CN105074478A - 单位变流器单元及用于线性调节利用其的输出电力的电磁感应方式的电源供给装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单位变流器单元及电磁感应方式的电源供给装置，本发明提供可根据以具有特定共振频率的方式形成的单位变流器单元的数量来线性调节输出电力的电磁感应方式的电源供给装置。为此，本发明的特征在于，包括：变流器，以电磁感应方式从流经线路的第一电流感应出第二电流，上述变流器具有比上述第一电流的频率大两倍以上的共振频率；以及转换部，用于将上述变流器的功率转换成直流电。

Description

单位变流器单元及用于线性调节利用其的输出电力的电磁感应方式的电源供给装置

技术领域

本发明涉及单位变流器单元及电磁感应方式的电源供给装置，尤其，涉及可根据以具有特定共振频率的方式形成的单位变流器单元的数量来线性调节输出电力的电磁感应方式的电源供给装置。

背景技术

通常，利用产生于配电线路的磁场来产生电力的变流器的方法中，由于配电线路的线路电流并非实时恒定，尤其根据位置所变化的幅度大，因而应根据设置场所来考虑变流器的特性如变流器的大小及容量来单独设计并制作。

尤其，存在随着所需的输出电量的增加，变流器的大小变大的趋势，尤其，如分离型变流器，通过增加变流器的大小来增加输出电量将产生很多费用并需做很多工作。

即使在可设计并制作这种分离型变流器的情况下，由于制作可收容上述变流器的外箱将产生很多技术问题并花费很多费用，因而在体现利用分离型变流器的电源供给装置方面需花费很多费用并存在局限性。

尤其，大部分的变流器主要用作传感器，而不是发电机，因而增加电力输出量大部分仅从改善信号与杂音的比例的观点进行研究，在电源供给装置方面对分离型磁芯的研究至今仍处于微不足道的状态。

另一方面，由于根据设置环境，配电线路存在多种最小线路电流，因而可由利用变流器的电源供给装置产生的电力存在局限性，由于这种原因，需要分别不同地设计基于各环境的变流器。并且，由于变流器的大小基于使用所需的最小电量的系统而不同，因而为了得到所需的电量，则需要多的时间和费用。

以下，参照图1及图2来察看电磁感应方式的电源供给装置的功率设计的难点。图1为配电线路用电源供给装置的示意图，图2为分离型磁芯的立体图。

如图1所示，配电线路用电源供给装置包括：变流器(CurrentTransformer)，借助从流经配线线路上的第一电流I来感应出交流电流；整流器，用于将与从变流器(CT)感应出的交流电流相对应的感应电压转换成直流电压。此时，输出电压Vo可根据变流器的磁芯的大小来决定。

另一方面，考虑便于设置及去除配线线路，变流器可使用分离型磁芯，如图1的(b)部分所示，也有使用多个相同或类似的磁芯的方法。例如，图1的(c)部分示出内径为44mm、外径为75mm以及长度为90mm的分离型磁芯，图1的(d)部分示出两个内径为44mm、外径为75mm以及长度为45mm的分离型磁芯，若相合这两个磁芯，就成为与图1的(c)部分的分离型磁芯相同的大小。

并且，如图1的(a)部分或图1的(c)部分所示，优选地，为了随着所需的输出电力的增加来增加基于分流器的感应电力，尽可能使用大小更大的如长度更长的磁芯，但是这将产生如下问题。

首先，察看磁芯的普遍特性，由以下数学公式1及数学公式2求得借助线路电流来在磁芯产生的自感(L)及此时变流器的共振频率(f)。

数学公式1

$L=\frac{4{\mathrm{\π\μ}}_r{n}^{2}S}{l}{10}^{-7}\[H\]$

数学公式2

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{LC}}$

其中，μ_r为磁芯的相对磁导率(relativepermeability)，l为磁芯内的磁场回路的长度，n为卷绕于磁芯的线圈的卷绕数，S为磁芯的截面积。

由数学公式1及数学公式2可知，为了增加感应于磁芯的磁场，需要增加线圈的卷绕数、磁芯的尺寸如磁芯的截面积及磁芯的相对磁导率。但是，这将导致自感和电容的增加，从而使共振频率(f)减少，尤其当取得电源时，接近作为线路电流的频率的60Hz(50Hz)，因而将失去作为电源供给装置的功能。

并且，在制作磁芯方面，也是磁芯的大小越大，制作成本将大大增加，因此，外箱的设计费用也将大大增加。因此，将磁芯制作成具有将共振频率考虑在内的图2的(d)部分中的磁芯的大小，来得到与图2的(c)部分相同的效果，将更加经济。即，优选地，将图2的(d)部分的大小的变流器作为单位大小来制作变流器，从而增加电力。但是，即使在这种情况下，由于输出电力并不随着追加单位大小的变流器来成比例增加，因而难以设计适合适当的功率大小的系统。

对此，进一步察看，由数学公式3来表示激发包围着磁芯的线圈的磁通量(MagneticFlux)的大小(φ)。

数学公式3

$\mathrm{\φ}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\μ}}_{r}WIln(1+\frac{h}{r})$

其中，W为磁芯的宽度，h为磁芯高度，μ_r为磁芯的相对磁导率，真空磁导率为μ₀＝4π10^-7(H/m)。

此时，由数学公式4来表示在线圈的端子感应的电压。

数学公式4

$v=-N\frac{d\mathrm{\φ}}{dt}$

其中，N为线圈的卷绕数。

由数学公式5表示通过利用数学公式3及数学公式4来感应的电压的均方根(RMS，rootmeansquare)值。

数学公式5

$v_r={\mathrm{NIWf\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_r\ln (1+\frac{h}{r})$

其中，f为感应电流的频率。

上述多个数学公式未包括对在分离型磁芯的截面产生的空隙(AirGap)的建模，但可充分分析变流器的整体动作。

此时，由数学公式6表示配线线路的线路电流I，由数学公式7表示借助线路电流的磁芯的感应电流。

数学公式6

I＝I₀cos(2πft)

数学公式7

i＝i₀cos(2πft+θ)

其中，θ意味着激发电压和激发电流的相位差，这是由于线圈在交流(AC)线路上起到感应性及容量性负荷的作用，来使激发电压和激发电流具有互不相同的相位。

最终，由以下数学公式8表示在线圈感应的电力。

数学公式8

P＝v₀i₀μ_rcos(θ)

其中，配线线路的电流的感应电压及感应电流的最大值(v_o、i_o)根据使用人员的使用程度实时变化，由此，μ_r也将发生变化，并且在磁芯感应的磁通量的大小(φ)也将发生变化，最终，所感应的电压及电流的大小以及相位差(θ)也将发生变化。因此，即使简单地增加磁芯的功率，但是由于所感应的电压及电流的大小以及相位的差异，输出电力也无法增加到两倍。

图3为示出以往的基于串联的变流器的数量的输出电力的曲线图。

如图3所示，在简单地将磁芯串联的情况下，虽然输出电量随着配线线路的电流的增加来增加，但是未呈现出输出电量对所串联的磁芯的数量成比例增加。

为了解决这种问题，即使排除至少因线路电流的大小的变化率来使感应电压及感应电流的最大值产生变化，也需要防止因电压和电流的相位差而产生的最大功率的减少。

另一方面，使用利用磁场的感应电力的分离型磁芯方式的电源供给装置其本身就是电源供给装置，通常为了增加功率，可增加磁芯的大小或串联多个小型芯来实现。但是如现有韩国特许申请第10-2009-0088179号中的记载，即使增加磁芯的数量，感应电压和输出电力并未成比例增加。

因此，为了利用分离型磁芯来体现电源供给装置，需满足如下条件。

(1)可容易应对基于配线线路的电流大小的输出电量。

(2)与配线线路的最小电流大小无关地仅通过追加变流器来容易实现所需的输出电力。

(3)与所需的输出量无关地容易设计外箱，并且容易制作分离型变流器。

(4)将分离型变流器的大小确定为不受共振频率的影响的程度的大小。

发明内容

技术问题

为了解决如上所述的现有技术问题，本发明提供由于可根据需要容易向配线电路追加或去除单位变流器单元，因而可线性调节输出电力的单位变流器单元。

并且，本发明的另一目的在于，提供通过利用单位变流器单元来使得容易设计输出电力，并且无需制作单独的外箱或可将追加制作最小化的用于线性调节输出电力的电磁感应方式的电源供给装置。

解决问题的手段

为了解决上述问题本发明的特征在于，包括：变流器，以电磁感应方式从流经线路的第一电流感应出第二电流，上述变流器具有比上述第一电流的频率大两倍以上的共振频率；以及转换部，用于将上述变流器的功率转换成直流电。

在一实施例中，上述变流器可具有满足上述共振频率的磁芯的截面积、长度、相对磁导率及回路的圈数。

在一实施例中，上述变流器可具有满足上述共振频率的最小大小。

在一实施例中，上述变流器可以为可在上述线路上拆装的分离型变流器。

在一实施例中，上述转换部可包括：第一电压整流部，用于将上述变流器的感应电流转换成直流电压；电流转换部，用于将上述第一电压整流部的输出电压转换成电流；以及第二电流整流部，用于将上述电流转换部的输出电流转换成直流电流。

在一实施例中，通过脉冲宽度调制来控制上述电流转换部。

本发明另一实施方式的用于线性调节输出电力的电磁感应方式的电源供给装置的特征在于，包括：多个上述单位变流器单元；以及合计部，用于合计从上述多个单位变流器单元输出的直流电来进行输出。

在一实施例中，上述合计部的功率可与上述单位变流器单元的数量呈线性比例关系。

在一实施例中，本发明还可包括将上述合计部的功率转换成交流电的直流/交流转换部。

发明的效果

本发明的单位变流器单元具有通过简单地追加及去除与流经配电线路的电流无关地可进行线性合计的相同的单位变流器单元，从而可容易设计所需的输出电力的优点。

并且，由于本发明可在配线线路拆装，因而便于根据线路上所需的功率条件，来追加及去除单位变流器单元，从而可提高设置及维护的便利性，并减轻由此产生的管理维护费用。

并且，本发明的用于线性调节输出电力的电磁感应方式的电源供给装置利用单位变流器单元来通过简单地追加及去除单位变流器单元，由此可使功率线性增加，从而可容易涉及所需的输出电力。

并且，本发明利用以最小大小的单位单元形成的变流器单元，来无需制作其他外箱或可将追加制作最小化，从而可有效地减轻制作费用。

附图说明

图1为配电线路用电源供给装置的示意图。

图2为分离型磁芯的立体图。

图3为示出基于以往的串联的变流器的数量的输出电力的曲线图。

图4为用于说明磁芯的简单结合的结构建模的图。

图5为本发明一实施例的用于线性调节输出电力的电磁感应方式的电源供给装置的框图。

图6为图5中的转换器的详细框图。

图7为示出基于本发明一实施例的变流器单元的数量的输出电力的曲线图。

图8为比较本发明的一实施例和现有例的曲线图。

具体实施方式

以下，参照优选实施例和附图来对本发明进行详细的说明，从而可使本发明所属技术领域的普通技术人员容易实施本发明。但是，本发明可以以多种不同的形态来体现，本发明并不局限于在此说明的实施例。

本发明涉及作为电源供给装置的结构部分，可根据任意变化的配线线路的电流获得所需的分离型变流器的最小输出量的方法。

并且，本发明涉及从高压配电线路利用分离型磁芯的感应电压及感应电流的电源供给装置，涉及通过与流经配电线路的电流无关地简单追加及去除相同的单位变流器单元，来可确保所需电源的电源供给装置。

本发明为了解决现有的问题，通过使分离型磁芯单位化，并一同结合转换部来设计成单位单元，由此通过追加或去除单位单元，来可任意调整从配电线路的产生变化的最小电流中得到的最小电量，并且无需另外设计外箱，从而可显著降低其费用。由于这还将增加电源供给装置的设置及维护的便利性，因而可减轻整体维护费用。

例如，代替形成具有适合所需的输出量的大小的分离型变流器，或直接相互连接多个变流器来形成而得到输出电力的现有方法，可通过构成适合配线线路的大小的最小大小的变流器来在通过电力转换部将各最小单位的变流器的功率转换成所需大小的直流(DC)电压及电流之后相互合计其功率，从而可实现与单位变流器单元的数量成比例地增加输出电量。

并且，本发明涉及利用作为在将通常将用作传感器或数据耦合器的分离型变流器作为电源供给装置来使用方面所需的技术，可容易使变流器的输出信号满足配线线路的环境及所需的输出电量的单位变流器单元的电源供给装置，并且本发明涉及通过简单地追加及去除单位变流器单元，来无需重新设计并制作基于使用环境的其他变流器及相关电力逆变器，从而可任意调整最小限度的单位变流器单元的输出电量的方法。

因此，本发明一实施例的单位变流器单元及利用其的电源供给装置满足以下条件的方式。

(1)制作为了克服线路电流的变化幅度根据配电线路的位置而不同的问题，来可追加及去除的分离型单位变流器单元，考虑所使用的配线线路的大小及制作方法来使上述分离型单位变流器单元的内径、外径及厚度单元化，从而需要时应容易在配电线路上进行追加或去除。

(2)应可通过追加及去除分离型变流器，来与线路的环境无关地自由调整所需的电源功率。

(3)应无需制作因追加的单位变流器单元而产生的其他外箱，即使需要，也应以最小限度的方式制作。

以下，说明可借助本发明一实施例的单位变流器单元线性调整功率的电源供给装置的结构原理。

首先，利用简化模型分析在线路上简单结合磁芯的情况。图4为用于说明磁芯的简单结合的结构建模的图。

如图4所示，设置于各个配线线路的两个磁芯可建模成分别具有电流源和电源源的节点(Node)，并且可由数学公式9表示与这种建模相关的各个节点的电压及电流。

数学公式9

v₁＝cosu，i₁＝cos(u+θ₁)

v₂＝cosv，i₂＝cos(v+θ₂)

在各节点中，因磁芯的特性，存在电压和电流的相位差(θ₁、θ₂)。可由如以下数学公式10表示在两个节点产生的各电力(P₁、P₂)。

数学公式10

$P_1=\frac{1}{2}\[cos(2u+{\mathrm{\θ}}_1)+{\mathrm{cos\θ}}_1\]$

$P_2=\frac{1}{2}\[cos(2v+{\mathrm{\θ}}_2)+{\mathrm{cos\θ}}_2\]$

由于配线线路的频率为常用频率，因而可假设成u＝v，并且通过以下数学公式11计算出两个磁芯的总功率(P₃＝P₁+P₂)。

数学公式11

$\begin{array}{c}{P}_3=\cos (2u+\frac{{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2}{2})cos\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{2}\right)+\frac{{\mathrm{cos\θ}}_1+{\mathrm{cos\θ}}_2}{2}\\ =\cos (2u+{\mathrm{\θ}}_1)+{\mathrm{cos\θ}}_1\end{array}$

假设磁芯均匀，则可以为θ₁＝θ₂。即，磁芯应具有均匀的特性。由数学公式11可知，仅通过使磁芯串联，无法使总输出电力增加至两倍，仅有因电压和电流的相位差而引起的少量的增加。

为了解决上述问题，代替直接连接磁芯的方式，即可通过在电压按电压、电流按电流来相互单独处理后合计电力的方式导出电力。其中，与上述的内容相同，若假设u＝v，θ₁＝θ₂，则由数学公式12表示总电压及总电流。

数学公式12

v₄＝v₁+v₂＝2cosu

i₄＝i₁+i₂＝2cos(u+θ₁)

由于分别处理的电压及电流的电力等于电压乘于电流，因而由以下数学公式13表示总功率P₄。

数学公式13

P₄＝v₄i₄＝2[cos(2u+θ₁)+cos(2θ₁)]

从上述数学公式13可知，在单独合计电压和电流后计算电力，则理论电力的最大值呈现为两倍以上，并仅根据电压和电流的相位差来存在略微的改变。

基本统称为变流器的分离型磁芯借助磁场来在卷绕于磁芯的线路感应出基于卷绕数的电压及电流，其大小根据配线线路的磁场来变化。

如上述数学公式，为了单独处理电压和电流，可利用两种方法。第一种方法为使变流器并联，但这无法避免由线路电流导致的变流器之间对交流感应电压和感应电流的干扰，并且由于还需要单独设计外箱，因而并不能解决根本问题。第二种方法可通过以规定的水平调整电压，并将功率转换成电流源，且以相互合计电流源的方式实现。

本发明由上述的第二种方法来体现，为此，本发明由用于从线路的电流生成感应电流的变流器和用于将上述感应电流转换成直流电的转换部构成一个单位单元。另一方面，为了通过单位单元来体现多种功率，优选地，上述单位单元以最小大小来形成，在此情况下，如在上述数学公式1及数学公式2中所察看到的，变流器中，尤其磁芯的共振频率应满足与第一电流的频率形成规定的关系。因此，本发明由满足这种条件的变流器和用于输出恒流的转换部构成单位单元。

以下，参照图1对本发明一实施例的电池感应方式的电源供给装置进行说明。图5为本发明一实施例的用于线性调节输出电力的电磁感应方式的电源供给装置的框图。

电磁感应方式的电源供给装置10包括：多个单位变流器单元100，用于从线路感应出电力；合计部200，用于合计各单位变流器单元100的直流功率；以及直流/交流转换部300，用于将合计部200的直流功率转换成交流。

单位变流器单元100包括：变流器110，以电磁感应方式从流经线路的第一电流感应出第二电流；以及转换部120，用于将变流器110的功率转换成直流电。这种单位变流器单元100为用于线性调节电磁感应方式的电源供给装置10的功率的基本单位。

优选地，变流器110具有比第一电流的频率大两倍以上的共振频率。例如，变流器110可具有满足这种条件的共振频率的磁芯的截面积、长度、相对磁导率及回路的圈数。尤其，优选地，变流器110以满足这种共振频率的最小大小来形成。如上所述，变流器110通过限制共振频率，例如限制成常用电源的两倍的120Hz以上的共振频率，从而可基于单位变流器单元100的数量线性调整电磁感应方式的电源供给装置10的最终功率。并且，优选地，变流器为可在配线线路400拆装的分离型变流器。

转换部120用于将规定的电压源转换为电流源，例如，可以为如图6所示的降压式(Buck)转换器，但并不局限于此。

图6为图5中的转换器的详细框图。

转换部120包括：过滤部122，用于对变流器110的功率进行过滤；第一电压整流部124，用于将变流器110的感应电流转换成直流电压；电流转换部126，用于将第一电压整流部124的输出电压转换成电流；第二电流整流部128，用于将电流转换部126的输出电流转换成直流电；以及反馈回路部129；用于从所输入的过电压中保护转换部120。

过滤部122用于对从提供第二电流的变流器110输出的感应电流执行过滤，是用于去除电磁干扰(EMI，ElectroMagneticInterference)或其他噪声的过滤器。

第一电压整流部124可将从变流器110接收的经过滤的电流转换成直流电压。例如，第一电压整流部124可由桥式二极体和平滑电容器来体现。

为了输出恒流，电流转换部126将从第一电压整流部124输出的直流电压转换成电流，例如，通过脉冲宽度调制(PWM)方式调整电流转换部的内部所包括的作为切换元件的占空比来提供电流。这种电流转换部126可由在内部包括切换元件(例如，金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET，Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor))的脉冲宽度调制(PWM，PulseWidthModulation)控制集成电路(IC，integratedcircuit)来体现。

第二电流整流部128用于将电流转换部126的输出电流转换成直流电流，例如，第二电流整流部128可包括：变压器，借助向初级线圈输入的电流来输出在次级线圈所感应出的电流；以及二极体，用于平滑变压器的功率。

在从变流器110接收的电压发生过电压的情况下，反馈回路部129可执行使电流转换部126的转换动作复位的保护动作。并且，反馈回路部129对从第二电流整流部128向合计部200输出的电流的大小进行检测，来调整电流转换部126的占空比，从而使第二电流整流部128的功率维持恒定。

重新参照图1，合计部200合计从多个单位变流器单元100输出的直流电来进行输出，合计部200的功率可与单位变流器单元100的数量呈线性比例关系。

选择性地，在本发明的一实施例中，还可包括将合计部200的功率转换成交流电的直流/交流转换部300。在与需要电力的负荷相对应的装置需要交流电源的情况下，本发明的一实施例通过选择性地包括直流/交流转换部300，从而可提供负荷所需的适当形态的电源。

以上述方式构成的电磁感应方式的电源供给装置10的实验结果如图7。图7为示出基于本发明一实施例的变流器单元的数量的输出电力的曲线图。

由图7可知，电磁感应方式的电源供给装置10的输出电力与单位变流器单元100的数量成线性比例增加。

图8为比较本发明的一实施例和现有例的曲线图。

由图8可知，在使作为电源的分离型磁芯直接相连接来生产电力的情况下，如数学公式11所示，即使连接两个或多个磁芯，其功率也未大大增加。相反，在相互合计本发明一实施例的单位变流器单元100的功率的情况下，可知电磁感应方式的电源供给装置10的功率与单位变流器单元100的数量成比增加。

因此，为了使功率与所追加的磁芯的数量相对应地线性增加，将磁芯的变流器110和转换部120组合成一个单元，仅根据追加单位单元，电力将由在分别处理电压和电流之后求得电力的数学公式13来表示。

即，在磁芯用作电源来使用而不是用作传感器的情况下，若需要体现多个磁芯，则必须以包括磁芯和转换部的单位单元的结构来设计，从而可容易体现所需的电量，这无法通过单纯具有电压转换功能的线性调节装置(Regulator)等来体现。并且，由于外箱的设计也可仅通过对单位变流器单元的设计来实现，因而在费用方面也非常低廉，并在使用方面也非常简单。

通过这种结构，通过与流经配电线路的电流无关简单地追加及去除可实现线性合计的相同的单位变流器单元，从而可容易设计所需的输出电力，并且由于可在配线线路拆装，因而可根据线路上所需的功率条件来容易追加及去除单位变流器单元，从而可提高设置及维护的便利性，并减轻相关的管理维护费用。

并且，通过利用单位变流器单元来简单地追加及去除单位变流器单元，由此可线性增加功率，从而可容易设计所需的输出电力，并且通过利用以最小大小的单位单元构成的变流器单元来使得无需另外制作外箱或可将追加制作最小化，由此可有效地减轻制作费用。

以上，对本发明的优选实施例进行了说明，但本发明并不局限于此，而在本发明的技术思想范围内可以以多种方式变形实施本发明，并属于发明要求保护范围。

Claims (9)

1.一种单位变流器单元，其特征在于，包括：

变流器，以电磁感应方式从流经线路的第一电流感应出第二电流，上述变流器具有比上述第一电流的频率大两倍以上的共振频率；以及

转换部，用于将上述变流器的功率转换成直流电。

2.根据权利要求1所述的单位变流器单元，其特征在于，上述变流器具有满足上述共振频率的磁芯的截面积、长度、相对磁导率及回路的圈数。

3.根据权利要求1所述的单位变流器单元，其特征在于，上述变流器具有满足上述共振频率的最小大小。

4.根据权利要求1所述的单位变流器单元，其特征在于，上述变流器为能够在上述线路上拆装的分离型变流器。

5.根据权利要求1所述的单位变流器单元，其特征在于，上述转换部包括：

第一电压整流部，用于将上述变流器的感应电流转换成直流电压；

电流转换部，用于将上述第一电压整流部的输出电压转换成电流；以及

第二电流整流部，用于将上述电流转换部的输出电流转换成直流电流。

6.根据权利要求5所述的单位变流器单元，其特征在于，通过脉冲宽度调制来控制上述电流转换部。

7.一种用于线性调节输出电力的电磁感应方式的电源供给装置，其特征在于，包括：

多个权利要求1至6中的任一项所述的单位变流器单元；以及

合计部，用于合计从上述多个单位变流器单元输出的直流电来进行输出。

8.根据权利要求7所述的用于线性调节输出电力的电磁感应方式的电源供给装置，其特征在于，上述合计部的功率与上述单位变流器单元的数量呈线性比例关系。

9.根据权利要求7所述的用于线性调节输出电力的电磁感应方式的电源供给装置，其特征在于，还包括将上述合计部的功率转换成交流电的直流/交流转换部。