CN103746467A - 基于电场耦合的感应取能装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电场耦合的感应取能装置及其实现方法，主要解决了现有技术中存在的缺乏一种供电稳定、安全可靠、便于实施且供电功率较高的取能装置，不能满足技术发展需求的问题。该基于电场耦合的感应取能装置，包括依次相连的耦合取能单元、防过压保护电路、整流电路和储能电路，与储能电路相连的触发电路，以及与触发电路和储能电路均相连的可控硅。通过上述方案，本发明达到了安全可靠、适用范围光的目的，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

基于电场耦合的感应取能装置及其实现方法

技术领域

 本发明涉及一种交流高压侧的能量提取技术，具体地说，是涉及一种基于电场耦合的感应取能装置及其实现方法。

背景技术

现今，智能电网已经成为世界电网发展的新趋势，面对新形势、新挑战，主要提出了加快建设以特高压为骨干网架、发展新能源为低碳方向，各级电网协调发展，以信息化、自动化、互动化为特征的智能电网战略目标，其中，如何实现对高压侧设备安全稳定地供电成为影响电网运行可靠性的重要因素。

目前，对于高压侧监测设备的供电主要有以下几种方式：采用太阳能板供电、激光供电、超声波供电及设备供电等。然而，它们各自存在以下缺陷：太阳能板因供电电池板体积庞大而不利于安装，且供电质量易受气候的影响，在南方多阴雨多雾的气候条件下供电功率明显不足；激光供电设备价格昂贵，需要有保证激光源正常运行的技术条件，需要定期监测和维护，并且高压电力设备多经过一些偏僻的地方，如山区，森林等无人烟处，无可供电的低压端，该技术的应用受地理条件的极大限制；超声波供电技术中所使用的超声波设备造价昂贵，转换器的转换效率低，因而这种方法还没能达到真正实用化的程度，仍然需要进一步的研究。

现有技术中也有采用电压互感器供电，然而这种供电方式安全性不够高，可靠性较低，存在一定的工作盲区（一次侧瞬间短路可能使设备不能正常运行），另外，需要考虑备用电源也增加了系统的复杂性，且如何保证供能电路和后续工作电路之间的电气隔离，这要求有更为严格的过电压防护设计；其次是这种方法有更多的误差来源，如温度、杂散电容和电磁干扰等多种因素都将影响该方法的性能，最后，采用这种方法得到的功率有限，虽然可以通过改变电容C 的大小来调整功率输出，但是，大电容的选用可能产生谐波，造成分压不稳，影响后续电路。电流互感器供电也存在两 个技术难点：一是当一次电流较低（低至数安）时，不能获得足够的能量，致使取能设备留有“取能死角”；二是当一次电流增大至数千安以上时，取能互感器产生的高压尖脉冲会对副边各器件造成干扰和损坏，尤其是对电源和后续电路的干扰较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电场耦合的感应取能装置及其实现方法，主要解决现有技术中存在的缺乏一种供电稳定、安全可靠、便于实施且供电功率较高的取能装置，不能满足技术发展需求的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于电场耦合的感应取能装置，包括依次相连的耦合取能单元、防过压保护电路、整流电路和储能电路，与储能电路相连的触发电路，以及与触发电路和储能电路均相连的可控硅。

具体地说，所述耦合取能单元包括均放置于交变电场中的上极板和下极板，所述上极板与下极板相互平行。

进一步地，所述防过压保护电路为两端分别与上极板和下极板相连的TVS管；所述整流电路由四个相互连接的二极管构成，其两个输入端分别连接于TVS管的两端、两个输出端均与储能电路相连。

更进一步地，所述储能电路包括串联后连接于整流电路的两个输出端之间的电容C1、二极管D2和电容C2，一端连接于整流电路正极输出端、另一端连接于二极管D2和电容C2之间的二极管D3，一端连接于整流电路负极输出端、另一端连接于电容C1和二极管D2之间的二极管D1，所述触发电路连接于整流电路的两个输出端之间，所述可控硅连接于整流电路负极输出端。

本发明中，所述触发电路包括串联后连接于整流电路的两个输出端之间的电阻R1和电容C3，一端连接于电阻R1和电容C3之间、另一端连接于可控硅G极的电容C4和触发二极管DS，所述可控硅的T2极连接于整流电路负极输出端。

基于上述装置，本发明提供了一种基于电场耦合的感应取能装置的实现方法，包括以下步骤：

（1）将由相互平行的上极板和下极板构成的耦合取能单元放置于交变电场中，并将上极板连接在高压带电体上；

（2）将上极板和下极板在电场作用下形成的交流电连接至防过压保护电路，之后将交流电连接至整流电路；

（3）整流电路将交流电整流为直流电输出，并对储能电路充电；

（4）将储能电路与可控硅和触发电路相连，调节可控硅和触发电路控制储能电路进行充电或放电，并将放电后的电能连接至负载。

作为优选，所述储能电路采用两个以上电容组合而成，采用串充并放的工作模式进行充放电。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明中，采用电场耦合的方式进行取能，装置中的耦合取能单元与高压带电体等电位工作，其工作不受高压电气设备工作电压、电流范围限制，不受设备自身发热及强电磁环境影响，因而安全性和可靠性均较高，且整体结构较为简单、所使用器件模块较少，因而实施较为方便、性价比较高，适用范围较广，适合大规模推广应用。

（2）本发明中，充电放电过程可控，充放电时间、电量等均可通过调整储能电路中电容的大小、数量以及触发电路进行调节，因而通过对电容及触发电路的配合调节便可满足不同负载的运行需求，操作十分方便。

（3）本发明中，设置了防过压保护电路，充分确保高压带电体电压过高时不会损毁装置，进一步保证了装置运行的可靠性。

（4）本发明中，可通过设置阈值电压来控制装置的放电和关断，从而在可控硅关断后可将后端负载电路切断，进而极大的降低泄露损耗。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明的实现原理图。

图3为本发明的整体放电回路图。

图4为本发明中电容C1和电容C2的放电回路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

电场耦合取能是利用电场耦合效应构建的无电气接触的电能传输方式，通过在两对金属板上施加交变电压，从而在板间形成交变感应电场，根据电场原理，金属板间将形成位移电流，从而实现电能在两对非接触金属板间的传递。

基于上述原理，本发明公开了一种基于电场耦合的感应取能装置，如图1所示，该装置主要包括耦合取能单元、防过压保护电路、整流电路、储能电路、触发电路、可控硅。

其中，耦合取能单元由平行放置的上极板与下极板组成，上极板可接在高压带电体上、与高压带电体等电位工作，其工作不受高压带电体工作电压和电流范围的限制，电流电压高低只影响充放电的时间，下极板在电场的作用下形成交流电，之后将形成的交流电连接至防过压保护电路；

防过压保护电路对电路进行防过压保护，保证高压带电体电压过高时不会损毁装置，再将形成的交流电连接至整流电路；

整流电路将其接收到的交流电转变为直流电，并对所述储能电路充电；

储能电路与可控硅和触发电路连接，并在可控硅和所述触发电路的调节下进行充电与放电。

在运行时，优选将储能电路设置为串充并放的工作模式，以提高能量搜集效率，在耐压和储能能力之间达到平衡，并在可控硅和触发电路的控制下实现阈值电压下的装置放电和关断功能，该储能电路可采用多个电容组合的方式，这样的组合方式比仅采用单个电容的储能效果更加明显。

为了降低了泄露损耗，在应用时可设置阈值电压，控制装置的放电和关断，在可控硅关断后切断后端负载电路。

在工作时，耦合取能单元的上极板和下极板间产生电场，通过电场耦合的方式取得交流电，并在防过压保护电路的保护下通过整流电路，对储能电路进行充电，触发电路和可控硅相互作用，控制储能电路的充放电过程，并将释放的电能提供给负载。

如图2所示，本实施例提供了一种用以实施本发明的电路原理图：

区域1为耦合取能单元，由上极板P1和下极板P2组成，通过电场耦合的方式取能，将上极板P1和下极板P2置于交变电场中，其两端感应出电流电压，并将电场能转换为电能；

区域2为防过压保护电路，其为TVS管，当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏；

区域3为对通过的电流进行整流，将交流电转化为直流电的整流电路；

区域4为储能电路，采用串充并放的方式，即：充电时，电路给电容C1充电，同时通过二极管D2给电容C2充电；放电时，电容C1的电流通过负载与二极管D1构成回路，同时电容C2的电流经过二极管D3与负载后构成回路，二极管D2的作用是单向导通，即充电时导通，电流通过电容C1后为电容C2充电，放电时，二极管D2起到阻断的作用，使电容C2放电的电流顺利通过负载。使用这种串充并放的方式，能有效提高能量搜集的效率。本发明中采用两个电容回路C1、C2进行充放电，在应用时可根据负载需求情况增加或减少电容回路；

区域5为触发电路，用户预先设定触发值，当触发电路中的触发二极管DS两端电压达触发值时，触发二极管导通，两端电压急剧下降，电流增大，且瞬间增大的电流值达到可控硅的触发电流值，使可控硅导通，电路开始放电；

区域6为可控硅，触发电路触发可控硅后，可控硅导通，储能电路开始为负载提供电能，当通过可控硅的电流值低于其维持电流时，可控硅关断，电路停止为负载供电。

如图3是本发明一种基于电场耦合感应取能装置的充电回路图，如图4所示，本发明提供了电容C1的放电回路和电容C2的放电回路。

基于上述器件电路，本发明的工作原理如下：

耦合取能单元的上极板与下极板平行放置，通过电场耦合的方式进行取能，耦合取能单元的上极板接在高压带电体上，与耦合取能单元的下极板在电场的作用下形成交流电，将形成的交流电连接至防过压保护电路，对电路进行防过压保护，再将形成的交流电通过整流电路进行整流，将其整流为直流电，并对储能电路充电，储能电路与可控硅和触发电路连接，并在可控硅和触发电路的调节下进行充电与放电，放电后的电能可供负载使用。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

Claims (7)

1.基于电场耦合的感应取能装置，其特征在于，包括依次相连的耦合取能单元、防过压保护电路、整流电路和储能电路，与储能电路相连的触发电路，以及与触发电路和储能电路均相连的可控硅。

2.根据权利要求1所述的基于电场耦合的感应取能装置，其特征在于，所述耦合取能单元包括均放置于交变电场中的上极板和下极板，所述上极板与下极板相互平行。

3.根据权利要求2所述的基于电场耦合的感应取能装置，其特征在于，所述防过压保护电路为两端分别与上极板和下极板相连的TVS管；所述整流电路由四个相互连接的二极管构成，其两个输入端分别连接于TVS管的两端、两个输出端均与储能电路相连。

4.根据权利要求3所述的基于电场耦合的感应取能装置，其特征在于，所述储能电路包括串联后连接于整流电路的两个输出端之间的电容C1、二极管D2和电容C2，一端连接于整流电路正极输出端、另一端连接于二极管D2和电容C2之间的二极管D3，一端连接于整流电路负极输出端、另一端连接于电容C1和二极管D2之间的二极管D1，所述触发电路连接于整流电路的两个输出端之间，所述可控硅连接于整流电路负极输出端。

5.根据权利要求4所述的基于电场耦合的感应取能装置，其特征在于，所述触发电路包括串联后连接于整流电路的两个输出端之间的电阻R1和电容C3，一端连接于电阻R1和电容C3之间、另一端连接于可控硅G极的电容C4和触发二极管DS，所述可控硅的T2极连接于整流电路负极输出端。

6.权利要求1~5任意一项所述的基于电场耦合的感应取能装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将由相互平行的上极板和下极板构成的耦合取能单元放置于交变电场中，并将上极板连接在高压带电体上；

（2）将上极板和下极板在电场作用下形成的交流电连接至防过压保护电路，之后将交流电连接至整流电路；

（3）整流电路将交流电整流为直流电输出，并对储能电路充电；

（4）将储能电路与可控硅和触发电路相连，调节可控硅和触发电路控制储能电路进行充电或放电，并将放电后的电能连接至负载。

7.根据权利要求6所述的基于电场耦合的感应取能装置的实现方法，其特征在于，所述储能电路采用两个以上电容组合而成，采用串充并放的工作模式进行充放电。

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