CN104410302B - 一种用于避雷器监测系统的能量收集装置 - Google Patents

一种用于避雷器监测系统的能量收集装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于避雷器监测系统的能量收集装置，包括依次连接的限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元、整流稳压滤波输出单元以及与限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元相连接的低功耗比较器控制单元，所述的限伏整流单元直接串联在被测回路中，被测回路中有电流流过时，经过限伏整流单元转换为直流电压形式对能量收集单元充电，能量收集单元采用电容方式存储能量。本发明解决了目前现有的开关电源都是以电压形式且静态功耗都在至少几mA以上，无法应用到回路电流仅在几十uA低电流交流电流源回路电路中的问题。

Description

一种用于避雷器监测系统的能量收集装置
技术领域
本发明涉及电网监测领域，具体涉及避雷器监测系统领域。
背景技术
随着电网发展对高效准确实时监测一直是避雷器在线监测系统关键，但目前现有监测设备，如传统模拟表存在准确性，只能监测全电流同时无法远传，在严酷恶劣环境中存在长期一致性和稳定性问题，现有电子检测装置，存在供电和传输问题，电源多采用外部供电或电池供电方式，都存在工程或电池寿命等问题，传输多采用有线、无线、和传统光纤通信方式，有线存在引入高压危险，无线在变电站中存在稳定性问题、传统光纤通信对功耗要求较大，外部电源根据实际现场使用情况会带来安全和施工问题，电池供电由于无法实现循环充电，存在一定寿命，而且避雷器处在室外运行，温差变化巨大，不同地域及不同季节都会对电池造成一定影响，增加避雷器监测设备的故障率，一般DSP属于高端控制器，对功耗要求比较大。为了解决在满足现有数据监测下解决供电问题，特设计一种能够满足在微安级泄露电流下支持以DSP为控制器实现的避雷器在线监测装置。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明采用一种用于避雷器监测系统的能量收集装置，包括依次连接的限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元、整流稳压滤波输出单元以及与限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元相连接的低功耗比较器控制单元，所述的限伏整流单元直接串联在被测回路中，被测回路中有电流流过时，经过限伏整流单元转换为直流电压形式对能量收集单元充电，能量收集单元采用电容方式存储能量。
本发明解决目前现有的开关电源都是以电压形式且静态功耗都在至少几mA以上，无法应用到回路电流仅在几十uA低电流交流电流源回路电路中的问题。
附图说明
图1为本发明原理框图；
图2为本发明电路图示例。
具体实施方式
下面，结合附图及实施例对本发明作进一步说明：
实施例一
一种用于避雷器监测系统的能量收集装置，包括依次连接的限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元、整流稳压滤波输出单元以及与限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元相连接的低功耗比较器控制单元，所述的限伏整流单元直接串联在被测回路中，被测回路中有电流流过时，经过限伏整流单元转换为直流电压形式对能量收集单元充电，能量收集单元采用电容方式存储能量。
所述的限伏整流单元设于避雷器泄露电流的串联电路中，包括低损耗电容C6、TVS管V1、NMOS管Q1、PMOS管Q2、NMOS管Q7及PMOS管Q8，所述的低损耗电容C6及TVS管V1并联且设于避雷器泄露电流的第一输入端J1和第二输入端J2之间，所述的NMOS管Q1的漏极与第一输入端J1、NMOS管Q7及PMOS管Q8的栅极相连接，NMOS管Q1的栅极与NMOS管Q7的漏极及PMOS管Q2的栅极相连接，NMOS管Q1的源极连于能量收集单元且与NMOS管Q7的源极相连；所述的NMOS管Q7的漏极接于第二输入端J2，其栅极还与PMOS管Q8的栅极相连接；所述PMOS管Q2的源极与PMOS管Q8的源极相连接，且接于能量收集单元，PMOS管Q2的栅极与NMOS管Q7及PMOS管Q8的漏极相连接。用于将交变电流整成直流电，以便对能量收集单元的电容储能单元充电。电路中TVS管V1、低损耗电容C6为了防止瞬间雷击脉冲对MOS管整流单元电路冲击造成损坏。
所述的能量收集单元包括3.3v限伏稳压管D1及储能器电容C1，所述的3.3v限伏稳压管D1与储能器电容C1并联接于PMOS管Q2、PMOS管Q8的源极及NMOS管Q1、NMOS管Q7的源极之间，其中，3.3v限伏稳压管D1的正极与NMOS管Q1、NMOS管Q7的源极连接，3.3v限伏稳压管D1的负极与PMOS管Q2、PMOS管Q8的源极连接。用于收集限伏整流单元传来的直流电，直接存储到储能器法拉电容C1中。3.3v限伏稳压管D1选用低功耗最低稳压静态电流小于5uA稳压管，减小充电损耗电流，限制充电电压在3.3V以内，由于3.3v限伏稳压管D1和MOS管为非线性器件，如果充电电压不做任何限制下，会随着电压增加，超过3.3V以上，非线性器件影响开始显现，造成回路电流非线性加剧，回路电流波形发生畸变，特别对于三、五次谐波的影响显著。
所述的低功耗比较器控制单元包括比较器U1、稳压器U2、NMOS开关管以及电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，所述的稳压器U2的第一输入端与3.3v限伏稳压管D1的正极相连接，第二输入端经电阻R5、电阻R6与比较器U1反向输入端-IN相接，稳压器U2的输出端经电阻R2与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接，所述的比较器U1正向输入端+IN经电阻R1与3.3v限伏稳压管D1的负极连接，经电阻R4与3.3v限伏稳压管D1的正极连接，比较器U1反向输入端-IN经电阻R6与3.3v限伏稳压管D1的正极连接，比较器U1的电源输入端V+与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接，比较器U1的输出端Vout经电阻R3与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接，比较器U1的电压参考基点GND与3.3v限伏稳压管D1的正极连接，所述的NMOS开关管包括NMOS管Q9、NMOS管Q10，所述NMOS管Q9的漏极经电阻R7与比较器U1反向输入端-IN连接，经电阻R7、电阻R6与3.3v限伏稳压管D1的正极相连接，NMOS管Q9、NMOS管Q10的源极均与3.3v限伏稳压管D1的正极相连接，NMOS管Q9的栅极与NMOS管Q10的栅极相连接且经电阻R3与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接。为了降低电路自身功耗，避免能量的浪费，电路中R1、R3、R4、R5、R6、R7电阻均选用兆欧以上阻值，同时比较器U1、稳压器U2选用超低功耗比较器和超低功耗稳压器，使能量收集过程中回路工作电流功耗在12uA以内。当储能器法拉电容C1端电压充到3.3V时，超低功耗比较器U1工作输出高电平，NMOS开关管开通，输出3.3V电压给低功耗DC隔离转换器单元，开始震荡工作将储能器法拉电容C1中的能量通过变压器方式转换到输出端。
所述的低功耗DC隔离转换器单元包括变压器T1、电容C3、C2、C4、二极管D2、D5、PMOS管Q11，所述变压器T1初级线圈中电感L1两端之间串接有电容C2和二极管D2，电感L1的一端6接二极管D2的正极，二极管D2的负极与电容C2相接，电容C2连接电感L1的另一端5；所述变压器T1初级线圈中电感L2的一端8经二极管D5接NMOS管Q10的漏极，电感L2的一端8接二极管D5的负极，二极管D5的正极接NMOS管Q10的漏极；所述变压器T1初级线圈中电感L2的另一端7经电容C3连接PMOS管Q11的栅极，PMOS管Q11的源极接NMOS管Q10的漏极，电感L2的另一端7经电容C3、电阻R8接NMOS管Q10的漏极，变压器T1次级线圈中电感L3两端之间串接有电容C4。低功耗DC隔离转换器单元，为 非传统的复杂DC-DC开关电源模块，采用多绕制一组线圈电感L和电容C3电阻R8、MOS管Q11、二极管D5，根据输入电压幅度构成自动振荡器，而非传统功耗大的振荡器，大大降低DC开关电源静态工作电流,功耗≤10uA，和电路的复杂度，将储能器法拉电容C1中的能量，通过开关电源方式转换到输出端。
所述整流稳压滤波输出单元包括由NMOS管Q3、NMOS管Q4、PMOS管Q5及PMOS管Q6组成的二极管桥式整流电路及与其连接的稳压滤波输出电路。这里的整流电路采用非传统的二极管桥式整流电路，解决低输入电流下，二极管存在高达0.7V压降，由于二极管的为非线性器件，同样对回路电流造成非线性影响。
当回路中有电流流过时，PMOS管Q2、NMOS管Q7与NMOS管Q1、PMOS管Q8交替导通，转换为直流，经过3.3v限伏稳压管D1限伏稳压对储能器法拉电容C1充电，稳压管U2工作输出一个2.0V参考电压，经过电阻R5、R6分压1.0V给比较器U1反向输入端-IN，储能器法拉电容C1端电压充电到3.3V时候，经过电阻R1、R4分压输入比较器U1的正向输入端+IN电压大于反向输入端参考电压，比较器U1输入高电平，MOS管Q9、Q10导通，电阻R7和R6并联后分压降低输入比较器U1的反向输入电压，保持比较器U1在储能器法拉电容C1端电压降低到1.6V时前都能够稳定输出高电平，保持NMOS管Q9、Q10组成的NMOS开关管持续导通；NMOS管Q10导通后端隔离DC电源工作，电容C3、电阻R8和变压器T1(p7-p8)组合震荡，转换到输出端口，经过NMOS管Q3、PMOS管Q6和NMOS管Q4、PMOS管Q5交替工作变换为脉动直流电，经过二极管D3，D4稳压输出一个稳定直流电压。
本发明解决目前现有的开关电源都是以电压形式且静态功耗都在至少几mA以上，无法应用到回路电流仅在几十uA低电流交流电流源回路电路中的问题。

Claims (5)

1.一种用于避雷器监测系统的能量收集装置，其特征在于，包括依次连接的限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元、整流稳压滤波输出单元以及与限伏整流单元、能量收集单元、低功耗DC隔离转换器单元相连接的低功耗比较器控制单元，所述的限伏整流单元直接串联在被测回路中，被测回路中有电流流过时，经过限伏整流单元转换为直流电压形式对能量收集单元充电，能量收集单元采用电容方式存储能量；所述的限伏整流单元设于避雷器泄露电流的串联电路中，包括低损耗电容C6、TVS管V1、NMOS管Q1、PMOS管Q2、NMOS管Q7及PMOS管Q8，所述的低损耗电容C6及TVS管V1并联且设于避雷器泄露电流的第一输入端J1和第二输入端J2之间，所述的NMOS管Q1的漏极与第一输入端J1、NMOS管Q7及PMOS管Q8的栅极相连接，NMOS管Q1的栅极与NMOS管Q7的漏极及PMOS管Q2的栅极相连接，NMOS管Q1的源极连于能量收集单元且与NMOS管Q7的源极相连；所述的NMOS管Q7的漏极接于第二输入端J2，其栅极还与PMOS管Q8的栅极相连接；所述PMOS管Q2的源极与PMOS管Q8的源极相连接，且接于能量收集单元，PMOS管Q2的栅极与NMOS管Q7及PMOS管Q8的漏极相连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于避雷器监测系统的能量收集装置，其特征在于：所述的能量收集单元包括3.3v限伏稳压管D1及储能电容C1，所述的3.3v限伏稳压管D1与储能电容C1并联接于PMOS管Q2、PMOS管Q8的源极及NMOS管Q1、NMOS管Q7的源极之间，其中，3.3v限伏稳压管D1的正极与NMOS管Q1、NMOS管Q7的源极连接，3.3v限伏稳压管D1的负极与PMOS管Q2、PMOS管Q8的源极连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于避雷器监测系统的能量收集装置，其特征在于：所述的低功耗比较器控制单元包括比较器U1、稳压器U2、NMOS开关管以及电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，所述的稳压器U2的第一输入端与3.3v限伏稳压管D1的正极相连接，第二输入端经电阻R5、电阻R6与比较器U1反向输入端-IN相接，稳压器U2的输出端经电阻R2与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接，所述的比较器U1正向输入端+IN经电阻R1与3.3v限伏稳压管D1的负极连接，经电阻R4与3.3v限伏稳压管D1的正极连接，比较器U1反向输入端-IN经电阻R6与3.3v限伏稳压管D1的正极连接，比较器U1的电源输入端V+与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接，比较器U1的输出端Vout经电阻R3与3.3v限伏 稳压管D1的负极相连接，比较器U1的电压参考基点GND与3.3v限伏稳压管D1的正极连接，所述的NMOS开关管包括NMOS管Q9、NMOS管Q10，所述NMOS管Q9的漏极经电阻R7与比较器U1反向输入端-IN连接，经电阻R7、电阻R6与3.3v限伏稳压管D1的正极相连接，NMOS管Q9、NMOS管Q10的源极均与3.3v限伏稳压管D1的正极相连接，NMOS管Q9的栅极与NMOS管Q10的栅极相连接且经电阻R3与3.3v限伏稳压管D1的负极相连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于避雷器监测系统的能量收集装置，其特征在于：所述的低功耗DC隔离转换器单元包括变压器T1、电容C3、C2、C4、二极管D2、D5、PMOS管Q11，所述变压器T1初级线圈中电感L1两端之间串接有电容C2和二极管D2，电感L1的一端(6)接二极管D2的正极，二极管D2的负极与电容C2相接，电容C2连接电感L1的另一端(5)；所述变压器T1初级线圈中电感L2的一端(8)经二极管D5接NMOS管Q10的漏极，电感L2的一端(8)接二极管D5的负极，二极管D5的正极接NMOS管Q10的漏极；所述变压器T1初级线圈中电感L2的另一端(7)经电容C3连接PMOS管Q11的栅极，PMOS管Q11的源极接NMOS管Q10的漏极，电感L2的另一端(7)经电容C3、电阻R8接NMOS管Q10的漏极，变压器T1次级线圈中电感L3两端之间串接有电容C4。
5.根据权利要求4所述的一种用于避雷器监测系统的能量收集装置，其特征在于：所述整流稳压滤波输出单元包括由NMOS管Q3、NMOS管Q4、PMOS管Q5及PMOS管Q6组成的二极管桥式整流电路及与其连接的稳压滤波输出电路。
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