CN114142628A - 一种用于高压电力系统的超声隔离式电源供应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高压电力系统的超声隔离式电源供应装置，该装置包括超声波发射装置、超声波绝缘传输介质和超声波接收装置，所述超声波发射装置包括高频电源4、发射阻抗匹配电路和发射压电陶瓷；所述的超声波绝缘传输介质包括裙伞结构包裹外壳以及柱形玻璃或柱形陶瓷所述超声波接收装置主要包括接收压电陶瓷、接收阻抗匹配电路和整流电路。本发明解决了低电压等级的电源无法直接对高压电力系统安全供电的问题，与现有的供电方案相比，具有体积小、结构简单、成本较低、便于维护、可靠性高、安全稳定的特点。
Description
技术领域
本发明涉及高压电力系统供电技术领域，具体涉及一种用于高压电力系统的超声隔离式电源供应装置。
背景技术
目前我国智能电网处于全面建设阶段，为了保障电网可靠、安全、经济、稳定的运行，需要对电力系统各部分进行实时在线的监测。在发电站、变电站和配电站等场合需要大量的在线监测设备，例如摄像头、振动传感器、气体密度监测、温度监测、局放监测装置等，这些监测设备大多处于高电压等级，低电压等级的站用变无法对其直接供电。
另外，处于高电压等级的电力电子开关器件需要隔离电源进行供电驱动。如何安全便捷的对这些开关器件进行供电，是保障电力系统稳定运行的关键技术之一。目前，常用的充电的方式包括采用电池供电、从周边环境中取能(太阳能、风能等)、通过电压、电流互感器(PT、CT)取电。
现有技术中至少存在如下问题：第一、采用电池供电方案需要经常更换电池，消耗人力物力，且增加风险，不利于设备稳定运行；第二、从环境中取能受环境影响大，不稳定，功率较低且需要额外的蓄电池储存电能，而蓄电池容量小，长期浮充会大大缩短使用寿命；第三、在高压直流电站等场合，无法用电压、电流互感器(PT、CT)取电，且没有合适的供电方案。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于高压电力系统的超声隔离式电源供应装置，采用超声波作为能量传输介质，保障能量有效传输的同时，确保发射端和接收端电气绝缘，从而使低电压等级的电源也可以对高压电力系统中的监测设备及电力电子开关器件安全、高效、便捷地供电。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于高压电力系统的超声隔离式电源供应装置，包括超声波发射装置1、超声波绝缘传输介质2和超声波接收装置3；
所述超声波发射装置1包括高频电源4、发射阻抗匹配电路9、发射压电陶瓷10、发射电极片11、发射导电胶17和发射环氧胶18；所述超声波接收装置3包括接收电极片12、接收压电陶瓷13、接收阻抗匹配电路14、整流电路15、负载16、接收环氧胶19和接收导电胶20；所述高频电源由直流电源5、逆变电路6、驱动电路7和DSP开发板8组成；直流电源5与逆变电路6的一端电连接；驱动电路7分别与逆变电路6的另一端和DSP开发板8电连接；逆变电路6与发射阻抗匹配电路9的一端电连接，发射阻抗匹配电路9的另一端与发射压电陶瓷10电连接；发射压电陶瓷10与发射电极片11通过发射导电胶17粘接，发射电极片11的另一侧通过发射环氧胶18与超声波绝缘传输介质2粘接，超声波绝缘介质2通过接收环氧胶19与接收电极片12粘接，接收电极片12的另一侧通过接收导电胶20与接收压电陶瓷13粘接，接收压电陶瓷13与接收阻抗匹配电路14的一端电连接，整流电路15分别与接收阻抗匹配电路14的另一端和负载16电连接；
DSP开发板8产生高频PWM控制信号，高频PWM控制信号经由驱动电路7进行放大后输出到逆变电路6，控制逆变电路6将直流电源5提供的直流电压转换为高频交流电压，连同放大后的高频PWM控制信号输出到发射阻抗匹配电路9；发射阻抗匹配电路9一方面用于调谐，使超声波发射装置1工作在谐振状态，另一方面进行阻抗变换，使输入阻抗达到设定值，然后输出适配的电压激励发射压电陶瓷10，发射压电陶瓷10利用逆压电效应将两端的激励电压转换为高频机械振动，并以超声波的形式向超声波接收装置3发射；接收压电陶瓷13利用压电效应将接收的超声波转换为高频电压，再将高频电压传输给接收阻抗匹配电路14；接收阻抗匹配电路14起调谐作用，使接收压电陶瓷13输出阻抗与负载16的阻抗相匹配；整流电路15将接收阻抗匹配电路14传输的高频交流电能转换为直流电能并提供给负载16。
所述超声波绝缘传输介质2包括裙伞结构包裹外壳21以及被裙伞结构包裹外壳21包裹的柱形玻璃22或柱形陶瓷23。
通过增加发射压电陶瓷10和接收压电陶瓷13的数量能够提高超声波传能系统的传输功率。
所述逆变电路6由四个MOS管两两串联后再并联组成；所述发射阻抗匹配电路9由相串联的电感和电容组成，电感和电容的另一端分别连接在逆变电路6的两两串联的MOS管之间；所述发射压电陶瓷10与发射阻抗匹配电路9的电容并联连接。
所述整流电路15由四个二级管两两串联后再并联组成；所述接收阻抗匹配电路14包括一个电感，电感的一端连接在整流电路15两个串联的二级管之间，另一端连接接收压电陶瓷13一端，接收压电陶瓷13另一端连接在整流电路15另外两个串联的二级管之间。
所述发射压电陶瓷10和接收压电陶瓷13的材料采用PZT-4。
所述负载16为高压电等级的用电设备。
本发明的有益效果是：
1)采用了基于超声波的能量传输技术，有效解决了低电压等级的电源无法直接对高压电力系统中的监测设备及电力电子开关器件安全供电的问题；
2)电站内部都配有稳定的储能系统，直接从中取电，可以保证稳定供电；
3)带载能力强，功率大，体积小，且不会影响用电设备正常工作；
4)在超声波发射装置和接收装置中，都加入了阻抗匹配，减小无功损耗，提高了系统的传输能力和传输效率；
5)装置结构简单，体积小，传输功率体积比较大；
附图说明
图1是本发明的电路原理框图。
图2是本发明超声波发射装置1的电路图。
图3是本发明超声波绝缘传输介质2的结构示意图。
图4是本发明超声波接收装置3的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图1所示，一种用于高压电力系统的超声隔离式电源供应装置，包括超声波发射装置1、超声波绝缘传输介质2和超声波接收装置3；
所述超声波发射装置1包括高频电源4、发射阻抗匹配电路9、发射压电陶瓷10、发射电极片11、发射导电胶17和发射环氧胶18；所述高频电源由直流电源5、逆变电路6、驱动电路7和DSP开发板8组成；DSP开发板8产生高频PWM控制信号，高频PWM控制信号经由驱动电路7进行放大后输出到逆变电路6，控制逆变电路6将直流电源5提供的直流电压转换为高频交流电压，连同放大后的高频PWM控制信号输出到发射阻抗匹配电路9；发射阻抗匹配电路9一方面用于调谐，使超声波发射装置1工作在谐振状态，另一方面进行阻抗变换，使输入阻抗达到设定值，然后输出适配的电压激励发射压电陶瓷10，发射压电陶瓷10利用逆压电效应将两端的激励电压转换为高频机械振动，并以超声波的形式向超声波接收装置3发射。
所述超声波绝缘传输介质2包括裙伞结构包裹外壳21以及被裙伞结构包裹外壳21包裹的柱形玻璃22或柱形陶瓷23。采用柱形玻璃22或柱形陶瓷23作为超声波传输过程中的主要传输介质，一方面可以减少超声波的反射率，另一方面可以减少超声波的衰减，从而保证超声波从超声波发射装置1以较低的损耗传输到超声波接收装置3。裙伞包裹外壳21可以保护柱形玻璃22或柱形陶瓷23，并增加爬电距离，提高绝缘强度。
所述超声波接收装置3包括接收电极片12、接收压电陶瓷13、接收阻抗匹配电路14、整流电路15、负载16、接收环氧胶19和接收导电胶20；接收压电陶瓷13利用压电效应将接收的超声波转换为高频电压，再将高频电压传输给接收阻抗匹配电路14。接收阻抗匹配电路14起调谐作用，使接收压电陶瓷13输出阻抗与负载16的阻抗相匹配。整流电路15将接收阻抗匹配电路14传输的高频交流电能转换为直流电能并提供给负载16。
所述的超声波绝缘传输介质2的两端通过发射环氧胶18和接收环氧胶19分别与超声波发射装置1的发射压电陶瓷10和超声波接收装置3的接收压电陶瓷13粘连耦合在一起。
所述的发射压电陶瓷10和接收压电陶瓷13的材料选择PZT-4，通过增加发射压电陶瓷10和接收压电陶瓷13的数量可以提高超声波传能系统的传输功率。
所述的负载为高压电等级的用电设备。
如图2所示，为超声波发射装置1的电路图。Vin为直流电源5，M1，M2，M3和M4为四个MOS管，组成逆变电路6；第一电感L1和电容C1组成阻抗匹配电路9，起到调谐和阻抗变换的作用。P1为发射压电陶瓷10，在高频电压的激励下发射超声波。
如图3所示，为超声波绝缘传输介质2分别与发射压电陶瓷10和接收压电陶瓷13粘连的结构示意图，发射压电陶瓷10和发射电极片11由发射导电胶17粘连，发射电极片11与超声波绝缘传输介质2通过发射环氧胶18粘连，超声波绝缘传输介质2与接收电极片12通过接收环氧胶19粘连，接收压电陶瓷13和接收电极片12由接收导电胶20粘连。超声波绝缘传输介质2的内部是一个柱形玻璃22或柱形陶瓷23，是超声波传输的主要通道，现有绝缘材料中，玻璃和陶瓷的声波衰减系数较低，是优良的传声绝缘介质。柱形玻璃22或柱形陶瓷23的周边是一个裙伞结构包裹外壳21，由硅橡胶等绝缘材料组成，一方面起到保护柱形玻璃22或柱形陶瓷23的作用，另一方面可以增加爬电距离，增强超声波绝缘传输介质2的击穿强度。发射压电陶瓷10和接收压电陶瓷13的另外一侧为空气，可以有效防止声波反方向传输，从而减少声波损耗。
如图4所示，所述为超声波接收装置3的电路图。P2为接收压电陶瓷13，将收到的超声波转换为高频电压。第二电感L2为阻抗匹配电路14，起到调谐和阻抗变换的作用；D1，D2，D3和D4为四个二级管，组成整流电路15；ZL为高电压等级的负载16。
Claims (7)
1.一种用于高压电力系统的超声隔离式电源供应装置，其特征在于：包括超声波发射装置(1)、超声波绝缘传输介质(2)和超声波接收装置(3)；
所述超声波发射装置(1)包括高频电源(4)、发射阻抗匹配电路(9)、发射压电陶瓷(10)、发射电极片(11)、发射导电胶(17)和发射环氧胶(18)；所述超声波接收装置(3)包括接收电极片(12)、接收压电陶瓷(13)、接收阻抗匹配电路(14)、整流电路(15)、负载(16)、接收环氧胶(19)和接收导电胶(20)；所述高频电源由直流电源(5)、逆变电路(6)、驱动电路(7)和DSP开发板(8)组成；直流电源(5)与逆变电路(6)的一端电连接；驱动电路(7)分别与逆变电路(6)的另一端和DSP开发板(8)电连接；逆变电路(6)与发射阻抗匹配电路(9)的一端电连接，发射阻抗匹配电路(9)的另一端与发射压电陶瓷(10)电连接；发射压电陶瓷(10)与发射电极片(11)通过发射导电胶(17)粘接，发射电极片(11)的另一侧通过发射环氧胶(18)与超声波绝缘传输介质(2)粘接，超声波绝缘介质(2)通过接收环氧胶(19)与接收电极片(12)粘接，接收电极片(12)的另一侧通过接收导电胶(20)与接收压电陶瓷(13)粘接，接收压电陶瓷(13)与接收阻抗匹配电路(14)的一端电连接，整流电路(15)分别与接收阻抗匹配电路(14)的另一端和负载(16)电连接；
DSP开发板(8)产生高频PWM控制信号，高频PWM控制信号经由驱动电路(7)进行放大后输出到逆变电路(6)，控制逆变电路(6)将直流电源(5)提供的直流电压转换为高频交流电压，连同放大后的高频PWM控制信号输出到发射阻抗匹配电路(9)；发射阻抗匹配电路(9)一方面用于调谐，使超声波发射装置(1)工作在谐振状态，另一方面进行阻抗变换，使输入阻抗达到设定值，然后输出适配的电压激励发射压电陶瓷(10)，发射压电陶瓷(10)利用逆压电效应将两端的激励电压转换为高频机械振动，并以超声波的形式向超声波接收装置(3)发射；接收压电陶瓷(13)利用压电效应将接收的超声波转换为高频电压，再将高频电压传输给接收阻抗匹配电路(14)；接收阻抗匹配电路(14)起调谐作用，使接收压电陶瓷(13)输出阻抗与负载(16)的阻抗相匹配；整流电路(15)将接收阻抗匹配电路(14)传输的高频交流电能转换为直流电能并提供给负载(16)。
2.根据权利要求1所述的一种用于高压电力系统的超声隔离式电源供应装置，其特征在于，所述超声波绝缘传输介质(2)包括裙伞结构包裹外壳(21)以及被裙伞结构包裹外壳(21)包裹的柱形玻璃(22)或柱形陶瓷(23)。
3.根据权利要求1所述的一种用于高压电力系统的超声隔离式电源供应装置，其特征在于，通过增加发射压电陶瓷(10)和接收压电陶瓷(13)的数量能够提高超声波传能系统的传输功率。
4.根据权利要求1所述的一种用于高压电力系统的超声隔离式电源供应装置，其特征在于，所述逆变电路(6)由四个MOS管两两串联后再并联组成；所述发射阻抗匹配电路(9)由相串联的电感和电容组成，电感和电容的另一端分别连接在逆变电路(6)的两两串联的MOS管之间；所述发射压电陶瓷(10)与发射阻抗匹配电路(9)的电容并联连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于高压电力系统的超声隔离式电源供应装置，其特征在于，所述整流电路(15)由四个二级管两两串联后再并联组成；所述接收阻抗匹配电路(14)包括一个电感，电感的一端连接在整流电路(15)两个串联的二级管之间，另一端连接接收压电陶瓷(13)一端，接收压电陶瓷(13)另一端连接在整流电路(15)另外两个串联的二级管之间。
6.根据权利要求1所述的一种用于高压电力系统的超声隔离式电源供应装置，其特征在于，所述发射压电陶瓷(10)和接收压电陶瓷(13)的材料采用PZT-4。
7.根据权利要求1所述的一种用于高压电力系统的超声隔离式电源供应装置，其特征在于，所述负载(16)为高压电等级的用电设备。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |