CN105576988A - 一种适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及耦合取能电源相关技术领域，是一种适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，其包括耦合取能单元、取能线圈切换控制单元和电压调整单元；耦合取能单元包括能够套装在电力母线上的铁芯和均匀地绕置在其上且带有中间抽头的取能线圈，取能线圈切换控制单元可实时监测电压调整单元输出电压，自动平稳地切换取能线圈的匝数。本发明结构合理而紧凑，取能效率较高，能够根据母线电流动态调整取能线圈接入电路的匝数，解决了现有技术中耦合取能电源存在的工作电流范围较窄、取能效率较低、取能线圈匝数切换时继电器频繁往复跳动等问题。

Description

一种适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源

技术领域

本发明涉及耦合取能电源相关技术领域，特别是一种适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，主要应用于交流母线上监测装置的电源供给。

背景技术

耦合取能电源是通过在电力母线上套装可开启式的良磁导体，利用电磁感应原理从母线电流在其周围产生的交变磁场中截获能量，再经整流、滤波、电压变换得到负载所需电源。耦合取能电源的优点是电源结构简单、成本低廉，面临的困难是适应母线电流变化的动态范围不足，特别是电源的热耗随母线电流增大而增大，难以适应母线电流大的情况。

为提高耦合取能电源工作电流的上限值，主要有两种：一是通过稳压式，反馈控制式和斩波控制式控制电路等通过电子器件泄能的方式来降低电源的热耗，由于不能改变取能线圈匝数，使电源输入能量不变，热耗始终随母线电流增大而增大，无法兼顾电流动态范围的下限和上限，导致电流互感取能电源工作电流范围较窄；二是通过控制取能线圈变比降低电源热耗的方法，采用传感线圈检测次级电流，并通过控制继电器的开合实现取能线圈变比的切换，使次级电流始终保持在预先设定的范围内，但该方式不仅增加控制铁芯、传感线圈和较复杂的控制电路，功耗较大，降低了取能效率，无法降低启动电流下限，而且对取能线圈的切换控制的可靠性要求较高，设计不当容易导致继电器频繁动作。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术中耦合取能电源存在的工作电流范围较窄、取能效率较低、取能线圈匝数切换时继电器频繁往复跳动等问题，提出一种适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，其结构合理而紧凑，取能效率较高，能够根据母线电流动态调整取能线圈接入电路的匝数以适应较宽动态范围的母线电流。

本发明的技术方案为：一种适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，包括：耦合取能单元、取能线圈切换控制单元和电压调整单元；耦合取能单元包括能够套装在电力母线上的铁芯和均匀绕置在其上且带有中间抽头的取能线圈，中间抽头位于取能线圈的总线圈的中部并形成分线圈；耦合取能单元与取能线圈切换控制单元连接，取能线圈切换控制单元与电压调整单元连接；取能线圈切换控制单元包括保护电阻、第一分压电阻、电阻值可调节的第二分压电阻、限流电阻、NPN三极管、稳压电容、三端可调分流基准源、继电器、光耦器件、上拉电阻和续流二极管；保护电阻的一端分别与输入电源连接和第一分压电阻连接，保护电阻的另一端分别与继电器和续流二极管的负极端连接，第一分压电阻的另一端与第二分压电阻连接，第二分压电阻与稳压电容并联，稳压电容的负极端接模拟地，三端可调分流基准源的集电极和发射极与稳压电容的两端并联，三端可调分流基准源的基极与限流电阻的一端连接，限流电阻的另一端与NPN三极管的基极连接，NPN三极管的集电极与稳压电容的正极连接，NPN三极管的发射极与第二分压电阻的电阻调节端连接，光耦器件的输入端负极端与三端可调分流基准源的基极连接，光耦器件的输入端正极端与续流二极管的正极端和继电器连接并接数字地，光耦器件的输出端的正极端与上拉电阻的一端连接，上拉电阻的另一端与外部电源连接。

下面是对本发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述取能线圈的总线圈匝数为使耦合取能电源输出功率最大时的匝数，分线圈匝数为总线圈匝数的0.2~0.5倍。

上述取能线圈切换控制单元可实时监测电压调整单元输出电压，母线电流较小时，电压调整单元的输出电压小于取能线圈切换控制单元电压设定值，取能线圈的总线圈接入电路，母线电流较大时，电压调整单元的输出电压大于取能线圈切换控制单元电压设定值，继电器动作，取能线圈的分线圈接入电路。

上述电压调整单元包括冲击保护电路、整流滤波电路、过压保护电路和DC/DC模块，整流滤波电路的输入端与冲击保护电路的输出端连接，整流滤波电路的输出端与过压保护电路的输入端连接，过压保护电路的输出端与DC/DC模块的输入端连接。

上述冲击保护电路为双向瞬态抑制二极管，双向瞬态抑制二极管的一端与取能线圈总线圈和分线圈的公共端连接，双向瞬态抑制二极管的另一端与总线圈的另一端连接。

上述DC/DC模块包括能够使输出电压稳定在5伏的降压开关型集成稳压器芯片LT3431。

上述过压保护电路的门槛电压设定值高于取能线圈切换控制单元使继电器动作的电压设定值，当DC/DC模块输出电压超过过压保护电路的门槛电压设定值时，过压保护电路将后续电路与DC/DC模块断开。

上述三端可调分流基准源为TL431，光耦器件为TLP521。

上述取能线圈切换控制单元还包括保护二极管，三端可调分流基准源TL431的基极分别与保护二极管的负极端和限流电阻的一端连接，保护二极管的正极端与光耦器件的负极端连接。

本发明的优点如下：

（1）采用带中间抽头的取能线圈，当输电线路电流较小时采用总绕组取能，当输电线路电流较大时采用分绕组取能，总分绕组匝数相差可以很大，且能够平稳切换，因此通过改变匝数能够适应较宽的动态电流范围。

（2）采用检测取能线圈经过整流滤波后的直流电压的电压检测法进行绕组的切换，与采用传感线圈检测次级电流实现绕组变比切换相比，电压检测法较电流检测法更加灵敏，且省去了控制铁芯和传感线圈环节，有效降低了电压转换时的功耗，提高了取能效率，进一步地降低了电流互感取能电源的最小启动电流。

（3）取能线圈切换控制单元采用NPN三极管和三端可调分流基准源，通过控制三极管的通断改变分压电阻比，构成正反馈，解决了现有技术中分压电阻比为固定值时继电器在门槛电压设定值附近频繁切换使电压调整单元输出电压极不稳定的技术难题。

附图说明

图1是耦合取能电源的结构框图。

图2是取能线圈切换控制单元电路图。

图3是过压保护电路图。

图4是DC/DC模块电路图。

图5是实施例二取能线圈切换控制单元电路图。

附图中的编码分别为：1为耦合取能单元，2为取能线圈切换控制单元，201为继电器控制电路，202为继电器，3为电压调整单元，R0为限流电阻，Q0为NPN三极管，R1为保护电阻，R2为第一分压电阻，R3为第二分压电阻，C1为稳压电容，TL431为三端可调分流基准源，TLP521为光耦器件，R4为上拉电阻，D1为续流二极管，Vin为第一输入电源，VCC为外部电源，Q1为开关管，Vin1为第二输入电源，D2为二极管，C2为输入稳压电容，R5为限流电阻，D3为齐纳二极管，C3为储能电容，R6为第三分压电阻，R7为第四分压电阻，C4为输出稳压电容，JGND为模拟地，GND为数字地，MAX6495为过压保护芯片，LT3431为降压开关型集成稳压器芯片，D4保护二极管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示为耦合取能电源的结构框图。耦合取能电源包括耦合取能单元1，取能线圈切换控制单元2和电压调整单元3，其中，电压调整单元3包括冲击保护电路、整流滤波电路、过压保护电路和DC/DC模块。耦合取能单元1的铁芯套装在电力母线上，带中间抽头的取能线圈均匀地绕置于铁芯上，根据电磁感应原理，取能线圈感应出交流电动势，当交流电动势出现过电压时冲击保护电路的双向瞬态抑制二极管将两极的高阻抗变为低阻抗，吸收浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，防止受到过大的瞬时电压破坏或干扰击穿，保护后续电路；整流滤波电路将耦合取能单元1感应输出的交流电动势转换为直流电压，进一步地调整为在线监测设备所需的直流电压。取能线圈切换控制单元2可以根据耦合取能单元1输出能量的大小调整取能线圈匝数，当母线电流较小时，电压调整单元的输出电压小于取能线圈切换控制单元的电压设定值，取能线圈的总线圈接入电路；当母线电流较大时，电压调整单元的输出电压大于取能线圈切换控制单元的电压设定值，继电器动作，取能线圈的分线圈接入电路。

进一步地，整流滤波电路采用桥式整流滤波电路，将取能线圈感应的交流电压整流成直流电压，当过压保护电路检测到其输入电压大于设定值时，断开后续电路，用于保护后续电路免受瞬间过电压的破坏，DC/DC模块采用降压型电压转换器件，将直流电压调整为在线监测设备所需的直流电压。

如图2所示是取能线圈绕组切换控制单元电路图。取能线圈切换控制单元2由继电器控制电路201和继电器202两部分组成，继电器控制电路201的输入端与过压保护电路的输出端连接，其输出端与继电器202的输入端连接用于控制继电器202的开断；继电器202的输入端还与取能线圈连接，用于自动调整其绕组的匝数，其输出端与冲击保护电路连接。在本实施例中，继电器控制电路201包括限流电阻R0、NPN三极管Q0、保护电阻R1、第一分压电阻R2、第二分压电阻R3、稳压电容C1、三端可调分流基准源TL431、光耦器件TLP521、上拉电阻R4和续流二极管D1。保护电阻R1的一端分别与输入电源Vin连接和第一分压电阻R2连接，保护电阻R1的另一端分别与继电器202和续流二极管D1的负极端连接，第一分压电阻R2的另一端与第二分压电阻R3连接，第二分压电阻R3与稳压电容C1并联，稳压电容C1的负极端接模拟地JGND，三端可调分流基准源TL431的集电极和发射极与稳压电容C1的两端电并联，三端可调分流基准源TL431的基极与限流电阻R0的一端连接，限流电阻R0的另一端与NPN三极管的基极连接，NPN三极管的集电极与稳压电容C1的正极连接，NPN三极管的发射极与第二分压电阻R3的电阻调节端连接，光耦器件TLP521的输入端负极端与三端可调分流基准源TL431的基极连接，光耦器件TLP521的输入端正极端与续流二极管D1的正极端和继电器202连接，光耦器件TLP521的输出端的负极端接数字地GND，光耦器件TLP521的输出端的正极端与上拉电阻R4的一端连接，上拉电阻R4的另一端与外部电源VCC连接。输入电压Vin经第一分压电阻R2、第二分压电阻R3分压，用于获取基准参考电压，稳压电容C1滤除直流电压中的交流分量，保护电阻R1用于保护继电器，防止流过继电器电流过大，上拉电阻R4将光耦器件TLP521电压上拉至VCC。

该电路的工作原理为：当三端可调分流基准源TL431同相输入电压小于2.5V时，内部三极管处于截止状态，输出高电平，NPN三极管导通，电阻分压比为R31/（R3+R2）（定义第二分压电阻R3电阻调节端至下部电阻值为R31，电阻调节端至上部电阻值为R32，则R3=R31+R32），光耦器件TLP521截止，继电器不动作；当三端可调分流基准源TL431同相输入电压大于2.5V时，三端可调分流基准源TL431被击穿，内部三极管处于导通状态，输出低电平，NPN三极管关断，电阻分压比增加至R3/（R3+R2），确保三端可调分流基准源TL431处于击穿状态，光耦器件TLP521导通，驱动继电器202动作，续流二极管D1用于吸收继电器线圈的反电势。由于该在继电器202动作前后，电阻分压比改变形成正反馈，大大提高了取能线圈匝数切换的可靠性，解决了目前输入电源Vin电压在继电器动作电压设定临界点附近时因耦合取能电源带负载或电流波动使输入电压Vin电压波动从而使继电器频繁往复切换的问题。

进一步地，三端可调分流基准源TL431及光耦器件TLP521均可以采用其他符合要求的同系列元器件替代。

如图3所示是过压保护电路图。在本实施例中，过压保护电路二极管D2、输入稳压电容C2、限流电阻R5、齐纳二极管D3、储能电容C3、N沟道MOSFET开关管Q1、第三分压电阻R6、第四分压电阻R7、输出稳压电容C4和MAX6495构成。限流电阻R5、齐纳二极管D3用于对输入电压进行箝位，储能电容C3选用至少1uF的陶瓷电容，为MAX6495内部电路工作提供能量，第三分压电阻R6、第四分压电阻R7用于设置过压保护门槛电压，该门槛电压值应高于取能线圈切换控制单元继电器切换时的电压设定值，根据门槛电压大小控制开关管Q1的通断，当电压超过门槛电压时，拉低MOSFET的栅极，MOSFET关断，将负载与输入电源断开。

如图4所示是DC/DC模块电路图。为适应较宽动态范围的输电线路电流，在本实施例中，DC/DC模块选用宽电压范围输入的降压开关型集成稳压器LT3431，将过压保护电路输出的直流电压转换为在线监测设备所需的直流电压，其输入电压最高可达60V，最大输出电流3A，外围器件简单，效率高，能够满足负载功率在15W以内的功率需求。

进一步地，可以使用降压线性集成稳压器或其他可满足电压要求的稳压电路芯片。

实施例二

如图5所示是本实施例取能线圈绕组切换控制单元电路图。与实施例一不同的地方为在三端可调分流基准源TL431的基极和光耦器件TLP521增加一保护二极管D4，三端可调分流基准源TL431的基极和限流电阻R5的公共端与保护二极管D4的负极端连接，保护二极管D4的正极端与光耦器件TLP521的负极端连接。利用保护二极管D4的单向导电性，对光耦器件进行保护，防止三端可调分流基准源TL431因过电压损坏输出电压过高而使光耦器件TLP521反向击穿，烧毁光耦器件TLP521。

实施三

具体地，根据以下实施例对本发明进行进一步地说明其优点和工程应用价值。将实施例二所公开的技术方案应用于输电线路在线监测中，在线监测设备负载功耗为1.8W，为便于输电导线的安装、拆卸及绕线方便，环形铁芯切割采用半圆对称线切割的方式，取能线圈的总绕组匝数为60匝，分绕组匝数为20匝，取能线圈均采用直径为0.3mm的铜漆包线。取能线圈切换控制电路实验测试结果如表1所示。

表1.整流滤波电路输出电压及取能线圈绕组与试验电流关系表

试验电流

98A

108A

110A

122A

110A

108A

82A

整流滤波电路输出电压

41.4V

42.8V

43.5V

45.2V

44.1V

43.1V

36.4V

取能线圈

A-C

A-C

B-C

B-C

B-C

B-C

A-C

当试验电流上升至98A时铁芯磁化曲线已经进入饱和区域，此时取能线圈A-C接入电路，当试验电流上升至110A时取能线圈切换控制电路继电器动作，取能线圈切换至B-C接入电路；当试验电流上升至122A时开始降低试验电流，当试验电流下降至110A和108A时取能线圈切换控制电路继电器未动作，当试验电流下降至82A时，取能线圈切换控制电路继电器动作，取能线圈B-C切换至A-C接入电路。该电路有效解决了输电导线电流波动导致继电器误切换的问题，提高了电路的抗干扰性。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求，例如将取能线圈分成三组及以上，或者将电路中电子元器件用其他通用型号替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，包括：耦合取能单元、取能线圈切换控制单元和电压调整单元；耦合取能单元包括能够套装在电力母线上的铁芯和均匀绕置在其上且带有中间抽头的取能线圈，中间抽头位于取能线圈的总线圈的中部并形成分线圈；耦合取能单元与取能线圈切换控制单元连接，取能线圈切换控制单元与电压调整单元连接；其特征在于：取能线圈切换控制单元包括保护电阻、第一分压电阻、电阻值可调节的第二分压电阻、限流电阻、NPN三极管、稳压电容、三端可调分流基准源、继电器、光耦器件、上拉电阻和续流二极管；保护电阻的一端分别与输入电源连接和第一分压电阻连接，保护电阻的另一端分别与继电器和续流二极管的负极端连接，第一分压电阻的另一端与第二分压电阻连接，第二分压电阻与稳压电容并联，稳压电容的负极端接模拟地，三端可调分流基准源的集电极和发射极与稳压电容的两端并联，三端可调分流基准源的基极与限流电阻的一端连接，限流电阻的另一端与NPN三极管的基极连接，NPN三极管的集电极与稳压电容的正极连接，NPN三极管的发射极与第二分压电阻的电阻调节端连接，光耦器件的输入端负极端与三端可调分流基准源的基极连接，光耦器件的输入端正极端与续流二极管的正极端和继电器连接并接数字地，光耦器件的输出端的正极端与上拉电阻的一端连接，上拉电阻的另一端与外部电源连接。

2.根据权利要求1所述的适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，其特征在于，取能线圈的总线圈匝数为使耦合取能电源输出功率最大时的匝数，分线圈匝数为总线圈匝数的0.2~0.5倍。

3.根据权利要求1所述的适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，其特征在于，取能线圈切换控制单元可实时监测电压调整单元的输出电压，母线电流较小时，电压调整单元的输出电压小于取能线圈切换控制单元电压设定值，取能线圈的总线圈接入电路，母线电流较大时，电压调整单元输出电压大于取能线圈切换控制单元电压设定值，继电器动作，取能线圈的分线圈接入电路。

4.根据权利要求1所述的适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，其特征在于，电压调整单元包括冲击保护电路、整流滤波电路、过压保护电路和DC/DC模块，整流滤波电路的输入端与冲击保护电路的输出端连接，整流滤波电路的输出端与过压保护电路的输入端连接，过压保护电路的输出端与DC/DC模块的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，其特征在于，冲击保护电路为双向瞬态抑制二极管，双向瞬态抑制二极管的一端与取能线圈总线圈和分线圈的公共端连接，双向瞬态抑制二极管的另一端与总线圈的另一端连接。

6.根据权利要求4所述的适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，其特征在于，DC/DC模块包括能够使输出电压稳定在5伏的降压开关型集成稳压器芯片LT3431。

7.根据权利要求4所述的适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，其特征在于，过压保护电路的门槛电压设定值高于取能线圈切换控制单元使继电器动作的电压设定值，当DC/DC模块输出电压超过过压保护电路的门槛电压设定值时，过压保护电路将后续电路与DC/DC模块断开。

8.根据权利要求1至7任一所述的适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，其特征在于，三端可调分流基准源为TL431，光耦器件为TLP521。