CN212063519U - 组合式开关电场感应取电装置 - Google Patents

Abstract

组合式开关电场感应取电装置，用于高压交流设备的供电，通过把感应板感应到的高压小电流整流并经过储能电路中储能电容存储，再经过降压电路与多只电子开关串联，降压电路有使用续流电感的串联式与使用降压变压器的并联式2种，电子开关并联有均压电路；启动电源为驰张振荡电路供电，驰张振荡电路发生电路发出脉冲通过隔离电路控制多个电子开关闭合与断开，成高压脉冲电能，降压电路中续流电感或降压变压器把高压脉冲电能转化成低压脉冲电能传递给滤波储能电容，实现把高压弱电流电能转变成低压大电流电能。

Description

组合式开关电场感应取电装置

技术领域

本实用新型涉及高压交流设备的供电系统。

背景技术

现有高压交流设备除了直接使用高压交流电源，需要另行供电的多为市电供电，自带电源，感应取电3类方式供电；市电供电多用于给功耗大的大型设备供电，需要设置输电线路，使用中多有不便；自带电源通常由化学一次电池供电，或化学二次电池加太阳能电池或风力发电组合，一次电池供电需要定期更换电池，一次与二次电池有漏液与在高温下爆炸的危险，电池泄漏出的物质具有导电性，会造成高压电力系统短路的危险；感应取电直接从高压输电线路中摄取电能，具体分为电流感应取电与电场感应取电2种，电流感应取电利用电流互感器原理，从输电线路产生的磁场中摄取电能，高压输电线路中的电流不稳定，电流小时取得的电能也小，甚至取不到电，电流大时有磁芯过热的问题，电流感应取电取得的电能很不稳定。

电场感应取电利用感应板（如图1中1）本身的对地电容，与三相高压输电线路中之一路相连接的高压端（如图1中2）形成电压差，以此作为原始电源，该电源特点是开路电压高，等于相电压，短路电流与感应板外形与高压端对地电压高低有关，是个极小的数值，通常在数μA或数十μA数量级；原始电源经过整流电路（如图1中3）进行整流，之后经过倍流电路，即整流电路（如图1中3）后部的电路，进行降压增流，电路原理如下：

整流电路（如图1中3）输出的直流电流经过充电二极管（如图1中11～13）与之串联的储能电容（如图1中14～17），储能电容（如图1中14～17）每只的容量相等，对储能电容进行串联充电，后级电容储能电容（如图1中17）电压超过双向触发二极管（如图1中19）转折电压时，可控硅（如图1中20）被触发，形成大电流放电，原始电源输出电流能力极低，电压被拉低，储能电容（如图1中14～17）通过放电二极管（如图1中5～10）以并联方式经过可控硅（如图1中20）、限流电阻（如图1中21）对末级储能滤波电容（如图1中22）进行放电，放电电流减小到可控硅（如图1中20）维持电流时，可控硅截止，电路重复充电过程；由前述倍流电路工作原理可知，倍流电路有多少单节储能电路（如图1中4），就相应有多少倍率的降压增流能力，其中首尾单节储能电路中二极管数目有所减少。

要使负载得到最大功率，负载与电源阻抗必须匹配，使负载阻抗等于电源阻抗，电场感应取电的电源输出端是感应板（如图1中1）与高压端（如图1中2），电源阻抗为感应板（如图1中1）对地电容，为纯容性阻抗，负载阻抗为整流电路（如图1中3）与之连接的倍流电路与后级电路，其伏安特性可以视为纯电阻，是个非线性电阻，倍流电路起阻抗变换器作用，电源的电容性阻抗与负载的电阻性阻抗相等时，负载2端的电压受电源的电容性阻抗移相影响，相位超前电源相位45°，对应电压值为电源U×sin45°, 对于常见的10kV线电压输电线路，感应板（如图1中1）对高压端（如图1中2）电压为相电压5.8kV， 达到理想阻抗匹配时，负载2端的电压=5.8kV×sin45=4.1 kV。

倍流电路倍流能力为4倍时，倍流电路输出电压为20V时感应板与高压端的输出电压为20V×4=80V，80V离理想阻抗匹配时电压4.1kV偏离得极大，这导致电场感应取电方式取电效率极低，输出电能极小；专利201620015202.8公布了一种效率较高的电场感应取电方式，通常可以使感应板与高压端的输出电压达到1500V，但使用了开关电源，体积较大。

电场感应取电方式的感应板形状与位置固定时，取得的电能值只与高压端对地电压有关，该电压与输电线路的线电压成正比例关联，输电线路的线电压极为稳定，因此电场感应取电方式取得的电能极为稳定。

发明内容

本实用新型提供一种主要用于高压输电线路取电用的电场感应取电装置；现有技术中的感应板、高压端、整流电路保留，高压端也可以是通过感应板与三相高压输电线路中之一路之间的分散电容连接，高压端也可以更换成与大地相连接的接地端；此外还可以使用2个或者3个感应板对应不同火线形成原始电源，使用3个感应板时，后级整流电路使用三相桥式整流电路。

电路原理见图2（如图2）电路原理方框图，整流电路输出端与储能电路（如图2中1）连接，储能电路（如图2中1）也可以是感应板与高压端或者与大地或者与其它感应板形成的分布电容通过整流电路输入端接入代替，后通过串联的电子开关2、3（如图2中2、3）与降压电路（如图2中6）连接，启动电源（如图2中7）与驰张振荡电路（如图2中8）连接，为其供电，驰张振荡电路（如图2中8）通过隔离电路（如图2中9、10）与电子开关（如图2中2、3）控制极连接，降压电路（如图2中6）输出端与电压采样电路（如图2中11）连接，电压采样电路（如图2中11）与驰张振荡电路（如图2中8）连接。

储能电路（如图2中1）最简单形式是使用单只储能电容形成储能电路，储能电路（如图2中1）复杂的形式是，使用多只储能电容（如图1中14～17）与整流二极管（如图1中11～13与5～10）按照背景技术中倍流电路（如图1）中的方式连接，与电子开关（如图2中2、3）形成倍流电路，储能电容（如图1中14～17）充电路径为串联方式充电，放电路径为并联方式放电；储能电路3、4（如图2中3、4）中储能电容容量通常相等。

通常在储能电路（如图2中1）串联回路中再串联一组储能电路，或者新增加的储能电路通过限流电阻与整流电路输出端连接，新增加的储能电路与背景技术中专利201620015202.8提供的电源连接或者是连接其它类型高效率开关电源作为启动电源（如图2中7）；启动电源（如图2中7）还可以是化学电池备用电源，使用化学电池备用电源作为启动电源（如图2中7）时，则不需要额外的储能电路，组合式开关电场感应取电装置启动后，由输出端代替化学电池备用电源作为启动电源（如图2中7），这可以选用电压比组合式开关电场感应取电装置输出电压略低的化学电池备用电源，化学电池备用电源与组合式开关电场感应取电装置输出端负极相连接，化学电池备用电源正极连接二极管正极，二极管负极连接组合式开关电场感应取电装置输出端正极，这样化学电池备用电源作为组合式开关电场感应取电装置最初启动用电源，组合式开关电场感应取电装置启动后，二极管阻断化学电池备用电源与组合式开关电场感应取电装置的电路连接。

电子开关2、3（如图2中2、3）串联使用时，参数差别较大时，在关断时承受电压会有差异，对过电压负面影响较大的电子开关（如图2中2、3）应该并联均压电路（如图2中4、5），均压电路（如图2中4、5）通常是由击穿电压比电子开关（如图2中2、3）工作电压高一些的稳压二极管或者TVS管构成，也可以由压敏电阻构成，要求不高时也可以使用普通电阻代替。

隔离电路（如图2中9、10）作用在于对驰张振荡电路（如图2中8）与电子开关（如图2中2、3）进行电气隔离，隔离电路（如图2中9、10）隔离方式通常有光电隔离与磁场隔离2种，光电隔离用光耦隔离或由光电发射与光电接收装置之间的光纤实现电气隔离，磁场隔离利用变压器初级与次级线圈电气隔离作用实现电气隔离。

降压电路（如图2中6）有串联式（如图3中4）与并联式（如图4中4）2种，作用在于把储能电路（如图2中1）经过电子开关（如图2中2、3）反复闭合断开形成的高压脉冲电能滤波成低压恒定的电能；降压变压器（如图4中2）也可以是自耦变压器，降压变压器（如图4中2）工作在正激与反激状态均可，工作在正激状态时输出电路中还需要补加续流电感与续流二极管。

组合式开关电场感应取电装置工作过程为，原始电源经过整流电路成高压直流电，存储在储能电路（如图2中1），启动电源（如图2中7）给驰张振荡电路（如图2中8）供电，驰张振荡电路（如图2中8）发出脉冲信号，经过隔离电路（如图2中9、10）传递到电子开关（如图2中2、3）控制极，控制电子开关（如图2中2、3）周期性闭合与断开，形成高压脉冲电能，高压脉冲电能经过串联式（如图3中4）降压电路，电能经过续流电感（如图3中2）吸收储能，通过续流二极管（如图3中1）缓慢释放给滤波储能电容（如图3中3），完成把高压弱电流电能转变成低压大电流电能过程；高压脉冲电能经过并联式（如图4中4）降压电路，通过降压变压器（如图4中2）降为低压电能给滤波储能电容（如图4中3）充电，整流二极管防止电能逆流回降压变压器（如图4中2），完成把高压弱电流电能转变成低压大电流电能过程。

组合式开关电场感应取电装置中电子开关（如图2中2、3）数量为多只串联，不限于2只，目的提高耐压，让其工作在更高电压范围，更有效的利用原始电源的电能，而获得更高的取电效率。

附图说明

图1为现有电场感应取电方式电路原理图，1为感应板，2为高压端，3为整流电路，4为倍流电路中单节储能电路，5～10为放电二极管，11～13为充电二极管，14～17为储能电容，18为限流电阻，19为双向触发二极管，20为可控硅，21为限流电阻，22为末级储能滤波电容。

图2为组合式开关电场感应取电装置电路原理方框图，1为储能电路，2、3为电子开关，4、5为均压电路，6为降压电路，7为启动电源，8为驰张振荡电路，9、10为隔离电路，11为电压采样电路。

图3为串联式降压电路，1为续流二极管，2为续流电感，3为滤波储能电容，方框4内元件为完整的串联式降压电路。

图4为并联式降压电路，1为整流二极管，2为降压变压器，3为滤波储能电容，方框4内元件为完整的并联式降压电路。

具体实施方式

储能电路（如图2中1）最简单形式是使用单只储能电容形成储能电路，工作电压较高时，可以使用多只电容串联，电容并联有与电子开关（如图2中2、3）并联的类型均压电路（如图2中4、5）均压。

降压电路（如图2中6）为并联式（如图4中4）时，工作电压较高时，单只降压变压器（如图4中2）初级线圈承受电压较高，制造难度较大，可以使用多只变压器初级串联，提高耐压，次级并联或者串联输出。

驰张振荡电路（如图2中8）发出的脉冲信号为固定状态时，只适合恒定功率负载，并不适合负载有变动的情况；对于负载有变动的情况，应在组合式开关电场感应取电装置输输出端增加电压采样电路（如图2中11），实际使用中电压采样电路（如图2中11）形式可以是现有开关电源中采用的形式，电压采样电路（如图2中11）与驰张振荡电路（如图2中8）连接，驰张振荡电路（如图2中8）发出的脉冲信号受控于电压采样电路（如图2中11）给出的电压信号，组合式开关电场感应取电装置输输出端电压变化时，驰张振荡电路（如图2中8）发出的脉冲信号频率或占空比发生变化，最终达到稳定输出端电压目的。

新增加的储能电路通过限流电阻与整流电路输出端连接，新增加的储能电路与背景技术中专利201620015202.8提供的电源连接或者是连接其它类型高效率开关电源作为启动电源（如图2中7）；可以使用现有开关电源技术中振荡电路构成驰张振荡电路（如图2中8），对电子开关（如图2中2、3）进行开关控制，达到使输出端电压稳定的目的。

储能电路（如图2中3、4）串联回路中再串联一组储能电路，新增加的储能电路与背景技术中专利201620015202.8提供的电源连接或者是连接其它类型高效率开关电源作为启动电源（如图2中7），将现有开关电源技术中振荡电路构成驰张振荡电路（如图2中8）输出的信号经过反相器进行反相处理，也可以达到使组合式开关电场感应取电装置输输出端电压稳定的目的，稳压具体过程是，如果组合式开关电场感应取电装置输输出端电压升高，则电子开关（如图2中2、3）对储能电路（如图2中1）储能电容放电速度加快，导致储能电路（如图2中1）储能电容的电压平均值下降，使感应板与高压端电压减少，感应板与高压端的电流只是小幅度增加，感应板取得的电能总功率下降，最终转换到组合式开关电场感应取电装置输输出端的电能也减小，使输出端电压下降，完成稳压过程，如果输出端电压过低时，稳压过程与前述相反。

电压采样电路（如图2中11）输出的电压信号经过低通滤波器，再连接驰张振荡电路（如图2中8），低通滤波器截止频率低于工频倍频的频率，储能电路（如图2中1）中电容放电时间常数也低于工频倍频的频率，则流经整流电路的电流波形接近正弦波，起到有源功率因数校正作用，对感应板采集到的电能利用效率也增加；但这样组合式开关电场感应取电装置输输出端低频纹波将会大幅增加，应该在组合式开关电场感应取电装置输输出端添加稳压电路，对输出电压进行稳压，稳压电路类型通常为DC-DC类型，也可以使用线性稳压电源，要求输出多路电压时，应该使用AC-DC类型。

本实用新型公布的电源可以用作巡线机器人及除冰机器人的电源，实现稳定的无间断供电。

Claims (4)

1.组合式开关电场感应取电装置，用于高压交流设备的供电，包括现有技术中的感应板、高压端、整流电路，或者高压端通过感应板与三相高压输电线路中之一路之间的分散电容连接，高压端或者更换成与大地相连接的接地端；或者使用2个或者3个感应板对应不同火线形成原始电源，使用3个感应板时，后级整流电路使用三相桥式整流电路，其特征在于：整流电路输出端与储能电路连接，储能电路或者是感应板与高压端与大地或者与感应板形成的分布电容通过整流电路输入端接入代替，后通过串联的电子开关与降压电路连接，启动电源与驰张振荡电路连接，驰张振荡电路通过隔离电路与电子开关控制极连接；降压电路有串联式与并联式2种。

2.如权利要求1所述组合式开关电场感应取电装置，其特征在于：电子开关并联有均压电路。

3.如权利要求1所述组合式开关电场感应取电装置，其特征在于：储能电路使用多只电容串联形成储能电路，电容并联有与电子开关并联的类型均压电路。

4.如权利要求1所述组合式开关电场感应取电装置，其特征在于：降压电路输出端包含有电压采样电路，电压采样电路与驰张振荡电路连接。

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