CN113517667A - 一种基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备 - Google Patents
一种基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及电力输送设备的技术领域，具体而言，涉及一种基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备。其对外接口有三个，分别是输入钢芯接口、输入铝线接口、输出接口；三个对外接口均连接在开关电路上；由开关电路、驱动电路、微处理器、传感器调理电路、温度传感器、冰厚传感器、取能电路构成；取能电路为驱动电路、微处理器、传感器调理电路、温度传感器、冰厚传感器、无线通信模块提供能源。微处理器根据温度传感器和冰厚传感器的数据控制驱动电路，进而控制开关电路的通断，进而控制融冰防冰。
Description
技术领域
本发明涉及电力输送设备的技术领域，具体而言，涉及一种基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备。
背景技术
电力输送中，耐张塔不仅承受输电线的重力，还要承受输电线的张力。在寒冷的天气下，输电线容易结冰，进而增大输电线的重力和张力，进而可能导致耐张塔损毁等状况发生。
专利号为：ZL201811489790.9，发明名称为：线间无损单相分流器与设计和控制方法的发明专利，其分流器由有载分接开关，分流变压器，分压变压器，控制电机，微处理器、二个切换开关，温度传感单元构成，安装在两根导线之间。分流器输入端连接靠近用电负载一端的内导体和第一切换开关；输出端连接下一段靠近送端电源的内导体、外导体和第二切换开关。分流变压器和分压变压器采用升压变压器，根据结构的不同，分流变压器分为双绕组分流变压器，自耦分流变压器；分压变压器分为双绕组分压变压器，自耦分压变压器。本发明通过计算变压器线圈匝比，在微处理器对切换开关的控制下使导体电流刚好满足防冰融冰需求，精准控制电流、精准控制防冰融冰。分流器可在正常输电和防冰融冰双重模式下工作，操作简单可靠。其存在的问题有：
(1)有载分接开关结构复杂，价格昂贵，而且控制不方便，不便于耐张塔使用；
(2)分压变压器承担的电压过高，导致制造成本高
(3)整体重量较重，对安装的耐张塔力学性能要求高，对于存量输电线路，有的需要耐张塔加固；
专利号为：201921929880.5，发明名称为：无源智能融冰控制设备的发明专利，其控制设备由无源温度传感器，无源温控电阻，融冰控制开关构成。控制设备设置在自制热导线上，自制热导线的两端分别连接传统输电线。无源温度传感器有结构相同的两个，紧密包裹在自制热导线外。传感主体是扇面圆柱状，且与安装板A、B以及绞线接触面、大气接触面组成扇面柱状封闭空间，在密封空腔内装温控液体。无源温控电阻含电阻丝、接触电刷、导电杆和绝缘杆。电阻外壳为筒状，通过连接管接口与温控液体密闭空间接通。本发明解决了智能融冰设备在使用过程中取电困难的难题，通过传感主体温度变化改变电阻的变化，自动启动输电导线融冰、在感知融冰结束后自动停止融冰，保持输电导线温度在合适范围。其存在以下问题：
(1)无源温度传感器与无源温控电阻分离设计，影响设备可靠性；
(2)电阻上将散发较大热量，使用过程中需要较好的散热；而这个热量属于损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备，其能够很好的进行防冰融冰。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：
基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备对外接口有三个，分别是输入钢芯接口、输入铝线接口、输出接口；三个对外接口均连接在开关电路上；
基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备由开关电路、驱动电路、微处理器、传感器调理电路、温度传感器、冰厚传感器、取能电路、无线通信模块构成；取能电路为驱动电路、微处理器、传感器调理电路、温度传感器、冰厚传感器、无线通信模块提供能源；
温度传感器、冰厚传感器安装在输电导线上，用于感应输电导线的温度和冰厚并将感应信息输送给传感器调理电路；传感器调理电路解调出温度传感器感应的导线温度及冰厚传感器感应的导线冰厚，并将导线温度和导线冰厚信息传给微处理器；
微处理器根据导线冰厚数据和导线温度数据，控制驱动电路，并通过驱动电路控制开关电路的闭合与断开；
无线通信模块与微处理器连接，用于接收控制中心指令，并向控制中心传送工作状态；
驱动电路接收微处理器控制信号，并根据微处理器控制信号控制开关电路的闭合与断开；
开关电路根据驱动电路信息，进行闭合与断开操作；
开关电路由两个绝缘栅双极型晶体管、机械开关、电容、电阻构成；两个绝缘栅双极型晶体管反向并联并与机械开关并联；电阻与电容串联后并联于机械开关；电阻并联于机械开关；
不需要执行防冰融冰作业时，机械开关闭合，使得机械开关两端短路；需要执行防冰融冰作业时，机械开关打开，使得机械开关两端开路。
绝缘栅双极型晶体管的发射极与绝缘栅双极型晶体管的集电极短路，并与输入钢芯接口和输出接口短路连接；绝缘栅双极型晶体管的发射极与绝缘栅双极型晶体管的集电极短路连接，并与输入铝线接口短路连接；
绝缘栅双极型晶体管的栅极与第一栅极驱动端短路连接，集电极与第一集电极驱动端短路连接，发射极与第一发射极连接端短路连接；
绝缘栅双极型晶体管的栅极与第二栅极驱动端短路连接，集电极与第二集电极驱动端短路连接，发射极与第二发射极连接端短路连接。
进一步地，所述取能电路由绝缘取能电路、全桥电路、电压变换电路、储能电路构成；
绝缘取能电路有两个感应输出端子，全桥电路有两个全桥输入端子和两个全桥输出端子；电压变换电路有两个变压输入端子、两个变压输出端子；储能电路有两个储能输入端子、两个储能输出端子；
绝缘取能电路的两个感应输出端子与全桥电路的两个全桥输入端子分别短路连接；全桥电路的两个全桥输出端子与电压变压器的两个变压输入端子分别连接；电压变压器的两个变压输出端子与储能电路的两个储能输入端子分别连接；
两个储能输出端子连接开关电路、驱动电路、微处理器、传感器调理电路、温度传感器、冰厚传感器、无线通信模块的电源输入端。
进一步地，所述绝缘取能电路由绝缘子、架空地线、杆塔接地线、绝缘取能开关组成；绝缘子两端和绝缘取能开关两端均分别连接于架空地线和杆塔接地线；两个感应输出端子分别连接于架空地线和杆塔接地线；
所述全桥电路用于将绝缘取能电路的交流电转换为直流；
所述电压变换电路采用DC/DC电源模块，对全桥电路的输出进行电压转换；DC/DC电源模块的输入正极连接到变压输入端子，并与全桥输出端子连接；DC/DC电源模块的输入负极连接到变压输入端子，并与全桥输出端子连接；DC/DC电源模块的输出正极连接到变压输出端子， DC/DC电源模块的输出负极连接到变压输出端子；
储能电路由锂电池充电管理电路和锂电池构成，用于储存绝缘取能电路感应得到的电能，并输出所储存的电能。
进一步地，所述驱动电路包括高频脉冲电路、电流感应环、高压端供能电路、光信号收发器A、光纤、光信号收发器B、触发电路；
所述高频脉冲电路包括微处理器和NPN三极管；微处理器的输出引脚SWITCH1产生高频脉冲；一个电阻连接在微处理器输出引脚SWITCH1与三极管基极之间；另一个电阻连接在电源和三极管集电极之间；三极管发射极接地；
电流感应环由电流磁芯和电流感应线圈构成；电流磁芯为圆环状，由硅钢构成；电流感应线圈为外层绝缘的导线构成；电流感应线圈环绕在电流磁芯的内外边缘上；电流感应线圈两端连接两个电流感应输出端子；电流感应环套在三极管发射极上；
高压端供能电路由全桥电路和电容构成；全桥电路用于将两个电流感应输出端子之间产的交流电转换为直流；电容进行交流滤波；
光信号收发模块由光信号收发器A、光信号收发器B和四根光纤构成；两根光纤的一端连接光信号收发器A的两个光信号发送端，另一端连接光信号收发器B的两个光信号接收端；另两根根光纤的一端连接光信号收发器A的两个光信号接收端，另一端连接光信号收发器B 的两个光信号发送端；
触发电路由两个绝缘栅双极型晶体管驱动芯片构成；两个绝缘栅双极型晶体管驱动芯片的电源输入端连接于变压输出端子和变压输出端子；绝缘栅双极型晶体管驱动芯片采用 M57962L芯片；
一个绝缘栅双极型晶体管驱动芯片的引脚5通过电阻连接于第一栅极驱动端；引脚1通过二极管连接于第一集电极驱动端；二极管的正极连接于引脚1；公共端和第一发射极连接端短路连接；引脚4连接到触发电路的电源，并在电源与公共端和第一发射极连接端之间接入电容；引脚14与光信号收发器B的光接收输出连接；引脚13与引脚14之间连接一个二极管，该二极管正极与引脚14连接；引脚13连接到公共点；引脚8命名为OUTPUT1，其连接到光信号收发器B的光发射输入上；OUTPUT1与光信号收发器B的TXDATA1短路连接；
另一个绝缘栅双极型晶体管驱动芯片的引脚5通过电阻连接于第二栅极驱动端；引脚1 通过二极管连接于第二集电极驱动端；二极管的正极连接于引脚1；公共端和第二发射极连接端短路连接；引脚4连接到触发电路的电源，并在电源与公共端和第二发射极连接端之间接入电容；引脚14与光信号收发器B的光接收输出连接；引脚13与引脚14之间连接一个二极管，该二极管正极与引脚14连接；引脚13连接到公共点；引脚8命名为OUTPUT2，其连接到光信号收发器B的光发射输入上；OUTPUT2与光信号收发器B的TXDATA2短路连接。
光信号收发器A的电源由取能电路提供，光信号收发器B和触发电路的电源由高压端供能电路提供。
进一步地，基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备安装时，输电线路耐张塔的横担两侧分别安装水平方向绝缘子；在水平方向绝缘子的另一侧安装耐张夹；
输电导线外导体为铝绞线，内导体为钢芯；
假设电能从右侧向左侧输送；左右两侧钢芯紧固连接在耐张夹上；右侧的钢芯与输入钢芯接口短路连接；右侧的铝绞线与输入铝线接口短路连接；左侧的钢芯与铝绞线短路后，与输出接口短路连接；
左右两边的输电导线的钢芯用耐张夹固定，水平方向绝缘子将耐张夹固定在横担上；
所述用于耐张塔的单相电阻型无源防冰融冰控制设备通过竖直方向绝缘子固定在输电线路耐张塔的横担上。
进一步地，所述微处理器的控制流程如下：
第一步，程序开始；
第二步，通过无线通信模块接收控制中心指令；
第三步，判断是否有新的控制指令；若是，进入第四步；若否，进入第五步；
第四步，解析控制中心指令；所述指令包括是否启动防冰作业、是否启动融冰作业、是否停止防冰融冰作业、最低防冰温度值、最高防冰温度值、启动融冰冰厚度值、停止融冰冰厚度值、最高导线融冰温度值；解析完后进入第五步；
第五步，判断控制中心指令是否为停止防冰融冰作业；若是，控制绝缘栅双极型晶体管短路并进入第二步；若否，进入第六步；
第六步，判断控制中心指令是否为启动防冰作业；若是，进入第十三步；若否，进入第七步；
第七步，判断控制中心指令是否为启动融冰作业；若是，进入第八步；若否，进入第二步；
第八步，接收导线冰厚分布，并计算温度分布中的最大冰厚值；设最大冰厚值等于Hmax；进入第九步；
第九步，判断Hmax是否大于启动融冰冰厚；若是，控制绝缘栅双极型晶体管开路并进入第二步；若否，进入第十步；
第十步，判断Hmax是否小于停止融冰冰厚；若是，控制绝缘栅双极型晶体管短路并进入第二步；若否，进入第十一步；
第十一步，接收导线温度分布，计算导线温度分布中的最大温度值，设最大温度值为Tmax；
第十二步，判断Tmax是否大于最高导线融冰温度；若是，控制绝缘栅双极型晶体管短路并进入第二步；若否，进入第二步；
第十三步，接收导线温度分布，计算导线温度分布最小值；令导线温度分布最小值为Tmin；进入第十四步；
第十四步，判断Tmin是否小于最低防冰温度；若是，控制绝缘栅双极型晶体管开路，进入第二步；若否，进入第十五步；
第十五步，判断Tmin是否大于最高防冰温度；若是，控制绝缘栅双极型晶体管短路，进入第二步；若否，进入第二步。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
本发明设计合理、结构简单，。
(1)整体重量轻，对于存量输电线，路耐张塔不需加固即可直接使用；
(2)不需要额外供能；
(3)制造成本低；结构简单，使用过程可靠性高；
(4)能量全部用于融冰，无多余能量损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备的的结构框架图；
图2为开关电路的电路图；
图3为微处理器的电路图；
图4为取能电路的框架图；
图5为绝缘取能电路的框架图；
图6为储能电路图；
图7为驱动电路的框架图；
图8为高频脉冲电路图；
图9为电流感应环的示意图；
图10为发射极与电流感应环组合的示意图；
图11为光信号收发器A的电路图；
图12为光信号收发器B的电路图；
图13为触发电路的电路图；
图14为本发明的基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备的安装示意图；
图15为微处理器控制流程图。
图标：1输入钢芯接口，2输入铝线接口，3输出接口，11开关电路,12驱动电路,13微处理器,14传感器调理电路,15温度传感器,16冰厚传感器,17取能电路，18无线通信模块，101绝缘取能电路,102全桥电路,103电压变换电路,104储能电路，111a、111b感应输出端子， 112a、112b全桥输入端子，113a、113b全桥输出端子，114a、114b变压输入端子，115a、115b 变压输出端子，116a、116b储能输入端子，117a、117b储能输出端子，123绝缘子，121架空地线，122杆塔接地线，124绝缘取能开关，130高频脉冲电路，131电流感应环,132高压端供能电路,133光信号收发器A,134光纤,135光信号收发器B,136触发电路，140电流磁芯，141电流感应线圈，142a、142b电流感应输出端子，143发射极，IGBT1、IGBT2绝缘栅双极型晶体管，R01、R02电阻，BB1第一栅极驱动端，BB2第二栅极驱动端，CC1第一集电极驱动端，CC2第二集电极驱动端，EE1第一发射极连接端，EE2第二发射极连接端，C01电容,S1机械开关，601横担，603a、603b水平方向绝缘子，604a、604b耐张夹，607a、607b铝绞线， 605a、605b钢芯，603c、603d竖直方向绝缘子。
具体实施方式
实施例：
如图1和图2所示
基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备对外接口有三个，分别是输入钢芯接口1、输入铝线接口2、输出接口3；三个对外接口均连接在开关电路上。
基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备由开关电路11、驱动电路12、微处理器13、传感器调理电路14、温度传感器15、冰厚传感器16、取能电路17、无线通信模块18构成；取能电路为驱动电路12、微处理器13、传感器调理电路14、温度传感器15、冰厚传感器16、无线通信模块18提供能源。
温度传感器、冰厚传感器安装在输电导线上，用于感应输电导线的温度和冰厚并将感应信息输送给传感器调理电路；传感器调理电路解调出温度传感器感应的导线温度及冰厚传感器感应的导线冰厚，并将导线温度和导线冰厚信息传给微处理器；
微处理器根据导线冰厚数据和导线温度数据，控制驱动电路，并通过驱动电路控制开关电路的闭合(短路)与断开(开路)。
无线通信模块与微处理器连接，用于接收控制中心指令，并向控制中心传送工作状态；
驱动电路接收微处理器控制信号，并根据微处理器控制信号控制开关电路的闭合与断开；
开关电路根据驱动电路信息，进行闭合与断开操作。
开关电路由两个绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2、机械开关S1、电容C01、电阻R01、R02构成；两个绝缘栅双极型晶体管反向并联并与机械开关并联；电阻R02与电容C01串联后并联于机械开关；电阻R01并联于机械开关。
绝缘栅双极型晶体管IGBT1的发射极与绝缘栅双极型晶体管IGBT2的集电极短路，并与输入钢芯接口1和输出接口3短路连接；绝缘栅双极型晶体管IGBT2的发射极与绝缘栅双极型晶体管IGBT1的集电极短路连接，并与输入铝线接口2短路连接。
绝缘栅双极型晶体管IGBT1的栅极与第一栅极驱动端BB1短路连接，集电极与第一集电极驱动端CC1短路连接，发射极与第一发射极连接端EE1短路连接；
绝缘栅双极型晶体管IGBT2的栅极与第二栅极驱动端BB2短路连接，集电极与第二集电极驱动端CC2短路连接，发射极与第二发射极连接端EE2短路连接。
本实施例中，温度传感器、冰厚传感器、传感器调理电路购买成熟的产品。温度传感器：上海拜安传感技术有限公司产品，型号：OFT200。冰厚传感器：上海拜安传感技术有限公司产品，型号：BA-CAIC-ID。传感器调理电路：上海拜安传感技术有限公司产品，型号：BA-FT711。无线通信模块采用成熟的产品。生产厂家：沈阳中科奥维科技股份有限公司，型号：ZAWM100-B002。微处理器采用成熟的产品。单片机U11:MSP430F5438为美国TEXASINSTRUMENTS。微处理器的电路图如图3所示。实施例中选择含两个绝缘栅双极型晶体管的功率模块，厂家为德国Infineon Technologies公司；型号为：FF1800R17IP5。机械开关S1选择浙江启固电气有限公司：型号：GW9-12高压隔离开关。不需要执行防冰融冰作业时，机械开关闭合，使得机械开关两端短路；需要执行防冰融冰作业时，机械开关打开，使得机械开关两端开路。
如图4所示取能电路17由绝缘取能电路101、全桥电路102、电压变换电路103、储能电路104构成。
绝缘取能电路有两个感应输出端子111a、111b。全桥电路有两个全桥输入端子112a、112b 和两个全桥输出端子113a、113b。电压变换电路有两个变压输入端子114a、114b、两个变压输出端子115a、115b。储能电路有两个储能输入端子116a、116b、两个储能输出端子117a、117b。
绝缘取能电路的两个感应输出端子与全桥电路的两个全桥输入端子分别短路连接；全桥电路的两个全桥输出端子与电压变压器的两个变压输入端子分别连接；电压变压器的两个变压输出端子与储能电路的两个储能输入端子分别连接。
两个储能输出端子连接开关电路、驱动电路、微处理器、传感器调理电路、温度传感器、冰厚传感器、无线通信模块的电源输入端。进而使得两个储能输出端子为驱动电路12、微处理器13、传感器调理电路14、温度传感器15、冰厚传感器16、无线通信模块18提供电能。
如图5所示
绝缘取能电路由绝缘子123、架空地线121、杆塔接地线122、绝缘取能开关124构成。绝缘子两端和绝缘取能开关两端均分别连接于架空地线和杆塔接地线；感应输出端子111a连接于架空地线，感应输出端子111b连接于杆塔接地线。需要融冰的时候，绝缘取能开关断开，不需要融冰的时候，绝缘取能开关闭合。实施例中：绝缘取能开关选择浙江启固电气有限公司的型号：GW9-12的高压隔离开关。
全桥电路用于将绝缘取能电路的交流电转换为直流。本实施例采用强元芯电子(广东)有限公司的产品；型号为FMB40M。全桥输入端子112a、112b连接FMB40M的交流输入。全桥输出113a连接FMB40M的正极，113b连接FMB40M的负极。
电压变换电路采用DC/DC电源模块，对全桥电路的输出进行电压转换。DC/DC电源模块的输入正极连接到变压输入端子114a，并与全桥输出端子113a连接；DC/DC电源模块的输入负极连接到变压输入端子114b，并与全桥输出端子113b连接；DC/DC电源模块的输出正极连接到变压输出端子115a，DC/DC电源模块的输出负极连接到变压输出端子115b。
本实施例中，DC/DC电源模块采用上海尖诺电子科技有限公司，型号为JS03-05S05的 DC/DC电源模块。
如图6所示
储能电路由锂电池充电管理电路和锂电池构成，用于储存绝缘取能电路感应得到的电能，并输出所储存的电能。图6中，U1为锂电池充电管理集成电路。其采用深圳市华之美半导体有限公司生产的型号为HM4050的芯片。BT1为手机用锂电池，用于存储电能。
如图7所示
驱动电路包括高频脉冲电路130、电流感应环131、高压端供能电路132、光信号收发器 A133、光纤134、光信号收发器B135、触发电路136。
如图8所示
高频脉冲电路包括微处理器和NPN三极管；微处理器的输出引脚SWITCH1产生高频脉冲；电阻R2连接在微处理器输出引脚SWITCH1与三极管基极之间；电阻R1连接在电源和三极管集电极之间；三极管发射极接地。电流感应环套在三极管发射极上。
高频脉冲电路用于产生高频脉冲，采用微处理器的输出引脚产生高频脉冲，并通过NPN 三极管放大，形成大电流脉冲信号。本实施中，三极管采用日本三菱公司NPN三极管。其型号为2SC1972。
如图9所示
电流感应环由电流磁芯140和电流感应线圈141构成；电流磁芯为圆环状，由硅钢构成；电流感应线圈为外层绝缘的导线构成；电流感应线圈为铜导线。电流感应线圈环绕在电流磁芯的内外边缘上；电流感应线圈两端连接两个电流感应输出端子142a、142b；电流感应环套在三极管发射极上。电流感应环套与三极管的配合示意图如图10所示。
高压端供能电路由全桥电路和电容构成；全桥电路用于将两个电流感应输出端子142a、 142b之间产的交流电转换为直流；电容进行交流滤波。本实施例中，全桥电路采用强元芯电子(广东)有限公司的产品；其型号为FMB40M。两个电流感应输出端子142a、142b连接FMB40M 的交流输入；FMB40M的输出正极与输出负极之间连接电容，并提供电能输出。
如图11和图12所示
光信号收发模块由光信号收发器A、光信号收发器B和四根光纤构成；两根光纤的一端连接光信号收发器A的两个光信号发送端，另一端连接光信号收发器B的两个光信号接收端；另两根根光纤的一端连接光信号收发器A的两个光信号接收端，另一端连接光信号收发器B 的两个光信号发送端。
在电路中，SWITCH2、SWITCH3与微处理器两个输出引脚连接、SWITCH4、SWITCH5与微处理器两个输入引脚连接。U5为TEXAS INSTRUMENT公司生产的集成电路，型号为SN75451，用于给U1、U3提供驱动电流；电路连接方式参考AVAGO TECHNOLOGIES公司给出的HFBR14XXZ and HFBR24XXZ的数据手册；U1、U3为光纤连接发送端口，采用AVAGOTECHNOLOGIES公司生产的型号为HFBR1414光纤发送端口；U2、U4光纤连接接收端口，采用AVAGO TECHNOLOGIES公司生产的型号为HFBR2414光纤接收端口。
U1、U3用于接收微处理器控制信号，并向光纤发送微处理器控制信号，所发送的信号通过光纤传给光信号收发器B的U2、U4。
U2、U4用于接收光纤信号，所接收的信号来自光信号收发器B的U1、U3；并将接收的光纤信号发送给微处理器。
U1、U2、U3、U4、U5的具体连接电路参考AVAGO TECHNOLOGIES公司给出的HFBR14XXZand HFBR24XXZ的数据手册。
如图13所示
触发电路用于给绝缘栅双极型晶体管提供驱动信号。触发电路由两个绝缘栅双极型晶体管驱动芯片构成；两个绝缘栅双极型晶体管驱动芯片的电源输入端连接于变压输出端子115a 和变压输出端子115b；绝缘栅双极型晶体管驱动芯片采用日本MITSUBISHIELECTRIC公司生产的M57962L芯片。M57962L的外围电路根据M57962L的数据手册进行设计。
一个绝缘栅双极型晶体管驱动芯片的引脚5通过电阻连接于第一栅极驱动端(BB1)；引脚1通过二极管连接于第一集电极驱动端(CC1)；二极管的正极连接于引脚1；公共端和第一发射极连接端EE1短路连接；引脚4连接到触发电路的电源，并在电源与公共端和第一发射极连接端(EE1)之间接入电容；引脚14与光信号收发器B的光接收输出连接；引脚13与引脚14之间连接一个二极管，该二极管正极与引脚14连接；引脚13连接到公共点；引脚8命名为OUTPUT1，其连接到光信号收发器B的光发射输入上；OUTPUT1与光信号收发器B的TXDATA1 短路连接；
另一个绝缘栅双极型晶体管驱动芯片的引脚5通过电阻连接于第二栅极驱动端(BB2)；引脚1通过二极管连接于第二集电极驱动端(CC2)；二极管的正极连接于引脚1；公共端和第二发射极连接端EE2短路连接；引脚4连接到触发电路的电源，并在电源与公共端和第二发射极连接端(EE2)之间接入电容；引脚14与光信号收发器B的光接收输出连接；引脚13与引脚14之间连接一个二极管，该二极管正极与引脚14连接；引脚13连接到公共点；引脚8 命名为OUTPUT2，其连接到光信号收发器B的光发射输入上；OUTPUT2与光信号收发器B的TXDATA2短路连接。
光信号收发器A的电源由取能电路17提供，光信号收发器B和触发电路的电源由高压端供能电路132提供。
如图14所示
基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备安装时，输电线路耐张塔的横担 601两侧分别安装水平方向绝缘子603a、603b；在水平方向绝缘子的另一侧安装耐张夹604a、 604b。
输电导线采用自制热导线为“CN201810370549.8”公示的自制热导体，输电导线外导体为铝绞线607a、607b，内导体为钢芯605a、605b。
假设电能从右侧向左侧输送；左右两侧钢芯紧固连接在耐张夹上；右侧的钢芯与输入钢芯接口1短路连接；右侧的铝绞线与输入铝线接口2短路连接；左侧的钢芯与铝绞线短路后，与输出接口3短路连接。
左右两边的输电导线的钢芯用耐张夹固定，水平方向绝缘子将耐张夹固定在横担上。
用于耐张塔的单相电阻型无源防冰融冰控制设备通过竖直方向绝缘子603c、603d固定在输电线路耐张塔的横担上。
如图15所示
微处理器的控制流程如下：
第一步，程序开始；
第二步，通过无线通信模块接收控制中心指令；
第三步，判断是否有新的控制指令；若是，进入第四步；若否，进入第五步；
第四步，解析控制中心指令；所述指令包括是否启动防冰作业、是否启动融冰作业、是否停止防冰融冰作业、最低防冰温度值、最高防冰温度值、启动融冰冰厚度值、停止融冰冰厚度值、最高导线融冰温度值；解析完后进入第五步；
第五步，判断控制中心指令是否为停止防冰融冰作业；若是，控制绝缘栅双极型晶体管短路并进入第二步；若否，进入第六步；
第六步，判断控制中心指令是否为启动防冰作业；若是，进入第十三步；若否，进入第七步；
第七步，判断控制中心指令是否为启动融冰作业；若是，进入第八步；若否，进入第二步；
第八步，接收导线冰厚分布，并计算温度分布中的最大冰厚值；设最大冰厚值等于Hmax；进入第九步；
第九步，判断Hmax是否大于启动融冰冰厚；若是，控制绝缘栅双极型晶体管开路并进入第二步；若否，进入第十步；
第十步，判断Hmax是否小于停止融冰冰厚；若是，控制绝缘栅双极型晶体管短路并进入第二步；若否，进入第十一步；
第十一步，接收导线温度分布，计算导线温度分布中的最大温度值，设最大温度值为Tmax；
第十二步，判断Tmax是否大于最高导线融冰温度；若是，控制绝缘栅双极型晶体管短路并进入第二步；若否，进入第二步；
第十三步，接收导线温度分布，计算导线温度分布最小值；令导线温度分布最小值为Tmin；进入第十四步；
第十四步，判断Tmin是否小于最低防冰温度；若是，控制绝缘栅双极型晶体管开路，进入第二步；若否，进入第十五步；
第十五步，判断Tmin是否大于最高防冰温度；若是，控制绝缘栅双极型晶体管短路，进入第二步；若否，进入第二步。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备，其特征在于：基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备对外接口有三个，分别是输入钢芯接口(1)、输入铝线接口(2)、输出接口(3)；三个对外接口均连接在开关电路上；
基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备由开关电路(11)、驱动电路(12)、微处理器(13)、传感器调理电路(14)、温度传感器(15)、冰厚传感器(16)、取能电路(17)、无线通信模块(18)构成；取能电路为驱动电路(12)、微处理器(13)、传感器调理电路(14)、温度传感器(15)、冰厚传感器(16)、无线通信模块(18)提供能源；
温度传感器、冰厚传感器安装在输电导线上，用于感应输电导线的温度和冰厚并将感应信息输送给传感器调理电路；传感器调理电路解调出温度传感器感应的导线温度及冰厚传感器感应的导线冰厚，并将导线温度和导线冰厚信息传给微处理器；
微处理器根据导线冰厚数据和导线温度数据，控制驱动电路，并通过驱动电路控制开关电路的闭合与断开；
无线通信模块与微处理器连接，用于接收控制中心指令，并向控制中心传送工作状态；
驱动电路接收微处理器控制信号，并根据微处理器控制信号控制开关电路的闭合与断开；
开关电路根据驱动电路信息，进行闭合与断开操作；
开关电路由两个绝缘栅双极型晶体管(IGBT1、IGBT2)、机械开关(S1)、电容(C01)、电阻(R01、R02)构成；两个绝缘栅双极型晶体管反向并联并与机械开关并联；电阻(R02)与电容(C01)串联后并联于机械开关；电阻(R01)并联于机械开关；
绝缘栅双极型晶体管(IGBT1)的发射极与绝缘栅双极型晶体管(IGBT2)的集电极短路，并与输入钢芯接口(1)和输出接口(3)短路连接；绝缘栅双极型晶体管(IGBT2)的发射极与绝缘栅双极型晶体管(IGBT1)的集电极短路连接，并与输入铝线接口(2)短路连接；
绝缘栅双极型晶体管(IGBT1)的栅极与第一栅极驱动端(BB1)短路连接，集电极与第一集电极驱动端(CC1)短路连接，发射极与第一发射极连接端(EE1)短路连接；
绝缘栅双极型晶体管(IGBT2)的栅极与第二栅极驱动端(BB2)短路连接，集电极与第二集电极驱动端(CC2)短路连接，发射极与第二发射极连接端(EE2)短路连接。
2.根据权利要求1所述的基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备，其特征在于：所述取能电路(17)由绝缘取能电路(101)、全桥电路(102)、电压变换电路(103)、储能电路(104)构成；
绝缘取能电路有两个感应输出端子(111a、111b)，全桥电路有两个全桥输入端子(112a、112b)和两个全桥输出端子(113a、113b)；电压变换电路有两个变压输入端子(114a、114b)、两个变压输出端子(115a、115b)；储能电路有两个储能输入端子(116a、116b)、两个储能输出端子(117a、117b)；
绝缘取能电路的两个感应输出端子与全桥电路的两个全桥输入端子分别短路连接；全桥电路的两个全桥输出端子与电压变压器的两个变压输入端子分别连接；电压变压器的两个变压输出端子与储能电路的两个储能输入端子分别连接；
两个储能输出端子连接开关电路、驱动电路、微处理器、传感器调理电路、温度传感器、冰厚传感器、无线通信模块的电源输入端。
3.根据权利要求2所述的基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备，其特征在于：所述绝缘取能电路由绝缘子(123)、架空地线(121)、杆塔接地线(122)、绝缘取能开关(124)组成；绝缘子两端和绝缘取能开关两端均分别连接于架空地线和杆塔接地线；感应输出端子(111a)连接于架空地线，感应输出端子(111b)连接于杆塔接地线；
所述全桥电路用于将绝缘取能电路的交流电转换为直流；
所述电压变换电路采用DC/DC电源模块，对全桥电路的输出进行电压转换；DC/DC电源模块的输入正极连接到变压输入端子(114a)，并与全桥输出端子(113a)连接；DC/DC电源模块的输入负极连接到变压输入端子(114b)，并与全桥输出端子(113b)连接；DC/DC电源模块的输出正极连接到变压输出端子(115a)，DC/DC电源模块的输出负极连接到变压输出端子(115b)；
储能电路由锂电池充电管理电路和锂电池构成，用于储存绝缘取能电路感应得到的电能，并输出所储存的电能。
4.根据权利要求1所述的基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备，其特征在于：所述驱动电路包括高频脉冲电路(130)、电流感应环(131)、高压端供能电路(132)、光信号收发器A(133)、光纤(134)、光信号收发器B(135)、触发电路(136)；
所述高频脉冲电路包括微处理器和NPN三极管；微处理器的输出引脚SWITCH1产生高频脉冲；一个电阻连接在微处理器输出引脚SWITCH1与三极管基极之间；另一个电阻连接在电源和三极管集电极之间；三极管发射极(143)接地；
电流感应环由电流磁芯(140)和电流感应线圈(141)构成；电流磁芯为圆环状，由高导磁率材料构成；电流感应线圈为外层绝缘的导线构成；电流感应线圈环绕在电流磁芯的内外边缘上；电流感应线圈两端连接两个电流感应输出端子(142a、142b)；电流感应环套在三极管发射极上；
高压端供能电路由全桥电路和电容构成；全桥电路用于将两个电流感应输出端子(142a、142b)之间产的交流电转换为直流；电容进行交流滤波；
光信号收发模块由光信号收发器A、光信号收发器B和四根光纤构成；两根光纤的一端连接光信号收发器A的两个光信号发送端，另一端连接光信号收发器B的两个光信号接收端；另两根根光纤的一端连接光信号收发器A的两个光信号接收端，另一端连接光信号收发器B的两个光信号发送端；
触发电路由两个绝缘栅双极型晶体管驱动芯片构成；两个绝缘栅双极型晶体管驱动芯片的电源输入端连接于变压输出端子(115a)和变压输出端子(115b)；绝缘栅双极型晶体管驱动芯片采用M57962L芯片；
一个绝缘栅双极型晶体管驱动芯片的引脚5通过电阻连接于第一栅极驱动端(BB1)；引脚1通过二极管连接于第一集电极驱动端(CC1)；二极管的正极连接于引脚1；公共端和第一发射极连接端(EE1)短路连接；引脚4连接到触发电路的电源，并在电源与公共端和第一发射极连接端(EE1)之间接入电容；引脚14与光信号收发器B的光接收输出连接；引脚13与引脚14之间连接一个二极管，该二极管正极与引脚14连接；引脚13连接到公共点；引脚8命名为OUTPUT1，其连接到光信号收发器B的光发射输入上；OUTPUT1与光信号收发器B的TXDATA1短路连接；
另一个绝缘栅双极型晶体管驱动芯片的引脚5通过电阻连接于第二栅极驱动端(BB2)；引脚1通过二极管连接于第二集电极驱动端(CC2)；二极管的正极连接于引脚1；公共端和第二发射极连接端(EE2)短路连接；引脚4连接到触发电路的电源，并在电源与公共端和第二发射极连接端(EE2)之间接入电容；引脚14与光信号收发器B的光接收输出连接；引脚13与引脚14之间连接一个二极管，该二极管正极与引脚14连接；引脚13连接到公共点；引脚8命名为OUTPUT2，其连接到光信号收发器B的光发射输入上；OUTPUT2与光信号收发器B的TXDATA2短路连接；
光信号收发器A的电源由取能电路(17)提供，光信号收发器B和触发电路的电源由高压端供能电路(132)提供。
5.根据权利要求1所述的基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备，其特征在于：基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备安装时，输电线路耐张塔的横担(601)两侧分别安装水平方向绝缘子(603a、603b)；在水平方向绝缘子的另一侧安装耐张夹(604a、604b)；
输电导线外导体为铝绞线(607a、607b)，内导体为钢芯(605a、605b)；
假设电能从右侧向左侧输送；左右两侧钢芯紧固连接在耐张夹上；右侧的钢芯与输入钢芯接口(1)短路连接；右侧的铝绞线与输入铝线接口(2)短路连接；左侧的钢芯与铝绞线短路后，与输出接口(3)短路连接；
左右两边的输电导线的钢芯用耐张夹固定，水平方向绝缘子将耐张夹固定在横担上；
所述用于耐张塔的单相电阻型无源防冰融冰控制设备通过竖直方向绝缘子(603c、603d)固定在输电线路耐张塔的横担上。
6.根据权利要求1所述的基于绝缘栅双极型晶体管的无损单相防冰融冰控制设备，其特征在于：所述微处理器的控制流程如下：
第一步，程序开始；
第二步，通过无线通信模块接收控制中心指令；
第三步，判断是否有新的控制指令；若是，进入第四步；若否，进入第五步；
第四步，解析控制中心指令；所述指令包括是否启动防冰作业、是否启动融冰作业、是否停止防冰融冰作业、最低防冰温度值、最高防冰温度值、启动融冰冰厚度值、停止融冰冰厚度值、最高导线融冰温度值；解析完后进入第五步；
第五步，判断控制中心指令是否为停止防冰融冰作业；若是，控制绝缘栅双极型晶体管短路并进入第二步；若否，进入第六步；
第六步，判断控制中心指令是否为启动防冰作业；若是，进入第十三步；若否，进入第七步；
第七步，判断控制中心指令是否为启动融冰作业；若是，进入第八步；若否，进入第二步；
第八步，接收导线冰厚分布，并计算温度分布中的最大冰厚值；设最大冰厚值等于Hmax；进入第九步；
第九步，判断Hmax是否大于启动融冰冰厚；若是，控制绝缘栅双极型晶体管开路并进入第二步；若否，进入第十步；
第十步，判断Hmax是否小于停止融冰冰厚；若是，控制绝缘栅双极型晶体管短路并进入第二步；若否，进入第十一步；
第十一步，接收导线温度分布，计算导线温度分布中的最大温度值，设最大温度值为Tmax；
第十二步，判断Tmax是否大于最高导线融冰温度；若是，控制绝缘栅双极型晶体管短路并进入第二步；若否，进入第二步；
第十三步，接收导线温度分布，计算导线温度分布最小值；令导线温度分布最小值为Tmin；进入第十四步；
第十四步，判断Tmin是否小于最低防冰温度；若是，控制绝缘栅双极型晶体管开路，进入第二步；若否，进入第十五步；
第十五步，判断Tmin是否大于最高防冰温度；若是，控制绝缘栅双极型晶体管短路，进入第二步；若否，进入第二步。
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