CN105576840A - 用于智能电网传感装置的自感应取电电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于智能电网传感装置的自感应取电电路，包括电流互感器、全波整流电路、滤波电路、反向截止电路、储能电容、稳压电路、后级数据处理单元、磁链旁路电路和电压监测电路，所述磁链旁路电路包括冲击保护电路和两个以上串联的短路功率开关，所述电流互感器输出端与磁链旁路电路连接，该两个以上短路功率开关的源极相接且该两个以上短路功率开关的栅极连接电压监测电路的输出端。本发明全部采用模拟元器件，成本低，可靠性高，抗干扰能力强，其利用对双MOSFET的开合时间的不对称控制方法实现了一次侧电流大动态范围变化下的可靠取能，且整体能量损耗小，发热少，电路简单，可靠性高。

Description

用于智能电网传感装置的自感应取电电路

技术领域

本发明属于交流电网侧的能量提取技术，尤其涉及一种用于智能电网传感装置的自感应取电电路。

背景技术

现有配电网的传感装置，都直接安装在架空线上，不可能使用常规的电源。采用电流互感器自感应取电是解决这类装置供电的比较好的方法。一方面可实现装置自供电，另一方面做到装置和电力导线等电位，不存在绝缘问题，方便安装。

但由于一次侧电流的变化范围比较大，导致电流互感器取电在技术上存在不小的困难。主要体现在随着一次侧电力线电流的增大，电流互感器二次侧电流会远远超过负载所需要电流，这就需要一个可靠稳定的机制来保证多余能量的释放，同时又不会产生比较大的热量。现有的一些国内外方案一般采取对电流互感器的输出电流进行间隔性短路来限制能量向后级电路的传输，但是这种方法会导致MOSFET发热严重；也有方案会在整流桥后级控制MOSFET对地短路来进行能量的释放，这种方法会导致整流桥发热严重。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可实现在一次侧电流大范围变化时候的安全取能，同时提高取能效率，降低能耗，减少发热量，从而实现智能电网传感装置的实际应用的方法。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

用于智能电网传感装置的自感应取电电路，包括电流互感器、全波整流电路、滤波电路、反向截止电路、储能电容、稳压电路和后级数据处理单元，它还包括磁链旁路电路和电压监测电路，所述磁链旁路电路包括冲击保护电路和两个以上串联的短路功率开关，所述电流互感器输出端与磁链旁路电路连接，该两个以上短路功率开关的源极相接且该两个以上短路功率开关的栅极连接电压监测电路的输出端，所述全波整流电路包括全波整流桥，所述整流桥的输入端接电流互感器输出端，所述整流桥的输出端接反向截止电路的输入端；所述滤波电路并接在全波整流电路输出端与地之间；所述反向截止电路包括功率二极管，其输入端连接全波整流电路输出端，其输出端连接储能电容；所述储能电容与电压监测电路、稳压电路并联；所述稳压电路的输出端与后级负载相连；所述滤波电路的输出连接电压监测电路的输入端，所述电压监测电路的输出端连接短路功率开关的栅极。

作为上述方案的进一步优化，所述冲击保护电路包括冲击保护TVS管或压敏电阻。

进一步地，所述储能电容包括一个或多个毫法级电容。

进一步地，所述电压监测电路包括不对称开关控制电路。

进一步地，所述自感应取电电路中的元器件全部采用模拟元器件。

本发明的有益效果主要表现为：

本发明自感应取电电路实现将电力线电流通过电流互感器磁性铁芯和线圈绕组自感应输出一定比例于电力线电流的交流电源，电流互感器输出端连接取电电路，取电电路给后级负载提供直流电压。本发明全部采用模拟元器件，成本低，可靠性高，抗干扰能力强。利用对双MOSFET的开合时间的不对称控制方法实现了一次侧电流大动态范围变化下的可靠取能。本发明整体能量损耗小，发热少，电路简单，可靠性高，解决了电流互感器取能的固有缺陷。

附图说明

图1是本发明一实施例的电路图。

其中T1为电流互感器，D1为冲击保护电路，Q1、Q2为短路功率开关MOSFET，D2为全波整流电路，C1为滤波电路，D3为反向截止电路，C2、C3为储能电容，U1为电压监测电路，U2为稳压电路，U3为后级CPU处理单元。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作更为具体的描述。

如图1所示，本实施例描述了自感应取电单元电路中，T1电流互感器通过对主电力线流过的电流磁感应耦合在次级线圈上获得电流。次级线圈所获得的电流作为取电电路输入源，通过相关转换实现直流输出对U3后级CPU单元供电。在供电单元电路中，D1为冲击保护TVS管，将电流互感器输出的交流电压箝位在一个特定工作范围内，以保护后级电路不受冲击。D2为全波桥式整流二极管。C1为微法(uF)级滤波电容，以减小整流桥输出的电压纹波。Q1、Q2为功率开关MOSFET，Q1、Q2栅极短路受电压监测电路控制。U1为电压监测电路，实现对整流桥D2及滤波电容C1电压的动态监测，并控制Q1,Q2的导通和截止。D3为反向截止二级管，保证MOSFET在对地短路时，截止储能电容C2、C3对前端的整流桥D2和MOSFETQ1、Q2释放能量。C2、C3为毫法(mF)级储能电容，保证提供给后级输出的直流电压纹波比较小，同时当Q1、Q2开关MOSFET对地短路时，储能电容C2、C3实现对后级释放电能。U2为稳压电路，将前端或者储能电容输出的电压通过LDO、DC/DC等电压变换器件输出不同直流电压供后级CPU处理单元U3使用。

当滤波电容C1电压上升到D3的导通电压时，D3导通开始对蓄能电容C2、C3充电，并同时对后级稳压电路提供电能。当滤波电容C1电压值达到电压监测电路U1最低工作电压时，U1启动，开始监测SEN引脚的电压，SEN引脚电压可以经过电阻分压后获得；当SEN电压低于预设定的阈值，OUT引脚输出为低电平，Q1、Q2关断截止，电流互感器耦合的电能通过全波整流电路和取电电路给后级供电；当SEN电压高于预定的阈值，OUT引脚输出高电平，Q1、Q2导通对地短路，电流互感器耦合的电能经Q1、Q2导通到地，短路电流不会流过全波整流桥D2，因此整流桥D2不会出现发热的现象；此时蓄能电容C2、C3开始放电对后级提供能量。随着C2、C3能量的释放，滤波电容电压逐步降低使得SEN引脚电压满足关断Q1、Q2的阈值电压时，Q1、Q2重新关断。

随着电流互感器一次侧电流的增加，电流互感器耦合的电流能量达到后级U2CPU正常运行所需的能量，再增加电流互感器一次侧电流时，电流互感器多耦合的电能需要通过一定电路释放掉。

现有部分电路使用一个MOSFET端接在整流桥输出和地之间，但这会导致整流桥发热量很大，同时电流互感器二次侧交流电正负周期对应的所有时间内短路电流都会流过单一MOSFET，导致MOSFET发热量很大。

本实施例用两个MOSFETQ1、Q2端接在整流桥前端，短路电流不会从整流桥流过，造成整流桥发热。同时电流互感器二次侧输出的交流电正负半周期分时交替流过Q1、Q2；当Q1导通时，Q2截止，当Q2导通时，Q1截止；这样Q1、Q2交替分时导通，Q1导通时，Q2截止散发热量，Q2导通时，Q1截止散发热量。

本实施例U1内部包含输出电平响应时间可调节电路，通过调节U1内部响应时间引脚端接的电阻和电容，可以调节U1OUT引脚的高低电平输出响应时间，此时U1OUT引脚输出相对SEN引脚的监测点有不同的延迟(DELAY)响应时间，这样虽然SEN引脚的开启关断电压为同一电压值，但因为延迟(DELAY)响应时间的作用，OUT引脚不会立刻响应切换导通和截止Q1、Q2，从而实现每次截止Q1、Q2时，电流互感器和整流桥将储能电容C2、C3一次性充满电；每次导通Q1、Q2时，可保证储能电容C2、C3一次性将储存的电能尽可能的放完供后级CPU使用，从而实现尽可能的拉长Q1、Q2的导通和截止时间，降低Q1、Q2导通关断频率。当Q1，Q2在较低的开关切换频率时，开关管的发热量会大大降低。

本实施例将电流互感器输出端的绕组接到取电电路，由取电电路给后级负载提供直流电压。本实施例全部采用模拟元器件，成本低，可靠性高，抗干扰能力强，利用对双MOSFET的开合时间的不对称控制方法实现了一次侧电流大动态范围变化下的可靠取能。

本实施例包括自感应取电单元、稳压电路单元和后级CPU处理单元。其中自感应取电单元包括自感应电流互感器和取电电路单元。

该自感应电流互感器单元包括一组或多组完整或分离的互感器铁芯、线圈绕组、引出线及相关配合结构件。所述取电电路单元包括全波整流桥、功率开关MOSFET、冲击保护单路、滤波电容、反向截止二极管、储能电容、电压监测电路。所述功率短路开关MOSFET开启时直接将电流互感器输出的两端对地短路，保证短路电流直接从功率开关MOSFET流过，而不经过全波整流桥，以实现全波整流桥发热量小的目的。所述功率开关MOSFET交替分时导通，保证短路电流交替分时从两个不同功率开关MOSFET流过，一个功率开关MOSFET导通时，另一个功率开关MOSFET截止，冷却散热，以实现MOSFET发热量小的目的。而电压监测电路根据滤波电容输出的电压自适应对电压监测电路本身的自供电。电压监测电路能动态监测滤波电容输出的电压，当电压大于预设定的阈值时开启功率开关MOSFET实现电流互感器二次侧对地短路，当电压小于预定的阈值时关断功率开关MOSFET,保证电流互感器二次侧对后级电路提供能量。且电压监测电路可以根据不同分压电阻和输出电平响应时间的控制实现不同的开启时间和关断时间，从而实现MOSFET开启关断不对称性。在保证后级电路稳定工作的前提下，功率开关MOSFET开启和关断的时间尽可能的长，从而实现尽可能的减少功率开关MOSFET开关次数，以实现MOSFET发热量小的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些该进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于智能电网传感装置的自感应取电电路，包括电流互感器、全波整流电路、滤波电路、反向截止电路、储能电容、稳压电路和后级数据处理单元，其特征在于，它还包括磁链旁路电路和电压监测电路，所述磁链旁路电路包括冲击保护电路和两个以上串联的短路功率开关，所述电流互感器输出端与磁链旁路电路连接，该两个以上短路功率开关的源极相接且该两个以上短路功率开关的栅极连接电压监测电路的输出端，

所述全波整流电路包括全波整流桥，所述整流桥的输入端接电流互感器输出端，所述整流桥的输出端接反向截止电路的输入端；

所述滤波电路并接在全波整流电路输出端与地之间；

所述反向截止电路包括功率二极管，其输入端连接全波整流电路输出端，其输出端连接储能电容；

所述储能电容与电压监测电路、稳压电路并联；

所述稳压电路的输出端与后级负载相连；

所述滤波电路的输出连接电压监测电路的输入端，所述电压监测电路的输出端连接短路功率开关的栅极。

2.根据权利要求1所述的用于智能电网传感装置的自感应取电电路，其特征在于，所述冲击保护电路包括冲击保护TVS管或压敏电阻。

3.根据权利要求1所述的用于智能电网传感装置的自感应取电电路，其特征在于，所述储能电容包括一个或多个毫法级电容。

4.根据权利要求1所述的用于智能电网传感装置的自感应取电电路，其特征在于，所述电压监测电路包括不对称开关控制电路。

5.根据权利要求1~4中任一项所述的用于智能电网传感装置的自感应取电电路，其特征在于，所述自感应取电电路中的元器件全部采用模拟元器件。