专利名称：一种电流互感器自取能电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及交流电网侧的能量提取技术，尤其涉及一种电流互感器自取能电路，属于电力系统技术领域。
背景技术：
电流互感器取能技术，适用于一些供能不方便的应用场合，如输电线路污秽绝缘子串的泄漏电流、导线覆冰状态、导线及接头温度等检测设备，因采集信号的各种传感器及信号发送单元等都在架空线附近，不可能使用常规电源。电流互感器取能技术是解决这类设备供电电源问题的一个较好的方法。电流互感器取能的工作原理是将交流电流通过互感器对其大小进行变换，互感器的输出通常加上冲击保护，然后通过整流滤波电路得到一定范围的直流电压，再通过稳压环节获得稳定的低压直流电。
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但是，电流互感器取能在技术上存在一定的困难，主要原因是一次侧电流变化范围较大，整流滤波后的电压会出现大范围的波动，后级的稳压环节设计比较困难。国内外一些文献资料上提出了部分解决方法如电流大时对电流互感器的输出电流进行间隔性短路，限制其能量对后级的传输，该方法在一次侧电流较大时效率低下，发热严重；利用电流互感器的磁饱和特性，使得一次侧电流较大时互感器饱和，限制其输出电流，但这种方法效率同样低下，互感器的铁芯发热严重；虽然采用电流互感器开气隙的方法可以有效防止磁芯饱和，降低铁芯损耗，但输入侧电流变化范围受到限制，通常只适用于电流变化比小于20(最大值比最小值的比值)的场合，取能电流存在工作“死区”，同时整流后的电压变化范围较大,应用上存在缺陷。另一种解决一次侧电流变化范围大以及降低损耗的方法是电流互感器的输出采用两个绕组，利用互感器磁链守恒原则(NP*ip=Nsl*isl+NS2*iS2)，匝数少的绕组Nsi用来取能，匝数多的绕组Ns2用来分摊磁链。中国专利201010195944. 0部分电路利用了该原理，其电流互感器输出采用了两个绕组，当一次侧电流大到一定程度时绕组Ns2开始工作，分摊了部分磁链。为了解决绕组Nsi电压不足，其后级采用了升压电路，同时前级采用MOS管分流方式限制其输入电压，但会增加通态损耗。该专利采用的方法取能部分整体效率有一定的提高，但并不理想，同时存在一定的电流区间使得Nsi上的电压偏低，需要通过升压环节进行升压，影响了取能效率，增加了电路的复杂性。如果能实现一次侧电流工作大范围变化下的取能，电流互感器的取能技术将能得到更广泛的应用。因此，需要尽快解决电流互感器存在的电流变化不宽、取能效率低下、可靠性不高等问题。
发明内容
本发明的目的在于解决电流互感器取能存在的不足，实现一次侧电流工作大范围变化下的取能，提高取能效率，扩大电流互感器的取能技术应用范围。为了实现上述功能，本发明提供以下技术方案一种电流互感器自取能电路，其特征是，将电流互感器输出端的一个取能绕组接到自取能电路上，由自取能电路给负载提供直流电压，将所述电流互感器输出端的另一个绕组接到磁链旁路电路上，用来间歇性的旁路互感器输出磁链，所述磁链旁路电路同时与自取能电路连接，由所述自取能电路驱动。所述自取能电路包括冲击保护电路、整流滤波电路、比较电路、驱动电路、稳压电路；
电流互感器输出端的一个取能绕组接到冲击保护电路，冲击保护电路的输出接到整流滤波电路，整流滤波电路的输出接到比较电路中，比较电路的输出接到驱动电路上；整流滤波电路的输出同时接到稳压电路的输入端，稳压电路的输出送到负载；
驱动电路驱动磁链旁路电路。所述电流互感器输出端另一绕组接到磁链旁路电路上，磁链旁路电路包括一冲击保护TVS管，冲击保护TVS管输出接到整流桥，整流桥的输出接到高压开关管，所述高压开关管驱动端与驱动电路的输出端连接。·所述电流互感器输出端另一绕组接到磁链旁路电路上，磁链旁路电路包括一冲击保护TVS管，冲击保护TVS管并接到两个串联的高压开关管上，两个高压开关管的漏极或发射极连接到一起，两个高压开关管的栅极连接到所述驱动电路的输出端。所述冲击保护电路为冲击保护TVS管、压敏电阻或气体放电管。所述整流滤波电路包括一整流桥，所述整流桥的输出端接到一储能电容的两端，储能电容的两端同时与比较电路、稳压电路并联。所述比较电路中包含一比较器，所述整流滤波电路的输出通过分压电路接到比较器的正向输入端，所述比较器的反向输入端接到基准电压上，所述比较器的输出接到所述驱动电路的输入端。所述比较器的输出端同时通过一电阻接到模拟电压端。所述驱动电路包括由两个三极管组成的图腾柱，所述比较电路的输出端接到图腾柱的输入端，所述图腾柱的输出端连接至一稳压管的阳极，稳压管的阴极通过一限流电阻连接到所述磁链旁路电路中。所述稳压管的阴极连接限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端连接到所述磁链旁路电路中的高压开关管的栅极。本发明所达到的有益效果
本发明采用纯模拟器件，由电流互感器、TVS管、电阻、二极管(整流桥)、电容、比较器、三极管、高压开关管(可以为大功率三极管、MOSFET、IGBT等)等高可靠性、低成本的元器件构成，这些器件的抗干扰能力强，不易损坏。本发明充分利用磁链守恒和开关电源的脉宽工作原理，能够将取能绕组Nsi上的电压限制在很窄的范围波动，大大方便了后级稳压电路的设计。本发明利用了磁链守恒的特殊应用，电流互感器输出两个绕组交替流过电流(Ns2起磁链旁路作用)，取能绕组Nsi不会出现大电流长时间通流，取能环节损耗低，两个绕组上的电压稳定。同时，由于利用类似开关电源的脉宽工作原理，可以实现宽输入电流变化范围(电流变化比大于100)情况下的稳压，后级降压或DC/DC变化设计简单，整体效率高。本发明充分利用磁链守恒和类似开关电源的脉宽工作原理，实现了一次侧电流宽范围变化的可靠取能。本发明整体损耗小，结构简单，可靠性高，解决了电流互感器取能的固有缺陷。
图I是电流互感器自取能电路的原理框 图I是电流互感器自取能电路 图2是本发明的具体实施电路；
图3为磁链芳路电路的另一种形式；
图4为仿真波形；
图5为仿真波形展开到一个周期后的波形。·
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。 如图I所示，本发明的电流互感器自取能电路是电流互感器10的一个绕组输出接到自取能电路SI上，自取能电路给负载提供稳定可靠的直流电压，电流互感器10的另一个绕组输出接到磁链旁路电路21上，用来间歇性的旁路互感器输出磁链。其工作原理是随着电流互感器一次侧电流的变化，自取能电路SI中的电流和磁链旁路电路21中的电流交替流过，两者关系为互补，通过比较电路实现闭环调节，自取能电路SI中的电流脉冲宽度和总导通时间随着一次侧电流和输出负载大小相应变化，确保自取能电路SI中储能电容上的电压稳定在一定的范围内。如图2所示，自取能电路SI包括冲击保护电路11、整流滤波电路12、比较电路13、驱动电路14、稳压电路15。电流互感器(简称CT) 10输出取能绕组Nsi接到冲击保护电路11，冲击保护电路11的输出接到整流滤波电路12，整流滤波电路12的输出通过分压电路接到比较电路13的“ + ”，比较电路13的“一”接到基准电压上，基准电压可以由稳压芯片产生一个稳定的电压Vref，比较电路13的输出接到驱动电路14上，整流滤波电路12的输出同时接到稳压电路15 (或DC/DC电路)的输入端，稳压电路15的输出送到负载。CTlO输出绕组Ns2接到磁链旁路电路21，磁链旁路电路21输出接到整流桥，整流桥的输出接到高压开关管，其驱动端接到驱动电路14上，CTlO输出绕组Ns2相连的电路构成磁链旁路电路21，磁链芳路电路21可以有另一种电路结构磁链芳路电路21并接到两个串联的闻压开关管上，两个高压开关管的背靠背(漏极或发射极接到一起)串接到一起，两个开关管的驱动端并接到驱动电路14的输出端。图3中CTlO的绕组Np可以直接接到一次侧，也可以接到一次电流互感器变换后的输出上，两种接法的绕组匝数不同。CTlO输出绕组Nsi两端接到冲击保护TVS管Tl上，冲击保护TVS管Tl两端接到整流滤波电路12的整流桥BI输入端，整流桥BI的输出端接到储能电容Cl的两端，储能电容Cl的输出接分压电阻Rl、R2，分压电阻Rl、R2串联，分压电阻R1、R2连接点接到比较器Xl的正向输入端，比较器Xl的反向输入端接基准电压Vref，基准电压Vref可以设定电压值如2. 5V，由稳压芯片Ul如TL431、分压电阻分压后的电压或其他形式产生，Ul的输入通过电阻R3接到储能电容Cl的正端，Ul的输出与电容C2接到比较器Xl的反向输入端，比较器Xl的输出端通过电阻R4反馈到比较器的正向输入端，比较器Xl的输出端通过电阻R5接到储能电容Cl的正端(即模拟电压Vcc)，比较器Xl的输出端同时接到三极管Ql、Q2组成的图腾柱输入端，为了防止模拟电压\c建立过程中比较器Xl误判导致驱动信号输出，图腾柱的输出接到稳压管Zl (其稳压值如3. 3V)的阳极，稳压管的阴极接到限流电阻R6的一端，限流电阻R6的另一端接到磁链旁路电路21中的开关管Q3的驱动极，限流电阻R6的另一端同时经电阻R7接地；储能电容Cl的输出还接到稳压电路15的输入端(即稳压器U2的输入端)，稳压器U2的输出接滤波电容C3后给后级负载供电，本实施例中稳压器选择型号为7805。电流互感器10的输出绕组Ns2接到冲击保护TVS管T2上，冲击保护TVS管T2的输出接到整流桥B2的输入端，整流桥B2的“ + ”输出端接到开关管集电极或漏极，整流桥B2的“ 一 ”输出端接到开关管发射极或源极，整流桥B2的“ 一 ”输出端与自取能电路SI中的地接到一起。图4是磁链旁路电路21的另一种连接形式，即绕组Ns2接到冲击保护TVS管T3上，冲击保护TVS管T3的两端接背靠背串联的开关管Q4、Q5,开关管Q4、Q5的漏极或发射极接到一起接自取能电路SI地，两个开关管Q4、Q5的驱动端并接到驱动电路14的输出端。·对应电流互感器10刻意增加绕组，取能实现方式采用上述方法的属于本发明范围内。冲击保护电路11采用压敏电阻、气体放电管等其它防护型式，但后级实现方式类似上述方法的也属于本发明范围内。对整流滤波电路12增加电容、电阻、电感等元器件，前后级实现方式类似本发明方法的也属于本发明范围内。对比较器电路13增加电容、电阻、三极管、稳压管等元器件，或用其它方式产生基准电压Vref，或用运放等其它器件做比较电路，前后级实现方式类似本发明方法的也属于本发明范围内。对驱动电路14电容、电阻、三极管、稳压管等元器件，前后级实现方式类似本发明方法的也属于本发明范围内。对稳压电路15or DC/DC电路增加电容、电阻、电感等元器件，前后级实现方式类似本发明方法的也属于本发明范围内。在其他实施方式中，本领域普通技术人员也可以意识到，将上述电路中减少部分仅使本电路效果较佳的元器件，并不影响其它实现功能的，也属于本发明范围内。图5中给出了 CT (匝比1: 1:10) —次侧电流ip为5A情况下的仿真波形，储能电容取IOOuF (增大储能电容值可以减小Ncc上的脉动幅值)，Vcc所带负载功率约为2W，图中第一个电流波形是绕组Nsi的电流波形，第二个电流波形是绕组Ns2的电流波形，第三个波形是储能电容Cl上的电压V。。的波形；图6是仿真波形展开到一个周期后的波形，图中可以看出两个绕组流过电流(isl、iS2)为斩波形式，一个绕组有电流时，另一绕组电流为零，关系为类似互补。本发明的工作原理如下
本发明通过对电流互感器CT的磁链守恒NP*ip=Nsl*isl+NS2*iS2，两个输出绕组Nsi和Ns2交替流过电流isl、iS2，随着一次侧电流ip的逐渐变大，每个正弦周期(设为T)中，输出绕组Nsi流过电流的总时间(设为Tnsi)逐渐减小，输出绕组Ns2流过电流的总时间(设为Tns2)由零逐渐增加，两者流过电流的时间互补，相加起来等于一个周期。当一次侧电流较小时，由于取能绕组回路电压\c还未建立到目标值(如10V)，分压电路的输出电压低于基准电压Vref,比较器Xl输出为低，驱动电路无输出，开关管Q3关断，绕组Ns2无电流流过，绕组Nsi实现一次侧小电流情况下的取能，其电流值为isl = ip* NP/NS1 ;当一次侧电流“增大时，iS2相应的增大，取能绕组回路电压V。。上升到目标电压，分压电路的输出电压高于基准电压Vref,比较器Xl翻转，输出为高，驱动电路输出高电平，开关管Q3开通，绕组Ns2流过电流，其电流值为iS2 = ip* Np/ Ns2,由于绕组Ns2匝数多，电流值为iS2较小，开关管Q3上的损耗较低，Q3导通后，CT副边侧的电压钳在近似零，Nsi绕组电压也近似零，自取能电路SI的储能电容Cl开始放电，分压电阻上的电压开始下降，当下降到小于基准电压时，比较器Xl再次翻转，为了防止抖动，比较器采用迟滞比较(迟滞宽度可以通过电阻R4设置)，驱动电路输出低电平，开关管Q3关断，绕组Ns2电流中断，磁链电流再次转到绕组Nsi，电流isl又对储能电容Cl充电，如此周而复始，电流isl波形为正弦包络下的间歇性脉冲式电流，电流iS2同样如此。一次侧电流越大，电流isl脉冲的宽度越窄，间歇的时间越长(即Tnsi越小)，相反电流iS2脉冲的宽度越宽，间歇的时间越短(即Tns2越大)。电流isl类似开关电源中的脉宽调制概念，区别是其电流是在正弦包络下的脉冲(开关电源电压斩波通常是恒定的电压脉冲)，同·开关电源闭环调节类似，整个取能回路也是工作在闭环状态，但储能电容Cl上的电压是一个脉动的值，因此后级需要滤波稳压。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种电流互感器自取能电路，其特征是，将电流互感器输出端的一个取能绕组接到自取能电路上，由自取能电路给负载提供直流电压，将所述电流互感器输出端的另ー个绕组接到磁链旁路电路上，用来间歇性的旁路互感器输出磁链，所述磁链旁路电路同时与自取能电路连接，由所述自取能电路驱动。
2.根据权利要求I所述的电流互感器自取能电路，其特征是，所述自取能电路包括冲击保护电路、整流滤波电路、比较电路、驱动电路、稳压电路； 电流互感器输出端的ー个取能绕组接到冲击保护电路，冲击保护电路的输出接到整流滤波电路，整流滤波电路的输出接到比较电路中，比较电路的输出接到驱动电路上；整流滤波电路的输出同时接到稳压电路的输入端，稳压电路的输出送到负载； 驱动电路驱动磁链旁路电路。
3.根据权利要求2所述的电流互感器自取能电路，其特征是，所述电流互感器输出端另ー绕组接到磁链旁路电路上，磁链旁路电路包括ー冲击保护TVS管，冲击保护TVS管输出接到整流桥，整流桥的输出接到高压开关管，所述高压开关管驱动端与驱动电路的输出端连接。
4.根据权利要求2所述的电流互感器自取能电路，其特征是，所述电流互感器输出端另ー绕组接到磁链旁路电路上，磁链旁路电路包括ー冲击保护TVS管，冲击保护TVS管并接到两个串联的高压开关管上，两个高压开关管的漏极或发射极连接到一起，两个高压开关管的栅极连接到所述驱动电路的输出端。
5.根据权利要求2所述的电流互感器自取能电路，其特征是，所述冲击保护电路为冲击保护TVS管、压敏电阻或气体放电管。
6.根据权利要求2所述的电流互感器自取能电路，其特征是，所述整流滤波电路包括一整流桥，所述整流桥的输出端接到一储能电容的两端，储能电容的两端同时与比较电路、稳压电路并联。
7.根据权利要求2所述的电流互感器自取能电路，其特征是，所述比较电路中包含一比较器，所述整流滤波电路的输出通过分压电路接到比较器的正向输入端，所述比较器的反向输入端接到基准电压上，所述比较器的输出接到所述驱动电路的输入端。
8.根据权利要求7所述的电流互感器自取能电路，其特征是，所述比较器的输出端同时通过一电阻接到模拟电压端。
9.根据权利要求2所述的电流互感器自取能电路，其特征是，所述驱动电路包括由两个三极管组成的图腾柱，所述比较电路的输出端接到图腾柱的输入端，所述图腾柱的输出端连接至一稳压管的阳极，稳压管的阴极通过ー限流电阻连接到所述磁链旁路电路中。
10.根据权利要求9所述的电流互感器自取能电路，其特征是，所述稳压管的阴极连接限流电阻的一端，所述限流电阻的另一端连接到所述磁链旁路电路中的高压开关管的栅扱。
全文摘要
本发明公开了一种电流互感器自取能电路，将电流互感器输出端的一个取能绕组接到自取能电路上，由自取能电路给负载提供直流电压，将所述电流互感器输出端的另一个绕组接到磁链旁路电路上，用来间歇性的旁路互感器输出磁链，所述磁链旁路电路同时与自取能电路连接，由所述自取能电路驱动。本发明全部采用模拟元器件，成本低，可靠性高，抗干扰能力强。利用互感器磁链守恒和类似开关电源的脉宽工作原理，实现了一次侧电流宽范围变化的可靠取能。本发明整体损耗小，结构简单，可靠性高，解决了电流互感器取能的固有缺陷。
文档编号H02J17/00GK102790434SQ20121026231
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月27日 优先权日2012年7月27日
发明者丁志刚, 周华良, 夏雨, 汪世平, 郑玉平 申请人:国电南瑞科技股份有限公司