CN106160024A - 一种面向无线能量传输系统的高压取电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向无线能量传输系统的高压取电装置，本发明可安装在高压线上，将高压母线附近的磁场能转换为电能来为无线能量传输系统进行供电。本发明通过优化高压取电装置内部结构和搭建外围电路，实现了在50A的母线小电流下可实现40W的大功率输出。本发明可以满足高压环境下无线能量传输设备的用电需求，特别是无线能量传输设备对大功率电源的需求，可为高压线路上各类监测控制设备提供强有力的电源支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压取电装置，尤其是涉及一种面向无线能量传输系统的高压取电装置。
背景技术
随着电力系统的发展以及输电线路的日益复杂化，越来越多的监测和控制设备被运用于高压输电线路之上。并且由于高压输电线路自身的高电压等级特性以及其对电气绝缘性的高要求，常规的低压侧供电方式不能满足高压侧用电设备的用电需求，而一种由高压取电装置和无线能量传输系统组合而成的供电体系可以完善的解决这个问题，如图1所示。又因为高压取电装置作为无线能量传输系统的电能来源，其取电性能更是影响着整个供电体系的供电性能。因此，本发明提出了一种面向无线能量传输系统供电的高压取电装置设计方案。
高压取电装置利用了电磁感应原理，将高压母线附近的磁场能转换为电能来为无线能量传输系统进行供电，再由无线能量传输系统将电能用无线的方式传递出去供给监测设备使用。这种将高压取电装置的取电与无线能量传输的传电结合起来的供电方式具有稳定性高、绝缘性好、可持续供电、便于安装等诸多优点，有着很大的发展空间。
传统的高压取电装置设计原理一般利用电磁感应原理，通过特制的取电线圈和磁芯来感应高压输电线路上的交变电流，从而产生相应的交流电输出，然后经过功率控制、电压控制、整流、滤波、稳压等各电路调制后输出稳定的直流。而且目前对高压母线感应取电电源装置的研究大部分都是在较宽的母线电流波动范围内确保输出稳定的功率为主，功率较小，一般在1W～2W左右，这样的设计明显不能满足无线能量传输设备大功率输入的要求。
发明内容
本文提出的高压取电技术的理论基础为电磁感应原理，该技术是利用高压母线中的交变电流所产生的交变磁场来取电，即是用一种特制的取电式电流互感器(现有技术)去感应交变磁场从而取出电能。高压取电装置对该电能进行一系列整流、滤波、稳压处理之后就可以得到稳定的直流输出。
本发明采用如下技术方案：
一种面向无线能量传输系统的高压取电装置，
包括感应取电部分和整流稳压部分，感应取电部分包括取电CT，整流稳压部分包括整流电路、稳压电路、滤波电路、驱动电路、电源电路；
取电CT输出的电能先输入整流电路整流，稳压电路位于整流电路与装置输出接口之间，用于对输入的电压稳压，防止输出电压过大，滤波电路位于装置输出接口与稳压电路之间，用于对输出电压进行滤波，驱动电路检测装置直流输出端的输出电压DC-OUT，并将其与一个预设值进行比较，根据比较结果控制稳压电路是否导通，即稳压电路是否进行稳压。
采用n个取电CT间接并联进行取电；且利用RLC串联电路的谐振对取电CT内部感抗设置无功补偿，即在取电CT的输出端串联补偿电容以抵消取电CT中的电感性阻抗；其中，n大于3。
所述整流电路的电路结构为单相桥式整流电路，采用的整流电路为ASEMI半导体公司的“KBPC1510”集成整流模块。
所述稳压电路的实现采用的是n个大功率MOSFET“CSD19501KCS-80V”和200W、1Ω的金属电阻形成的泄流支路，在泄放支路的后级输出部分，正向串联一个限流二极管“SF1004”；且在直流输出端DC-OUT设置一个检测点来检测输出的直流电压，当检测到的电压达到设定值时，对整流电路输出端进行短路处理，此时取电CT停止向后级电路供应电能，只有当电压回落在预设值以下时，才继续使整流电路输出功率供给后级电路；其中，n大于3；
所述限流二极管的作用是当输出直流电压DC_OUT达到设定值使得控制信号CONT1-CONTn驱动MOSFET导通时，直流输出电压的后级电路的电流不会反向流动，对后级电路起到保护的作用。
所述驱动电路是实现稳压电路功能的控制电路；采用检测电路—芯片MAX931EPA检测装置直流输出端的输出电压DC-OUT，并将其与一个预设值进行比较，以选择输出或不输出一个高电平的控制信号CONT1-CONTn。
所述驱动电路还包括有功率放大电路—芯片IR2110；所述功率放大电路设置在“MAX931EPA”的输出端。
所述滤波电路通过滤波电容调节MOSFET在泄流稳压时的开关频率。
所述取电CT为深圳市奥波尔技术有限公司生产的AP38/130取能互感器；所述取电CT串联耐压值2000V，容量为1000uf的无极性瓷片电容作为补偿电容组成谐振电路。
所述滤波电路采用耐压值100V的电解电容和2KV/0.1uf的高压瓷片电容。
所述电源电路采用金升阳公司的“URB_YMD-10WR3”系列电源模块。
与现有技术相比，本发明通过优化高压取电装置内部结构和设计搭建外围电路，设计出了一套体积、重量合适，可实现在50A的母线小电流下时最大输出40W的功率，在母线电流较大时又能泄能以保护电路，运行稳定且便于安装的可开合式高压取电装置。
本发明可以满足高压环境下无线能量传输设备的用电需求，从而完善了高压环境下的供电体系，降低了高压输电线路上用电设备的供电成本，同时还可为各类监测控制设备提供强有力的电源支持。
附图说明
图1为使用本发明的整体应用场景；
图2为使用本发明系统简要结构框图；
图3为本发明高压取电装置的系统结构图；
图4为本发明取电CT间接并联联接示意图；
图5为本发明补偿电容的连接方法；
图6为本发明“KBPC1510”的管脚图；
图7为本发明电压波形随各个电路模块的变化；
图8为本发明无功补偿和整流滤波电路的原理图；
图9为本发明高压取电装置多个CT整流输出及稳压泄放电路；
图10为本发明高压取电装置直流输出滤波电路；
图11为本发明高压取电装置稳压值设定及大功率MOSFET驱动电路；
图12为本发明“MAX931”内部比较器结构；
图13为本发明“MAX931”工作时序图；
图14为本发明高压取电装置电源电路；
图15为本发明高压取电装置PCB图。
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。
本发明所述高压取电装置可分为感应取电部分和整流稳压部分等两个部分，系统简要结构框图如图2所示；感应取电部分是指取电CT从高压线上感应取电，整流稳压部分是指将感应取电CT取出的电进行处理后输出的电路板部分，这两个部分共同组成本装置。整流稳压部分包含整流电路、稳压电路、滤波电路、驱动电路、电源电路。取电CT输出的电能先输入整流电路整流，如图8所示。稳压电路位于整流电路与输出接口之间，用于对输入的电压稳压，防止输出电压过大，如图9所示。滤波电路位于输出接口与稳压电路之间，用于对输出电压进行滤波，如图10所示，由图中标示可以看出，图10的电路时接在图9后面的。驱动电路可以检测直流输出端的输出电压DC-OUT，并将其与一个预设值进行比较，用于控制稳压电路的mosfet是否导通，即稳压电路是否进行稳压。电源电路用于给以上四部分电路中所使用的全部芯片提供电能。
本发明所述面向无线能量传输系统的高压取电装置工作原理为先通过取电CT利用电磁感应原理从高压输电线路的母线上面获取一定功率的电能，此时的电能以交流电的形式表现。再将这样的电能进行适当的调制，经过整流、滤波、稳压之后得到稳定的直流输出。该直流输出则作为高压取电装置经过感应取电和调制后产生的驱动电源以驱动无线能量传输系统及作为其负载的监测装置工作。高压取电装置的系统结构图如图3所示。
一、取电CT的选取
本发明采用的取电CT为深圳市奥波尔技术有限公司生产的AP38/130取能互感器。该型号CT的性能较为优越，空载输出电压随母线电流的增加而增长的速度快，并且具备输出的空载电压高的特点，当母线电流在0-600A范围内变化时，输出电压最高可以接近90V，同时，在母线电流于50A-600A的范围内递增时，该型CT的取电功率可由不到2W上升到180W以上，因此，在母线电流较大时，该型CT可以满足大功率取电的要求。
本发明采用了多个取电CT间接并联的设计方案，取电CT间接并联联接示意图如图4所示。该种联接方式可以有效增加高压取电装置的取电功率，且由于每个取电CT都先通过整流电路，再将得到的直流输出正向并联在一起，所以不必考虑取电CT的安装和联接方向问题，比起单一CT取电具有很大的优越性。同时，由于本发明所述的高压取电装置是悬挂在输电线路上的，其重量完全由线路本身来承受。为了最大程度的避免对线路运行安全的影响以及方便装置上线安装，高压取电装置的重量和体积需要限制在一定的合适范围之内。所以本发明所述高压取电装置在满足功率输出性能指标要求的前提下，为满足对重量和体积的要求，采用了四路CT间接并联的设计。
为进一步提高高压取电装置输出功率，本发明针对其取电CT内部感抗进行了无功补偿的设计，增强了取电CT的外围电路特性。本发明中对高压取电装置取电CT进行无功功率补偿的方法是利用RLC串联电路的谐振现象来实现的，是将取电CT看作一个交流电压源和电感性负载的串联，用一个无极性的大容量电容串联在回路中去补偿它。补偿电容的连接方法如图5所示，当此电路工作于谐振状态下时，其回路中电压和电流处于相同的相位，此时负载可以获得更多的功率。根据RLC串联谐振电路的特性，可以知道，在取电CT的输出端串联补偿电容能够抵消取电CT中的电感性阻抗，因此可以减小或消除无功功率，提高有功功率的比例，对于提高取电CT的输出功率确实是有效的。当补偿电容选取合适时，取电CT的感性阻抗可以完全被补偿，取电CT的内阻抗仅剩电阻性阻抗，此时其输出功率大大提高，最大输出功率即为负载阻抗等于CT内部电阻性阻抗的时候。同时，在使用串联谐振电路进行无功补偿时，由于在补偿电容两端的电压可能会高于电源电压，所以对所选电容的耐压值需要考虑较大的安全裕量，由实际出发，本发明选用的补偿电容为耐压值2000V，容量为1000uf的无极性瓷片电容。
二、整流电路的设计
本发明设计的高压取电装置的整流电路位于高压取电装置各个电路功能模块的较前端，其前级电路只有取电CT及补偿电容。在这样的电路结构下，因为取电CT及其补偿电容的串联输出电能具有大范围波动性，所以整流电路没有进行半控或者全控设计的条件。且由于本发明需要向无线能量传输设备提供大功率输入，因此，在取电过程中，适应的原则是有多少电能就取多少电能，取出的电能传递到后级电路后再由其他的电路进行处理。所以本发明所设计的整流电路也没有输出电压幅值和极性调节的必要。因此，适用于高压取电装置的整流电路所使用的类型为不可控整流电路。由于桥式整流电路可弥补半波整流的缺陷，其整流时可将交流输入的全部周期转化为统一的正周期或负周期，整流效率较高，故本发明采用的整流电路的电路结构为单相桥式整流电路。本发明所采用的整流电路为ASEMI半导体公司的“KBPC1510”集成整流模块，该模块采用的是单相桥式不可控整流电路的拓扑结构。该电路结构由于在高压母线中工频电流的正负半周期内都会有整流输出供给负载，所以又称其为全波整流电路。“KBPC1510”采用了扩散结工艺，具有十分低的反向漏电流，工作时对交流转直流的电能转化效率很高，功率损耗较少，拥有良好散热性和电气隔离作用的金属外壳，最高可隔离2500V的电压，可满足本发明所述高压取电装置的应用要求。“KBPC1510”的管脚图如图6所示。
本发明中，当使用“KBPC1510”整流模块对取电CT的交流输出进行整流时，需要对整流输出端并联电容进行滤波，以使输出电压平稳。高压取电装置取电CT的电压波形随各个电路模块的变化如下图7所示。根据本发明电路结构选择和元器件选型，可以设计出高压取电装置关于其多个取电CT的后级无功补偿和整流滤波电路的原理图如图8所示。
三、稳压电路的设计
本发明所述的高压取电装置作为一个取能装置，其电能仅来源于高压输电线路上的电流。而母线电流的大小是随线路所带负载决定的，不由高压取电装置本身所决定，所以高压取电装置时常会遇到取电功率不足以支持后级电路工作或取电功率过高威胁后级电路安全工作等问题。因此本发明所设计的稳压电路重点解决高压取电装置在取电功率过高的情况下对多余能量的泄放问题。本发明设计的稳压电路实现了在高压母线能量过量的情况下，能遏制住高压取电装置直流输出的功率，保持住一定的电压输出；在高压母线能量不足的情况下，稳压电路不工作，不影响装置的正常取电。
根据图8所示的高压取电装置多个取电CT的直流输出原理图，本发明在设计高压取电装置的稳压电路式，在高压取电装置的直流输出端DC设置了一个检测点来检测输出的直流电压，当检测到的电压达到某一设定值时，则对整流电路输出端进行短路处理，此时取电CT停止向后级电路供应电能。只有当电压回落在预设值以下时，才继续使整流电路输出功率供给后级电路。再通过充分考虑元器件的耗散功率、电压电流工作范围、工作温度限制以及相关驱动电路的控制驱动能力等相关电气参数，设计出相关的稳压泄放电路。由此实现高压取电装置在高压母线小电流情况下的不间断供能和电流过大时的稳压限能作用。设计出的关于高压取电装置稳压电路的各部分电路原理图如图9所示。图9所示的加入了稳压泄放电路设计后的原理图中，本发明设计的稳压电路功能的实现依靠的是大功率MOSFET“CSD19501KCS-80V”和200W、1Ω的金属电阻形成的泄流支路，在泄放支路的后级输出部分，需要正向串联一个限流二极管“SF1004”。此二极管的作用是当输出直流电压DC_OUT达到某设定值使得控制信号CONT1-CONTn驱动MOSFET导通时，直流输出电压的后级电路的电流不会反向流动，对后级电路起到一个保护的作用。
其中，由对于“CSD19501KCS-80V”而言，其门电荷总数Qg(Gate Charge Total)和栅极-漏极电荷数Qgd(Gate Charge Gate-to-Drain)极低，在常温25℃下时，Qg＝38nC、Qgd＝5.8nC，这意味着其开关损耗会非常低，内阻随温度变化的参数漂移也极低，漏源电压VDS(Drain-to-Source Voltage)最高可达80V，漏源电阻RDS(Drain-to-Source On-Resistance)最大仅为6.2mΩ，门极驱动电压为2.6V，耗散功率为217W，工作温度范围为-55℃至175℃。
将大功率MOSFET“CSD19501KCS-80V”的参数性能指标与其前级整流电路“KBPC1510”的输入输出特性进行综合考虑，可以得出，该MOSFET的漏源级之间的耐压值80V远超过整流电路可能输出的最大电压。而作为泄能回路中的器件，其漏源电阻RDS相对其它功率MOSFET来说足够小，而217W的功率也能满足要求，因此此MOSFET的选型可以认为能满足本发明的要求。考虑到实际泄放的电能可能会超过217W，在本发明的实际电路设计中，采用将多个“CSD19501KCS-80V”并联使用并加上散热架，再与一个大功率的限流电阻串联的设计，可使其长期工作时温度不超过额定范围。
而对于限流二极管“SF1004”来说，“SF1004”的最大重复峰值反向电压和最大支流阻断电压均为200V，最大平均正向电流为10A，导通压降为0.95V。由此可见，“SF1004”可以满足本发明的要求。
四、滤波电路的设计
如图10所示的滤波电路设计主要功能是为了消除整流电路“KBPC1510”输出中的高次谐波，使直流输出平稳。此时的滤波策略为大容量的电解电容和反应速度更快但容量小的瓷片电容一起组合使用。由于滤波电容的高压侧为整流电路输出的电压，对于电解电容选型应选择耐压值100V的，而对于瓷片电容来说，直接选择2KV/0.1uf的高压瓷片电容即可。
而在高压取电装置设计了稳压电路之后，图10所示的滤波电路同时还可以调节MOSFET在泄流稳压时的开关频率，从而缓解MOSFET泄流稳压时的发热问题。图10中的电容实际上是组成了一个被称为滤波器的电路，根据滤波器的滤波原理，滤波电容的容值越大，MOSFET在泄流稳压时的开关频率越低，发热问题越能得到缓解。因此，滤波电容在某种程度上选的越大越好。
同时，滤波电容的选择经过实际检验，可以满足系统工作要求。
五、驱动电路的设计
如图11所示的电路为高压取电装置能够实现稳压功能的关键控制电路。其中，“MAX931EPA”的主要功能为检测高压取电装置直流输出端的输出电压DC-OUT，并将其与一个预设值进行比较，从而选择输出或不输出一个高电平的控制信号。
其具体的工作原理为将高压取电装置直流稳压电路输出的直流输出电压DC-OUT引入到一个有电阻R1和电阻R2的回路中。经过设置R1和R2的具体参数，可在其电气联接点处得到一个分压后的电压值，设为VIN+，然后将VIN+接入到芯片的第三管脚中。此时由芯片内部的结构即可以将VIN+与芯片第四管脚中给定的1.182V电压值进行比较，从而决定第八管脚的输出端口具体输出高电平或低电平。“MAX931EPA”的第3、4、8管脚在其内部结构中为一个比较器的两个输入端口和一个输出端口，如图12所示。另外，可以对“MAX931EPA”的芯片功能进行更深度的利用，通过设置电阻R4和R5的参数，可以设置其比较器输出的具体带宽。
设置其比较器输出的具体带宽的方法为将芯片的第六管脚与第四管脚短接，即第六管脚中的VREF＝1.182V，然后就其引入到R4和R5的串联回路中。此时两个电阻间的电气连接点会产生一个分压后的电压值，设为VHYST，将此电压引入到芯片的HYST管脚中。则此时芯片输出带宽的大小为(VREF-VHYST)*2。
此时对于芯片的IN+和IN-输入来说，其与输出OUT的时序图如下图13所示。又由“MAX931EPA”的元器件资料可以知道，其芯片输出脚OUT的最大输出电流为50mA，输出电压范围为-0.3V至5.3V。而驱动大功率MOSFET时驱动信号需要一定的功率，驱动电流的大小通常为安级，若想同时驱动多个MOSFET，则“MAX931EPA”的输出驱动能力不足，此时，需要在其输出端接入功率放大电路。
由图11可知，此时用IR2110芯片作为驱动信号的功率放大电路。由其元器件资料可以知道，其在正常工作时，输出电流为2A，输出电压在10V-20V之间，完全满足驱动MOSFET的能力。
而此时在芯片IR2110的1号管脚处与电阻反向并联的二极管“BYV27-50”的作用是当控制信号输出低电平时，可以更快的拉低MOSFET的门级驱动信号，从而快速关断MOSFET。考虑到在稳压的过程中，MOSFET导通和关断的频率可能较大，此时二极管也应该选择有较快反向恢复时间的快速二极管。而通过查询“BYV27-50”的元器件资料可知，其反向恢复时间trr(reverse recovery time)为25ns，比较其他各类二极管而言，速度属于极快。
六、电源电路的设计
本发明所述高压取电装置在使用四条取电CT的支路并联输出并对其进行无功补偿后，可以在母线电流为50A的情况下输出40W以上的功率，满足性能指标设计要求。并参照图11的原理图，此时电路中需要电源供电的芯片有1片“MAX931EPA”和4片“IR2110”。而一片“MAX931EPA”芯片满负荷工作时的能耗大约在727mW，一片“IR2110”的能耗则在1.6W。因此，高压取电装置的所有集成芯片总共耗能约为1.6*4+0.727＝7.127W。于是，考虑一定的功率裕量，选择10W及以上的电源模块对整体电路进行供电可以满足功能设计要求。
又因为电源模块的输入电能来源于经整流之后的输出，其电压特点具有较大的波动性。由前文对取电CT的负载实验可知，其输出电压在母线电流为600A时也仅为40V，即电源模块的输入电压在0-40V内波动。由此，将电源模块选型为金升阳公司的“URB_YMD-10WR3”系列，该系列电源模块的特点为电源转换效率高达88％，输出功率为10W，空载能耗仅为0.12W，可在18V-75V的宽输入内输出电路所需的5V、12V电源。根据所选电源模块，设计出高压取电装置的电源电路如下图14所示。
七、电路板的制作
本发明使用Altium Designer 14.2，将所有高压取电装置的电路原理图根据实际情况设计的PCB电路板，电路尺寸为300mm*175mm，如图15所示。
Claims (10)
1.一种面向无线能量传输系统的高压取电装置，其特征在于：
包括感应取电部分和整流稳压部分，感应取电部分包括取电CT，整流稳压部分包括整流电路、稳压电路、滤波电路、驱动电路、电源电路；
取电CT输出的电能先输入整流电路整流，稳压电路位于整流电路与装置输出接口之间，用于对输入的电压稳压，防止输出电压过大，滤波电路位于装置输出接口与稳压电路之间，用于对输出电压进行滤波，驱动电路检测装置直流输出端的输出电压DC-OUT，并将其与一个预设值进行比较，根据比较结果控制稳压电路是否导通，即稳压电路是否进行稳压。
2.根据权利要求1所述的一种面向无线能量传输系统的高压取电装置，其特征在于：采用n个取电CT间接并联进行取电；且利用RLC串联电路的谐振对取电CT内部感抗设置无功补偿，即在取电CT的输出端串联补偿电容以抵消取电CT中的电感性阻抗；其中，n大于3。
3.根据权利要求2所述的一种面向无线能量传输系统的高压取电装置，其特征在于：所述整流电路的电路结构为单相桥式整流电路，采用的整流电路为ASEMI半导体公司的“KBPC1510”集成整流模块。
4.根据权利要求3所述的一种面向无线能量传输系统的高压取电装置，其特征在于：所述稳压电路的实现采用的是n个大功率MOSFET“CSD19501KCS-80V”和200W、1Ω的金属电阻形成的泄流支路，在泄放支路的后级输出部分，正向串联一个限流二极管“SF1004”；且在直流输出端DC-OUT设置一个检测点来检测输出的直流电压，当检测到的电压达到设定值时，对整流电路输出端进行短路处理，此时取电CT停止向后级电路供应电能，只有当电压回落在预设值以下时，才继续使整流电路输出功率供给后级电路；其中，n大于3；
所述限流二极管的作用是当输出直流电压DC_OUT达到设定值使得控制信号CONT1-CONTn驱动MOSFET导通时，直流输出电压的后级电路的电流不会反向流动，对后级电路起到保护的作用。
5.根据权利要求4所述的一种面向无线能量传输系统的高压取电装置，其特征在于：所述驱动电路是实现稳压电路功能的控制电路；采用检测电路—芯片MAX931EPA检测装置直流输出端的输出电压DC-OUT，并将其与一个预设值进行比较，以选择输出或不输出一个高电平的控制信号CONT1-CONTn。
6.根据权利要求5所述的一种面向无线能量传输系统的高压取电装置，其特征在于：所述驱动电路还包括有功率放大电路—芯片IR2110；所述功率放大电路设置在“MAX931EPA”的输出端。
7.根据权利要求6所述的一种面向无线能量传输系统的高压取电装置，其特征在于：所述滤波电路通过滤波电容调节MOSFET在泄流稳压时的开关频率。
8.根据权利要求7所述的一种面向无线能量传输系统的高压取电装置，其特征在于：所述取电CT为深圳市奥波尔技术有限公司生产的AP38/130取能互感器；所述取电CT串联耐压值2000V，容量为1000uf的无极性瓷片电容作为补偿电容组成谐振电路。
9.根据权利要求8所述的一种面向无线能量传输系统的高压取电装置，其特征在于：所述滤波电路采用耐压值100V的电解电容和2KV/0.1uf的高压瓷片电容。
10.根据权利要求6所述的一种面向无线能量传输系统的高压取电装置，其特征在于：所述电源电路采用金升阳公司的“URB_YMD-10WR3”系列电源模块。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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