CN102368637A - 一种高压输电线路取电装置 - Google Patents

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聂士广
李茂球
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刘亚东
李明
吕昌睿
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Abstract

本发明涉及一种高压输电线路取电装置，其特征在于，所述装置包括依次连接在外围高压输电线路和负载之间的取电线圈、充放电电路模块、电压检测模块、控制模块以及充电电池，其中，所述控制模块根据从电压检测模块和充放电电路模块采样到的电压数据，控制所述充放电电路模块对充电电池的充电电流的大小，以使所述稳压模块在向负载输出足够的电压的前提下，对充电电池充电。本发明通过取电线圈感应取能，从而给高压侧负载电路供电，还通过过压保护模块把取电线圈的副边输出功率限定在一个较小的范围，并通过控制模块确保在提供负载足够的电压的前提下，将多余的输出功率给充电电池充电，以备在取电线圈输出功率不足的情况下，由充电电池向负载供电。

Description

一种高压输电线路取电装置
技术领域
本发明涉及一种高压输电线路取电装置。
背景技术
众所周知，高压输电线路敷冰是危害输电线路正常运行的主要原因之一，因此，通常在线路上采用高压输电线路除冰装置，以高效除去线路上的敷冰，从而保证输电线路的安全运行。
然而，由于上述除冰装置工作在高压侧，传统的直接供电方式在此应用条件下不再成立；而蓄电池供电由于其容量有限，难以使除冰装置长期稳定工作。因此，高压线路除冰装置的电源设计是除冰装置在高压输电线路上可靠运行的关键。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种高压输电线路取电装置，以提供除冰装置足够的电压，从而确保其可靠运行。
本发明所述的一种高压输电线路取电装置，包括依次连接在外围高压输电线路和负载之间的取电线圈、过压保护模块、整流滤波模块、DC/DC模块、充放电电路模块和稳压模块，还包括依次连接在所述整流滤波模块和充放电电路模块之间的电压检测模块和控制模块，以及连接在所述充放电电路模块和稳压模块之间的充电电池，其中，所述控制模块根据从电压检测模块和充放电电路模块采样到的电压数据，控制所述充放电电路模块对充电电池的充电电流的大小，以使所述稳压模块在向负载输出足够的电压的前提下，对充电电池充电。
在上述的高压输电线路取电装置中，所述过压保护模块包括：
并联在所述取电线圈副边两端的放电管；
可调节阻值大小的电位器，其与第一电容串联后并联在所述放电管的两端；
双向触发二极管和双向可控硅，其中，
所述双向触发二极管的一端通过第一电阻连接到所述电位器和第一电容之间，其另一端与所述双向可控硅的门极连接，该双向可控硅并联在所述电位器和第一电容的两端。
在上述的高压输电线路取电装置中，所述DC/DC模块包括DC/DC变换芯片。
在上述的高压输电线路取电装置中，所述电压检测模块包括依次串联在所述DC/DC变换芯片的输入引脚与地之间的第四电阻和第十一电阻以及并联在该第十一电阻两端的第十电容，且所述第四电阻和第十一电阻的中间点连接至所述控制模块。
在上述的高压输电线路取电装置中，所述充放电电路模块包括分别连接在所述控制模块与充电电池之间的开关电路和电池电压检测子模块。
在上述的高压输电线路取电装置中，所述开关电路包括MOSFET管和三极管，其中，所述MOSFET管的漏极与充电电池连接，其栅极与所述三极管的集电极连接，该三极管的基极通过第二十五电阻与所述控制模块连接，其发射机接地。
在上述的高压输电线路取电装置中，所述电池电压检测子模块包括依次连接在所述MOSFET管的漏极与地之间的第二十三电阻和第二十四电阻以及并联在该第二十四电阻两端的第十九电容，且该第二十三电阻和第二十四电阻的中间点连接至所述控制模块。
在上述的高压输电线路取电装置中，所述充放电电路模块还包括并联在所述MOSFET管两端的涓流充电电路。
在上述的高压输电线路取电装置中，所述涓流充电电路包括依次连接在所述MOSFET管的栅极和漏极之间的第九二极管、第八二极管和第十三电阻。
在上述的高压输电线路取电装置中，所述控制模块包括内置有A/D转换器和可编程计数器阵列的单片机。
在上述的高压输电线路取电装置中，所述电压检测模块与所述单片机内的A/D转换器连接。
在上述的高压输电线路取电装置中，所述开关电路与所述单片机内的可编程计数器阵列连接。
在上述的高压输电线路取电装置中，所述电池电压检测子模块与所述单片机内的A/D转换器连接。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过取电线圈感应取能，从而给高压侧负载电路供电，本发明通过过压保护模块把取电线圈的副边输出功率限定在一个较小的范围，并通过控制模块确保在提供负载足够的电压的前提下，将多余的输出功率给充电电池充电，以备在取电线圈输出功率不足的情况下，由充电电池向负载供电。
附图说明
图1是本发明的一种高压输电线路取电装置的结构框图；
图2是本发明中过压保护模块的电路结构示意图；
图3是本发明中整流滤波模块的电路结构示意图；
图4是本发明中DC/DC模块的电路结构示意图；
图5是本发明中充放电电路模块的电路结构示意图；
图6是本发明中控制模块的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，本发明，即一种高压输电线路取电装置，包括依次连接在高压输电线路10和负载20(如除冰装置等)之间的取电线圈1、过压保护模块2、整流滤波模块3、DC/DC模块4、充放电电路模块5和稳压模块6，还包括依次连接在整流滤波模块3和充放电电路模块5之间的电压检测模块7和控制模块8，以及连接在充放电电路模块5和稳压模块6之间的充电电池9(如锂电池)。
本装置的基本工作原理如下：
取电线圈1从高压输电线路10上感应出交流的电压电流后，通过过压保护模块2，经整流滤波模块3把交流电压变换成整流电压，并提供给DC-DC模块4；该DC-DC模块4将直流电压变换为5V，并且一方面通过充放电电路模块5对充电电池9充电，另一方面再通过稳压模块6稳压输出给负载20。
充放电电路模块5还对充电电池9的电池电压进行检测，电压检测模块7用于检测输入到DC/DC模块4的电压，充放电电路模块5和电压检测模块7分别将检测数据提供给控制模块8；控制模块8根据从电压检测模块7和充放电电路模块5采样到的电压数据，调整输出的占空比可变的PWM波的大小，从而控制充放电电路模块5对充电电池9的充电电流的大小，以确保在提供负载20足够的电压的前提下，将多余的输出功率给充电电池9充电，以备在取电线圈1输出功率不足的情况下，由充电电池9经稳压模块6向负载供电。
下面对上述各模块进行详细介绍。
如图2所示，过压保护模块2主要包括放电管D1、可以调节阻值大小的电位器U1、双向触发二极管D2和双向可控硅Q1，其中：
放电管D1并联在取电线圈1副边J1两端，用于防止高压输电线路发生雷击、短路或产生高感应电流和感应电压对后级电路产生破坏；
电位器U1与第一电容C1串联后并联在放电管D1的两端；
双向触发二极管D2的一端通过第一电阻R1连接到电位器U1和第一电容C1之间，其另一端与双向可控硅Q1的门极连接；
双向可控硅Q1具有双向导通功能，其并联在电位器U1和第一电容C1的两端。
过压保护模块2主要是通过控制电位器U1的阻值大小，来控制双向触发二极管D2的导通，从而控制双向可控硅Q1的导通，进而控制取电线圈1的副边电流大小。具体来说，当高压输电线路10上的电流很大时，由于双向可控硅Q1的导通角也增大，从而增大取电线圈1的副边电流；此时调整电位器U1的阻值，可以减小双向可控硅Q1的导通角，从而可以降低取电线圈1的输出功率，以将输出功率限制在较小的范围内。由此可见，在高压输电线路10上的电流较大时，由于过压保护模块2的作用，取电线圈1的输出功率会被降低，所以取电线圈1不会发生严重发热的问题；同时，过压保护模块2也可以在高压输电线路10上的电流过大时，通过双向可控硅Q1的导通，滤除副边电压的过高的尖锋，从而降低副边输出电压，保护后级电路。
如图3所示，整流滤波模块3的作用是将过压保护模块2输出的交流电压变换为直流电压，它包括整流桥U2、瞬态抑制二极管D5及滤波电路31，其中：
整流桥U2用于把交流电压变换成直流电压；
瞬态抑制二极管D5用于把整流桥U2的输出电压钳制在一定的电压范围以内，防止其输出电压过高，烧坏后续的DC/DC模块4；
滤波电路31用于减少整流桥U2输出电压的波纹以及滤除电压的高频尖峰。
如图4所示，DC/DC模块4的作用是将可变的直流电压变换为稳定的5V直流电压供负载20及充电电池9使用，它主要包括DC/DC变换芯片U3。
电压检测模块7包括依次串联在DC/DC变换芯片U3的输入引脚VIN与地之间的第四电阻R4和第十一电阻R11以及并联在该第十一电阻R11两端的第十电容C10。
控制模块8由型号为F320的内置10位A/D转换器和可编程计数器阵列的单片机构成。电压检测模块7中的第四电阻R4和第十一电阻R11之间引出的端子VoltIn连接到单片机内A/D转换器的端口，单片机对该端子VoltIn上的电压进行AD转换(转换时的基准电压Vref由单片机内部产生)，并通过选取第四电阻R4和第十一电阻R11的阻值比例，使单片机采集到的电压值在合理的范围之内，经过单片机运算便可以得到输入到DC/DC模块4的电压值。
如图5所示，充放电电路模块5主要包括开关电路和电池电压检测子模块51，具体来说：
开关电路包括MOSFET管Q3和三极管Q4，其中，MOSFET管Q3的漏极与充电电池9连接，其栅极与三极管Q4的集电极连接，该三极管Q4的发射机接地，其基极通过第二十五电阻R25连接到单片机，进一步来说，即，端子BATT_ChgEN连接在单片机内可编程计数器阵列的输出端，利用其输出的占空比可变的PWM波对三极管Q4的导通、关闭时间进行控制，从而控制MOSFET管Q3的导通和关断，进而控制输出至充电电池9的充放电电流的大小；其具体的控制过程将在下文中详细介绍。
电池电压检测子模块51包括依次连接在MOSFET管Q3的漏极与地之间的第二十三电阻R23和第二十四电阻R24以及并联在该第二十四电阻R24两端的第十九电容C19，且第二十三电阻R23和第二十四电阻R24之间引出的端子BATT_VoltMSR连接到单片机内A/D转换器的端口，单片机对该端子BATT_VoltMSR上的电压进行AD转换，从而实现对电池电压的实时检测；由于正在充电的电池电压有浮高的现象，为了减小误差，在测量时，首先要关掉PWM波的输出，然后再进行多次测量，求取平均值。
充放电电路模块5还包括连接在MOSFET管Q3的栅极和漏极之间的涓流充电电路，该涓流充电电路由依次连接的第九二极管D9、第八二极管D8和第十三电阻R13构成，其可以在充电电池9不宜大电流充电时，对其进行涓流充电。
控制模块8主要进行充电电池9的充电管理和供电管理，即根据从电压检测模块7和充放电电路模块5接收到的电压值，对充放电电路模块5进行控制，以对充电电池9进行充放电管理，使整个装置平稳运行，具体来说，就是利用单片机内的可编程计数器阵列输出占空比可变的PWM波，调节充放电电路模块5中的对充电电池9充放电的开关电路。
本装置中稳压模块6的输出端也可以连接到单片机内A/D转换器的端口，从而实时检测输出电压的大小。
如图6所示，在高压输电线路10上的电流较大的情况下，控制模块8检测到取电线圈1副边有正常电压输出，则首先关闭控制充放电电路模块5中开关电路的PWM波的输出，然后进入主循环，缓慢地增大PWM波的占空比，即增大充电电流，直至取电线圈1输出功率满足负载20所需的工作功率和此时的充电电池9所需的充电功率；在高压输电线路10空载的情况下，此时取电线圈1输出功率提供不了负载功率，则完全打开充放电电路模块5的开关电路，让充电电池9经稳压模块6给负载20供电。具体来说，进入主循环后：
首先，开启单片机内A/D转换器的采样功能，从电压检测模块7采集DC/DC模块4的输入电压，从充放电电路模块5内的电池电压检测子模块51采集充电电池9的电池电压；
当高压输电线路10空载电流过小，提供不了负载功率，即输入到DC/DC模块4的电压V小于根据负载功率设置的最小门限电压值V0时，由充电电池9经稳压模块6对负载20供电，直至充电电池9供应不足或高压输电线路10可以提供足够功率；此时，单片机检测充电电池9的当前电池电压是否大于充电电池9的可充电电压Vbat，若是，即充电电池9可以充电，则将PWM波的占空比增至最大，即完全打开充放电电路模块5的开关电路，若否，即充电电池9不可以充电，则关闭PWM波的输出。
当高压输电线路10上的电流足够大，取电线圈1提供的功率远大于所需的负载功率，即输入到DC/DC模块4的电压V大于根据负载功率设置的最大门限电压值V1时，单片机检测充电电池9的当前电池电压，若充电电池9可以充电，则判断PWM波的占空比是否已达到100％，即完全打开充放电电路模块5的开关电路，若否，则缓慢增大PWM占空比(例如将占空比增大2％)，即增大充电电流(直至稳压模块6输出的功率降为负载20所需的最小负载功率)，从而确保在向负载20提供足够功率的前提下，将多余的功率用于充电电池9的充电。
当高压输电线路10上的电流适中，即输入到DC/DC模块4的电压V大于根据负载功率设置的最小门限电压值V0，小于根据负载功率设置的最大门限电压值V1时，单片机判断PWM波的占空比是否已为0％，即完全关闭PWM波的输出，若否，则缓慢减小PWM占空比(例如将占空比减小2％)，即减小充电电流，以确保取电线圈1提供的功率首先提供给负载20。
通过实验证明，本装置可以在40A到1000A的电流范围内为负载提供稳定的1.5W以上的功率，并且在电流较大时使取能线圈的发热现象不严重。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (13)

1.一种高压输电线路取电装置，其特征在于，所述装置包括依次连接在外围高压输电线路和负载之间的取电线圈、过压保护模块、整流滤波模块、DC/DC模块、充放电电路模块和稳压模块，还包括依次连接在所述整流滤波模块和充放电电路模块之间的电压检测模块和控制模块，以及连接在所述充放电电路模块和稳压模块之间的充电电池，其中，所述控制模块根据从电压检测模块和充放电电路模块采样到的电压数据，控制所述充放电电路模块对充电电池的充电电流的大小，以使所述稳压模块在向负载输出足够的电压的前提下，对充电电池充电。
2.根据权利要求1所述的高压输电线路取电装置，其特征在于，所述过压保护模块包括：
并联在所述取电线圈副边两端的放电管；
可调节阻值大小的电位器，其与第一电容串联后并联在所述放电管的两端；
双向触发二极管和双向可控硅，其中，
所述双向触发二极管的一端通过第一电阻连接到所述电位器和第一电容之间，其另一端与所述双向可控硅的门极连接，该双向可控硅并联在所述电位器和第一电容的两端。
3.根据权利要求1或2所述的高压输电线路取电装置，其特征在于，所述DC/DC模块包括DC/DC变换芯片。
4.根据权利要求3所述的高压输电线路取电装置，其特征在于，所述电压检测模块包括依次串联在所述DC/DC变换芯片的输入引脚与地之间的第四电阻和第十一电阻以及并联在该第十一电阻两端的第十电容，且所述第四电阻和第十一电阻的中间点连接至所述控制模块。
5.根据权利要求1、2或4所述的高压输电线路取电装置，其特征在于，所述充放电电路模块包括分别连接在所述控制模块与充电电池之间的开关电路和电池电压检测子模块。
6.根据权利要求5所述的高压输电线路取电装置，其特征在于，所述开关电路包括MOSFET管和三极管，其中，所述MOSFET管的漏极与充电电池连接，其栅极与所述三极管的集电极连接，该三极管的基极通过第二十五电阻与所述控制模块连接，其发射机接地。
7.根据权利要求6所述的高压输电线路取电装置，其特征在于，所述电池电压检测子模块包括依次连接在所述MOSFET管的漏极与地之间的第二十三电阻和第二十四电阻以及并联在该第二十四电阻两端的第十九电容，且该第二十三电阻和第二十四电阻的中间点连接至所述控制模块。
8.根据权利要求6或7所述的高压输电线路取电装置，其特征在于，所述充放电电路模块还包括并联在所述MOSFET管两端的涓流充电电路。
9.根据权利要求8所述的高压输电线路取电装置，其特征在于，所述涓流充电电路包括依次连接在所述MOSFET管的栅极和漏极之间的第九二极管、第八二极管和第十三电阻。
10.根据权利要求5所述的高压输电线路取电装置，其特征在于，所述控制模块包括内置有A/D转换器和可编程计数器阵列的单片机。
11.根据权利要求10所述的高压输电线路取电装置，其特征在于，所述电压检测模块与所述单片机内的A/D转换器连接。
12.根据权利要求10或11所述的高压输电线路取电装置，其特征在于，所述开关电路与所述单片机内的可编程计数器阵列连接。
13.根据权利要求12所述的高压输电线路取电装置，其特征在于，所述电池电压检测子模块与所述单片机内的A/D转换器连接。
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