CN104319910A - 一种基于高压输电线路的电源取能电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于高压输电线路的电源取能电路，所述电路包括其主电路；所述主电路分别与储能电容和电源芯片连接；所述主电路包括整流滤波模块。本发明的电路使其在电流取能和电压取能两种不同的工况下，都能正常可靠地工作，为控制电路提供稳定的直流工作电压。电压取能与电流取能分开独立工作，两部分电路分别通过二极管接到后面的储能、滤波电路。
Description
技术领域：
本发明涉及一种电源取能电路，更具体涉及一种基于高压输电线路的电源取能电路。
背景技术：
随着国民经济的高速发展，各行各业对电力的需求越来越大，对电能质量(稳定性、不间断性等)的要求也越来越高，从而高压输电线路的安全性与稳定性显得尤为重要，因此非常需要在高压输电线路上实现在线实时监控，以保证高压输电线路的正常安全稳定运行，这也是目前智能电网发展的迫切要求。
随着技术的发展，工作在高压输电线路上的电气设备越来越多，如电力线路在线检测装置、线路设备防盗装置、巡线机器人、带电作业机器人、高压线路污秽在线监测等，由于大多的输电线路地处偏远，难以按常规办法解决电源供给问题，因而这些设备的供电一般采用太阳能供电，但此方式受气候条件影响较大，并且缺乏长期免维护能力。此外，还有激光供能在电子电流互感器和有源型光学电流互感器上也得到了应用，但此类电源也不适合在野外工作。最有发展前景的供电方式是从架空输电导线抽取电能，在导线上套装取能线圈，将导线能量转换到二次侧，实现隔离式供电。
故提出一种基于高压输电线路的电源取能电路，该电路稳定可靠，对输电线路电流变化具有很强的适应能力，具备短路及冲击电流自我保护，可为后端装置提供可靠的电源。性能特点感应取能，高效可靠，无需维护；全封闭式设计，适应恶劣环境，安装方便，接线简单；运行稳定，可以在线路电流变化的情况下保持稳定的输出；输出电压稳定，纹波小；该高压线路CT取能方案实现了在导线正常电流范围内提供稳定的输出、在短路及冲击电流下实现自我保护、长期低热耗稳定运行。克服了太阳能供电的不足之处，成为解决线上设备供能难题的非常好的供电方案。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于高压输电线路的电源取能电路，该电路在电流取能和电压取能的方式下，都能正常可靠地工作，为控制电路提供稳定的直流工作电压。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于高压输电线路的电源取能电路，所述电路包括其主电路；所述主电路通过并联电阻分别与储能电容和电源芯片连接；所述主电路包括整流滤波模块。
本发明提供的一种基于高压输电线路的电源取能电路，所述整流滤波模块包括整流桥；所述整流桥的输入端设有磁珠；所述整流桥的输出端反向并联稳压二极管。
本发明提供的一种基于高压输电线路的电源取能电路，所述储能电容并联所述整流桥；所述储能电容包括并联的电容C24、C25和C25-2；在并联的三个电容后串联电阻R11和电感；在所述储能模块的输入端通过串联二极管与所述整流桥并联。
本发明提供的另一优选的一种基于高压输电线路的电源取能电路，所述供电模块包括电源芯片；所述电源芯片的信号输入电压引脚Vin并联所述储能电容、电容C5、电容C6、电容C7和串联在一起的电阻R11与电阻R12的支路；所述电源芯片的使能引脚En连接在所述电阻R11与电阻R12之间；所述电源芯片的启动延时控制/低触发引脚SS/TR连接电容C8；所述电源芯片的定时电阻/时钟信号引脚RT/CLK连接电阻R13；所述电源芯片的电流补偿控制引脚COMP并联电容C9和电容C10；所述电容C10串联电阻R14；所述电源芯片的相电压引脚PH并联稳压二极管1、电容C12；所述电源芯片的次级驱动信号器过流保护引脚BOOT与所述引脚PH间连接电容C11；在所述二极管D29的正极和电容C12的正极间串联电感L14；所述电源芯片的电压监测引脚VSENSE连接电阻R15；在所述引脚VSENSE与电容C12正极间设有所述电阻R16；所有所述引脚均与所述电源芯片的公共端连接。
本发明提供的再一优选的一种基于高压输电线路的电源取能电路，所述电路包括电流取能工况和电压取能工况；在所述电流取能工况下，所述整流滤波模块的输入端通过与取能电流互感器连接提取大于10W的能量，二次侧的交流电流在通过整流滤波模块后生成直流电压Vin1。
本发明提供的又一优选的一种基于高压输电线路的电源取能电路，在所述电压取能工况下，通过所述电路输入端的二次侧绕组接大负载电感XL两端的高电压提取大于10W的能量，在经过整流滤波模块后生成直流电压Vin2；
将两路直流电压Vin1和Vin2合并，当存在二次侧电压Vin1，相应的所述二极管导通，使得电压输出；当存在二次侧电压Vin2，相应的所述二极管导通，使得电压输出；供给稳压电源芯片，输出稳定的直流电压给控制保护电路板。
本发明提供的又一优选的一种基于高压输电线路的电源取能电路，所述主电路还包括与所述整流滤波模块连接的驱动模块和与所述驱动模块连接的电压比较模块。
本发明提供的又一优选的一种基于高压输电线路的电源取能电路，所述电压比较模块包括电压比较器；所述比较器的反向输入端串联电阻R1和与公共端连接的电阻R2；所述比较器的正向输入端串联参考电压模块、供电电压模块、电阻R3和与所述电阻R1输入端连接的电阻R4；在所述比较器的输出端与所述正向输入端设有反馈支路1和反馈支路2。
本发明提供的又一优选的一种基于高压输电线路的电源取能电路，所述供电电压模块包括电阻R5和与所述电阻R5串联的相互并联的供电电压稳压二极管和电容C1支路；所述参考电压模块包括与所述供电电压模块输入连接的电阻R6和与所述电阻R6串联的相互并联的参考电压稳压二极管和电容C2支路；所述反馈支路1包括正向串联的电阻R7和二极管1；所述反馈支路2包括反向串联的电阻R8和二极管2；所述比较器的正向电源电压串联电容C3。
本发明提供的又一优选的一种基于高压输电线路的电源取能电路，所述驱动模块包括闸极驱动器；所述闸极驱动器的反向输入端与所述比较器输出端连接；所述闸极驱动器的正向输入端串联与所述闸极驱动器的公共端连接的电容C4；所述闸极驱动器的输出端串联电阻R9和与所述公共端连接的电阻R10；在所述闸极驱动器的反向输入端与所述比较器输出端间并联设有电压的上拉电阻。
本发明提供的又一优选的一种基于高压输电线路的电源取能电路，所述电阻R9输出端连接与所述整流桥并联的N沟道的场效应管的栅极；所述场效应管的源极与所述公共端连接。
本发明提供的又一优选的一种基于高压输电线路的电源取能电路，当所述两路直流电压Vin1和Vin2都存在时，通过比较器使得闸极驱动器动作导通场效应管，从而输出较大的电压；供给稳压电源芯片，输出稳定的直流电压给控制保护电路板。
和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
1、本发明的电路可保证取能方式的高效，可靠；
2、本发明同时在电压取能和电流取能两种不同的工况下，都能正常可靠地工作，为控制电路提供稳定的直流工作电压；
3、本发明采用比较器，元件数量少，可靠性会比分立元件搭建保护电路要高；
4、本发明具备短路及冲击电流自我保护，可为后续装置提供可靠的电源；
5、本发明电路性能特点感应取能，高效可靠，无需维护；全封闭式设计，适应恶劣环境，安装方便，接线简单；运行稳定，可以在线路电流变化的情况下保持稳定的输出；
6、本发明的电路输出电压稳定，纹波小。
附图说明
图1为本发明电路结构框图；
图2为本发明取能电源主电路图；
图3为本发明取能电源储能电容图；
图4为本发明取能电源直流电路供电模块图。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1-4所示，本例的发明一种基于高压输电线路的电源取能电路，所述电路包括其主电路；所述主电路分别与储能电容和电源芯片连接；所述主电路包括整流滤波模块。
所述整流滤波模块包括整流桥；所述整流桥的输入端设有磁珠；所述整流桥的输出端反向并联稳压二极管TVS333和电阻R226。
所述储能电容并联所述场效应管；所述储能电容包括并联的电容C24、C25和C25-2；在并联的三个电容后串联电阻R81和电感L3；在所述储能模块的输入端通过串联二极管D7与所述整流桥并联；所述储能电容的正向电压60V，接地端G5V。
所述供电模块包括电源芯片U62TPS54140A；所述电源芯片的信号输入电压引脚Vin并联所述储能电容、电容C5、电容C6、电容C7和串联在一起的电阻R93与电阻R111的支路；所述信号输入电压为30V与整流滤波模块输出电压相同；所述电源芯片的使能引脚En连接在所述电阻R111与电阻R93之间；所述电源芯片的启动延时控制/低触发引脚SS/TR连接电容C8；所述电源芯片的定时电阻/时钟信号引脚RT/CLK连接电阻R112；所述电源芯片的电流补偿控制引脚COMP并联电容C9和电容C10；所述电容C10串联电阻R113；所述电源芯片的相电压引脚PH并联稳压二极管D29、电容C12；所述电源芯片的次级驱动信号器过流保护引脚BOOT与所述引脚PH间连接电容C11；在所述二极管D29的正极和电容C12的正极间串联电感L14；所述电源芯片的电压监测引脚VSENSE连接电阻R130；在所述引脚VSENSE与电容C12正极间设有所述电阻R120；所有所述引脚均与所述电源芯片的公共端GND5V连接。所述引脚PH电压为5V。
在取能电源方案中加入过压保护设计。由于输电线路上偶尔伴随短路电流和冲击电流。特别是雷电冲击电流由于作用时间短，会进入取能电源的电路，对电源的安全造成威胁。冲击电流使取能线圈的输出感应瞬态高电压；由于冲击电流幅值高，变化快，所以采用瞬态电压抑止二极管，如图2中的TVS333作为冲击保护器件，从而有效地保护电子元器件。
取能电源方案同样具有过流保护设计。二次侧电流会在控制电路输入端形成一定电位，若此电位过高，将损坏控制电路。故设置瞬态电压抑止二极管如图2中TVS333对输入端电位进行抑制且另设MOS管支路协同泄流。
很多电力系统高压输电线路在线监测系统采用了GSM/GPRS数据传输方式，GSM/GPRS模块在数据收发瞬间功率大，电流会高达几百毫安，而待机情况下工作电流仅为10～20mA。采用感应取能方式在小电流情况下电源输出功率很小，不足以为数据收发传输时提供足够的大功率电能。本取能电源电路设置了三个22uF/160V的储能电容,板卡上大电容C24,C25,C25-2,组成了图1中的储能电容模块。本电源电路设计中加入了超级电容器，解决了瞬间大功率供电的问题，电路简单易于维护。
所述电路包括电流取能工况和电压取能工况；在电流取能工况下，分布式串联电抗器二次侧绕组是直接短路的，可以利用一个取能电流互感器提取大于10W的能量，整流滤波后生成原始的直流电压Vin1。CT二次侧的交流电流CT1,CT2’经过整流桥RS2507RB1整流转变为直流电压Vin1。整流桥RB1与磁珠FB6,FB7组成了整流电路,从CT副边整流生成直流电压Vin1。
在电压取能工况下，所述电路输入端的二次侧绕组接大负载电感XL，二次侧电流较小无法利用取能电流互感器取能，此时可以利用XL两端的高电压提取大于10W的能量，整流与滤波后生成原始的直流电压Vin2。
将两路直流电压Vin1和Vin2合并，当合并存在二次侧电压Vin1’，相应的所述二极管导通，使得电压输出；当合并存在二次侧电压Vin2’，相应的所述二极管导通，使得电压输出；供给稳压电源芯片，输出稳定的直流电压给控制保护电路板。设计中考虑两种工况切换期间电源电路能够稳定地工作。附图4取能电源直流电路供电模块为将直流电压Vin转变成逻辑电路所需的直流5V供电电压。U62TPS54140A为所使用的电源芯片，该TI电源芯片具有工作稳定，散热能力好等优点。
所述主电路还包括与所述整流滤波模块连接的驱动模块和与所述驱动模块连接的电压比较模块。进一步，针对需求可以选择电压取能和电流取能的工况；
所述电压比较模块包括电压比较器LM393；所述比较器的反向输入端串联电阻R222和与公共端GND连接的电阻R221；所述比较器的正向输入端串联参考电压模块、供电电压模块、电阻R225和与所述电阻R222输入端连接的电阻R219；在所述比较器的输出端与所述正向输入端设有反馈支路1和反馈支路2。
所述供电电压模块包括电阻R224和与所述电阻R224串联的相互并联的供电电压稳压二极管TVS111和电容C1支路；所述参考电压模块包括与所述供电电压模块输入连接的电阻R223和与所述电阻R223串联的相互并联的参考电压稳压二极管TVS222和电容C2支路；所述反馈支路1包括正向串联的电阻R85和二极管D6；所述反馈支路2包括反向串联的电阻R86和二极管D7；所述比较器的正向16V电源电压串联电容C3且不接地；所述比较器的输入端和反向电源电压均与公共端连接。
所述驱动模块包括闸极驱动器U69UCC27517；所述闸极驱动器的反向输入端与所述比较器输出端连接；所述闸极驱动器的正向输入端串联与所述闸极驱动器的公共端连接的电容C4；所述闸极驱动器电源电压16V与其正向输入端连接，所述闸极驱动器的输出端串联电阻R114和与所述公共端连接的电阻R115；在所述闸极驱动器的反向输入端与所述比较器输出端间并联设有电压的上拉电阻R220。
所述电阻R114输出端连接与所述整流桥并联的N沟道的场效应管MOS管Q45IRF540N的栅极；所述场效应管的源极与所述公共端连接。
当所述两路直流电压Vin1和Vin2都存在时，通过比较器使得闸极驱动器动作导通场效应管，从而输出较大的电压；供给稳压电源芯片，输出稳定的直流电压给控制保护电路板。
电源电路的比较器采用了LM393。供电电压由用一个16V稳压管(附图2中的TVS1111)得到。比较器的参考电压用6.2V稳压管(附图2中的TVS222)得到。
通过调整电阻的阻值，可以微调滞环比较器的高、低转折电压值。
采用比较器，元件数量少，可靠性会比分立元件搭建保护电路要高。
仿真结果60V点的电压被稳定在55—65V之间。
电流取能电源电路是通过耦合变压器进行取能。电流取能电源电路是利用电磁线圈从母线上接收一次侧传变的电流，通过整流、滤波、稳压与变换后送给控制保护电路使用。取能电源电路部分要保证在母线电流变化的情况下能够为后端电路提供稳定足够的能量，使其有稳定的电压输出，同时也要保证铁芯不至于过早进入饱和状态，使其温度保持在正常范围内。
取能线圈的选择是电流取能电源电路设计的重要环节。铁芯材料的选择原则是尽量减小启动电流，提高能量传递效率，降低损耗。本发明的电路设计中互感器铁芯采用纳米晶磁材料铁芯。与硅钢片导磁材料相比，纳米晶磁材料铁芯的优点在于；饱和磁感应强度良好，导磁率大，结构轻巧，价格便宜，在-55至130℃的环境下可长时间稳定工作。特别适合于野外等恶劣的工作环境。
铁磁物质的磁感应强度与磁场强度是非线性关系。传统导磁材料(如硅钢片)的饱和磁通密度虽然较高，但初始磁导率较低，而现代纳米磁晶材料的初始磁导率提高了数十倍。方案中选取新型的磁晶材料制作取能线圈的铁芯，且应用过流过压设计以保证装置在小电流启动和大电流冲击状态下均能正常稳定工作。
电流取能电源电路可以在电流取能和电压取能的方式下，都能正常可靠地工作，为控制电路提供稳定的直流工作电压。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于高压输电线路的电源取能电路，所述电路包括其主电路；其特征在于：所述主电路通过并联电阻分别与储能电容和电源芯片连接；所述主电路包括整流滤波模块。
2.如权利要求1所述的一种基于高压输电线路的电源取能电路，其特征在于：所述整流滤波模块包括整流桥；所述整流桥的输入端设有磁珠；所述整流桥的输出端反向并联稳压二极管。
3.如权利要求2所述的一种基于高压输电线路的电源取能电路，其特征在于：所述储能电容并联所述整流桥；所述储能电容包括并联的电容C24、C25和C25-2；在并联的三个电容后串联电阻R11和电感；在所述储能模块的输入端通过串联二极管与所述整流桥并联。
4.如权利要求3所述的一种基于高压输电线路的电源取能电路，其特征在于：所述供电模块包括电源芯片；所述电源芯片的信号输入电压引脚Vin并联所述储能电容、电容C5、电容C6、电容C7和串联在一起的电阻R11与电阻R12的支路；所述电源芯片的使能引脚En连接在所述电阻R11与电阻R12之间；所述电源芯片的启动延时控制/低触发引脚SS/TR连接电容C8；所述电源芯片的定时电阻/时钟信号引脚RT/CLK连接电阻R13；所述电源芯片的电流补偿控制引脚COMP并联电容C9和电容C10；所述电容C10串联电阻R14；所述电源芯片的相电压引脚PH并联稳压二极管1、电容C12；所述电源芯片的次级驱动信号器过流保护引脚BOOT与所述引脚PH间连接电容C11；在所述二极管D29的正极和电容C12的正极间串联电感L14；所述电源芯片的电压监测引脚VSENSE连接电阻R15；在所述引脚VSENSE与电容C12正极间设有所述电阻R16；所有所述引脚均与所述电源芯片的公共端连接。
5.如权利要求4所述的一种基于高压输电线路的电源取能电路，其特征在于：所述电路包括电流取能工况和电压取能工况；在所述电流取能工况下，所述整流滤波模块的输入端通过与取能电流互感器连接提取大于10W的能量，二次侧的交流电流在通过整流滤波模块后生成直流电压Vin1。
6.如权利要求5所述的一种基于高压输电线路的电源取能电路，其特征在于：在所述电压取能工况下，通过所述电路输入端的二次侧绕组接大负载电感XL两端的高电压提取大于10W的能量，在经过整流滤波模块后生成直流电压Vin2；
将两路直流电压Vin1和Vin2合并，当形成二次侧电压Vin1’，相应的所述二极管导通，使得电压输出；当形成二次侧电压Vin2’，相应的所述二极管导通，使得电压输出；供给稳压电源芯片，输出稳定的直流电压给控制保护电路板。
7.如权利要求2-6任意一项所述的一种基于高压输电线路的电源取能电路，其特征在于：所述主电路还包括与所述整流滤波模块连接的驱动模块和与所述驱动模块连接的电压比较模块。
8.如权利要求7所述的一种基于高压输电线路的电源取能电路，其特征在于：所述电压比较模块包括电压比较器；所述比较器的反向输入端串联电阻R1和与公共端连接的电阻R2；所述比较器的正向输入端串联参考电压模块、供电电压模块、电阻R3和与所述电阻R1输入端连接的电阻R4；在所述比较器的输出端与所述正向输入端设有反馈支路1和反馈支路2。
9.如权利要求8所述的一种基于高压输电线路的电源取能电路，其特征在于：所述供电电压模块包括电阻R5和与所述电阻R5串联的相互并联的供电电压稳压二极管和电容C1支路；所述参考电压模块包括与所述供电电压模块输入连接的电阻R6和与所述电阻R6串联的相互并联的参考电压稳压二极管和电容C2支路；所述反馈支路1包括正向串联的电阻R7和二极管1；所述反馈支路2包括反向串联的电阻R8和二极管2；所述比较器的正向电源电压串联电容C3。
10.如权利要求9所述的一种基于高压输电线路的电源取能电路，其特征在于：所述驱动模块包括闸极驱动器；所述闸极驱动器的反向输入端与所述比较器输出端连接；所述闸极驱动器的正向输入端串联与所述闸极驱动器的公共端连接的电容C4；所述闸极驱动器的输出端串联电阻R9和与所述公共端连接的电阻R10；在所述闸极驱动器的反向输入端与所述比较器输出端间并联设有电压的上拉电阻。
11.如权利要求10所述的一种基于高压输电线路的电源取能电路，其特征在于：所述电阻R9输出端连接与所述整流桥并联的N沟道的场效应管的栅极；所述场效应管的源极与所述公共端连接。
12.如权利要求11所述的一种基于高压输电线路的电源取能电路，其特征在于：当所述两路直流电压Vin1和Vin2都存在时，通过比较器使得闸极驱动器动作导通场效应管，从而输出较大的电压；供给稳压电源芯片，输出稳定的直流电压给控制保护电路板。
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