CN111033275B - 用于产生功率输出的系统和相应的用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于从初级线(3)中的交流电(103)产生直流功率输出的系统，其中该系统包括：配置成围绕初级线(3)定位的至少一个芯(104)(3)；围绕至少一个芯线(104)布置的至少一个次级绕组(22、24)，其中每个绕组(22、24)与至少一个芯(104)和初级线(3)一起形成电流变换器单元，其中每个次级绕组(22、24)具有第一端和第二端；针对每个次级绕组(22、24)的整流器(10)，其中每个整流器(10)配置为将交流电转换为直流电，并且其中每个整流器(10)包括用于交流电的两个交流连接部和用于直流电的两个直流连接部，其中次级绕组(22、24)的第一端和第二端连接到整流器(10)的交流电连接部；针对每个次级绕组(22、24)的分流单元，其被设置并配置为使次级绕组(22、24)的端部短路；负载元件(6)，其中负载元件(6)连接到每个整流器(10)的DC连接部。本发明还涉及相应的用途。

Description

用于产生功率输出的系统和相应的用途

技术领域

本发明属于电功率收集领域。更具体地，本发明涉及一种用于从电导体提取功率的系统和用途。

背景技术

能源分配是当今基础设施的关键部分。电能通常通过电力线传输。这些通常是在高压下承载交流电的电力线。由于电力线通常会延伸很长的距离，因此重要的是远程勘测它们的操作。这可以允许操作员检测到任何潜在的故障并运行诊断，远程修复问题和/或在进行修理之前对它们进行精确定位。

电力线勘测和诊断可以有利地通过直接从电力线提取功率的设备来执行。这允许此类设备避免具有内置电源(如电池等)，并提供一种监控线路的有效方法。

一些这样的设备在本领域中是已知的。例如，美国专利4,746,241公开了模块，这些模块安装在变电站的电力变换器两侧上的电力导体上以及沿着输电线路的电力导体上。这些模块能够测量电流、电压、频率和功率因数。

此外，美国专利申请2004/0183522A1公开了一种用于感测电力系统的电力线中的电流的设备以及包括该设备的系统。

类似地，美国专利申请2010/0084920A1公开了一种电流变换收集器，其能够从先存的电网上的导体产生电力。

然而，尽管现有技术对于某些应用可能是令人满意的，但是它具有某些缺点和局限性。例如，为附加设备产生的功率可能不够大，和/或可能无法以合适的方式进行控制。此外，所讨论的设备的使用寿命可能远非最佳。

发明内容

鉴于以上所述，本发明的目的是克服或至少减轻现有技术的缺点和劣势。即，本发明的目的是提供一种基于线中的电流产生电力的系统和用途，该系统和用途在发电、发电控制和使用寿命方面得到了改善。本发明实现了这些目的。

在第一方面，本发明涉及一种用于从初级线中的交流电(AC)产生直流电(DC)功率输出的系统。该系统包括被配置为围绕初级线定位的至少一个芯以及围绕该至少一个芯布置的至少一个次级绕组，其中每个绕组与至少一个芯和初级线一起形成电流变换器单元，并且其中每个次级绕组具有第一端和第二端。该系统还包括针对每个次级绕组的整流器，其中每个整流器被配置为将交流电转换为直流电，并且其中每个整流器包括用于交流电的两个AC连接部和用于直流电的DC连接部，其中次级绕组的第一端和第二端连接到整流器的AC连接部。该系统还包括针对每个次级绕组的分流单元，该分流单元被布置和配置成使次级绕组的端部短路。更进一步地，该系统可以包括负载元件，其中该负载元件连接至每个整流器的DC连接部。换句话说，负载元件连接到每个整流器的DC连接侧。

这样的系统可以满足上述目的。简而言之，所讨论的系统提供了一个或多个次级绕组，这些次级绕组可以将初级线(例如电力线的线)中的交流电(AC)转换为次级绕组交流电。每个这样的次级绕组可以因此提供次级绕组交流电。每个这样的次级绕组交流电(AC)可以通过相应的整流器转换成直流电(DC)。通过将所有整流器在它们的DC侧上连接起来，可以将产生的直流电和它们相应的DC电压相加在一起。当在DC侧存在负载或负荷时，这可用于产生DC流电压，并从而产生DC功率输出。

因此，提供了合适的供电系统，其可以用于给例如监视设备供电。特别地，本技术允许产生足够大的功率。

此外，将理解的是，每个分流单元允许特定的次级绕组被分流，即，其端部被短路。因此，已经被分流的这种次级绕组将不会有助于产生电力。这允许对功率输出进行适当的(在实施例中还是自动的)控制，这也可以提高系统以及与其相连的其他设备的效率和使用寿命。

换句话说，本发明将夹到同一相线上的一个或多个电流变换器用于使从围绕相线的电磁场收集的电能最大化的目的。此外，本发明可以独立于可用的相线电流和输出功率需求之间的平衡来调节和控制“高功率”能量收集。更进一步地，本发明可以动态地包括和/或从电能收集电路中排除电流变换器或各个次级绕组(借助于分流单元)。

该至少一个次级绕组可以是多个次级绕组。

连接到负载元件的整流器的DC连接部可以并联连接。

因此，可以累加来自多个电流变换器的电能收集输出，而电流变换器不会影响彼此的电气特性。

该系统可以被配置为产生至少30瓦的功率，优选地至少50瓦，例如至少60瓦。

也就是说，所讨论的系统可能能够从围绕相线的电磁场中产生多于60瓦的稳定DC功率。

芯可以是被配置为在次级绕组中感应电流的变换器芯。

每个整流器可以是整流桥。

对于每个次级绕组，次级绕组和分流元件可以位于整流器的第一侧上，并且负载元件可以位于整流器的第二侧上，第二侧与第一侧相反。

应当理解，“位于”整流器(例如，整流桥)的一侧上表示在电路中的位置。即，当说两个部件位于单元(例如，整流桥)的一侧上时，这表示电流可以在这两个部件之间流动而不必通过整流桥。如果说一个元件相对于另一元件位于单元的相反侧，则在不通过该单元的情况下，没有电流可以在这些元件之间流动。将理解的是，第一侧也可以被称为交流(AC)侧，并且第二侧也可以被称为直流(DC)侧。

次级绕组在第一侧上可以不是彼此直接连接。

每个整流器可以包括多个MOSFET，例如至少4个MOSFET，例如4个MOSFET。

将理解的是，MOSFET表示金属-氧化物-半导体场效应晶体管。使用这样的MOSFET，而非例如二极管，可以是有利的。此类MOSFET可施加非常低的电子路径电阻，而不是传统二极管所施加的大的硅压降，从而导致“冷整流”。即，可以减少热量产生(潜在地导致更长的使用寿命)和电子电路中更少的能量损耗。也就是说，本系统可以调节和控制“高功率”能量收集，而不会在功率调节电路中造成高功率损耗和高热量产生。换句话说，该系统可以是基于整流桥中的MOSFET(而非二极管)的“冷”整流电路，因此可以减少或消除功率损耗以及相关联的热量产生。

至少一个MOSFET可以被配置为具有小于50mΩ的电阻，优选地小于10mΩ，进一步优选地小于4mΩ。

每个分流单元可以包括至少两个MOSFET。特别地，该系统可以包括作为用于每个电流变换器和/或每个单独的次级绕组的AC和DC电流分流器的光控MOSFET晶体管对。将MOSFET还用于分流部件可以具有与上面结合用于整流器的MOSFET所讨论的优点相对应的优点。

分流单元可以具有小于50mΩ的电阻，优选地小于15mΩ，进一步优选地小于10mΩ。

该系统可以进一步包括用于感测电流的电流感测元件。

电流感测元件可以串联连接至次级绕组。

电流感测元件可以位于整流器的第一侧上。

电流感测元件可以是电流隔离的。

电流感测元件可以具有小于5mΩ的电阻，优选地小于1mΩ，进一步优选地小于0.7mΩ。此外，具有低电阻可以减少功率损耗和热量产生，从而导致更低的功率消耗以及增加的效率和使用寿命。

该系统还可以包括针对每个分流单元的分流控制器单元，其用于控制相应的分流单元的状态。

每个分流控制器单元可以包括至少一个光学隔离的MOSFET驱动器。

每个分流控制器单元可以包括电压电平状态输入，并且可以被配置为根据电压电平状态输入来控制相应的分流单元的状态。

每个电压电平状态输入可以基于负载元件上的电压。

每个分流控制器单元可以包括时钟输入，并且每个控制器单元可以被配置为根据时钟输入仅改变相应的分流单元的状态。

每个分流控制器单元可以包括D型触发器锁存器。

每个分流控制器单元可以被配置为根据感测的电流仅改变相应的分流单元的状态。

所感测的电流可以是交流电，并且每个控制器单元可以被配置为在交流电的过零状态下仅改变相应的分流单元的状态。

仅改变相应的分流单元的状态(即，从短路变为未短路，或反之亦然)可以是有利的，因为这样避免了会损害电路的电压尖峰(spike)。因此，仅在过零状态进行切换可以改善系统的运行和使用寿命。

该系统可以进一步包括过零检测元件，用于检测感测的电流的过零状态。

特别地，系统可以使用同步过零MOSFET分流电路。

过零检测元件可以包括霍尔效应电流传感器。

该系统可以进一步包括系统控制单元，其中该系统控制单元被配置为基于负载元件上的电压而产生用于每个分流控制器单元的电压电平状态输入(逻辑状态高或低)。

系统控制单元可以被配置为使得：负载元件上的电压越高，由系统控制单元产生越多的指示相应的分流控制器单元而使相应的分流单元短路的电压水平状态输入。

这可以是合适的自动控制。

系统控制单元可以被配置为指示分流控制器单元以脉冲方式启动和停用分流单元。

该系统可以被配置用于承载至少100安培，优选地至少300安培，进一步优选地至少1500安培的初级线。

该系统可以包括至少1个次级绕组，优选地至少5个次级绕组，例如6个。

该至少一个芯可以是多个芯，芯的数量可以等于次级绕组的数量，并且每个次级绕组可以围绕不同的芯布置。

可替代地，可以围绕同一芯布置至少两个次级绕组。

本发明还涉及如上所述的系统的用途。

初级线可以是高压电力线，并且至少一个芯可以围绕初级线定位。

初级线可传导至少100安培，优选至少300安培，更优选至少1500安培的电流。

该用途可以包括产生功率输出，该功率输出被监视设备用于高压电力线。

该用途可以包括控制器单元仅在交流电的过零状态下改变它们相应的分流单元的状态。

对于第一次级绕组，当负载元件上的电压超过第一阈值时，相应的分流单元可以使所述第一初级绕组的端部短路。

对于第二次级绕组，当负载元件上的电压超过第二阈值时，相应的分流单元可以使所述第二次级绕组的端部短路。

对于另一次级绕组，当负载元件上的电压超过另一阈值时，相应的分流单元可以周期性地使所述另一初级绕组的端部短路。

所讨论的系统可以被配置用于如上所讨论的用途。

本发明还由以下编号的实施例定义。

以下是系统实施例的列表。那些将以字母“S”表示。每当参考这样的实施例时，这将通过引用“S”实施例来完成。并且，在本文中只要参考系统实施例，就意味着是由“S”表示的实施例。

S1.一种用于从初级线(3)中的交流电(103)产生直流功率输出的系统，其中，该系统包括：

至少一个芯(104)，其被配置为围绕初级线(3)定位；

围绕至少一个芯(104)布置的至少一个次级绕组(22、24)，其中，每个次级绕组(22、24)与至少一个芯(104)和初级线(3)一起形成电流变换器单元，并且其中，每个次级绕组(22、24)具有第一端和第二端；

针对每个次级绕组(22、24)的整流器(10)，其中，每个整流器(10)被配置为将交流电转换为直流电，并且其中，每个整流器(10)包括用于交流电的两个AC连接部和用于的直流电两个DC连接部，其中，次级绕组(22、24)的第一端和第二端连接到整流器(10)的AC连接部；

针对每个次级绕组(22、24)的分流单元，其被布置并配置为使次级绕组(22、24)的端部短路；和

负载元件(6)，其中，负载元件(6)连接到每个整流器(10)的DC连接部。

S2.根据前述实施例所述的系统，其中，该至少一个次级绕组(22、24)为多个次级绕组(22、24)。

S3.根据前述实施例所述的系统，其中，连接到负载元件(6)的整流器(10)的DC连接部并联地连接。

S4.根据前述实施例中任一个所述的系统，其中，该系统被配置为产生至少30瓦的功率，优选地至少50瓦，例如至少60瓦。

S5.根据前述实施例中任一个所述的系统，其中，芯(104)是被配置为在次级绕组(22、24)中感应电流的变换器芯。

S6.根据前述实施例中任一个所述的系统，其中，每个整流器(10)是整流桥。

S7.根据前述实施例中任一个所述的系统，其中，对于每个次级绕组(22、24)，

次级绕组(22、24)和分流元件位于整流器(10)的第一侧上，并且负载元件(6)位于整流器(10)的第二侧上，第二侧与第一侧相反。

应该理解的是，“位于”整流器(例如，整流桥)的一侧上表示在电路中的位置。即，当说两个部件位于单元(例如，整流桥)的一侧上时，这表示电流可以在这两个部件之间流动而不必通过整流桥。如果说一个元件相对于另一元件位于一个单元的相反侧，则在不通过该单元的情况下，没有电流可以在这些元件之间流动。将理解的是，第一侧也可以被称为交流(AC)侧，并且第二侧也可以被称为直流(DC)侧。

S8.根据前述实施例所述的并且具有实施例S2的特征的系统，其中，次级绕组(22、24)在第一侧上不直接彼此连接。

S9.根据前述实施例中任一个所述的系统，其中每个整流器(10)包括多个MOSFET，例如至少4个MOSFET。

可以理解，MOSFET表示金属-氧化物-半导体场效应晶体管。

S10.根据前述实施例中任一个所述的系统，其中，MOSFET被配置为具有小于50mΩ、优选地小于10mΩ、进一步优选地小于4mΩ的电阻。

S11.根据前述实施例中任一个所述的系统，其中，每个分流单元包括至少两个MOSFET。

S12.根据前述实施例中任一个所述的系统，其中，分流单元具有小于50mΩ、优选地小于15mΩ、进一步优选地小于10mΩ的电阻。

S13.根据前述实施例中任一个所述的系统，其中，系统还包括用于感测电流的电流感测元件。

S14.根据前述实施例所述的系统，其中，所述电流感测元件串联连接到次级绕组(22、24)。

S15.根据前述实施例所述的并且具有实施例S7的特征的系统，其中，电流感测元件位于整流器(10)的第一侧上。

S16.根据三个前述实施例中任一个所述的系统，其中，电流感测元件是电流隔离的。

S17.根据四个前述实施例中任一个所述的系统，其中，电流感测元件具有小于5mΩ、优选地小于1mΩ、进一步优选地小于0.7mΩ的电阻。

S18.根据前述实施例中任一个所述的系统，其中，系统还包括针对每个分流单元的分流控制器单元，用于控制相应的分流单元的状态。

S19.根据前述实施例所述的系统，其中，每个分流控制器单元包括至少一个光学隔离的MOSFET驱动器。

S20.根据两个前述实施例中任一个所述的系统，其中，每个分流控制器单元包括电压电平状态输入，并且被配置为根据电压电平状态输入来控制相应的分流单元的状态。

S21.根据前述实施例所述的系统，其中，每个电压电平状态输入基于负载元件(6)上的电压。

S22.根据四个前述实施例中任一个的系统，其中，每个分流控制器单元包括时钟输入，并且其中，每个控制器单元被配置为根据时钟输入仅改变相应的分流单元的状态。

S23.根据五个前述实施例中任一个所述的系统，其中，每个分流控制器单元包括D型触发器锁存器。

S24.根据六个前述实施例中任一个所述的并且具有实施例S13的特征的系统，其中，每个分流控制器单元被配置为根据感测的电流仅改变相应的分流单元的状态。

S25.根据前述实施例所述的系统，其中，感测的电流是交流电，并且其中，每个控制器单元被配置为在交流电的过零状态下仅改变相应的分流单元的状态。

S26.根据前述实施例所述的系统，其中，系统还包括用于检测感测的电流的过零状态的过零检测元件。

S27.根据前述实施例所述的系统，其中，过零检测元件包括霍尔效应电流传感器。

S28.根据前述实施例中任一个所述的并且具有实施例S20的特征的系统，其中，系统还包括系统控制单元，其中，该系统控制单元被配置为基于负载元件(6)上的电压产生用于每个分流控制器单元的电压电平状态输入。

S29.根据前述实施例所述的并且具有实施例S2的特征的系统，其中，系统控制单元被配置为使得：负载元件(6)上的电压越高，由系统控制单元产生的指示相应的分流控制器单元而使相应的分流单元短路的电压电平状态输入越多。

S30.根据两个前述实施例中任一个所述的系统，其中，系统控制单元被配置为指示分流控制器单元以脉冲方式启用和停用分流单元。

S31.根据前述实施例中任一个所述的系统，其中，系统被配置用于承载至少100安培、优选地至少300安培、进一步优选地至少1500安培的初级线(3)。

S32.根据前述实施例中任一个所述的系统，其中，系统包括至少3个次级绕组(22、24)，优选地至少5个次级绕组，例如6个次级绕组。

S33.根据前述实施例中任一个所述的并且具有实施例S2的特征的系统，其中：

至少一个芯(104)为多个芯(104)，

芯(104)的数量等于次级绕组(22、24)的数量，并且

每个次级绕组(22、24)围绕不同的芯(104)布置。

S34.根据实施例S1到S32中任一个所述的并且具有实施例S2的特征的系统，其中

至少两个次级绕组(22、24)围绕同一芯(104)布置。

以下是用途实施例的列表。那些将以字母“U”表示。每当参考这样的实施例时，这将通过引用“U”实施例来完成。并且，在本文中每当参考用途实施例时，就意味着是由“U”表示的实施例。

U1.根据前述任一实施例的系统的用途。

U2.根据前述实施例所述的并带有初级线(3)的用途，其中，初级线(3)是高压电力线，并且其中，至少一个芯(104)围绕初级线(3)定位。

U3.根据前述实施例所述的用途，其中，初级线(3)传导至少100安培的电流，优选至少300安培的电流，更优选至少1500安培的电流。

U4.根据两个前述实施例中任一个所述的用途，其中，该用途包括产生功率输出，所述功率输出被监视设备用于高压电力线。

U5.根据前述用途实施例中任一个所述的用途，其中，该系统包括实施例S25的特征，其中该用途包括：

控制器单元仅在交流电的过零状态下改变其相应的分流单元的状态。

U6.根据前述用途实施例中任一个所述的用途，其中

对于第一次级绕组，当负载元件上的电压超过第一阈值时，相应的分流单元使所述第一次级绕组的端部短路。

U7.根据前述实施例所述的用途，其中：

对于第二次级绕组，当负载元件上的电压超过第二阈值时，相应的分流单元使所述第二次级绕组的端部短路。

U8.根据两个前述实施例中任一个所述的用途，其中：

对于另一次级绕组，当负载元件上的电压超过另一阈值时，相应的分流单元周期性地使所述另一次级绕组的端部短路。

S35.根据前述系统实施例中任一个所述的系统，其中，该系统被配置用于根据前述任何一个用途实施例所述的用途。

附图说明

现在将参考附图来讨论本技术，附图旨在示例而非限制本发明。

图1示出了根据本发明实施例的用于功率提取的装置的示意性实施例；

图2示出了根据本发明的一个实施例的分别处于非分流配置和分流配置中的用于功率提取的装置；

图3更详细地示出了根据本发明实施例的系统的一部分；

图4更详细地示出了根据本发明实施例的系统的另一部分；

图5示出了根据本发明实施例的用于功率提取的系统；

图6示出了当一起操作根据本发明的实施例的多个设备时所提取的电压的示意图；

图7示出了根据本发明的一个实施例的感应电压和分流机制的波形；

图8示出了围绕一个或多个变换器芯布置的次级绕组的不同的可能配置；

图9示出了电流变换器的通用设置；和

图10示出了从电流变换器的次级绕组产生电压和功率的通用设置。

具体实施方式

在实施例中，本发明被用于从围绕AC电流承载相线的电磁场中“收集”电能，这就是为什么所描述的装置(或系统)也可以被称为电力在线发电机(并且可以缩写为POLG)。然后，所收集的电能可以被转换成稳定的直流电源，以用于给电子测量和/或监视设备馈送电力。即，换句话说，电力收集器或POLG可以用于向附加部件提供电力，该附加部件可以用于例如监视电力线。

电能收集电路中的某些部件可以是电流变换器。POLG设计可以利用多个电流变换器，其以固定方式被夹紧或其他方式定位到相线上，以用于最大化从围绕相线的电磁场收集电能。举例说明：如果一个电流变换器从200A的相线中收集10VA，那么两个相同的电流变换器将使能量收集翻倍，从而产生20VA。因此，六个电流变换器将从200A的相线的电磁场产生60VA。

首先将描述电流变换器(其也可以由本技术采用)通常是如何工作的。电流变换器可以设计用于测量高压电力线和/或高电流电路(其中其他方法将不适用)中的电流。初级线，也称为相线3(见图9(a))，用于传导初级电流103。例如，初级线3可以是电力线中的线，并且可以用于能源的陆上运输。芯104(具有用于初级线/导体的窗口的变换器芯)可以位于线周围。芯104可以由诸如硅钢和坡莫合金的高磁导率材料或铁基纳米晶合金材料制成。初级线3中的初级电流103在芯104中引起磁场。此外，次级绕组22可以围绕芯104缠绕。芯中的磁场104引起次级电流106，其通常可以通过电流计108进行测量。这也可以由简化的图9(b)表示。

通过在次级绕组端子上连接特定值的电阻器(负载)R，可以将初级电流103(可以是交流电)转换为次级交流电压-这方面参见图10。在此，初级电流103可以再次在初级线3中的点P1和P2之间流动，从而引起在次级线中的点S1和S2之间的次级电流106。可以在次级线中的点S1和S2之间使用电阻或负载R。即，然后将负载R上的AC电压电平测量为AC电压值。AC电压值因此可以转换为适当的AC安培值。例如，考虑初级电流103为1000A的情况，该初级电流103被转换为5A的次级电流106。当负载为零时，对应于电阻R为0欧姆，电压V将为零。这是短路的情况。但是，如果电阻为5欧姆，则将得到2.5V的电压V以及12.5VA的功率输出。相应地，5欧姆的电阻将得到25V的电压和125VA的功率输出。因此可以通过次级电流106将初级电流103转换成电压和功率输出。该原理也被本技术用于将初级电流103(例如，电力线中的电流)转换为次级电流、电压和功率输出，从而向附加部件提供电功率。

也就是说，换言之，所讨论的部件可以用于将初级电流转换为次级电流，并且进一步转换为功率输出。换句话说，所讨论的电流变换器将DC负载(DC功率提取)作为可变的负荷。也就是说，当POLG电源呈现的功率需求很少时，电流变换器将其视为高阻负载(负荷)，反之亦然。当呈现高阻负载时，次级端子上的AC电压升高，并且如果负载(负荷)的电阻值较低，则端子上的AC电压下降。

图1示出了根据本发明的设备的示意性实施例。用于功率提取的设备包括提取部件2。提取部件2被配置为从电导体提取功率，并且还可以被称为电流变换器2。这种电导体可以包括电力线，优选是AC电流承载电力线，例如作为上面结合图9讨论的初级线3。可以以感应电流的形式在提取部件2中提取功率。提取部件2可以包含诸如例如硅钢和坡莫合金之类的高磁导率材料或围绕相线3(例如电力线的相线，其也可以称为初级绕组)放置的铁基纳米晶合金变换器芯。可以围绕变换器芯放置次级绕组。如上所述，通过电导体的电流然后可以在次级绕组中感应出电流，因此引起功率提取。

该设备可以进一步包括过零部件4。在该实施例中，过零部件4与提取部件2串联放置。过零部件4可以检测提取部件2中感应的电流的波形何时通过零点。

该图还示出了根据上面图10的讨论的负载部件6，其还可以称为电阻元件。负载部件6确保了用提取部件2在电路上产生电压。负载部件6可以包括电阻器。负载部件6可以包括可变负载，该可变负载根据相线中循环的电流和/或设备电路上的所需电压而自动调节。

此外，示出了分流部件8。分流部件8被配置为对设备电路进行分流以使得没有电流流过负载部件6，即，分流部件8被配置为使图1所示的电路(并且尤其是在下面实施例中的次级绕组)短路。换句话说，分流部件8可以确保在电路上不产生电压。当超过负载部件6上的特定电压时(当超过相线中的特定电流时，这可能发生)，可以进行分流。分流可以防止损坏设备的电子器件。分流部件8优选地包括基于MOSFET的晶体管，以避免系统中的电压尖峰和/或压降以及相关联的功率损耗和热量产生。

该设备优选用于监控和测量在远距离上承载电流的电力线。包括变换器芯和围绕其的次级绕组的提取部件2围绕相线放置，以便在次级绕组中感应出电流。然后，由于在其端子上放置的电阻负载6(系统的DC功率输出)，该电流在绕组上产生电压。如果系统上的电压变得太高，则当感应电压的波形正在通过零点时，分流部件8可以使提取部件2分流(以避免次级绕组端子上的电压尖峰，并从而防止在电流变换器中的电气和机械干扰)。感应电流产生的功率可用于为电子器件以及优选是诊断设备和传感器供电。以这种方式，电力提取设备可以用于监控电力线的状态，其从该电力线提取电力。

图2显示了用于功率提取的设备的另一示意图。次级绕组22被示出为挨着变换器芯104和相线3，相线3在设备的电路中感应出电流。负载部件6被示出为电阻器6。还示出了分流部件8，其优选地包括MOSFET晶体管。左图显示了处于开路配置的分流部件8。也就是说，电流在包括负载部件6在内的电路中自由流通。右图显示分流部件8为闭合：由于电路经由分流部件8已被短路，感应电流不再在负载部件6中流通。因此，应当理解，如本文所用的术语“分流”表示短路的产生。

可以被实现为整流桥10的整流器被配置为将由AC电流承载相线3感应的AC电流转换成可以用于为功率提取设备的电子器件供电的DC电流。整流桥10可以包括MOSFET晶体管，该MOSFET晶体管可以有利地确保电力产生，而无(大量的)功率损失以及相关联的热量产生。使次级绕组22分流不会对相关联的电流转换器10施加任何电气或机械干扰，因为如右图所示，它被排除在短路的电路之外。

分流电路可以包括非常低的电阻，例如大约8mΩ或更小。使电路分流使得感应电流仅在电流变换器2内流通，以使得次级绕组22上的电压电平基本上为零，并且切断到相关联的整流桥10和负载部件6的功率传输。

换句话说，使电流变换器的次级绕组22分流不会对相关联的变换器施加任何电气或机械干扰。实际上，可以说电流变换器的正常状态是次级绕组端子短路(即被分流)的状态。当前讨论的POLG设计利用了这一事实，并将其用于整个发电系统的电压和功率调节的目的，并且图2示出了未分流的次级绕组22(见左图)和分流的次级绕组22(见右图)。

从图2的左侧可以看到，电流变换器的次级绕组22连接到相关联的整流桥10，并从那里连接到公共DC负载6(负荷，也称为电阻元件)。如果出于某种原因，由于负载侧的不足负载或相线侧的过大电流而必须限制收集电路的电力产生，则如图2的右侧所示，控制逻辑完全使该特定变换器的次级绕组22分流。

如所讨论的，分流电路可以在电流变换器绕组端子之间插入非常低的电阻路径(端子两端小于8mΩ)，并且可以使次级绕组22完全短路，从而所有产生的电流在变换器内流通。因此，次级绕组22上的电压电平下降到零，并且到相关联的整流桥以及DC负载(共同负荷)的所有功率传输被切断。

图3示出了用于功率提取的设备的分流和整流电路。次级绕组22示出为朝向图的右侧，其后是表示为整流桥10的电流转换器10。在图的左侧，示出了与过零部件4和分流部件8相关的电路。DC电压部件50用作用于控制分流单元的操作的输入。DC电压电平部件50与状态锁存器82一起配置成接通和断开分流部件8。电路驱动器86与阻塞晶体管对84一起提供了分流机制。电路驱动器86和阻塞晶体管对84都优选地包括MOSFET晶体管。那些的使用允许最小化系统中的功率损耗和热量产生。

即，图3示出了整流电路的简化框图。将理解的是，每个电流变换器绕组可以具有其自己的整流电路。例如，如果我们考虑POLG单元在设置中具有六个电流变换器并且假定它能够处理0至300安培的相线电流，则可以控制提供至次级绕组的DC负载(负荷)的电阻值。如将在下面进行详细讨论的，POLG设计所采用的方法是根据整流桥的DC侧的总体DC电压电平，通过使电流变换器逐一分流来从电力产生中动态地排除电流变换器。

图4更详细地示出了设备的过零部件。示出了次级绕组22从相线3感应电流。分流部件8是断开的，如朝向电流转换器10通过电路的电流所指示的。负载(或负荷)6在电路的DC侧上被示出为电阻器6。过零部件4被示出为与次级绕组22串联连接。过零部件4优选地包括电流隔离的电流传感器，其在次级绕组电路中插入非常低的电阻。该电阻可以是大约1mΩ或更小，例如大约0.65mΩ。这可以确保耗散的功率很少，并且由于过零部件4，电路中产生的热量也很少。

过零检测器42检测在次级绕组电路中行进的电流波形的零值，并相应地产生脉冲。过零检测器42可以包括例如霍尔效应传感器。然后将生成的脉冲传递到状态锁存器82，该状态锁存器82与DC电压部件50一起通过分流部件8控制电路的分流，其在此处被显示为阻塞晶体管84(优选是MOSFET)和光学隔离的电路驱动器86。

过零部件4的本实施方式的一个优点是，它基于测量感应的电流，而不是基于负载部件6上的感应电压。这允许将过零部件放置在电路的AC侧，它在这里不受通过分流部件8的分流的影响。换句话说，即使当次级绕组电路被分流并且负载部件6中没有感应出电压时，过零部件4仍可以继续检测感应电流的波形的零值。

在使用多个电流变换器的实施例中，可以以相同的方式调节所有电流变换器及其在发电中的参与，即，它们可以被完全地依次逐个分流。功率控制电路包括通常由次级绕组供电的自主模拟电路。如上所讨论的，功率控制电路使用电流隔离的电流检测电路，该电流检测电路与次级绕组中的一个串联连接，以用于过零检测的目的，如图4所示。电流传感器的输出用于提供过零检测功能，使DC电压量化电路和电平状态锁存器能够在电流变换器的过零状态下打开和关闭MOSFET电流变换器分流器，从而最小化次级绕组上产生的电压尖峰和/或在电流变换器电路中产生电气或机械干扰的可能性。电流隔离的电流传感器可以在次级绕组路径中插入仅0.65mΩ的电阻，从而在次级绕组电路中不施加或施加可忽略的功率损耗或热量产生。

图5示意性地示出了用于功率提取的多个设备的组合。本发明的特定优点是多个这样的设备可以在相应电路的DC侧上进行组合，从而可以增加由所有的它们提取的功率，但是它们中的每一个仍然可以被单独分流以有效地调节功率。这可以被实施为多个次级绕组22，其被放置在围绕相线夹紧的同一变换器芯上，和/或被放置在多个变换器芯上，每个变换器芯具有其自己的次级绕组22，和/或两者的组合。

在图8中示出了至少一个变换器芯104、多个次级绕组22、24和初级线3的不同配置。通常，该至少一个变换器芯104(即，一个或多个变换器芯104)围绕初级线3布置，该初级线3承载交流电(AC)。此外，多个次级绕组22、24围绕该至少一个变换器芯104布置。

根据图8(a)中示出的一个实施例，该至少一个变换器芯104是多个变换器芯104。更具体地，次级绕组22、24的数量可以等于变换器芯104的数量，并且每个次级绕组22、24可以围绕一个变换器芯104布置。

在另一实施例中，变换器芯104也可以彼此连接以由此形成如图8(b)所示的变换器芯单元110，其具有与图8(a)所示的多个变换器芯104相似的特征。

在图8(c)所示的又一实施例中，仅提供一个变换器芯104，并且围绕该单个变换器芯104布置多个次级绕组22、24。

应当理解，本发明还涉及8(a)至8(c)所示的变换器芯特征的组合。例如，还可以提供一个以上的变换器芯单元110，并且还可以为一个以上的变换器芯104提供多个次级绕组22、24。所有这些都被本发明涵盖。

图5示出了组合在一起以从电力线提取功率的六个设备。一个(例如，第一)次级绕组22具有连接到其的过零部件电路，但是在其他方面与附加的次级绕组24没有区别。所有的次级绕组22、24可以包括单个公共负载6，因为它被放置在电路的DC侧上。每个次级绕组22、24包括其自己的分流部件8(在图中被示为阻塞晶体管对84和电路驱动器86)，使得每个绕组可以被独立地分流，以精确地调节总体的功率提取。即，每个次级绕组可以包括分流单元84和包括状态锁存器82和驱动器86的分流控制器单元。所有的次级绕组22、24还可以为基础电子电路(即，模拟和控制逻辑、过零检测等)以及为被实施为功率提取设备的部分的任何传感器提供电力。

即，图5中所示的POLG的实施例包括多个电流变换器，这些电流变换器可以一方面根据可用相线电流且另一方面根据所需的功率(DC输出功率提取)而被添加到能量收集电路或从能量收集电路中被排除。设计中经过专门设计的电流变换器具有相对较高的拐点芯饱和电压，其根据电源(连接到它的外部负载)提供的负荷在次级绕组上可达35VAC的输出。针对适当的DC整流可用的AC电压范围可在9到35伏AC的范围中。

还如图5所示，电能收集合并可以应用在整流桥的DC侧，也就是说，绕组在整流桥前面可以不连接在一起(绕组到绕组)。由于电流变换器的固有物理特性以及在将波动的电流流动和AC电压电平调节成可用的DC功率中的困难，所讨论的POLG发电系统的实施例基于以下思想：使一个或多个次级绕组一起工作以形成联合发电系统。在需要时，可以使一个或多个次级绕组动态分流，将它们从次级绕组的联合发电中排除。

图6示出了作为相线中流通的最大电流(以及因此也是在次级绕组中同流的感应电流，因为它是成比例的)的函数的DC电压电平的示意图。该图针对包括六个次级绕组22、24的示例性实施例示出。DC电压随着电流的升高而升高，直到一定的阈值为止，在该点处，次级绕组22开始进行分流。在该示例性实施例中，分流器在约27V DC处开始起作用。可以基于所期望的发电和电路中使用的电子器件的极限来设置用于分流部件8开始使次级绕组22进行分流的精确阈值。随着相线电流持续升高，将应用更多的分流器，直到所有的六个绕组都进行了分流。在这方面，应注意的是，最后的分流器通常不是永久性地而是仅间歇性(即以脉冲方式)应用，以由此从发电中将其仅部分地排除。所有的分流器都在感应电压的过零处被应用，以避免电路上电压的尖峰。

还应该理解，整流桥的DC侧的DC电平可以不是完全平坦和稳定的。即使使用较大的电容对其进行平滑，它也相对于相线电流的变化以及POLG单元直流负载)的直流功率使用情况的类似变化而略有波动。当直流电压电平达到27伏DC电平并且第一电流变换器绕组被分流时，分流电路开始起作用。如果DC电压连续上升，则更多的电流变换器绕组将被分流并以此方式被排除在发电之外，如图6所示。

图7示出了当DC电压达到分流阈值时次级绕组的AC电压波形。图7(a)至(c)涉及最终被永久分流的一个次级绕组，参见图7(c)。图7(d)显示了最后一个次级绕组的波形，该最后一个次级绕组从未完全分流，但其中分流被应用为一串分流脉冲。图a)示出了DC电压中的纹波，该纹波使DC量化电路偶尔应用分流。过零脉冲还被示出：在AC电压的零点处应用分流，以避免系统中的尖峰。图b)示出了略微增加的DC电平电压。如更频繁的脉冲所示，更频繁地应用DC量化电路。图c)示出了进一步增加的DC电压水平，并且永久性施加了分流。图d)示出了次级绕组(例如第六个和最后一个次级绕组)的顺序阻塞(即，分流)和非阻塞(即，不分流)。这可以在很高的总体DC电压电平处被应用。在该实施例中，除最后一个之外的所有次级绕组均已被分流，并且最后一个被顺序分流和不分流，以允许平滑且稳定的总体发电。

如所讨论的，每个绕组可以具有其自己的分流电路(MOSFET分流器)。在具有六个电流变换器的设置中，DC电平量化电路具有六个逻辑电平输出，针对每个电流变换器有一个。这些逻辑电平也将被称为分流控制器单元的电压电平状态输入。它们通常由系统控制单元并根据负载处的DC电压水平生成。DC电压量化电路和电平状态锁存器在相线电流的过零状态中打开和关闭MOSFET分流器。如所讨论的，图7(a)至(c)示出了当DC电压达到阻塞电平时一个次级绕组的AC电压波形。再次，如上所述，图7(a)示出了DC电平中的纹波是如何使量化电路偶尔应用阻塞机制的。图7(b)示出了DC电平是如何已经略微增加，从而使量化电路更频繁地应用阻塞机制的；图7(c)示出了DC电平使如何已经进一步增加，从而使量化电路永久地应用阻塞机制的。

如果更进一步增加DC电平，则第一次级绕组在某点处可被永久分流。同样可应用于除了一个之外的所有其他的次级绕组。也就是说，在非常高的DC电平下处，除一个的所有次级绕组都可被永久分流。未被永久分流的次级绕组仍可以被周期性地分流。考虑一下例如这样的情况，即初级绕组中的AC电流是如此高，以至于即使当仅使用一个永久不分流的次级绕组时，所产生的DC电压也将高于必要值，并甚至可能对设备有害。在这种情况下，该次级绕组可以被周期性地分流，以仅产生当其被永久分流时将产生的功率的一部分。最后的不分流的次级绕组的这种配置在图7(d)中示出。即，它涉及变换器设置的第一电流变换器已被阻塞的情况。在这种情况下，最后一个没有被永久阻塞，而是每个其他的AC周期或一系列AC周期顺序地被阻塞和不阻塞，以使功率调节稳定。

将理解，分流遵循以下逻辑：当满足以下条件时发生分流：当发生过零时，DC电平量化为1(或高)。仅在这种情况下，当前讨论的实施例使相应的次级绕组分流。在出现以下情况时执行不分流：当发生过零时，DC电平量化为0(或低)。

通常将理解，当在将AC电压整流为DC电压时使用常规方法时，由于整流桥中的二极管上的固有硅压降，这会造成相当大的功率损耗。这特别适用于低电压电平和高电流处。为了避免这种情况，在一些实施例中，POLG设计可以在整流桥中使用MOSFET晶体管而不是二极管。当完全导通时，MOSFET晶体管可以施加可忽略的串联电阻(小于4mΩ)，而不是传统二极管施加的相对大的硅压降，并因此几乎可以消除由于硅压降的功率损耗和相关联的热量产生。

MOSFET也可以用作次级绕组和功率收集电路中所有其他的高电流切换电路的分流器。记住POLG设备的电子电路板位于非常受限的隔室中，这可是有利的。因此，使用具有低RDS-on值的MOSFET进行强电流切换可有利于将设备内部的热量产生保持在最低但将功率效率保持在最大。

为了进一步说明本发明的实施例，现在将主要参考图4和图5来描述系统的示例性操作。考虑相线3(也称为初级线3)中具有增加的交流电的情况。此外，考虑将发电系统用于为需要20V至33V范围内的DC电压的监视设备供电。

相线3中的交流电引起在一个或多个变换器芯104中的磁场，并因此引起在次级绕组22、24(参见图5)中的交流电，这可以称为次级交流电。在开始时(并且当相线3中的交流电仍然小时)，可能不需要限制系统的电压和功率输出，这就是为什么可以停用分流单元8，即在不分流的配置中。次级交流电因此可以被转换成整流器10中的直流电，该整流器10可以是整流桥。整流器10的DC侧可以并联连接至负载部件6(例如，监视设备的功率单元)，使得直流电彼此相加。

因此，在负载6处的总体DC电压输出可以是在每个整流器10后面的(假设的)电压输出的总和。

现在考虑这样一种情况，即在所有(此处为6个)次级绕组22、24处于不分流状态的情况下，例如100安培的初级交流电将导致在负载6处的10V的总体DC电压输出，即，每个次级绕组单元将导致大约1.67V。

在此配置中，当初级线中的电流上升到200安培时，这将导致20V的直DC电压输出。在260安培AC时，这将导致26V的电压输出。

如例如在图4和图5中所示出的，系统借助于电压电平检测和量化电路50来测量总体DC电压输出，该电压电平检测和量化电路50也可以被称为系统控制单元50。当超过一定的阈值(例如26V)，DC电平量化电路50可以指示一个次级绕组22、24被分流，即被短路。

为此，DC电平量化电路50可以将电压电平状态输入发送到相应的分流单元86的分流控制器单元82'以被分流。

此外，还提供了与次级绕组22中的一个串联的电流传感器。由此获得了次级AC信号，并且过零部件提取次级AC信号的过零。这些过零脉冲也可以作为时钟信号被馈送到分流控制器单元82，并且分流控制器单元82'因此可以确保次级绕组22仅在过零处被分流(这还在图7中被示出)。

如所讨论的，当所有的六个次级绕组22、24都有助于DC电压产生时，初级线中的260安培的交流电可以示例性地导致26V。当一个次级绕组被短路时，这将在DC侧上导致21.67V(＝26V*5/6)。

因为这将低于用于使第一初级绕组分流的阈值，所以该次级绕组将再次不被分流。实际上，由于某种延迟，还由电容器32引起，DC侧的电压不会立即下降到21.67V。相反，电压电平将下降到略低于26V，然后相应的次级绕组不会被分流，直到电压电平稍高于26V为止，依此类推。

按照这种推理，在DC电平量化电路50中可存在不同的DC电压阈值，用于使不同的次级绕组分流。即，DC电平量化电路50可以将相应的分流指令(以电压电平状态输入的形式)发送到不同的分流控制器单元82。如所讨论的，例如，当总体DC电压超过26V时，在第一次级绕组22时可以被分流，当DC电压超过27V时，第二次级绕组24可被分流，以此类推(不过这些值仅是示例性的)。

因此，可以得到相对恒定的DC电压输出，其独立于初级线3中的AC电流。

上述控制逻辑导致最后一个次级绕组24永远不会被永久分流。考虑例如用于最后一个次级绕组24的分流阈值在DC侧为31V的情况。此外，一旦超过该阈值，最后一个次级绕组将被分流，从而导致直流电并且因此导致DC电压降低。一旦它降低到31V以下，最后一个次级绕组24将再次不被分流。因此，最后一个次级绕组24将不会被完全分流，而只是以“脉冲方式”被分流。

尽管在上面已经描述了本发明的特定实施例，但是应该理解，它们仅被描述用于举例说明，而不是限制本发明的范围。

每当在本说明书中使用相关的术语，例如“约”、“基本上”或“大约”时，这种术语也应解释为还包括精确的术语。也就是说，例如，“基本上笔直”应被解释为还包括“(完全)笔直”。

每当在上面或还在所附权利要求书中记载步骤时，应当注意，本文中记载步骤的顺序可以是优选的顺序，但不是强制性地以所记载的顺序执行步骤。。也就是说，除非另有说明或除非对于技术人员是清楚的，否则记载步骤的顺序可以不是强制性的。即，当本文件指出例如方法包括步骤(A)和(B)时，这不一定意味着步骤(A)在步骤(B)之前，而是步骤(A)也可与步骤(B)(至少部分地)同时进行，或者步骤(B)在步骤(A)之前。此外，当说步骤(X)在另一个步骤(Z)之前时，这并不意味着在步骤(X)和(Z)之间没有步骤。也就是说，在步骤(Z)之前的步骤(X)包括步骤(X)直接在步骤(Z)之前执行的情况，还包括(X)在步骤(Z)前面的一个或多个步骤(Y1)...之前执行的情况。当使用诸如“之后”或“之前”之类的术语时，应进行对应的考虑。

Claims (22)

1.一种用于从初级线(3)中的交流电(103)产生直流功率输出的系统，其中，所述系统包括：

至少一个芯(104)，所述至少一个芯(104)被配置为围绕所述初级线(3)定位；

围绕所述至少一个芯(104)布置的多个次级绕组(22、24)，其中，每个次级绕组(22、24)与所述至少一个芯(104)和所述初级线(3)一起形成电流变换器单元，并且其中，每个次级绕组(22、24)具有第一端和第二端；

针对每个次级绕组(22、24)的整流器(10)，其中，每个整流器(10)被配置为将交流电转换为直流电，并且其中，每个整流器(10)包括用于交流电的两个AC连接部和用于直流电的两个DC连接部，其中，所述次级绕组(22、24)的所述第一端和所述第二端连接到所述整流器(10)的所述AC连接部；

针对每个次级绕组(22、24)的分流单元，所述分流单元被布置并配置为使所述次级绕组(22、24)的端部短路；和

负载元件(6)，其中，所述负载元件(6)连接到每个整流器(10)的DC连接部，

其中，所述芯的数量等于次级绕组的数量，并且每个次级绕组围绕不同的芯布置；并且

其中，对于每个次级绕组(22、24)，次级绕组(22、24)和分流元件位于整流器(10)的第一侧上，并且负载元件(6)位于整流器(10)的第二侧上，所述第二侧与所述第一侧相反。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个芯(104)为多个芯(104)，所述芯(104)的数量等于次级绕组(22、24)的数量，并且每个次级绕组(22、24)围绕不同的芯(104)布置。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，连接到所述负载元件(6)的所述整流器(10)的所述DC连接部并联地连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，对于每个次级绕组(22、24)，所述次级绕组(22、24)和分流元件位于所述整流器(10)的第一侧上，并且所述负载元件(6)位于所述整流器(10)的第二侧上，所述第二侧与所述第一侧相反。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，每个整流器(10)包括多个MOSFET、例如至少4个MOSFET。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，每个分流单元包括至少两个MOSFET。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括用于感测电流的电流感测元件。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述电流感测元件串联连接到次级绕组(22、24)。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括针对每个分流单元的分流控制器单元，所述分流控制器单元用于控制相应的分流单元的状态。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，每个分流控制器单元包括至少一个光学隔离的MOSFET驱动器。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，每个分流控制器单元包括电压电平状态输入，并且被配置为根据所述电压电平状态输入来控制相应的分流单元的状态。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，每个电压电平状态输入基于所述负载元件(6)上的电压。

13.根据权利要求9所述的系统，其中，每个分流控制器单元包括时钟输入，并且其中，每个控制器单元被配置为根据所述时钟输入仅改变相应的分流单元的状态。

14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述系统还包括用于检测感测的电流的过零状态的过零检测元件。

15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述系统还包括系统控制单元，其中，所述系统控制单元被配置为基于所述负载元件(6)上的电压来产生用于每个分流控制器单元的电压电平状态输入。

16.一种根据前述权利要求中任一项所述的系统的用途。

17.根据权利要求16所述的用途，其具有初级线(3)，其中，所述初级线(3)是高压电力线，并且其中，所述至少一个芯(104)围绕所述初级线(3)定位。

18.根据权利要求17所述的用途，其中，所述用途包括生成功率输出，所述功率输出由所述高压电力线的监视设备使用。

19.根据权利要求16所述的用途，其中，所述用途包括：

所述控制器单元仅在所述交流电的过零状态下改变其相应的分流单元的状态。

20.根据权利要求16所述的用途，其中

对于第一次级绕组，当所述负载元件上的电压超过第一阈值时，相应的分流单元使所述第一次级绕组的端部短路。

21.根据权利要求20所述的用途，其中

对于第二次级绕组，当所述负载元件上的电压超过第二阈值时，相应的分流单元使所述第二次级绕组的端部短路。

22.根据权利要求20所述的用途，其中

对于另一次级绕组，当所述负载元件上的电压超过另一阈值时，相应的分流单元周期性地使所述另一次级绕组的端部短路。

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