CN108702027A

CN108702027A - 用于电力提取的装置、系统和方法

Info

Publication number: CN108702027A
Application number: CN201780011003.7A
Authority: CN
Inventors: 奥斯卡·H·瓦尔提松
Original assignee: Lai Ji Power Co
Current assignee: Lai Ji Power Co
Priority date: 2016-02-12
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2037-02-13
Also published as: EP3414812A1; SI3414812T1; PT3414812T; CN108702027B; US10622838B2; WO2017138026A1; ES2886959T3; CA3053095A1; EP3414812B1; PL3414812T3; US20190044381A1

Abstract

本发明涉及从载流导体的磁场中提取电力并调节到稳定的DC电压电源。调节后的DC电压可用于为电源单元(PSU)的内部电子电路供电，并为外部测量设备和/或与PSU一起安装在设备壳体内或载流导体(例如相线)上的监视设备供电。

Description

用于电力提取的装置、系统和方法

技术领域

本发明涉及电力提取领域。更准确地说，本发明涉及从导体提取电力。更准确地说，本发明涉及从载流导体的磁场中提取电力。

背景技术

世界各地都使用电力线传输电能。电力线通常承载大电流，通常是交流电。这种电流产生变化的磁场。布置在变化磁场中的导体将受到一种力，从而产生电磁感应。因此，通过将导体布置在电力线附近，可以直接从电力线提取电力而无需物理接触。该原理通常用于为整个电力线中的小型监视和诊断设备供电。

现有设备通常可以从电力线中提取非常少的可用电力。此外，它们通常需要一段时间来收集和储存电力，然后才能通电。一旦收集到足够的电力，这些设备就会唤醒，执行预定的测量，有时将测量结果无线地发送到控制中心并断电。

美国专利申请2010/0084920 A1描述了一种电流转换收集器(“CTH”)，其能够从预先存在的电网上的导体产生电力，而不改变导体或预先存在的电网。CTH包括电流互感器(“CT”)，其通过来自导体的磁通量捕获能量。CT是基本上圆形的，包括称为“分裂铁芯”的两半，这允许CT容易地附接到导体上，而不打开导体工作的电路。CTH的夹紧机构可以通过一对弹簧偏压的夹紧垫将CTH固定到导体上。CTH包括将CT捕获的磁通量能量转换成适于由电气设备消耗的电能的电路。

美国专利申请2014/0266240 A1公开了一种至少可在正常操作模式、需求测量模式和故障测量模式下操作的收集和测量设备。在正常操作模式下，该设备能够从相关的电力线收集能量，并通过低电力电路监视电流和电压状况。在需求测量模式下，电路的收集元件被禁用，以便不干扰需求电流测量的准确性。在故障测量模式下，一个或多个霍尔传感器被激活，从而可以准确地测量高电流。

美国专利申请US 2015/0326136 A1描述了一种磁场能量收集设备，其可以包括电感器和控制器。电感器可以包括彼此串联连接的两个电感器绕组，在缠绕方向和取向上被配置成产生相对于电感器的中间抽头并且彼此异相的两个电压。控制器可以切换这两个电压，并且可以通过交替开启和关闭开关来产生大约恒定的DC输出电压。

虽然现有技术系统在某些情况下可能是令人满意的，但是它们也有某些缺点和不足。例如，利用现有技术的系统，可能不可以从导体提取大量电力。此外，控制从导体提取多少电力可能是不可能的或者至少是困难的。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的是克服或至少减轻现有技术的缺点和不足。具体而言，本发明的目的可能是提供一种允许从传导电流的导体提取电力的技术，特别是允许以受控的方式提取大量电力。本发明实现了这些目的。

本发明在权利要求中以及在下面的描述中被指定。优选实施例在从属权利要求和各种实施例的描述中特别指定。

在下面的示例中进一步描述了本发明的上述特征以及另外的细节，这些示例旨在进一步说明本发明，但并不旨在以任何方式限制本发明的范围。

本发明的装置、系统和设备提供了一种从传导电流的导体提取电力的新的和改进的方法。在本发明的一些实施例中，可以采用以下特征：a)使用多个次级绕组而不将它们直接连接在一起，b)通过分路将绕组排除在发电之外，和/或c)使用MOSFET晶体管，例如，以确保高效和“冷”的电力调节。这些特征可以提供新的和改进的解决方案。使用多个次级绕组而不将它们直接连接在一起的方法在电力收集效率方面可能是有利的。例如，通过使用三个次级绕组(一个基本绕组和两个分路绕组，每个绕组在某个相线电流下产生10VA的电力)，如果求和发生在整流桥之后，而不是之前，那么它们的总发电量将是30VA。与现有技术方法的其它发明或可用解决方案相比，这对于装置的收集效率和高发电能力可能是有利的。此外，为了调节装置的发电而动态分路次级绕组的方法可能是本发明的实施例的另一个优点。通过完全分路每次不需要的分路绕组，可以防止发热和过电压瞬变，并可以确保稳定发电。其它发明使用不同的方法；大多数情况下，它们包括作为热量浪费过量的电力。使用MOSFET晶体管进行整流并作为分路绕组的分路器的方法可能是本发明的实施例的另一个优点。其它解决方案使用常规二极管或肖特基二极管进行整流，导致相当大的电力损耗和发热。

在第一方面，本发明描述了一种适于从交流载流导体的磁场提取电力的装置，该装置包括适于围绕整个交流载流导体布置的至少一个变压器铁芯，以及缠绕在至少一个变压器铁芯周围的至少两个次级绕组，其中第一次级绕组是包括可变电阻负载的基本绕组，该可变电阻负载适于基于装置两端的电压被调节。

这种装置可以允许从载流导体(例如电力线)提取显著量的电力。此外，根据收集的电压，它还可以控制提取多少电力。因此，它可以满足上述目的。

载流导体优选地可以是电力线的相线。这种相线可以是架空的，也可以是地下的(埋地的)。缠绕有次级绕组的一个或多个变压器铁芯可以是圆形、正方形、椭圆形和/或其它形状，只要铁芯围绕载流导体形成完整的闭合环路。

在本发明的语境中，一个或多个铁芯可以是分裂铁芯类型或非分裂(实心)铁芯类型。

在本发明的语境中，术语“基本绕组”和“先导绕组”是指与下面解释的相同的项目。

在本发明的语境中，术语“分路绕组”和“非先导绕组”是指与下面解释的相同的项目。

在本发明的语境中，基本绕组(先导绕组)和分路绕组(非先导绕组)两者在电流互感器配置中是相同的次级绕组，并且可以共享相同的变压器铁芯或者各自具有它们自己单独的变压器铁芯。为了进一步澄清：每个装置只有“一个”基本绕组，但是分路绕组总是一个或多个。“基本绕组”的发电从未中断，但是“分路绕组”的发电可以中断，也就是说，为了调节装置的电力收集，当需要时，可以通过逐个“分路”分路绕组来完全关闭它们。基本绕组和分路绕组从来没有也可能永远不会直接连接在一起，既不是并联配置，也不是串联配置。直到整流桥之后，经调节的电力才被加在一起。

基本次级绕组和每个分路次级绕组可以是它们自身的整流电路的一部分。此外，它们一起可以是更大的调节和电力加法电路的一部分。

基本次级绕组调节和整流电路可以包括基本绕组、可测量电路两端的DC电压的DC电压电平检测器(一个检测器可以是多个调节和整流电路的一部分，即整个装置只需要一个这样的检测器)、过零检测器、AC电压过零受控电路状态锁存器以及具有平滑和滤波电容器的基于MOSFET的整流桥。

基本次级绕组可以为基本电子电路，即模拟和控制逻辑、过零检测器和其它部件提供电力。除此之外，基本次级绕组可能促成发电。与可以被分路的分路次级绕组不同，基本绕组从不被分路。如果电路内的DC电压电平需要被限制，则控制逻辑可以在基本绕组上使用脉宽调制电阻负载调节。调制电阻可以基于1-10欧姆的固定负载电阻值，更优选2-5欧姆的固定值，甚至更优选2.2欧姆的固定值，并且可以从固定负载值的0％到100％变化。也就是说，在该实施例中，分路次级绕组可以被分路，从而可以控制电力提取，而借助于基本次级绕组的电力提取可以通过可变电阻负载来控制。同样，这可以允许方便和恰当地控制通过所描述的装置提取的电力。此外，这可以增加系统的故障安全性，因为将分路次级绕组分路允许安全地降低装置两端的电压，并避免可能导致装置的各种部件损坏的电压尖峰。

分路次级绕组调节和整流电路可包括分路次级绕组、可测量电路两端的DC电压的DC电压电平检测器(一个检测器可以是多个调节和整流电路的一部分，即整个装置只需要一个这样的检测器)、过零检测器、AC电压过零受控电路状态锁存器、光学隔离的MOSFET驱动器和阻挡MOSFET以及具有平滑和滤波电容器的基于MOSFET的整流桥。

每个分路次级绕组都可以使用阻挡MOSFET来被分路。如果电路内的电压电平上升，则控制逻辑可以将分路次级绕组逐一分路，优选自动地和/或动态地分路。在优选实施例中，该装置包括五个分路次级绕组。一旦所有五个都被分路，就使用脉宽调制电阻负载来控制基本绕组。以这种方式，该装置被保护以免受突然电压上升的影响。这是特别有利的，因为否则电压尖峰会导致各种电子部件的损坏。基本绕组还提供过零检测，使得DC电压电平状态锁存器能够在电流互感器的过零状态下开启和关闭MOSFET分流器，从而最小化在MWCT(多绕组电流互感器)绕组上产生的可能电压尖峰。

每个绕组可以有自身的整流电路(MOSFET整流桥和平滑电容器)。该装置可以仅包括一个电力和电压调节电路(电压电平检测、MOSFET分路控制和脉宽调制(PWM)负载调节)。

在优选实施例中，该装置可以适于利用9-50V，更优选12-35V的感生AC电压操作。在这样的优选实施例中，当电压超过25V时，第一分路次级绕组可以被分路，随后的分路次级绕组被逐步分路，并且用于基本次级绕组的可变电阻最后起作用，以确保不超过35V。

当将AC电压整流为DC电压时，使用常规方法(例如二极管)会由于整流桥中二极管上固有的硅电压降而造成相当大的电力损耗。这特别适用于低电压电平和高电流。为了避免这种情况，所公开的装置可以配备有MOSFET晶体管，而不是整流桥中的二极管。当完全导通时，MOSFET晶体管施加可忽略的串联电阻，而不是传统二极管所施加的相对较大的硅电压降，因此几乎消除了由于硅电压降和相关发热而导致的电力损耗。

MOSFET晶体管也可以用作MWCT绕组和装置中所有其它高电流开关电路的电流分路器。这可能是有利的，因为PSU的电子电路板位于PSU内部受限的非通风隔间中。因此，使用具有超低RDS-on(超低漏极-源极电阻)值的MOSFET晶体管进行大强度的电流切换可能有利于将PSU内部的发热保持最小，但电力效率最大。换句话说，使用MOSFET晶体管可以帮助避免过热和随后对设备的损坏。

可变电阻负载的基础电阻可以包括1至10欧姆，更优选1至4.7欧姆。

电力提取装置可适于输送直流输出。这对于将提取的电力直接用于各种测量、诊断和/或通信设备可能特别有利。

当载流导体承载平均100至1500A，例如200A时，电力提取装置可以适于输送平均30至100瓦作为输出，优选50至70瓦。这可以是电力线的典型电流范围。与现有技术中已知的输出相比，这种电力输出增加了。本发明通过使用多个绕组和基于优选MOSFET晶体管的电力有效整流来实现这一点。换句话说，与先前已知的从电力线提取电力的方法相比，本发明能够实现的大电力输出可能特别有利。

每个次级绕组(包括基本绕组和一个或多个分路次级绕组)后面的整流桥可以并联连接。

并联(求和)来自分路绕组和基本绕组的整流电力的优点可包括有效的电力收集和设备的电力控制。这可以在不必浪费热量中的过多电力的情况下实现。

如果相线中的电流低但对电力输出的需求高，则所有绕组都可能促成电力收集。如果相线电流高，但对电力输出的需求低，则通过将分路绕组完全分路的方法，分路绕组被动态地排除在电力收集之外。如果相线中的电流超过了指定的最大安培数水平，PWM将开始调节设备内的DC电压电平。

在第二方面，本发明描述了一种适于从载流导体的磁场中提取电力的装置，该装置包括：基本绕组，其适于促成发电；至少一个分路绕组，其适于促成发电；公共DC电压电平检测，其用于调节和整流的DC电压；过零检测器；AC电压过零受控电路状态锁存器；光学隔离MOSFET驱动器和阻挡MOSFET，其用于至少一个分路绕组中的每一个；以及基于MOSFET的整流桥，其具有用于基本绕组和至少一个分路绕组中的每一个的平滑和滤波电容器。基本绕组适于为模拟和控制逻辑以及过零检测器提供电力，同时促成装置的电力收集。

该第二方面可以使用本发明的第一方面中描述的任何和所有特征。应当理解，第二方面通常具有与上述优点相对应的优点。

在第三方面，该装置可以是系统的一部分，该系统适于从载流导体的磁场中提取电力，并使用该电力至少为其自身供电。该系统包括：电力收集部(PHS)，其适于在位于所述导体附近时从交流导体的磁场中提取电力，其中PHS将产生的电流从交流(AC)电压转换成直流(DC)电压；控制和监督部(CSS)，其适于从PHS接收和发送与系统技术参数相关的数据，存储该数据，并基于某些技术参数的值做出决策；以及输出和电信部(OTS)，其适于转换从PHS传入的用于连接到系统的任何外部设备的电压，并经由通信模块与系统外部的设备无线通信。

在这方面，如第一和第二方面所述的装置可以是电力收集部(PHS)的一部分。

在优选实施例中，该系统可以具有15-30kg的总重量，更优选15-25kg，甚至更优选15-20kg。也就是说，该系统可以相对紧凑并且简单地使用和安装在架空和/或地下电力线上。该系统可适于从平均电流为100-1500A、优选100-1200A、更优选100-600A或100-300A的相线上提取平均30-100瓦、更优选40-80瓦、甚至更优选50-70瓦的电力。如上所述，这可呈现从电力线提取的电力的显著增加。该系统可适于从相线感生9-50V、更优选9-40V、甚至更优选12-35V的AC电压。

在优选实施例中，PHS可包括至少多绕组电流互感器(MWCT)模块、DC/DC调节模块和充电控制模块。MWCT模块可以如第一和第二方面所述。也就是说，MWCT模块可包括围绕至少一个变压器铁芯的至少两个次级绕组。该铁芯可适于布置在诸如电力线的交流载流导体周围。MWCT模块还可包括结合上述第一和第二方面描述的任何特征和/或部件。

充电控制模块可以连接到备用电池。DC/DC调节模块可以连接到CSS。PHS可以是系统中的自给自足部分-所有内部控制都包含在其中。除其它之外，PHS可以基于电路两端的电压读数来控制分路次级绕组的分路和基本绕组的可变负载电阻。

在优选实施例中，CSS和OTS可以用于在整个系统中分配产生的DC电力，为连接到系统的任何外部设备供电，测量系统和/或电力线及其周围的某些技术参数，和/或通过GSM模块与外部设备无线通信。

CSS可包括至少主控制器、电力管理控制器以及测量和数据采集模块。CSS可以负责控制整个系统，分配收集的电力，和/或测量和记录各种技术参数。技术参数可以是温度、加速度(和/或倾斜度)、单元负载(重量)、电流、电压和/或其它参数。这样，该系统可以用于充当相线的诊断设备，用于周围监视的成像装置，例如高分辨率照相机。

OTS可以用于向连接到系统的任何外部设备传输电力和/或通过GSM模块无线通信。OTS可以将CSS采集的参数传输到外部设备。这对于将诊断测量值从电力线传输到控制或维护中心可能特别有利。这样，可以使用所述系统远程监视电力线。

在第四方面，提供了一种利用上述方面从交流载流导体有效地收集电能的方法。该方法可以利用上面和下面列出的装置和系统的任何特征。该方法包括：将至少一个变压器铁芯布置在交流载流导体周围，并且将至少两个次级绕组缠绕在至少一个变压器铁芯周围，其中第一次级绕组是基本绕组；为基本次级绕组提供可变电阻负载，该负载适于根据电路两端的电压电平增加或减少负载；为每个分路次级绕组提供分路机构，该分路机构适于在电路两端的电压达到某个预设值时使次级绕组短路；以及将从交流载流导体收集的电力转换成DC电力。

在优选实施例中，上述方法还可以包括以下步骤：使用收集的电力来监视和/或存储电路和/或交流载流导体(优选电力线)的技术参数；以及在通信模块上无线地发送技术参数和无线地接收命令。

技术参数可包括带时间戳的温度数据、加速度和/或倾斜度数据、单元负载或重量数据和/或其它电路相关参数，例如静止图像和/或视频流。

分路机构可包括具有超低RDS-on(超低漏极到源极电阻)特征的MOSFET晶体管。这种晶体管可以最小化电力损耗和发热，这对于最大化提取的电力和/或避免系统内过热可能特别有利。

本发明还由以下编号的实施例限定。

1.一种适于从交流载流导体的磁场中提取电力的装置，包括：

a)至少一个变压器铁芯，其适于围绕整个交流载流导体布置；以及

b)缠绕在所述至少一个变压器铁芯周围的至少两个次级绕组，其中第一次级绕组是基本次级绕组，其中基本绕组包括可变电阻负载，所述可变电阻负载适于基于所述装置两端的电压被调节。

2.根据实施例1的装置，其中，变压器铁芯和/或铁芯为圆形、正方形、椭圆形和/或其它形状，并形成围绕交流载流导体的交变磁场的闭合环路。

3.根据前述实施例中任一项的装置，其中，基本次级绕组和每个分路次级绕组是它们自身的整流电路的一部分，并且都是更大的电力和电压调节电路的一部分。

4.根据前述实施例的装置，其中，调节和整流电路包括：基本次级绕组或分路次级绕组；公共DC电压电平检测器，其用于调节和整流的DC电压；过零检测器；AC电压过零受控电路状态锁存器；光学隔离MOSFET驱动器和阻挡MOSFET，其用于至少一个分路次级绕组中的每一个；以及基于MOSFET的整流桥，其具有用于基本绕组和至少一个分路次级绕组中的每一个的平滑和滤波电容器。

5.根据前述实施例的装置，其中，当装置两端的电压超过某个预设值时，分路次级绕组适于使用作为电力和电压调节电路的一部分的MOSFET分流器被分路。

6.根据前述两个实施例的装置，其中，使用具有超低RDS-on(超低漏极到源极电阻)特征的MOSFET晶体管最小化了装置内的电力损耗和发热。

7.根据前述实施例中任一项的装置，其中，可变电阻负载的基础电阻为1-10欧姆，更优选为1-4.7欧姆。

8.根据前述实施例中任一项的装置，其中，所述装置适于输送直流输出。

9.根据前述实施例中任一项的装置，其中，当载流导体承载平均100至1500A，例如200A的电流时，所述装置适于输送平均30至100瓦作为输出，优选50至70瓦。

10.根据前述实施例中任一项的装置，其中，整流桥并联连接。

11.一种适于从交流载流导体的磁场中提取电力的装置，包括：

a)基本绕组，其适于促成发电；以及

b)至少一个分路次级绕组，其适于促成发电；以及

c)公共DC电压电平检测器，其用于调节和整流的DC电压；以及

d)过零检测器；以及

e)AC电压过零受控电路状态锁存器；以及

f)光学隔离MOSFET驱动器和阻挡MOSFET，其用于所述至少一个分路次级绕组中的每一个；以及

g)基于MOSFET的整流桥，其具有用于基本绕组和至少一个分路次级绕组中的每一个的平滑和滤波电容器，

其中基本绕组适于为模拟和控制逻辑以及过零检测器提供电力。

12.根据实施例11的装置，还包括至少一个变压器铁芯，初级绕组和至少一个次级绕组缠绕在该变压器铁芯周围，其中，变压器铁芯为圆形、正方形、椭圆形和/或其它形状，并形成围绕交流载流导体的交变磁场的闭合环路。

13.根据实施例11至12中任一项的装置，其中，当装置两端的电压超过某个预设值时，分路次级绕组适于使用作为电压调节电路的一部分的阻挡MOSFET被分路。

14.根据实施例11至13中任一项的装置，其中，使用具有超低RDS-on(超低漏极到源极电阻)特征的MOSFET晶体管最小化了装置内的电力损耗和发热。

15.根据实施例11至14中任一项的装置，其中，所述装置适于输送直流输出电流(DC)。

16.根据实施例11至15中任一项的装置，其中，当载流导体承载平均100至1500A，例如200A的电流时，所述装置适于输送平均30至100瓦作为输出，优选50至70瓦。

17.根据前述实施例中任一项的装置，其中，整流桥并联连接。

18.一种适于从交流载流导体的磁场中提取电力并将其用于至少自身供电的系统，包括：

a)电力收集部(PHS)，其适于在位于所述导体附近时从交流载流导体的磁场中提取电力，其中，PHS适于将产生的电流从交流(AC)转换成直流(DC)；以及

b)控制和监督部(CSS)，其适于从PHS接收和发送与系统的技术参数相关的数据，存储该数据，并基于某些技术参数的值做出决策；以及

c)输出和电信部(OTS)，其适于转换从PHS传入的用于连接到系统的任何外部设备的电压，并经由通信模块与系统外部的设备无线通信。

19.根据实施例18的系统，还包括适于测量系统内和/或交流载流导体内的温度、加速度(倾斜度)和/或单元负载(重量)的辅助电路。

20.根据前述实施例18至19中任一项的系统，总重量为15-30kg，更优选15-25kg，甚至更优选15-20kg。

21.根据前述实施例18至20中任一项的系统，其适于从平均电流值为100-1500A的相线提取平均30-100瓦，更优选40-80瓦，甚至更优选50-70瓦的电力。

22.根据前述实施例18至21中任一项的系统，其适于从相线感生9-50V，更优选9-35V的AC电压。

23.根据前述实施例18至22中任一项的系统，其中，PHS包括至少多绕组电流互感器(MWCT)模块、DC/DC调节模块和充电控制模块。

24.根据前述实施例的系统，其中，MWCT模块包括围绕至少一个变压器铁芯的至少两个次级绕组，所述至少一个变压器铁芯本身围绕交流载流导体布置。

25.根据前述实施例的系统，其中，第一次级绕组是基本绕组，还包括适于基于系统两端的电压被调节的可变电阻负载。

26.根据前述实施例的系统，其中，可变负载的基础电阻为1-10欧姆，更优选1-4.7欧姆。

27.根据前述三个实施例的系统，其中，基本绕组和至少一个分路次级绕组中的每一个是它们自身的整流电路的一部分，并且都是更大的电力和电压调节电路的一部分。

28.根据前述实施例的系统，其中，调节和整流电路包括公共DC电压电平检测器、AC电压过零检测器、同步电路状态锁存器、MOSFET分流器、MWCT绕组以及具有平滑和滤波电容器的基于MOSFET的整流桥。

29.根据前述实施例的系统，其中，MOSFET分流器适于如果电压超过某个预设值则对分路次级绕组进行分路。

30.根据前述两个实施例中任一项的系统，其中，整流桥使用具有超低RDS-on(超低漏极到源极电阻)特征的MOSFET晶体管，该MOSFET晶体管最小化装置内的电力损耗和发热。

31.根据前述实施例并具有实施例25的特征的系统，其中，PHS适于基于系统两端的电压读数来控制分路次级绕组的分路和基本绕组的可变负载。

32.根据前述实施例18至31中任一项并具有实施例24的特征的系统，其中，整流桥并联连接。

33.根据前述实施例18至32中任一项的系统，其中，CSS至少包括主控制器、电力管理控制器以及测量和数据采集模块。

34.根据前述实施例的系统，其中，电力管理控制器适于将转换的DC电力分配给系统的其它元件，例如OTS。

35.根据前述实施例18至34中任一项的系统，其中，OTS部分的通信模块包括用于无线通信的GSM模块。

36.根据前述实施例18至35中任一项的系统，进一步适于连接到外部测量设备和/或监视设备，然后可以通过OTS部分用所收集的电力为这些外部测量设备和/或监视设备供电。

37.根据实施例18至36中任一项的系统，其中，所述装置适于输送直流输出电流。

38.一种电力线系统，包括根据实施例18至37中任一项的系统和作为交流载流导体的电力线。

39.根据前述实施例的电力线系统，其中，电力线是架空和/或埋地电力线。

40.一种从交流载流导体实施例收集电电力的方法，包括以下步骤：

a)将至少一个变压器铁芯布置在交流载流导体周围，并且将至少两个次级绕组缠绕在至少一个变压器铁芯周围，其中，第一次级绕组是基本绕组，其它次级绕组是分路次级绕组；以及

b)为基本次级绕组提供可变电阻负载，该可变电阻负载适于根据电压电平增加或减少负载；以及

c)为每个分路次级绕组提供分路机构，该分路机构适于在电压电平达到某个预设值时使次级绕组短路；以及

d)将从交流载流导体收集的电力转换成DC电力。

41.根据实施例40的方法，还包括以下步骤：

e)使用收集的电力来监视和/或存储电路和/或交流载流导体的技术参数；以及

f)在通信模块上无线地发送技术参数并无线地接收命令。

42.根据前述实施例的方法，其中，该技术包括带时间戳的温度数据、加速度和/或倾斜度数据、单元负载或重量数据和/或其它电路相关参数。

43.根据前述实施例40至42中任一项的方法，其中，分路机构包括具有超低RDS-on(超低漏极到源极电阻)特征的MOSFET晶体管，该MOSFET晶体管可以最小化电力损耗和发热。

44.根据前述实施例40至43中任一项的方法，其中，通过基于MOSFET的整流电路实现AC电力到DC电力的转换，该整流电路可以适于最小化电路两端的电压降和电力损耗。

45.根据前述实施例40至44中任一项的方法，其中，基础电阻为1-10欧姆，更优选为1-4.7欧姆。

46.根据前述实施例40至45中任一项的方法，其中，整流桥并联连接。

47.根据实施例40至46中任一项的方法，其中，所述方法利用根据实施例1至17中任一项的装置或根据实施例18至39中任一项的系统。

附图说明

技术人员将理解，下面描述的附图仅用于说明目的。附图并不旨在以任何方式限制本教导的范围。

图1示出了根据本发明的CT铁芯和绕组的几种不同配置。

图1a示出了根据本发明的电力提取装置的若干示意性优选实施例。

图2示出了根据本发明的分路机构的简化图。

图3示出了分路次级绕组调节和整流电路的示意图。

图4示出了根据本发明的多绕组电流互感器(MWCT)模块的优选实施例。

图5是基于装置中的电压对分路次级绕组分路的图示。

图6示出了根据本发明的用于电力收集、分配和通信的系统的示意性实施例。

图7示出了根据本发明的用于电力收集、分配和通信的系统的更详细的实施例。

图8示出了根据本发明的实施例的设备的不同视图。

图9示出了本发明的设备的实施例的剖视图。

图10示出了用于测试本发明的设备的Omicron多功能测试系统。

图11示出了在使用POLG的实验中对接通和断开特性的示波器测量。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的示例性实施例。提供这些示例是为了提供对本发明的进一步理解，而不限制其范围。

在下面的描述中，描述了一系列特征和/或步骤。技术人员将理解，除非上下文要求，否则特征和步骤的顺序对于最终的配置及其效果并不重要。此外，对于技术人员来说显而易见的是，无论特征和步骤的顺序如何，步骤之间的时间延迟的存在与否，都可以存在于一些或所有描述的步骤之间。

参考图1，示出了根据本发明的装置的若干示例。变压器铁芯1布置在载流AC导体2，优选相线周围。次级绕组10缠绕在变压器铁芯1周围。变压器铁芯1可以是任何形状，只要它围绕相线2形成完整的环。如不同实施例中所示，次级绕组10可以缠绕在分开的变压器铁芯1周围或相同的变压器铁芯1周围。

图1a示出了根据本发明的装置的若干示意性优选实施例。最左侧示出了六个次级绕组10的布置，每个次级绕组10缠绕在它们独立的铁芯1周围。还示出了初级绕组或相线1。在中间，示出了共享相同铁芯1的六个次级绕组10的布置。在最右侧，还示出了基于MOSFET的电流分路器60。基本绕组11不具有MOSFET分路器60，因为它从不被分路。每个分路次级绕组12具有它们自身的电流分路器60。

由于电流互感器的固有物理特性以及将波动的电流和AC电压电平调节为可用的DC电力的极端困难性，该装置发电系统基于两个或更多个次级绕组10一起工作形成联合发电系统的简单思想。当需要时，这些次级绕组10中的一个或多个被分路，将它们排除在次级绕组10的联合发电之外。

该装置的专门设计的电流互感器具有相对较高的拐点铁芯饱和电压，根据PSU和连接到PSU的外部负载所提供的负担，该电压在次级绕组上提供高达35VAC的输出。用于适当DC整流的可用AC电压范围在9和50伏AC之间，更优选在12和35伏AC之间。

图2示意性地示出了分路次级绕组的分路。分路电流互感器的分路次级绕组12不会产生任何干扰，可以说电流互感器的正常状态是次级绕组端子短路的状态。该装置利用这一事实，并将其用于发电系统的电压和电力调节目的。图2示出了未分路次级绕组和分路次级绕组的电流路径的简化框图。从图2的左侧可以看出，电流互感器的分路次级绕组12连接到相关联的整流桥70，并从那里连接到公共负荷90。如果由于某种原因，由于负荷侧负载不足或相线电流过大，装置的发电必须受到限制，则控制逻辑会分路该特定互感器的次级绕组，如图2右侧所示。分路电路在绕组端子之间插入非常低的电阻路径，并将分路次级绕组12短路，从而所有产生的电流在互感器内循环。因此，次级绕组两端的电压电平下降到零电压，并且到相关联的整流桥70和公共负荷90的所有电力传输被切断。

图3示出了分路次级绕组调节和整流电路的示例。该电路由DC电压电平检测器20、过零同步状态锁存器40、MOSFET分流器60、分路次级绕组12和基于MOSFET的整流桥70以及平滑和滤波电容器80组成。光学隔离的MOSFET驱动器50提供电力调节。

图4示出了MWCT模块的优选实施例，包括一个引导次级绕组11、五个非引导次级绕组12以及它们各自的调节和整流电路。

引导绕组的整流电路不像其它整流电路那样并入MOSFET分流器60，但控制逻辑改为使用脉宽调制电阻负载调节。引导绕组还提供过零检测30，使得DC电压电平状态锁存器40能够在电流互感器的过零状态下接通和断开MOSFET分流器60，从而最小化在MWCT绕组上产生的可能电压尖峰。

图5显示了示意性曲线图，示出了每个非引导次级绕组随着电压上升逐步分路的优选实施例。如前所述，所有次级绕组10都促成发电，直到粗整流DC电压上升到预设极限以上。如图5中的曲线图所示，控制逻辑将五个非引导次级绕组12中的一个或多个分路，从而将它们排除在发电之外。如前所述，引导绕组11从不被分路，而是控制逻辑使用脉宽调制电阻负载调节，当所有五个绕组都已分路并且需要进一步限制DC电压电平以适合在最大允许电压窗口内时，该调节起作用。

图6示出了根据本发明的电力收集、分配和通信系统的实施例。电力管理控制器(PMC)220控制和监督电力收集部(PHS)100。PMC还控制高侧MOSFET电路，该电路将12伏DC切换到连接到系统的外部设备。

主控制器(PC)210通过串行通信链路与PMC 220通信，并收集测量数据，例如电流、电压和温度值，为它们加时间戳，并存储在非易失性存储器中以供以后收集和使用。PC 210还从系统的辅助电路读取测量数据并存储在非易失性存储器中，或者通过GSM模块310和移动网络发送到远程中心。

系统内部的辅助电路包括用于测量时间戳的实时时钟、用于测量数据存储的EEPROM、用于倾斜度和倾斜测量的加速器传感器、用于系统健康检查的温度传感器、用于外部张力单元的负载单元放大器和通用异步接收器/发送器。系统内部的电路还并入用于通过GSM网络进行无线通信的GSM模块310。

PHS 100至少包括多绕组电流互感器(MWCT)模块110、DC/DC调节模块120和充电控制模块130。CSS 200至少包括主控制器210、电力管理控制器220以及测量和数据采集模块230。OTS 300包括用于连接到系统的潜在外部设备的输出端口和GSM模块310。

图7示出了根据本发明的电力收集、分配和通信系统的更详细的实施例。示出了系统内不同模块和电路的相互作用。包括MWCT模块110、DC/DC调节模块120和充电控制模块130的PHS 100与电力管理控制器230通信，该电力管理控制器230主要控制DC电力的分配。主控制器210与辅助电路和电力管理控制器220通信。GSM模块310适于与系统外部的设备无线通信。

图8示出了根据本发明的一个实施例的设备。在图8A中，示出了安装在相线401上的壳体400的侧视图。壳体400在壳体的上面板中具有空间，形成用于传感器402的轻微突起。用于负载单元403的连接器在相线开口下方从壳体下部延伸。壳体的侧面为窗口，用于照相机获取电力线周围的图像。在图8B和图8C中，壳体的前视图和透视图显示了用于沿相线提供图像的照相机的照相机窗口404。在照相机窗口404下方示出防溅空气入口/出口405。

图9是根据本发明的一个实施例的设备的剖视图。该设备被夹在相线401周围，并且该图显示了相线周围的橡胶绝缘410。一排六个电流互感器411显示为被夹在相线周围。印刷电路板412在图的左侧显示在电流互感器上方，在右侧显示了通信调制解调器413。外部温度传感器414和盐度传感器415显示在壳体的顶部面板上的突起中。在壳体的下部，两个照相机416显示为沿着相线401指向两个方向。通风风扇417显示在照相机下面。

示例

示例1。测试300A型本发明的装置(POLG-在线发电机)的电力收集能力和电力输出质量。

测试的主要目的是确认在线发电机(POLG)的电力收集能力。

表1显示了测试期间使用的测量设备的列表和描述。

表1

Omicron CPC100多功能测试系统被用作电流发生器，用于模拟通过穿过POLG单元的相线短截线的电流。Omicron多功能测试系统还用于相线短截线两端的电压测量。参见图10。

执行测试过程，使得Omicron CPC100电流产生在400A处开始，并且通过串行数据链路从控制计算机向POLG单元发送命令，而接通POLG单元的所有输出。电流产生逐渐降低，直到POLG单元上的板载控制电路根据可用的电力预算逐一断开四个输出。参见表2。

表1：电力输出相对于初级电流

还测试了POLG单元的电力输出接通和断开特性。为了保护敏感设备免受电涌的影响，POLG单元必须提供干净稳定的12VDC电力输出。这包括确保电力输出的瞬时和反跳电源通电和断电特性。

图11A示出了一个POLG电力输出的接通特性的示波器测量，图11B示出了同一输出的断开特性。从示波器测量结果可以看出，输出需要在100微秒内从0VDC变为12VDC(接通输出)。从12VDC变为0VDC(断开输出)时，也是如此。测试运行表明，接通进入10欧姆负载的输出-从0VDC到12VDC的上升时间大约为90微秒(图11A)，而从10欧姆负载断开的输出-从12VDC到0VDC的下降时间大约为80微秒。

如本文所用，包括在权利要求中，术语的单数形式应被解释为也包括复数形式，反之亦然，除非上下文另有指示。因此，应当注意，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。

在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”及其变体应理解为“包括但不限于”的意思，并不旨在排除其它部件。

在这些术语、特征、值和范围等与诸如约、大约、大体上、基本上、大致、至少等术语结合使用时，本发明也涵盖精确的术语、特征、值和范围等(即，“约3”也应涵盖精确3，或者“基本上恒定”也应涵盖精确恒定)。

术语“至少一个”应理解为意指“一个或多个”，因此包括包含一个或多个部件的两个实施例。此外，涉及描述具有“至少一个”的特征的独立权利要求的从属权利要求具有相同的含义，无论该特征被称为“所述”还是“所述至少一个”。

应当理解，可以对本发明的前述实施例进行变化，同时仍然落入本发明的范围内。除非另有说明，否则用于相同、等效或类似目的的替代特征可以替代说明书中公开的特征。因此，除非另有说明，否则所公开的每个特征代表一系列等效或类似特征的一个示例。

使用示例性语言，例如“比如”、“诸如”、“例如”等，仅仅是为了更好地说明本发明，并不表示对本发明范围的限制，除非如此要求。说明书中描述的任何步骤可以以任何顺序或同时执行，除非上下文清楚地另有说明。

除了其中至少一些特征和/或步骤相互排斥的组合之外，说明书中公开的所有特征和/或步骤可以以任何组合进行组合。特别地，本发明的优选特征适用于本发明的所有方面，并且可以以任何组合加以使用。

Claims

1.一种适于从交流载流导体的磁场提取电力的装置，包括：

a)至少一个变压器铁芯，所述至少一个变压器铁芯适于被布置为完全地在所述交流载流导体的周围；以及

b)至少两个次级绕组，所述至少两个次级绕组被缠绕在所述至少一个变压器铁芯周围，其中，第一次级绕组是基本次级绕组，其中，所述基本绕组包括可变电阻负载，所述可变电阻负载适于基于所述装置的两端的电压来被调节。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述变压器铁芯为圆形、正方形、椭圆形和/或其它形状，并且形成围绕所述交流载流导体的交变磁场的闭合环路。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，

所述基本次级绕组和分路次级绕组中的每一个分路次级绕组是它们自身的整流电路的一部分，并且整个一起是更大的电力和电压调节电路的一部分。

4.根据前述权利要求所述的装置，其中，所述调节和整流电路包括：

基本次级绕组或分路次级绕组，

公共DC电压电平检测器，其用于被调节和整流的DC电压，

过零检测器，

AC电压过零受控电路状态锁存器，

光学隔离MOSFET驱动器和阻挡MOSFET，所述光学隔离MOSFET驱动器和阻挡MOSFET用于所述至少一个分路次级绕组中的每一个分路次级绕组，以及

基于MOSFET的整流桥，其具有用于所述基本绕组和所述至少一个分路次级绕组中的每一个分路次级绕组的平滑和滤波电容器。

5.根据前述权利要求所述的装置，其中，

当所述装置的两端的电压超过某个预设值时，所述分路次级绕组适于使用作为所述电力和电压调节电路的一部分的所述MOSFET分流器来被分路。

6.根据前述两项权利要求所述的装置，其中，

使用具有超低的RDS-on(超低的漏极到源极电阻)特征的MOSFET晶体管来最小化在所述装置内的电力损耗和发热。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，

所述可变电阻负载的基础电阻为1-10欧姆，更优选为1-4.7欧姆。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，

所述装置适于输送直流输出。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，

当所述载流导体承载平均为100至1500A，例如为200A的电流时，所述装置适于输送平均为30至100瓦作为输出，优选50至70瓦。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，

所述整流桥被并联连接。

11.一种适于从交流载流导体的磁场提取电力的装置，包括：

a)基本绕组，所述基本绕组适于促成发电；以及

b)至少一个分路次级绕组，所述至少一个分路次级绕组适于促成发电；以及

c)公共DC电压电平检测器，所述公共DC电压电平检测器用于被调节和整流的DC电压；以及

d)过零检测器；以及

e)AC电压过零受控电路状态锁存器；以及

f)光学隔离MOSFET驱动器和阻挡MOSFET，所述光学隔离MOSFET驱动器和阻挡MOSFET用于所述至少一个分路次级绕组中的每一个分路次级绕组；以及

g)基于MOSFET的整流桥，所述基于MOSFET的整流桥具有用于所述基本绕组和所述至少一个分路次级绕组中的每一个分路次级绕组的平滑和滤波电容器，

其中，所述基本绕组适于为模拟和控制逻辑以及所述过零检测器提供电力。

12.根据权利要求11所述的装置，还包括至少一个变压器铁芯，所述初级绕组和所述至少一个次级绕组被缠绕在所述至少一个变压器铁芯周围，

其中，所述变压器铁芯为圆形、正方形、椭圆形和/或其它形状，并且形成围绕所述交流载流导体的交变磁场的闭合环路。

13.根据权利要求11至12中任一项所述的装置，其中，

当所述装置的两端的电压超过某个预设值时，所述分路次级绕组适于使用作为电压调节电路的一部分的所述阻挡MOSFET来被分路。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其中，

15.根据权利要求11至14中任一项所述的装置，其中，

所述装置适于输送直流输出电流(DC)。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的装置，其中，

当所述载流导体承载平均为100至1500A，例如为200A的电流时，所述装置适于输送平均为30至100瓦作为输出，优选为50至70瓦。

17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，

所述整流桥被并联连接。

18.一种适于从交流载流导体的磁场提取电力并将其至少用于为自身供电的系统，包括：

a)电力收集部(PHS)，所述电力收集部适于在位于所述导体附近时从所述交流载流导体的磁场提取电力，其中，所述PHS适于将产生的电流从交流(AC)转换成直流(DC)；以及

b)控制和监督部(CSS)，所述控制和监督部适于接收和发送来自所述PHS的与所述系统的技术参数相关的数据，存储该数据，并且基于某些技术参数的值来做出决策；以及

c)输出和电信部(OTS)，所述输出和电信部适于为被连接到所述系统的任何外部设备来转换从所述PHS传入的电压，并且经由通信模块来与所述系统的外部的设备进行无线通信。

19.根据权利要求18所述的系统，还包括：

辅助电路，所述辅助电路适于测量所述系统内和/或所述交流载流导体内的温度、加速度(倾斜度)和/或单元负载(重量)。

20.根据前述权利要求18至19中任一项所述的系统，总重量为15-30kg，更优选为15-25kg，甚至更优选为15-20kg。

21.根据前述权利要求18至20中任一项所述的系统，

所述系统适于从平均电流值为100-1500A的相线提取平均为30-100瓦，更优选为40-80瓦，甚至更优选为50-70瓦。

22.根据前述权利要求18至21中任一项所述的系统，

所述系统适于从所述相线感生9-50V，更优选9-35V的AC电压。

23.根据前述权利要求18至22中任一项所述的系统，其中，

所述PHS至少包括多绕组电流互感器(MWCT)模块、DC/DC调节模块和充电控制模块。

24.根据前述权利要求所述的系统，其中，

所述MWCT模块包括围绕至少一个变压器铁芯的至少两个次级绕组，所述至少一个变压器铁芯本身被布置为在所述交流载流导体的周围。

25.根据前述权利要求所述的系统，其中，

所述第一次级绕组是基本绕组，所述基本绕组还包括适于基于所述系统的两端的电压来被调节的可变电阻负载。

26.根据前述权利要求所述的系统，其中，

所述可变负载的基础电阻为1-10欧姆，更优选为1-4.7欧姆。

27.根据前述三个权利要求所述的系统，其中，

所述基本绕组和所述至少一个分路次级绕组中的每一个分路次级绕组是它们自身的整流电路的一部分，并且整个一起是更大的电力和电压调节电路的一部分。

28.根据前述权利要求所述的系统，其中，所述调节和整流电路包括：

公共DC电压电平检测器，

AC电压过零检测器，

同步电路状态锁存器，

MOSFET分流器，

MWCT绕组，以及

具有平滑和滤波电容器的基于MOSFET的整流桥。

29.根据前述权利要求所述的系统，其中，

如果电压超过某个预设值，则所述MOSFET分流器适于对所述分路次级绕组进行分路。

30.根据前述两个权利要求中任一项所述的系统，其中，

所述整流桥使用具有超低的RDS-on(超低的漏极到源极电阻)特征的MOSFET晶体管，所述MOSFET晶体管最小化在所述装置内的电力损耗和发热。

31.根据前述权利要求所述并具有权利要求25的特征的系统，其中，

所述PHS适于基于所述系统的两端的电压读数来控制所述分路次级绕组的分路和所述基本绕组的所述可变负载。

32.根据前述权利要求18至31中任一项所述并具有权利要求24的特征的系统，其中，

所述整流桥被并联连接。

33.根据前述权利要求18至32中任一项所述的系统，其中，

所述CSS至少包括主控制器、电力管理控制器、以及测量和数据采集模块。

34.根据前述权利要求所述的系统，其中，

所述电力管理控制器适于将被转换的DC电力分配给所述系统的其它元件，例如所述OTS。

35.根据前述权利要求18至34中任一项所述的系统，其中，

所述OTS部的通信模块包括用于无线通信的GSM模块。

36.根据前述权利要求18至35中任一项所述的系统，进一步适于连接到外部测量设备和/或监视设备，所述外部测量设备和/或监视设备然后能够通过所述OTS部来用所收集的电力被供电。

37.根据权利要求18至36中任一项所述的系统，其中，

所述装置适于输送直流输出电流。

38.一种电力线系统，包括：

根据权利要求18至37中任一项所述的系统和作为所述交流载流导体的电力线。

39.根据前述权利要求所述的电力线系统，其中，

所述电力线是架空和/或埋地电力线。

40.一种从交流载流导体权利要求收集电电力的方法，包括以下步骤：

a)将至少一个变压器铁芯布置在所述交流载流导体的周围，并且将至少两个次级绕组缠绕在所述至少一个变压器铁芯的周围，其中，第一次级绕组是基本绕组，并且其它次级绕组是分路次级绕组；以及

b)为所述基本次级绕组提供可变电阻负载，所述可变电阻负载适于取决于电压电平来增加或减少所述负载；以及

c)为每个分路次级绕组提供分路机构，所述分路机构适于如果电压电平达到某个预设值则使所述次级绕组短路；以及

d)将从所述交流载流导体收集的电力转换成DC电力。

41.根据权利要求40所述的方法，还包括以下步骤：

g)使用所收集的电力来监视和/或存储所述电路和/或所述交流载流导体的技术参数；以及

f)在通信模块上，无线地发送所述技术参数并且无线地接收命令。

42.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述技术包括带时间戳的温度数据、加速度和/或倾斜度数据、单元负载或重量数据和/或其它电路相关参数。

43.根据前述权利要求40至42中任一项所述的方法，其中，

所述分路机构包括具有超低的RDS-on(超低的漏极到源极电阻)特征的MOSFET晶体管，所述MOSFET晶体管可以最小化电力损耗和发热。

44.根据前述权利要求40至43中任一项所述的方法，其中，

经由基于MOSFET的整流电路来实现AC电力到DC电力的转换，所述基于MOSFET的整流电路可以适于最小化所述电路两端的电压降和电力损耗。

45.根据前述权利要求40至44中任一项所述的方法，其中，

所述基础电阻为1-10欧姆，更优选为1-4.7欧姆。

46.根据前述权利要求40至45中任一项所述的方法，其中，

所述整流桥被并联连接。

47.根据权利要求40至46中任一项所述的方法，其中，

所述方法利用根据权利要求1至17中任一项所述的装置或根据权利要求18至39中任一项所述的系统。