CN102638090A

CN102638090A - 一种收集交流母线周边磁场能量的测温无线节点电源

Info

Publication number: CN102638090A
Application number: CN2012101095423A
Authority: CN
Inventors: 张荣标; 楚孔旭; 徐长琴
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2012-08-15

Abstract

本发明公开一种收集交流母线周边磁场能量的测温无线节点电源，由交变磁场能量收集器和能量处理电路模块组成，交变磁场能量收集器包括开口相对的U型上铁心和U型下铁心，U型上铁心和下铁心相闭合构成闭合铁心，交流母线穿过该闭合铁心中，下铁心的底部环绕有线圈，线圈连接能量处理电路模块，能量处理电路模块连接无线节点，能量处理电路模块包括整流电路、电容滤波电路a2、a5、开关稳压电源、稳压器和备用锂电池，在交流母线周边的交变磁场中放入闭合的导体回路，闭合回路收集交变磁场能量并产生感应电流，再将获得的感应电流经过后续电路处理后提供给测温无线节点所需电源，充分利用了能源，结构简单，解决了无线节点的供电问题。

Description

一种收集交流母线周边磁场能量的测温无线节点电源

技术领域

本发明涉及一种无线节点电源，特指用于测量交流母线温度的无线节点电源。

背景技术

交流母线大都处于高电位、高地势环境下，而目前国内专门用于交流母线热测量的电子仪器所用电源均为电池供电，这就使得这些电子仪器在更换电池时很不方便和不安全。

中国专利申请号为03111849.6、名称为“一种母线温度在线监测系统供电方法”的专利文献中公开的供电方法是将母线中工频交流电降压、整流、滤波成直流电源，通过闭环调节得到稳定直流源，用逆变器将其转换为高频交流电，用高压电缆构成多个隔离变压器的原边绕组，通过高压电缆将高频交流电源送至各个隔离变压器；各隔离变压器副边输出的高频交流电源经整流稳压滤波电路得到直流电源。其虽然解决了检测系统的供电问题，但其先后经历了降压、交变直、稳压、直变交、交变直过程，结构复杂，成本高，且直接从母线取电，安装不方便、不安全，而且起不到节能作用。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种无需直接从母线取电、结构简单、成本低且节能、安全、可靠的测温无线节点用电源，从交流母线周边交变磁场收集能量并转换为无线节点所需电源，使无线节点在测量母线温度时可以持续工作而不需更换电源。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：该测温无线节点电源由交变磁场能量收集器和能量处理电路模块组成，交变磁场能量收集器包括开口相对的U型上铁心和U型下铁心，U型上铁心和下铁心相闭合构成闭合铁心，交流母线穿过该闭合铁心中，下铁心的底部环绕有线圈，线圈连接能量处理电路模块，能量处理电路模块连接无线节点。

上铁心设置在上部结构的内部，下铁心设置在下部结构的内部，上部结构和下部结构的一侧通过铰链结构相连接，另一侧设有可开合的卡扣结构。

能量处理电路模块包括整流电路、电容滤波电路a2、a5、开关稳压电源、稳压器和备用锂电池，整流电路的输入端连接线圈、输出端串接电容滤波电路a2，电容滤波电路a2串接开关稳压电源；开关稳压电源输出分b、c两路，c路经稳压器接电容滤波电路a5，电容滤波电路a5连接无线节点，b路经线性充电器接备用锂电池，备用锂电池连接无线节点。

由于交流母线周边存在大量交变磁场，本发明在母线周边的交变磁场中放入闭合的导体回路，闭合回路能收集交变磁场能量并产生感应电流，再将获得的感应电流经过整流、滤波、稳压以及蓄电池等后续电路处理后，提供给无线测温节点所需电源，并通过处理电路将收集到的能量转换为稳定供电电源。交流母线中电流很大，交变磁场产生的电流足以给无线节点供电，可以使无线节点永远工作而不需更换电池。本发明与已有技术相比，具有如下优点：

1、本发明交流母线无线测温节点所用电能直接取自交流母线周边交变磁场，直接从交流母线周边的交变磁场中收集能量并转换为节点用稳定电源，不但解决了更换电池造成的不方便和不安全问题，而且充分利用了能源，起到节能作用。结构简单，方便安全，解决了无线节点的供电问题。

2、本发明的上下铁心结构可开合，上下铁心连接处应用轴承铰链式结构，从而可以围绕轴承铰链打开和闭合，方便了上下铁心的开合；另一端开口处用卡扣式结构连接上下铁心，以咬合的形式连接在一起，这样在安装时可以不拆卸母线，直接卡在母线上，能够方便、迅速和稳固地实现节点电源的拆装。

3、本发明的铁心线圈二次绕组集中在铁心一端，即全部缠绕于下半铁心上，这样开口开合时线圈绕组也不移动，避免了上下铁心的开合对线圈绕组造成损坏。

4、本发明的铁心材料采用初始磁导率高、饱和磁密低的坡莫合金材料，铁心线圈工作在饱和区，即使一次侧电流变化较大时，二次侧感应电压平均值也不变，解决了供电电源的不稳定问题。

5、本发明的供电电源装有备用的蓄电锂电池，正常状态时锂电池蓄电，当一次侧母线电流过小时启用锂电池供电，解决了一次侧电流过小产生的供电死区问题。

附图说明

图1是本发明的使用状态图；

图2是本发明在上铁心6位于打开位置时的结构主视图；

图3是图2中当上铁心6位于工作位置时，上铁心6、下铁心7以及线圈11的组件图；

图4是图3的左侧视图；

图5是本发明的能量处理电路模块结构连接图；

图中：1.交流母线；2.无线节点；3.上部结构；4.铰链结构；5.下部结构；6.上铁心；7.下铁心；8.扣环空槽；9.凸起结构；10.导线；11.线圈。

具体实施方式

参见图1-2，本发明分为交变磁场能量收集器和能量处理电路模块两部分组成，能量处理电路模块通过导线10连接无线节点2。其中交变磁场能量收集器包括上下铁心和线圈，能量处理电路分为整流、滤波、稳压、蓄电池等处理电路。本发明的测温无线节点电源根据交流母线1形状大小而设计，整体结构分上下两部分，上部结构3和下部结构5一侧通过铰链结构4连接在一起，采用铰链结构4可以使上部结构3的开启更加方便。其中上部结构3的内部设置U型上铁心6，下部结构5的内部设置U型下铁心7，U型上铁心6和下铁心7开口相对，闭合时构成闭合铁心，交流母线1穿过该闭合铁心。

上部结构3和下部结构5、上铁心6和下铁心7均根据交流母线1大小形状设计，方便卡套交流母线1。上部结构3和下部结构5开合的另一侧采用卡扣式结构连接在一起，在铰链结构4相对侧的上部结构3侧面上设置扣环空槽8，在铰链结构4相对侧的下部结构5侧面上设置凸起结构9，凸起结构9与扣环空槽8相配合组成上、下结构的卡扣结构。其中扣环空槽8采用弹性材料，以咬合的形式牢固卡套在凸起结构9上。这种可开合的结构使得无线节点电源的安装和维修十分方便，不需要从交流母线1的一端套入，安装时打开卡扣结构使开口卡套在交流母线1上，然后关闭卡扣结构即可，这就省去了拆装交流母线1造成的麻烦，卡扣结构使得测温无线节点电源拆装十分方便、牢固。减少了高空、高压环境下的作业难度和时间，也就减小了危险性。

参见图3-4，在下铁心7的底部环绕铜丝线圈11，一次侧线圈为交流母线1，二次侧线圈为环绕在下铁心7上的线圈11。当开口结构闭合后，上铁心6和下铁心7闭合相连构成了闭合铁心，这样实现了从交流母线1穿过的交流电在闭合铁心中产生交变的磁场，磁场在闭合铁心中形成闭合环路，环绕下铁心7的线圈11切割交变的磁场，又产生交变的电流，这样就取得了需要的交变电流。由于本发明的上部结构3和下部结构5的一端可以开合，所以若在上铁心6和下铁心7都缠绕二次侧线圈11，则开合上部结构3和下部结构5时就会破坏缠绕的线圈11，影响正常工作。所以本发明将二次侧线圈11全部缠绕在不移动的下铁心7上，这样提高了其稳定性。

由于一次侧交流母线1的电流的变化范围为1%-120%额定值，这就导致这种供电方式存在如下两个问题：①死区问题。当交流母线1电流很小时，不能为高压侧电路提供稳定电压；②存在系统故障时故障电流可达额定电流20倍，导致二次侧线圈11供电电源不稳定，而且一次侧电流过大会导致二次侧电流相应过大，引起导线发热乃至烧毁。针对死区问题，本发明在设计中加入了备用锂电池。在当一次侧交流母线1电流过小时启用锂电池供电。恢复正常工作状态后断开锂电池供电，并给锂电池充电。为了避免锂电池在不充电的情况下全部放电, 平常将锂电池放电的控制开关禁止，现场安装后控制开关使能。针对电流过大问题，本发明线圈11采用磁导率高、饱和磁密低的坡莫合金材料。由于铁心工作状态分线性区和饱和区两种情况。上、下铁心工作在线性区时，线圈11的感应电压会随一次侧交流母线1电流增大而线性增大。而上、下铁心工作在饱和区时，线圈11的感应电压平均值保持不变。当故障时电流过大会导致二次侧电流过大，超出用电电路的承受范围。因此坡莫合金材料的线圈11在一开始就工作于饱和区，从而解决了上述问题。

当线圈11从一次侧交流母线1获取到交流电后，需要经过能量处理电路模块，经整流、滤波、稳压等后续处理电路以及蓄电池备用电路。能量处理电路模块的结构框图如图5所示，本发明从下铁心7缠绕的线圈11引出的输出电线接能量处理电路模块，可将能量处理电路模块安装下部结构5内部。能量处理电路模块主要包括整流电路a1、电容滤波电路a2、开关稳压电源a3、稳压器a4、电容滤波电路a5以及备用锂电池，然后输出无线节点所需要的稳定电源。

整流电路a1采用单相桥式整流电路，单相桥式整流电路为全波整流电路，整流电路a1输入端连接线圈11，通过整流电路a1可将线圈11上的交流电压转换为直流电压。经过整流电路a1后的直流电压还含有交流分量，需通过电容滤波电路a2将交流分量滤除。电容滤波电路a2选用最常见也最简单的电容滤波电路，在整流电路a1的输出端串接电容滤波电路a2。电容滤波电路a2串联开关稳压电源a3，电容滤波电路a2产生的直流电压接开关稳压电源a3的输入端，由开关稳压电源a3输出端输出5v直流电压，5v直流电压又分为b和c两路，b、c两路并联。c路通过LDO电源器件稳压器a4转换成3.3V电压，3.3V电压再经过电容滤波电路a5就可向无线节点提供稳定工作电压。由于一次侧的交流母线1交流电流变化范围较大，有可存在死区问题，本发明为了解决死区问题加入了备用锂电池a7，将备用锂电池a7连接无线节点，当一次侧电流过小时开启备用锂电池a7向无线节点2供电。备用锂电池a7的充电由线性充电器a6完成，开关稳压电源a3输出的b路部分连接线性充电器a6，向线性充电器a6提供5v工作电压，由线性充电器a6完成给备用锂电池a7充电，当使用备用锂电池a7时，备用锂电池a7向无线节点提供3.3V电压。b、c两路保障了向无线节点提供稳定3.3V电压。

综上，本发明结合了电磁感应原理、电力电子技术，直接从交流母线1周边交变磁场取能，完成能量收集，并为处于高电位、高地势环境下的无线测温节点提供电源，节能又安全。而且本电源具有有高稳定性、高寿命、低成本等优点，具有很大的应用前景。本发明不仅局限于无线测温节点，可根据需要为一切高压侧用电设备提供稳定能量。

Claims

1.一种收集交流母线周边磁场能量的测温无线节点电源，其特征是：该测温无线节点电源由交变磁场能量收集器和能量处理电路模块组成，交变磁场能量收集器包括开口相对的U型上铁心（6）和U型下铁心（7），U型上铁心（6）和下铁心（7）相闭合构成闭合铁心，交流母线（1）穿过该闭合铁心中，下铁心（7）的底部环绕有线圈（11），线圈（11）连接能量处理电路模块，能量处理电路模块连接无线节点（2）。

2.根据权利要求1所述的收集交流母线周边磁场能量的测温无线节点电源，其特征是：所述上铁心（6）设置在上部结构（3）的内部，所述下铁心（7）设置在下部结构（5）的内部，上部结构（3）和下部结构（5）的一侧通过铰链结构（4）相连接，另一侧设有可开合的卡扣结构。

3.根据权利要求1所述的收集交流母线周边磁场能量的测温无线节点电源，其特征是：所述能量处理电路模块包括整流电路、电容滤波电路a2、a5、开关稳压电源、稳压器和备用锂电池，整流电路的输入端连接线圈（11）、输出端串接电容滤波电路a2，电容滤波电路a2串接开关稳压电源；开关稳压电源输出分b、c两路，c路经稳压器接电容滤波电路a5，电容滤波电路a5连接无线节点（2），b路经线性充电器接备用锂电池，备用锂电池连接无线节点（2）。

4.根据权利要求1所述的收集交流母线周边磁场能量的测温无线节点电源，其特征是：线圈（11）为坡莫合金材料。