MC14060或MC14040）和晶振构成。通过选择不同的晶振频率以及从IC芯片的不同的输出口输出，可以获得所需要的任意频率的方波信号；为解决频率的单一性问题而设计的通过晶振产生精确频率。IC芯片的输出端与有源带通滤波电路22的输入端电连接。

有源带通滤波电路22包括高通滤波电路和低通滤波电路，高通滤波电路一端与IC芯片的输出端电连接，其另一端与低通滤波电路电连接。高通滤波电路包括第一集成芯片，第一集成芯片的输入端依次连接电容C1与C2，电容C1与C2分别通过电感R1与R3接地。低通滤波电路包括第二集成芯片，第二集成芯片的输入端依次连接电感R4与R5，电感R4与R5分别通过电容C1与C2接地。第一集成芯片的输出端与第二集成芯片的输入端电连接。本实施例中，第一集成芯片与第二集成芯片都采用OP07DP。另外，第一集成芯片的正电极与12V 的电源连接；第二集成芯片的正电极与12V的电源连接；两者的负电极共同接入12V的V4电源。上述方波发生电路产生的方波信号经过利用高通滤波电路和低通滤波电路设计构成的带通滤波电路后即可获得频率单一性较高的正弦信号。滤波电路的参数配置及截止频率由以下公式确定：

高通滤波电路的截止频率：

Figure 2011101939672100002DEST_PATH_IMAGE001

；

低通滤波电路的截止频率：

。

推挽放大电路23包括第一变压器T1、第一三极管Q1、第二三极管Q2与第二变压器T2。第一变压器T1的初级绕组的一端与第二集成芯片的输出端电连接；第一变压器T1的次级输出分别连接第一三极管Q1与第二三极管Q2的基极；同时，第一变压器T1的次级输出通过电感和电源接地。第一三极管Q1与第二三极管Q2的发射极均接地，第一三极管Q1与第二三极管Q2的集电极分别连入第二变压器T2的初级绕组，第二变压器T2的次级输出与低压侧无功补偿电路电连接。推挽放大电路23的作用是将有源带通滤波电路22后得到的单一频率正弦电压进行功率放大，成为能提供较大功率的高频电源。为避免交越失真，电路工作参数配置在接近乙类工作状态的甲乙类工作状态，由于来自滤波电路的输入电压基本恒定，因此，其工作状态处于基本稳定的状况。输入侧变压器为两个放大电路分别提供输入信号，输出侧变压器则提供阻抗变换作用。

如图3所示，低压侧无功补偿电路3为串联补偿电路。串联补偿电路包括电阻Rp与Rr、无功补偿电容Cp、电感Lp与Lr，所述电阻Rp的一端与高频电源电路的输出端连接、其另一端与电容Cp、电感Lp、Lr与电阻Rr依次电连接，电阻Rr的另一端为输出端，向电磁耦合单元的发射单元输出信号。

如图4所示，低压侧无功补偿电路为并联补偿电路。并联补偿电路包括电阻Rp与Rr、无功补偿电容Cp、电感Lp与Lr；所述电阻Rp与电感Lp、Lr与电阻Rr依次电连接形成一支路，无功补偿电容Cp并联在该支路两端形成所述低压侧无功补偿电路，该电路的输入端与高频电源电路的输出端连接，其输出端向电磁耦合单元的发射单元输出信号。

综合图3和图4，由推挽放大电路23的第二变压器T2 输出的频率单一性强、稳定度高的功率信号进入低压（输入）侧无功补偿电路3。低压侧无功补偿电路3有串联型和并联型两种形式可以采用，其等效电路分别如图3和图4，图中C_P为无功补偿电容，R_P、L_P表示低压（功率发射）侧耦合线圈的电阻和电感，R_r、L_r表示高压（功率接收）侧耦合线圈的等效电阻和等效电感。本装置设计采用的补偿方式是完全补偿的谐振工作方式，补偿电容的大小由公式：计算获得。

如图5和6所示，电磁耦合单元4的结构示有两种型式，即小线圈组合型（图5）和螺旋型（图6）。每种型式有两种结构方式，即平面型和抛物面型。本发明申请对这几种结构型式的电磁耦合机构设计在电子式互感器工作电源设计的应用予以保护。

如图7所示，电磁耦合单元4的接收单元42的线圈接收到来自发送单元41的功率信号后，经过图7所示高压侧接收电路5获得高压侧直流工作电源。此电路5由无功补偿电路51、整流滤波稳压电路52组成。

图7中R_S、L_S为高压（功率接收）侧耦合线圈的电阻和电感，C_S为高压侧补偿电容，Z_P=R_P+jX_P表示低压（功率发送）侧耦合线圈的等效阻抗，V_S表示在高压侧接收功率的等效电源。

无功补偿电路51采用并联补偿谐振工作方式，目的是减小频率波动对传输效率的影响。该电路51由电阻R_S、电感L_S、阻抗Z_P、补偿电容C_S组成，电阻R_S、电感L_S与阻抗Z_P依次电连接形成一支路，补偿电容C_S并联在支路两端形成无功补偿电路；所述功补偿电路的一端与电磁耦合单元的接收单元提供的电源电连接，另一端与整流滤波电路电连接。其中，补偿电容的大小由公式：

计算确定，式中R_L为电容C_S右侧电路的等效电阻。

整流滤波稳压电路包括整流电路和滤波电路。整流电路由二极管D₁、D₂与D₃与D₄构成的桥式电路构成，其D₁与D₂的交点与功补偿电路电连接，D₃与D₄的交点与电磁耦合单元的接收单元提供的电源电连接，D₁与D₃、D₂与D₄之间的交点分别接入滤波电路中。而滤波电路由电容C₁与C₂构成，电容C₁与C₂并联接入电路，其输出端输出直流电压U_ab。

本发明的工作特点是功率发送电路和接收电路均处于谐振工作点附近为最佳工作方式。负载侧等效电阻R_L的波动将影响功率接收（无功补偿）的效率。因此，在负载侧有一个如图8的恒负载变换电路，其目的是使输出侧等效电阻为恒定值。它由两个非线性元件二极管D1、稳压二极管DW和电阻R1、R2与负载等效电阻R_L以混联方式构成一个在ab侧等效基本恒定的电阻。如图8所示，恒负载变化电路6由直流电压U_ab供电。恒负载变化电路包括稳压二极管Dw，可变电阻RL、二极管D1、电阻R1与R2；稳压二极管Dw与电阻R2连接形成一支路，可变电阻RL并在稳压二极管Dw两端；二极管D1与电阻R1连接同时并在稳压二极管Dw与电阻R2形成的支路两端。

图8中，二极管D1和电阻R1构成一个分流电路。经过合理选择电阻R1的参数，可决定二极管D1的非线性电阻阻值变化范围。当Uab变化时，可调节等效电阻Rab。通过对R2的阻值和稳压二极管Dw稳压值的选择，确定Dw的非线性电阻的阻值变化范围。当RL变化时，可调节等效电阻Rab。则在ab端口的等效电阻为：

Figure 2011101939672100002DEST_PATH_IMAGE005

。

通过选择合适的非线性元件的工作点，达到在端口侧等效电阻基本恒定的目的。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims

1.一种电子式互感器工作电源，其特征在于：包括直流电源（1）、高频电源电路（2）、低压侧无功补偿电路（3）、电磁耦合单元（4）、高压侧接收电路（5）与恒负载变换电路（6）；所述直流电源（1）给高频电源电路（2）供电，所述高频电源电路（2）与低压侧无功补偿电路（3）电连接；所述电磁耦合单元（4）分为发送单元（41）和接收单元（42），所述低压侧无功补偿电路（3）接入电磁耦合单元（4）的发送单元（41）；所述高压侧接收电路（5）接入电磁耦合单元（4）的接收单元（42），且所述高压侧接收电路（5）和恒负载变换电路（6）电连接。

2.根据权利要求1所述的电子式互感器工作电源，其特征在于：所述高频电源电路（2）为小功率高频电源电路，其包括方波发生电路（21）、有源带通滤波电路（22）与推挽放大电路（23）；所述方波发生电路（21）、有源带通滤波电路（22）与推挽放大电路（23）依次电连接。

3.根据权利要求2所述的电子式互感器工作电源，其特征在于：所述方波发生电路（21）由IC芯片和晶振构成，所述晶振与IC芯片连接；所述IC芯片的输出端与所述有源带通滤波电路（22）的输入端电连接；所述有源带通滤波电路（22）包括高通滤波电路和低通滤波电路，所述高通滤波电路一端与IC芯片的输出端电连接，其另一端与低通滤波电路电连接；所述高通滤波电路包括第一集成芯片，所述第一集成芯片的输入端依次连接电容C1与C2，所述电容C1与C2分别通过电感R1与R3接地；所述低通滤波电路包括第二集成芯片，所述第二集成芯片的输入端依次连接电感R4与R5，所述电感R4与R5分别通过电容C1与C2接地；所述第一集成芯片的输出端与第二集成芯片的输入端电连接；所述推挽放大电路（23）包括第一变压器T1、第一三极管Q1、第二三极管Q2与第二变压器T2，所述第一变压器T1的初级绕组的一端与第二集成芯片的输出端电连接，第一变压器T1的次级输出分别连接第一三极管Q1与第二三极管Q2的基极，第一三极管Q1与第二三极管Q2的发射极均接地，第一三极管Q1与第二三极管Q2的集电极分别连入第二变压器T2的初级绕组，第二变压器T2的次级输出与低压侧无功补偿电路（3）电连接。

4.根据权利要求1所述的电子式互感器工作电源，其特征在于：所述低压侧无功补偿电路（3）为串联补偿电路,所述串联补偿电路包括电阻Rp与Rr、无功补偿电容Cp、电感Lp与Lr，所述电阻Rp的一端与高频电源电路的输出端连接、其另一端与电容Cp、电感Lp、Lr与电阻Rr依次电连接，电阻Rr的另一端为输出端，向电磁耦合单元（4）的发射单元（41）输出信号。

5.根据权利要求1所述的电子式互感器工作电源，其特征在于：所述低压侧无功补偿电路（3）为并联补偿电路,所述并联补偿电路包括电阻Rp与Rr、无功补偿电容Cp、电感Lp与Lr；所述电阻Rp与电感Lp、Lr与电阻Rr依次电连接形成一支路，无功补偿电容Cp并联在该支路两端形成所述低压侧无功补偿电路，该电路（3）的输入端与高频电源电路（2）的输出端连接，其输出端向电磁耦合单元（4）的发射单元（42）输出信号。

6.根据权利要求或4或5所述的电子式互感器工作电源，其特征在于：所述电磁耦合单元（4）的感应线圈为组合型或螺旋型，所述组合型的小线圈为平面型或抛物面型，所述螺旋型的小线圈为平面型或抛物面型。

7.根据权利要求或4或5所述的电子式互感器工作电源，其特征在于：所述高压侧接收电路（5）由无功补偿电路（51）与整流滤波稳压电路(52)组成，两者依次电连接，且均由电磁耦合单元（4）的接收单元（42）提供的电源供电。

8.根据权利要求7所述的电子式互感器工作电源，其特征在于：所述无功补偿电路（51）采用并联补偿谐振电路，其由电阻R_S、电感L_S、阻抗Z_P、补偿电容C_S组成，所述电阻R_S、电感L_S与阻抗Z_P依次电连接形成一支路，补偿电容C_S并联在支路两端形成无功补偿电路（51）；所述功补偿电路（51）的一端与电磁耦合单元的接收单元提供的电源电连接，另一端与整流滤波电路电连接。

9.根据权利要求7所述的电子式互感器工作电源，其特征在于：所述整流滤波稳压电路（52）包括整流电路和滤波电路，所述整流电路由二极管D₁、D₂与D₃与D₄构成的桥式电路构成，其D₁与D₂的交点与功补偿电路电连接，D₃与D₄的交点与电磁耦合单元的接收单元提供的电源电连接，D₁与D₃、D₂与D₄之间的交点分别接入滤波电路中，所述滤波电路由电容C₁与C₂构成，电容C₁与C₂并联接入电路，其输出端输出直流电压U_ab。

10.根据权利要求9所述的电子式互感器工作电源，其特征在于：所述恒负载变化电路（6）由直流电压U_ab供电；所述恒负载变化电路（6）包括稳压二极管Dw，可变电阻RL、二极管D1、电阻R1与R2；稳压二极管Dw与电阻R2连接形成一支路，可变电阻RL并在稳压二极管Dw两端；二极管D1与电阻R1连接同时并在稳压二极管Dw与电阻R2形成的支路两端。