脉宽调节供电方法、电子式高电压取能及采样装置和方法与流程

1.本发明涉及高电压取能技术领域，尤其涉及一种脉宽调节供电方法、电子式高电压取能及采样装置和方法。


背景技术：

2.配电网的柱上开关和环网箱设备均没有外接低压交流电源，需要利用高压电能自供电。一般高压电能自供电是采用电压互感器供能方式，互感器可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。
3.在各种高电压应用场景，比如户外柱上开关、变压器和室内的环网柜、开关柜等都需要对高电压信号进行采样用于电压测量、电量计量和继电保护，同时需要满足二次智能设备的低压用电功率要求，并维持户外传感器等电子部件正常工作。
4.传统电磁式电压互感器能将高电压变成低电压，用于量测或保护系统。但电磁式电压传感器体积大、成本高、安装不方便，且大量应用会给配电网系统带来铁磁谐振的风险。而电子式电压互感器体积小、功耗低，并且避免了铁磁谐振的问题。而电阻分压式电压互感器损耗过大，发热严重，不适合用于大功率高压取能。电容式电压互感器比电磁式电压互感器体积小、成本低，但取能功率也较小、效率较低，目前仅用于柱上开关等小功率二次设备。现有电容式取能装置中并没有取消变压器部件，因此功率因数低、谐波含量大，取能互感器不能同时用于采集高电压信号。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种脉宽调节供电方法、电子式高电压取能及采样装置和方法，用于解决现有高电压取能元件具有功率因数低、转换效率低、电路结构复杂、体积大的技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
7.一种电子式高电压取能及采样装置，包括高压电源、与所述高压电源连接的高压取能模块、与所述高压取能模块连接的整流模块以及与所述整流模块连接的稳定输出模块，所述稳定输出模块与负载连接，所述高压取能模块包括高压侧元件和低压侧元件；
8.所述高压电源，用于提供高压交流电源；
9.所述高压侧元件，用于与所述高压电源串联连接组成高压臂；
10.所述低压侧元件，用于与所述高压侧元件串联连接组成低压臂；
11.所述整流模块，用于与所述低压侧元件连接并对所述低压侧元件输出的电源进行整流；
12.所述稳定输出模块，用于给所述负载提供稳定的直流电源。
13.优选地，所述稳定输出模块包括开关元件、稳压元件、反馈元件和脉宽控制器；所述开关元件包括第一连接端、第二连接端和第三连接端，所述开关元件的第一连接端和第二连接端与所述整流模块的输出端并联连接，所述开关元件的第三连接端与所述脉宽控制
器的输出端连接，所述开关元件的第一连接端还与所述稳压元件的第一端连接，所述稳压元件的第二端分别与所述反馈元件的第一端、所述脉宽控制器的第一输入端和所述负载连接，所述反馈元件的第二端接地，所述脉宽控制器的第二输入端与信号供给模块连接；所述脉宽控制器用于根据其输出脉宽信号的占空比调节所述稳压元件输出电流的脉冲宽度，以使给所述负载提供稳定的直流电源。
14.优选地，所述脉宽控制器用于根据所述反馈元件输出的电压高于额定电压阈值，增加所述脉宽控制器输出脉宽信号的占空比；或根据所述反馈元件输出的电压低于额定电压阈值，减少所述脉宽控制器输出脉宽信号的占空比。
15.优选地，所述高压电源每相输出高压交流电源的连接端均与所述高压取能模块连接。
16.优选地，该电子式高电压取能及采样装置包括用于检测所述高压取能模块输出端电流的电流采样模块。
17.优选地，所述高压侧元件包括高压电容，所述低压侧元件包括低压电感。
18.本发明还提供一种脉宽调节供电方法，应用于上述所述的电子式高电压取能及采样装置上，该脉宽调节供电方法包括以下步骤：
19.获取负载所需的额定电压阈值和反馈元件输出的电压；
20.根据所述反馈元件输出的电压高于额定电压阈值，增加脉宽控制器输出脉宽信号的占空比；或根据所述反馈元件输出的电压低于额定电压阈值，减少脉宽控制器输出脉宽信号的占空比；
21.根据所述脉宽占空比调节稳压元件输出电流的脉冲宽度，以使给所述负载提供稳定的直流电源。
22.优选地，根据所述脉宽占空比调节所述稳压元件输出电流的脉冲宽度包括：
23.若增加脉宽控制器输出脉宽信号的占空比，则控制开关元件导通时间增加，所述稳压元件输出电流的脉冲宽度减小，即所述稳压元件平均输出电流减小，降低给所述负载提供直流电源的电压；
24.若减少脉宽控制器输出脉宽信号的占空比，则控制开关元件导通时间减少，所述稳压元件输出电流的脉冲宽度增加，即所述稳压元件平均输出电流增大，提高给所述负载提供直流电源的电压。
25.本发明还提供一种电子式高电压取能及采样方法，包括以下步骤：
26.基于上述所述的电子式高电压取能及采样装置，获取低压侧元件的电容数值和低压侧元件输出的电流；
27.根据低压侧元件的电容数值和低压侧元件输出的电流计算，得到与低压侧元件对应相高压交流电源的电压数据。
28.优选地，根据低压侧元件的电容数值和低压侧元件输出的电流计算，得到与低压侧元件对应相高压交流电源的电压数据包括：
29.采用比例积分运算公式对低压侧元件的电容数值和低压侧元件输出的电流计算，得到与低压侧元件对应相高压交流电源的电压数据；
30.所述比例积分运算公式为：u＝∫idt/c，式中，i为低压侧元件输出的电流，u为与低压侧元件对应相高压交流电源的电压数据，c为低压侧元件的电容数值。
31.从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：该脉宽调节供电方法、电子式高电压取能及采样装置和方法，该装置包括高压电源、与高压电源连接的高压取能模块、与高压取能模块连接的整流模块以及与整流模块连接的稳定输出模块，稳定输出模块与负载连接，高压取能模块包括高压侧元件和低压侧元件；高压电源用于提供高压交流电源；高压侧元件用于与高压电源串联连接组成高压臂；低压侧元件用于与高压侧元件串联连接组成低压臂；整流模块用于与低压侧元件连接并对低压侧元件输出的电源进行整流；稳定输出模块用于给负载提供稳定的直流电源。该电子式高电压取能及采样装置采用高压侧元件和低压侧元件组成的高压取能模块，使得该电子式高电压取能及采样装置能够达到高效电压取能的目的，实现功率因数高、转换效率高的特点；通过低压臂的低压侧元件的电流，间接反映出高压电源电压的波形特征，进而实现高压电源电压监测的目的；该电子式高电压取能及采样装置的电路结构简单，进而体现其体积小，使得该电子式高电压取能及采样装置能够在空间狭小的场合应用，并且该电子式高电压取能及采样装置能同时满足高电压取能和电压监测的需求，解决了现有高电压取能元件具有功率因数低、转换效率低、电路结构复杂、体积大的技术问题。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
33.图1为本发明实施例所述的电子式高电压取能及采样装置的框架示意图；
34.图2为本发明实施例所述的电子式高电压取能及采样装置的电路原理图；
35.图3为本发明实施例所述的电子式高电压取能及采样装置中低压电感电流和输出直流电压vout的启动波形图；
36.图4为本发明实施例所述的电子式高电压取能及采样装置中开关元件的信号波形图；
37.图5为本发明实施例所述的电子式高电压取能及采样方法的步骤流程图。
具体实施方式
38.为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
39.本技术实施例提供了一种脉宽调节供电方法、电子式高电压取能及采样装置和方法，用于解决了现有高电压取能元件具有功率因数低、转换效率低、电路结构复杂、体积大的技术问题。
40.实施例一：
41.图1为本发明实施例所述的电子式高电压取能及采样装置的框架示意图，图2为本
发明实施例所述的电子式高电压取能及采样装置的电路原理图。
42.如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，本发明提供的一种电子式高电压取能及采样装置包括高压电源10、与高压电源10连接的高压取能模块20、与高压取能模块20连接的整流模块30以及与整流模块30连接的稳定输出模块40，稳定输出模块40与负载50连接，高压取能模块20包括高压侧元件21和低压侧元件22。
43.在本发明实施例中，高压电源10可以提供高压交流电源。在本实施例中，高压电源10提供的高压交流电源可以是单相高压交流电源、两相高压交流电源和三相高压交流电源。其中，高压电源10每相输出高压交流电源的连接端均与高压取能模块20连接。在本实施例中，如图2所示，高压电源10包括三相高压交流电源ua、ub和uc。高压电源10的第一端接地，高压电源10的输出高压交流电源的连接端均连接一个高压取能模块20。
44.在本发明实施例中，高压侧元件21可以用于与高压电源10串联连接组成高压臂。低压侧元件22可以用于与高压侧元件21串联连接组成低压臂。
45.需要说明的是，高压侧元件21可以为高压电容，低压侧元件22可以为低压电感。在本实施例中，如图2所示，高压电源输出的高压交流电源ua与高压电容c1串联组成高压臂，高压电容c1与低压电感l1串联组成低压臂。高压电源输出的高压交流电源ub与高压电容c2串联组成高压臂，高压电容c2与低压电感l2串联政策低压臂；高压电源输出的高压交流电源uc与高压电容c3串联组成高压臂，高压电容c3与低压电感l3串联组成低压臂。
46.在本发明实施例中，整流模块30可以用于与低压侧元件22连接并对低压侧元件22输出的电源进行整流。
47.需要说明的是，整流模块30可以将低压侧元件22输出的交流电电源转换为直流电电源。在本实施例中，整流模块30可以为整流桥。如图2所示，三相低压电感l1、l2、l3接入三相二极管d1～d6组成的整流桥的输入端，形成三相整流回路。
48.在本发明实施例中，稳定输出模块40可以用于给负载50提供稳定的直流电源。
49.需要说明的是，稳定输出模块40可以将整流模块30输出的直流电电源进行稳压调节后给负载50提供与之匹配的直流电源。在本实施例中，如图2所示，负载50采用负载电阻r0表示。
50.本发明提供的电子式高电压取能及采样装置，包括高压电源、与高压电源连接的高压取能模块、与高压取能模块连接的整流模块以及与整流模块连接的稳定输出模块，稳定输出模块与负载连接，高压取能模块包括高压侧元件和低压侧元件；高压电源用于提供高压交流电源；高压侧元件用于与高压电源串联连接组成高压臂；低压侧元件用于与高压侧元件串联连接组成低压臂；整流模块用于与低压侧元件连接并对低压侧元件输出的电源进行整流；稳定输出模块用于给负载提供稳定的直流电源。该电子式高电压取能及采样装置采用高压侧元件和低压侧元件组成的高压取能模块，使得该电子式高电压取能及采样装置能够达到高效电压取能的目的，实现功率因数高、转换效率高的特点；通过低压臂的低压侧元件的电流，间接反映出高压电源电压的波形特征，进而实现高压电源电压监测的目的；该电子式高电压取能及采样装置的电路结构简单，进而体现其体积小，使得该电子式高电压取能及采样装置能够在空间狭小的场合应用，并且该电子式高电压取能及采样装置能同时满足高电压取能和电压监测的需求，解决了现有高电压取能元件具有功率因数低、转换效率低、电路结构复杂、体积大的技术问题。
51.如图2所示，在本发明的一个实施例中，稳定输出模块40包括开关元件q0、稳压元件d0、反馈元件c0和脉宽控制器pwm；开关元件q0包括第一连接端、第二连接端和第三连接端，开关元件q0的第一连接端和第二连接端与整流模块60的输出端并联连接，开关元件q0的第三连接端与脉宽控制器pwm的输出端连接，开关元件q0的第一连接端还与稳压元件d0的第一端连接，稳压元件d0的第二端分别与反馈元件c0的第一端、脉宽控制器pwm的第一输入端和负载50连接，反馈元件c0的第二端接地，脉宽控制器pwm的第二输入端与信号供给模块60连接；脉宽控制器pwm用于根据其输出脉宽信号的占空比调节稳压元件d0输出电流的脉冲宽度，以使给负载50提供稳定的直流电源。
52.需要说明的是，开关元件q0可以为mos管、三极管或igbt管等场效应晶体管。稳压元件d0可以为二极管，反馈元件c0可以为电解电容。在本实施例中，以mos管为开关元件q0作为案例说明，mos管的栅极作为开关元件q0的第一连接端，mos管的漏极作为开关元件q0的第二连接端，mos管的源极作为开关元件q0的第三连接端。二极管的阳极作为稳压元件d0的第一端，二极管的阴极作为稳压元件d0的第二端。电解电容的阳极作为反馈元件c0的第一端，电解电容的阴极作为反馈元件c0的第二端。
53.在本发明实施例中，信号供给模块60用于给脉宽控制器pwm提供一定频率的锯齿波信号，如200khz的锯齿波信号。
54.在本发明实施例中，整流桥与mos管q0并联(整流桥的阴极与mos管q0的漏极连接、整流桥的阳极与mos管q0的源极连接并接地)，mos管q0通过二极管d0与电解电容c0串联。其中，mos管q0的漏极与二极管d0的阳极连接，二极管d0的阴极与电解电容的阳极连接。电解电容c0与负载电阻r0并联输出直流电压vout，直流电压vout是由二极管d0阴极输出红藕输入电解电容c0的电压。mos管q0的栅极由一个脉宽控制器pwm控制，脉宽控制器pwm输出的脉宽信号由一个一定频率的锯齿波信号与直流电压vout的反馈信号比较得出，输出直流电压vout的反馈信号为电解电容c0上的瞬态电压与额定阈值之间电压差函数表示的信号，且是一个正电压信号。
55.在本发明的一个实施例中，脉宽控制器pwm可以用于根据反馈元件c0输出的电压高于额定电压阈值，增加脉宽控制器pwm输出脉宽信号的占空比；或根据反馈元件c0输出的电压低于额定电压阈值，减少脉宽控制器pwm输出脉宽信号的占空比。
56.需要说明的是，脉宽控制器pwm的作用可以是调节二极管d0输出电流的脉冲宽度，当脉宽控制器pwm输出的脉宽信号的占空比增大时，mos管q0导通时间增加，二极管d0电流脉冲宽度减小，即从二极管d0平均输出电流减小。因此可通过调节脉宽控制器pwm输出脉宽信号的占空比，在不同输出负载50条件下达到稳定输出直流电压vout的目的。额定电压阈值是根据负载需求设置的，此处不作详细限定。
57.如图2所示，在本发明的一个实施例中，该电子式高电压取能及采样装置包括用于检测高压取能模块20输出端电流的电流采样模块70。
58.需要说明的是，电流采样模块70与每个低压侧元件22连接，可以用于检测每个低压侧元件22输出的电流，以使该电子式高电压取能及采样装置通过电流采样模块70采集的电流实现电压传感的功能。在本实施例中，电流采样模块70包括交流电流传感器。
59.图3为本发明实施例所述的电子式高电压取能及采样装置中低压电感电流和输出直流电压vout的启动波形图，图4为本发明实施例所述的电子式高电压取能及采样装置中
开关元件的信号波形图。
60.在发明实施例中，如图2所示，若将该电子式高电压取能及采样装置中的高压电流电源ua、ub、uc均为10kv，与高压电源10相连的高压电容c1、c2、c3均取100nf，低压电感l1、l2、l3均取2mh，整流桥中的二极管d1～d6型号选用mr756(vrrm＝vrwm＝vr＝600v，vrms＝420v，io＝6.0a，ifsm＝400a)。mos管q0选用型号irf840(n沟道功率mosfet，其可切换高达500v/8a的负载)，二极管d0选用型号mr756，电解电容c0选用180uf，负载电阻r0设置为1.6kω。如图2和图3所示，该电子式高压取能装置输出的直流电压vout为400v、额定负载1.6kω条件下，低压电感的电流ia、ib、ic峰值均小于0.5a。该电子式高压取能装置电路启动过程中，直流电压vout线性上升，经过0.5s左右趋于稳定，均值400v。如图2和图4所示，开关元件q0的电流为0.20～0.35a之间的锯齿波，开关元件q0的源极-漏极电压为0～400v的方波，开关元件q0栅极控制的信号vgate为0～15v的方波信号且与其漏极电压波形互补。
61.实施例二：
62.本发明还提供一种脉宽调节供电方法，应用于上述的电子式高电压取能及采样装置上，该脉宽调节供电方法包括以下步骤：
63.获取负载所需的额定电压阈值和反馈元件输出的电压；
64.根据反馈元件输出的电压高于额定电压阈值，增加脉宽控制器输出脉宽信号的占空比；或根据反馈元件输出的电压低于额定电压阈值，减少脉宽控制器输出脉宽信号的占空比；
65.根据脉宽占空比调节稳压元件输出电流的脉冲宽度，以使给负载提供稳定的直流电源。
66.在本发明实施例中，根据脉宽占空比调节稳压元件输出电流的脉冲宽度包括：
67.若增加脉宽控制器输出脉宽信号的占空比，则控制开关元件导通时间增加，稳压元件输出电流的脉冲宽度减小，即稳压元件平均输出电流减小，降低给负载提供直流电源的电压；
68.若减少脉宽控制器输出脉宽信号的占空比，则控制开关元件导通时间减少，稳压元件输出电流的脉冲宽度增加，即稳压元件平均输出电流增大，提高给负载提供直流电源的电压。
69.需要说明的是，实施例二中的脉宽调节供电方法的内容已经在实施例一中的稳定输出模块内容详细阐述了，在实施例二不在重复阐述。该脉宽调节供电方法主要是根据反馈元件输出的电压与额定电压阈值对比，增加或减少脉宽控制器输出脉宽信号的占空比，从而调节稳压元件输出电流的脉冲宽度，以使给负载提供稳定的直流电源。
70.实施例三：
71.图5为本发明实施例所述的电子式高电压取能及采样方法的步骤流程图。
72.本发明还提供一种电子式高电压取能及采样方法，包括以下步骤：
73.s1.基于上述的电子式高电压取能及采样装置，获取低压侧元件的电容数值和低压侧元件输出的电流；
74.s2.根据低压侧元件的电容数值和低压侧元件输出的电流计算，得到与低压侧元件对应相高压交流电源的电压数据。
75.在本实施例中，根据低压侧元件的电容数值和低压侧元件输出的电流计算，得到
与低压侧元件对应相高压交流电源的电压数据包括：
76.采用比例积分运算公式对低压侧元件的电容数值和低压侧元件输出的电流计算，得到与低压侧元件对应相高压交流电源的电压数据；
77.比例积分运算公式为：u＝∫idt/c，式中，i为低压侧元件输出的电流，u为与低压侧元件对应相高压交流电源的电压数据，c为低压侧元件的电容数值。
78.需要说明的是，该电子式高电压取能及采样装置的内容已在实施例一中详细阐述了，在此实施例三中不再重复阐述。该电子式高电压取能及采样方法通过电流采样模块对每个低压侧元件(如低压电感l1、l2、l3)的电流采样，分别得到ia、ib、ic电流，上述ia、ib、ic电流为对应电路中三相高压交流电源ua、ub、uc的函数，通过对上述ia、ib、ic电流采样信号的比例积分运算可以得到对应相高压交流电源的电压值，实现高电压传感的功能。在本实施例中，u＝i(r+1/jωc)，ω＝2πf，式中，r为低压臂等效电阻，f为高压交流电源的频率，j为虚数单位，j2＝-1，r远小于1/jωc，忽略r后，u＝i/jωc。每相高压交流电源的电压和电流简化函数的微分形式为i＝c∫u/dt；比例积分运算公式为u＝∫idt/c，即可通过采样得到低压侧元件输出的电流的比例积分运算得到高压交流电源的电压数据。其中，i为低压侧元件输出的电流，即是ia、ib或ic。
79.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
80.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
81.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
82.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
83.所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
84.以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前
述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。