CN110943519A - 一种利用交变磁场获取电能的装置 - Google Patents

Abstract

一种利用交变磁场获取电能的装置属于电力技术领域，尤其涉及一种利用交变磁场获取电能的装置。本发明提供一种利用交变磁场获取电能的装置。本发明包括开合式互感器1、电能转换电路7和蓄电池9，其结构要点开合式互感器1的输出端口与转换电路7的输入端口相连，转换电路7的输出端口与蓄电池9相连；所述转换电路7包括控压模块16、变压模块17、整流模块18、滤波模块19、稳压模块20、分压模块21和保护模块22，互感器1、控压模块16、变压模块17、整流模块18、滤波模块19、稳压模块20、分压模块21、保护模块22、蓄电池9依次相连。

Description

一种利用交变磁场获取电能的装置

技术领域

本发明属于电力技术领域，尤其涉及一种利用交变磁场获取电能的装置。

背景技术

在铁路工程施工中，为保证电力机车的正常运行，经常涉及一些区间设备的安装，来保证行车安全，但其电源的引入需要敷设数公里乃至几十公里电力电缆为其供电。随着电力电子技术的快速发展，铁路部分大功率区间设备，实质上可以改为低功率设备，例如：区间轨道信号指示灯，现在采用的220V电压卤素灯，可以改为利用直流12V或24V的LED指示灯，不仅可以减小功率，还可以保证发光强度。在实际情况中，区间有很多位置固定的单独设备，其低压电源不能直接从临近电力线路取得，需要经过220V或380V电力电缆输送，并经过变压整流后取得，不仅造成材料的浪费，而且受压降问题的影响，输送距离有限，要延长供电距离，只能增大导线截面或提高首端电压，从而增大经济投入。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种利用交变磁场获取电能的装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括开合式互感器1、电能转换电路7和蓄电池9，其结构要点开合式互感器1的输出端口与转换电路7的输入端口相连，转换电路7的输出端口与蓄电池9相连；

所述转换电路7包括控压模块16、变压模块17、整流模块18、滤波模块19、稳压模块20、分压模块21和保护模块22，互感器1、控压模块16、变压模块17、整流模块18、滤波模块19、稳压模块20、分压模块21、保护模块22、蓄电池9依次相连。

作为一种优选方案，本发明所述转换电路7和蓄电池9封装在箱体11中。

作为另一种优选方案，本发明所述蓄电池9与端子排10相连。

作为另一种优选方案，本发明所述控压模块16包括熔断器F、可调电阻R1、电阻R2和电磁变阻器23，电磁变阻器包括励磁线圈23-1、衔铁23-2、弹簧23-3和滑动变阻器23-7，衔铁23-2设置在励磁线圈23-1一侧，衔铁23-2远离励磁线圈23-1端与弹簧23-3一端相连，弹簧23-3另一端连接支撑体，励磁线圈23-1固定在支撑结构上保持位置固定；

励磁线圈23-1下端沿励磁线圈23-1的长度方向设置有前励磁划片和后励磁划片，励磁划片上端与励磁线圈23-1下端电连接，励磁划片通过绝缘连接件23-5与衔铁23-2相连联动，绝缘连接件与滑动变阻器23-7的滑片座相连；

互感器1的输出端一端与前励磁划片相连，后励磁划片分别与可调电阻R1一端、滑动变阻器的滑片相连，滑动变阻器的线圈端分别与电阻R2一端、变压模块17的输入端一端相连，变压模块17的输入端另一端分别与电阻R2另一端、可调电阻R1另一端、熔断器F一端相连，熔断器F另一端接互感器1的输出端另一端。

作为另一种优选方案，本发明所述R2＝20Ω，R1＝20Ω。

作为另一种优选方案，本发明所述绝缘连接件为横向L形连接件，L形连接件的长边为底边，底边后端向上弯折，励磁划片设置在底边前上端，滑动变阻器23-7的滑片座的上端与底边后下端相连，上弯折的上端与衔铁23-2下端中部相连。

作为另一种优选方案，本发明所述衔铁23-2设置在横向导向槽内。

作为另一种优选方案，本发明所述变压模块17采用变压器T。

作为另一种优选方案，本发明所述变压器T变比采用1:1。

作为另一种优选方案，本发明所述整流模块18采用整流桥。

作为另一种优选方案，本发明所述整流桥的整流二极管VT1-4采用：10A1010A/1000V型。

作为另一种优选方案，本发明所述滤波模块19包括电感L、电容C1和电容C2，电容C1一端分别与整流模块18的输出端正极、电感L一端相连，电容C1一端分别与整流模块18的输出端负极、电容C2一端、稳压模块输入端负极相连，电容C2另一端分别与电感L另一端、稳压模块输入端正极相连。

作为另一种优选方案，本发明所述电容C1、C2采用：16V 100uF体积5*11mm，所述电感L采用1.0线33uH 10A。

作为另一种优选方案，本发明所述稳压模块20包括电阻R3和稳压二极管Dw，电阻R3一端接滤波模块19的输出端正极，电阻R3另一端分别与稳压二极管Dw阴极、分压模块输入端正极相连，稳压二极管Dw正极分别与滤波模块19的输出端负极、分压模块输入端负极相连。

作为另一种优选方案，本发明所述稳压二极管Dw采用IN4744N 15V。

作为另一种优选方案，本发明所述分压模块21包括电阻R5和电阻R6，电阻R5一端分别与电阻R4一端、保护模块22的电源端相连，电阻R4另与一端稳压模块20的输出端正极相连，电阻R5另一端分别与保护模块22的输入端、电阻R6一端相连，电阻R6另一端接稳压模块20的输出端负极。

作为另一种优选方案，本发明所述保护模块22包括比较器K，比较器K的正输入端接分压模块21的输出端，比较器K的负输入端通过电阻R7分别与蓄电池9正极、电阻R8一端相连，电阻R8另一端接PNP三极管Q1的集电极，PNP三极管Q1的发射极分别与二极管D1正极、保护模块22的电源端正极相连，二极管D1负极分别与PNP三极管Q1的基极、PNP三极管Q2的发射极相连，PNP三极管Q2的基极分别与电阻R11一端、电阻R12一端相连，电阻R11另一端接比较器K的输出端，电阻R12另一端分别与稳压模块20的输出端负极、电阻R10一端、蓄电池负极相连，电阻R10另一端接PNP三极管Q2的集电极相连。

作为另一种优选方案，本发明所述电阻R12与电阻R11连接端之间设置有继电器线圈KM，继电器的受控开关QF连接在二极管D1正极与保护模块22的电源端正极之间。

作为另一种优选方案，本发明所述比较器K采用LM393芯片，三极管Q1、Q2采用9012型三极管。

作为另一种优选方案，本发明所述R7＝R6＝100KΩ，R5＝20KΩ，R4＝5KΩ，R3＝8KΩ，R8＝3Ω，R9＝R10＝1KΩ，R11＝R12＝100KΩ。

作为另一种优选方案，本发明所述变压模块17原边电压U1与互感器1输出电流I的关系为：

式中:R1-可调电阻(Ω)；R2-升压电阻(Ω)；R-滑动变阻器总电阻(Ω)；I-输入电流(A)；S-电磁线圈截面积(cm²)；W-励磁线圈匝数(n)；L-滑动变阻器总长度(cm)；K-弹簧弹性系数；δ-励磁线圈与衔铁距离(cm)。

作为另一种优选方案，本发明所述开合式互感器1的开合口两侧设置有连接座，连接座上设置有进线孔，连接座上相应于进线孔设置有压接导线螺丝，两侧连接座之间通过紧固件相连。

作为另一种优选方案，本发明所述连接座采用金属连接座。

作为另一种优选方案，本发明所述连接座为L形连接座，L形连接座的长边为底边，L形连接座的短边向上弯折，两侧L形连接座的短边相对设置；进线孔设置在底边的外侧端面上，压接导线螺丝下端旋入底边上端的螺纹孔，螺纹孔与进线孔连通；两侧L形连接座的短边之间通过螺栓相连。

其次，本发明所述开合式互感器1包括两个弧形对扣部分，两个弧形对扣部分一端通过折叠卡扣相连，另一端通过连接座相连，一个弧形对扣部分的侧面设置有互感线圈接线端子。

另外，本发明所述折叠卡扣端的弧形对扣部分，其中一个弧形对扣部分的铁磁体外凸，另一个弧形对扣部分的铁磁体内凹。

本发明有益效果。

本发明利用临近接触网或电力线路中交变电流产生的交变磁场，经互感线圈产生二次电流，经过控压模块16后得到交变电压，再经过变压模块得到一定范围的稳定交变电压，再经过整流模块，得到稳定直流电源，再经过滤波模块，得到需要的直流电压。

本发明开合式互感器1用于连接高压输电线路。

本发明利用大功率交变磁场与线圈的电磁感应原理进行能量存储及输出。

本发明能利用临近交流高压线路获取低压直流电源，通过蓄电池供低压直流设备使用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明整体结构原理图。

图3是本发明感应线圈原理示意图。

图4是本发明感应线圈结构示意图。

图5是本发明电路模块原理图。

图6是本发明电磁变阻器原理图。

图7是本发明封锁接头示意图。

图8是本发明开合式互感器1侧视图。

图9是本发明控压模块16原理图。

图10是本发明仿真结果图。

图中，1为开合式互感器、2为折叠卡扣、3为接线端子、4为铁磁接口、5为封锁接头(连接座)、6为输出导线、7为转换电路、8为输出导线、9为蓄电池、10为端子排、11为箱体、12为高压导线、13为铁磁材料、14为磁感线、15为采集模块(开合式互感器)、16为控压模块、17为变压模块、18为整流模块、19为滤波模块、20为稳压模块、21为分压模块、22为保护模块、23为电磁变阻器。

具体实施方式

如图所示，本发明包括开合式互感器1、电能转换电路7和蓄电池9，互感器1的输出端口与转换电路7的输入端口相连，转换电路7的输出端口与蓄电池9相连。

所述转换电路7和蓄电池9封装在箱体11中。箱体11可根据具体情况安排位置，与合式互感器1用导线6连接，输出电压通过端子排10输出，可根据需要自行调节(U1的调节请看后面的说明)输出12V、24V、36V等不同等级电压，适用于不同额定电压设备。

根据本发明转换电路7和蓄电池9的设计，本发明箱体11可做的较小，易于安装，使用方便。可以提高区间设备电源安装效率，可替代低压电缆敷设工作，极大节约施工成本。

所述箱体11可采用防雨保护箱体(箱体整体可采用不锈钢材质，门缝连接处加装密封胶条，导线穿线孔位于箱体下侧，整体带有坡度顶盖)，实现电子器件在不同外界环境下的稳定工作，延长使用寿命。

所述蓄电池9与端子排10相连。

所述转换电路7包括控压模块16、变压模块17、整流模块18、滤波模块19、稳压模块20、分压模块21和保护模块22，互感器1、控压模块16、变压模块17、整流模块18、滤波模块19、稳压模块20、分压模块21、保护模块22、蓄电池9依次相连。

可以设计变压模块的变压器变比，得到理想输出电压值。

滤波模块可以消除谐波，保证输出整流后的电压质量。

所述控压模块16包括熔断器F、可调电阻R1、电阻R2和电磁变阻器23，电磁变阻器包括励磁线圈23-1、衔铁23-2、弹簧23-3和滑动变阻器23-7，衔铁23-2设置在励磁线圈23-1一侧，衔铁23-2远离励磁线圈23-1端与弹簧23-3一端相连，弹簧23-3另一端连接支撑体，励磁线圈23-1固定在支撑结构上保持位置固定；

励磁线圈23-1下端沿励磁线圈23-1的长度方向设置有前励磁划片和后励磁划片，励磁划片上端与励磁线圈23-1下端电连接(与滑动变阻器的滑片与电阻线圈的连接方式相同，电流从前励磁划片接入励磁线圈，经前励磁划片与后励磁划片之间励磁线圈缠绕路径后通过后励磁划片流出)，励磁划片通过绝缘连接件与衔铁23-2相连联动，绝缘连接件与滑动变阻器23-7的滑片座相连；

互感器1的输出端一端与前励磁划片相连，后励磁划片分别与可调电阻R1一端、滑动变阻器的滑片相连，滑动变阻器的线圈端分别与电阻R2一端、变压模块17的输入端一端相连，变压模块17的输入端另一端分别与电阻R2另一端、可调电阻R1另一端、熔断器F一端相连，熔断器F另一端接互感器1的输出端另一端。

可根据不同高压线路选择不同控压模块16中的电阻值R1和R2，来实现对需要电压值的选择。对于长线路区间中杆上低压设备的电源接引十分方便，避免了低压电缆的敷设，极大的节约施工成本。

前励磁划片和后励磁划片与衔铁23-2联动，可保证通电励磁线圈砸数一定，同时保证通电励磁线圈与衔铁的距离一定，消除了距离系数的影响。

当开合式互感器1的电流信号输入的到控压模块后流经可调电阻R1、电磁变阻器电阻和电阻R2后由交变电流转换为交变电压，发生一次能量转换。取电阻R2两侧电压为变压模块一次电压。

电磁变阻器具有自动调节控制输出电压波动过大的功能。由于输入电流I不具有稳定性，波动范围很大，造成升压电阻的电压会随之变化。此电磁自动变阻器利用干路电流I作为电磁铁励磁电流，励磁线圈长度足够，前励磁划片和后励磁划片保持距离一定，衔铁与滑动变阻器划片和励磁划片为一整体，保证了衔铁所受电磁力与电流的比例关系，消除了气隙长度对电磁力的影响，衔铁末端连接相应比例弹性系数弹簧，拉伸长度距离在弹性限度内。当感应电流增大时，滑动变阻器电阻相应增大，电阻R2和滑动变阻器所在支路的电流减小，所以电阻R2两侧电压减小，这样就保证了一次电流过大不会对电流造成影响。

可以根据线路一天内的最长时间稳定的电流值进行相应阻值设置,保证输出的有效电压值效率最高。若高压线路电流小，可以串联多个开合式互感器1来增大输出电流值。

所述R2＝20Ω，R1＝20Ω。

所述绝缘连接件为横向L形连接件，L形连接件的长边为底边，底边后端向上弯折，励磁划片设置在底边前上端，滑动变阻器23-7的滑片座的上端与底边后下端相连，上弯折的上端与衔铁23-2下端中部相连。

所述衔铁23-2设置在横向导向槽(为衔铁提供支撑和导向)内。

所述变压模块17采用变压器T。

所述变压器T变比采用1:1，U2为16V。

所述整流模块18采用整流桥。

所述整流桥的整流二极管VT1-4采用10A10 10A/1000V型。

所述滤波模块19包括电感L、电容C1和电容C2，电容C1一端分别与整流模块18的输出端正极、电感L一端相连，电容C1一端分别与整流模块18的输出端负极、电容C2一端、稳压模块输入端负极相连，电容C2另一端分别与电感L另一端、稳压模块输入端正极相连。

所述电容C1、C2采用16V 100uF体积5*11mm，所述电感L采用1.0线33uH10A。

所述稳压模块20包括电阻R3和稳压二极管Dw，电阻R3一端接滤波模块19的输出端正极，电阻R3另一端分别与稳压二极管Dw阴极、分压模块输入端正极相连，稳压二极管Dw正极分别与滤波模块19的输出端负极、分压模块输入端负极相连。

所述稳压模块20可以保证输出电压的稳定性。当整流电压发生微小波动时，稳压二极管Dw的电流会发生很大的变化，且电压变化不大，通过分压电阻R4的分压作用，来保证分压模块21的输出电压值保持在一定范围内，达到稳压效果。

所述稳压二极管Dw采用IN4744N 15V。

所述分压模块21包括电阻R5和电阻R6，电阻R5一端分别与电阻R4一端、保护模块22的电源端相连，电阻R4另与一端稳压模块20的输出端正极相连，电阻R5另一端分别与保护模块22的输入端、电阻R6一端相连，电阻R6另一端接稳压模块20的输出端负极。

所述保护模块22包括比较器K，比较器K的正输入端接分压模块21的输出端，比较器K的负输入端通过电阻R7分别与蓄电池9正极、电阻R8一端相连，电阻R8另一端接PNP三极管Q1的集电极，PNP三极管Q1的发射极分别与二极管D1正极、保护模块22的电源端正极相连，二极管D1负极分别与PNP三极管Q1的基极、PNP三极管Q2的发射极相连，PNP三极管Q2的基极分别与电阻R11一端、电阻R12一端相连，电阻R11另一端接比较器K的输出端，电阻R12另一端分别与稳压模块20的输出端负极、电阻R10一端、蓄电池负极相连，电阻R10另一端接PNP三极管Q2的集电极相连。

所述电阻R12与电阻R11连接端之间设置有继电器线圈KM，继电器的受控开关QF连接在二极管D1正极与保护模块22的电源端正极之间。防止电池满电过充的。当电池电压低于12V线圈KM得电，常开开关QF闭合，后续充电电路得电。当电池电压大于等于12v，线圈失电，QF为断开状态，充电电路失电，不给电池充电。

保护模块22能够保护蓄电池，实现满电断电，欠压充电的功能，同时可防止蓄电池过充或反向送电。

所述比较器K采用LM393芯片，三极管Q1、Q2采用9012型三极管。

所述R7＝R6＝100KΩ，R5＝20KΩ，R4＝5KΩ，R3＝8KΩ，R8＝3Ω，R9＝R10＝1KΩ，R11＝R12＝100KΩ。

蓄电池充电电流为0.7-1A,Q1触发电流不低于7mA，触发电压不低于0.7V。Q2触发电流不低于0.07mA，触发电压不低于0.7V。

所述变压模块17原边电压U1与互感器1输出电流I的关系为：

式中:R1-可调电阻(Ω)；R2-升压电阻(Ω)；R-滑动变阻器总电阻(Ω)；I-输入电流(A)；S-电磁线圈截面积(cm²)；W-励磁线圈匝数(n)；L-滑动变阻器总长度(cm)；K-弹簧弹性系数；δ-励磁线圈与衔铁距离(cm)。

控压模块16对输入交变电流I进行处理，经升压电阻R2后输出交变电压，经过变压线圈T变压后得到需要整流的交流电压，经过整流模块18后得到直流电压，再经过滤波模块19输送到稳压模块20，滤波模块19能够消除滤波后线路中存在的交流电压，稳压模块20可以保证分压模块21的总电压保持不变，分压模块21运用取压电阻R6得到12V信号电压，作为保护模块22的对比信号，与蓄电池9的阳极电压通过电压比较器K进行对比,当蓄电池9的阳极电压低于12V时，电路为充电，当电压达到12V时，停止充电，保护回路保证了蓄电池不会过充电和反向放电。保护模块22通过输出导线8与蓄电池9连接，蓄电池9与端子排10连接，端子排10可提供不同等级电压值，供用电设备使用。

所述开合式互感器1的开合口两侧设置有连接座，连接座上设置有进线孔，连接座上相应于进线孔设置有压接导线螺丝，两侧连接座之间通过紧固件相连。通过连接座将分别缠绕在两个半圆磁芯上的励磁导线接通。

所述连接座采用金属连接座。金属连接座与励磁铁芯是绝缘的，通过螺栓固定在外侧绝缘材料上。连接座内部为导通外部也采用绝缘包裹结构。整体励磁装置在安装完成后可做绝缘处理的。

所述连接座为L形连接座，L形连接座的长边为底边，L形连接座的短边向上弯折，两侧L形连接座的短边相对设置；进线孔设置在底边的外侧端面上，压接导线螺丝下端旋入底边上端的螺纹孔，螺纹孔与进线孔连通；两侧L形连接座的短边之间通过螺栓相连。

所述开合式互感器1包括两个弧形对扣部分，两个弧形对扣部分一端通过折叠卡扣相连，另一端通过连接座相连，一个弧形对扣部分的侧面设置有互感线圈接线端子。

使用时将互感线圈1打开，套接在高压导线12上，用封锁接头5固定，保证铁磁接口4和铁磁材料13断口处接触良好，保证磁路畅通。因高压导线12中始终有交变电流存在，所以铁磁材料13中总存在变化的磁感线14，在互感线圈1中产生感应电流。

所述折叠卡扣端的弧形对扣部分，其中一个弧形对扣部分的铁磁体外凸，另一个弧形对扣部分的铁磁体内凹。

(R变-滑动变阻器接入电路电阻)

U1＝R2×I2

(L-滑动变阻器总长度，X接入电路长度)

F弹簧＝K×X

得到：

式中:R1-可调电阻(Ω)；R2-升压电阻(Ω)；R-滑动变阻器总电阻(Ω)；I-输入电流(A)；

S-电磁线圈截面积(cm²)；W-励磁线圈匝数(n)；L-滑动变阻器总长度(cm)；

K-弹簧弹性系数；δ-励磁线圈与衔铁距离(cm)(衔铁同前励磁划片与后励磁划片之间的励磁线圈距离固定，此系数为定值)

计算：S/δ²╳K＝100,W＝1000，R1＝R＝20Ω，R2＝40Ω,L＝0.1m。

若要调整U1输出结果：可用以下方法。

方法一，增减取流互感线圈个数。

方法二：调整R、R1、R2阻值。

方法三：调整变压器T的变比。

本申请可应用于铁路线路，主线路电压在不同时段是有规律波动的。

根据用电设备的不同，也可以直接将经控压模块得到的稳定交变电压直接变压为需要的交流电压，节省整流过程。

本发明应用前景广阔，可解决线路区间中附属低压保护、监控、测量等设备的电源问题，同时，还可以为移动设备提供充电电源。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用交变磁场获取电能的装置，包括开合式互感器（1）、电能转换电路（7）和蓄电池（9），其特征在于开合式互感器（1）的输出端口与转换电路（7）的输入端口相连，转换电路（7）的输出端口与蓄电池（9）相连；

所述转换电路（7）包括控压模块（16）、变压模块（17）、整流模块（18）、滤波模块（19）、稳压模块（20）、分压模块（21）和保护模块（22），互感器（1）、控压模块（16）、变压模块（17）、整流模块（18）、滤波模块（19）、稳压模块（20）、分压模块（21）、保护模块（22）、蓄电池（9）依次相连。

2.根据权利要求（1）所述一种利用交变磁场获取电能的装置，其特征在于所述转换电路（7）和蓄电池（9）封装在箱体（11）中。

3.根据权利要求（1）所述一种利用交变磁场获取电能的装置，其特征在于所述蓄电池（9）与端子排（10）相连。

4.根据权利要求1所述一种利用交变磁场获取电能的装置，其特征在于所述开合式互感器（1）的开合口两侧设置有连接座，连接座上设置有进线孔，连接座上相应于进线孔设置有压接导线螺丝，两侧连接座之间通过紧固件相连。

5.根据权利要求4所述一种利用交变磁场获取电能的装置，其特征在于所述连接座采用金属连接座。

6.根据权利要求4所述一种利用交变磁场获取电能的装置，其特征在于所述连接座为L形连接座，L形连接座的长边为底边，L形连接座的短边向上弯折，两侧L形连接座的短边相对设置；进线孔设置在底边的外侧端面上，压接导线螺丝下端旋入底边上端的螺纹孔，螺纹孔与进线孔连通；两侧L形连接座的短边之间通过螺栓相连。

7.根据权利要求1所述一种利用交变磁场获取电能的装置，其特征在于所述开合式互感器（1）包括两个弧形对扣部分，两个弧形对扣部分一端通过折叠卡扣相连，另一端通过连接座相连，一个弧形对扣部分的侧面设置有互感线圈接线端子。

8.根据权利要求7所述一种利用交变磁场获取电能的装置，其特征在于所述折叠卡扣端的弧形对扣部分，其中一个弧形对扣部分的铁磁体外凸，另一个弧形对扣部分的铁磁体内凹。

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