一种适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及耦合取能电源相关技术领域，是一种适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，其包括耦合取能单元、取能线圈切换控制单元和电压调整单元；耦合取能单元包括能够套装在电力母线上的铁芯和均匀地绕置在其上且带有中间抽头的取能线圈，取能线圈切换控制单元可实时监测电压调整单元输出电压，自动平稳地切换取能线圈的匝数。本实用新型结构合理而紧凑，取能效率较高，能够根据母线电流动态调整取能线圈接入电路的匝数，解决了现有技术中耦合取能电源存在的工作电流范围较窄、取能效率较低、取能线圈匝数切换时继电器频繁往复跳动等问题。
【专利说明】
-种适应宽动态范围母线电流工作的輔合取能电源
技术领域
[0001] 本实用新型设及禪合取能电源相关技术领域，特别是一种适应宽动态范围母线电 流工作的禪合取能电源，主要应用于交流母线上监测装置的电源供给。
【背景技术】
[0002] 禪合取能电源是通过在电力母线上套装可开启式的良磁导体，利用电磁感应原理 从母线电流在其周围产生的交变磁场中截获能量，再经整流、滤波、电压变换得到负载所需 电源。禪合取能电源的优点是电源结构简单、成本低廉，面临的困难是适应母线电流变化的 动态范围不足，特别是电源的热耗随母线电流增大而增大，难W适应母线电流大的情况。
[0003] 为提高禪合取能电源工作电流的上限值，主要有两种:一是通过稳压式，反馈控制 式和斩波控制式控制电路等通过电子器件泄能的方式来降低电源的热耗，由于不能改变取 能线圈应数，使电源输入能量不变，热耗始终随母线电流增大而增大，无法兼顾电流动态范 围的下限和上限，导致电流互感取能电源工作电流范围较窄；二是通过控制取能线圈变比 降低电源热耗的方法，采用传感线圈检测次级电流，并通过控制继电器的开合实现取能线 圈变比的切换，使次级电流始终保持在预先设定的范围内，但该方式不仅增加控制铁忍、传 感线圈和较复杂的控制电路，功耗较大，降低了取能效率，无法降低启动电流下限，而且对 取能线圈的切换控制的可靠性要求较高，设计不当容易导致继电器频繁动作。
【发明内容】
[0004] 本实用新型的目的是，针对现有技术中禪合取能电源存在的工作电流范围较窄、 取能效率较低、取能线圈应数切换时继电器频繁往复跳动等问题，提出一种适应宽动态范 围母线电流工作的禪合取能电源，其结构合理而紧凑，取能效率较高，能够根据母线电流动 态调整取能线圈接入电路的应数W适应较宽动态范围的母线电流。
[0005] 本实用新型的技术方案为：一种适应宽动态范围母线电流工作的禪合取能电源， 包括:禪合取能单元、取能线圈切换控制单元和电压调整单元;禪合取能单元包括能够套装 在电力母线上的铁忍和均匀绕置在其上且带有中间抽头的取能线圈，中间抽头位于取能线 圈的总线圈的中部并形成分线圈；禪合取能单元与取能线圈切换控制单元连接，取能线圈 切换控制单元与电压调整单元连接;取能线圈切换控制单元包括保护电阻、第一分压电阻、 电阻值可调节的第二分压电阻、限流电阻、ΝΡΝΞ极管、稳压电容、Ξ端可调分流基准源、继 电器、光禪器件、上拉电阻和续流二极管;保护电阻的一端分别与输入电源连接和第一分压 电阻连接，保护电阻的另一端分别与继电器和续流二极管的负极端连接，第一分压电阻的 另一端与第二分压电阻连接，第二分压电阻与稳压电容并联，稳压电容的负极端接模拟地， Ξ端可调分流基准源的集电极和发射极与稳压电容的两端并联，Ξ端可调分流基准源的基 极与限流电阻的一端连接，限流电阻的另一端与ΝΡΝΞ极管的基极连接，ΝΡΝΞ极管的集电 极与稳压电容的正极连接，ΝΡΝΞ极管的发射极与第二分压电阻的电阻调节端连接，光禪器 件的输入端负极端与Ξ端可调分流基准源的基极连接，光禪器件的输入端正极端与续流二 极管的正极端和继电器连接并接数字地，光禪器件的输出端的正极端与上拉电阻的一端连 接，上拉电阻的另一端与外部电源连接。
[0006] 下面是对本实用新型技术方案的进一步优化或/和改进：
[0007] 上述取能线圈的总线圈应数为使禪合取能电源输出功率最大时的应数，分线圈应 数为总线圈应数的0.2~0.5倍。
[0008] 上述取能线圈切换控制单元可实时监测电压调整单元输出电压，母线电流较小 时，电压调整单元的输出电压小于取能线圈切换控制单元电压设定值，取能线圈的总线圈 接入电路，母线电流较大时，电压调整单元的输出电压大于取能线圈切换控制单元电压设 定值，继电器动作，取能线圈的分线圈接入电路。
[0009] 上述电压调整单元包括冲击保护电路、整流滤波电路、过压保护电路和DC/DC模 块，整流滤波电路的输入端与冲击保护电路的输出端连接，整流滤波电路的输出端与过压 保护电路的输入端连接，过压保护电路的输出端与DC/D对莫块的输入端连接。
[0010] 上述冲击保护电路为双向瞬态抑制二极管，双向瞬态抑制二极管的一端与取能线 圈总线圈和分线圈的公共端连接，双向瞬态抑制二极管的另一端与总线圈的另一端连接。
[0011] 上述DC/DC模块包括能够使输出电压稳定在5伏的降压开关型集成稳压器忍片 LT3431。
[0012] 上述过压保护电路的口槛电压设定值高于取能线圈切换控制单元使继电器动作 的电压设定值，当DC/DC模块输出电压超过过压保护电路的口槛电压设定值时，过压保护电 路将后续电路与DC/D对莫块断开。
[0013] 上述Ξ端可调分流基准源为化431，光禪器件为TLP521。
[0014] 上述取能线圈切换控制单元还包括保护二极管，Ξ端可调分流基准源化431的基 极分别与保护二极管的负极端和限流电阻的一端连接，保护二极管的正极端与光禪器件的 负极端连接。
[0015] 本实用新型的优点如下：
[0016] (1)采用带中间抽头的取能线圈，当输电线路电流较小时采用总绕组取能，当输电 线路电流较大时采用分绕组取能，总分绕组应数相差可W很大，且能够平稳切换，因此通过 改变应数能够适应较宽的动态电流范围。
[0017] (2)采用检测取能线圈经过整流滤波后的直流电压的电压检测法进行绕组的切 换，与采用传感线圈检测次级电流实现绕组变比切换相比，电压检测法较电流检测法更加 灵敏，且省去了控制铁忍和传感线圈环节，有效降低了电压转换时的功耗，提高了取能效 率，进一步地降低了电流互感取能电源的最小启动电流。
[0018] (3)取能线圈切换控制单元采用ΝΡΝΞ极管和Ξ端可调分流基准源，通过控制Ξ极 管的通断改变分压电阻比，构成正反馈，解决了现有技术中分压电阻比为固定值时继电器 在口槛电压设定值附近频繁切换使电压调整单元输出电压极不稳定的技术难题。
【附图说明】
[0019] 图1是禪合取能电源的结构框图。
[0020] 图2是取能线圈切换控制单元电路图。
[0021] 图3是过压保护电路图。
[0022] 图4是DC/DC模块电路图。
[0023] 图5是实施例二取能线圈切换控制单元电路图。
[0024] 附图中的编码分别为：1为禪合取能单元，2为取能线圈切换控制单元，201为继电 器控制电路，202为继电器，3为电压调整单元，R0为限流电阻，Q0为ΝΡΝΞ极管，R1为保护电 阻，R2为第一分压电阻，R3为第二分压电阻，C1为稳压电容，TL431为Ξ端可调分流基准源， 化P521为光禪器件，R4为上拉电阻，D1为续流二极管，Vin为第一输入电源，VCC为外部电源， Q1为开关管，Vinl为第二输入电源，D2为二极管，C2为输入稳压电容，R5为限流电阻，D3为 齐纳二极管，C3为储能电容，R6为第Ξ分压电阻，R7为第四分压电阻，C4为输出稳压电容， JGND为模拟地，GND为数字地，MAX6495为过压保护忍片，LT3431为降压开关型集成稳压器忍 片，D4保护二极管。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细的说明。
[0026] 实施例一
[0027] 如图1所示为禪合取能电源的结构框图。禪合取能电源包括禪合取能单元1，取能 线圈切换控制单元2和电压调整单元3,其中，电压调整单元3包括冲击保护电路、整流滤波 电路、过压保护电路和DC/D对莫块。禪合取能单元1的铁忍套装在电力母线上，带中间抽头的 取能线圈均匀地绕置于铁忍上，根据电磁感应原理，取能线圈感应出交流电动势，当交流电 动势出现过电压时冲击保护电路的双向瞬态抑制二极管将两极的高阻抗变为低阻抗，吸收 浪涌功率，使两极间的电压巧位于一个预定值，防止受到过大的瞬时电压破坏或干扰击穿， 保护后续电路;整流滤波电路将禪合取能单元1感应输出的交流电动势转换为直流电压，进 一步地调整为在线监测设备所需的直流电压。取能线圈切换控制单元2可W根据禪合取能 单元1输出能量的大小调整取能线圈应数，当母线电流较小时，电压调整单元的输出电压小 于取能线圈切换控制单元的电压设定值，取能线圈的总线圈接入电路；当母线电流较大时， 电压调整单元的输出电压大于取能线圈切换控制单元的电压设定值，继电器动作，取能线 圈的分线圈接入电路。
[0028] 进一步地，整流滤波电路采用桥式整流滤波电路，将取能线圈感应的交流电压整 流成直流电压，当过压保护电路检测到其输入电压大于设定值时，断开后续电路，用于保护 后续电路免受瞬间过电压的破坏，DC/DC模块采用降压型电压转换器件，将直流电压调整为 在线监测设备所需的直流电压。
[0029] 如图2所示是取能线圈绕组切换控制单元电路图。取能线圈切换控制单元2由继电 器控制电路201和继电器202两部分组成，继电器控制电路201的输入端与过压保护电路的 输出端连接，其输出端与继电器202的输入端连接用于控制继电器202的开断;继电器202的 输入端还与取能线圈连接，用于自动调整其绕组的应数，其输出端与冲击保护电路连接。在 本实施例中，继电器控制电路201包括限流电阻R0、ΝΡΝΞ极管Q0、保护电阻R1、第一分压电 阻R2、第二分压电阻R3、稳压电容C1、S端可调分流基准源化431、光禪器件化Ρ521、上拉电 阻R4和续流二极管D1。保护电阻R1的一端分别与输入电源Vin连接和第一分压电阻R2连接， 保护电阻R1的另一端分别与继电器202和续流二极管D1的负极端连接，第一分压电阻R2的 另一端与第二分压电阻R3连接，第二分压电阻R3与稳压电容C1并联，稳压电容C1的负极端 接模拟地JGND，S端可调分流基准源化431的集电极和发射极与稳压电容Cl的两端电并联， Ξ端可调分流基准源化431的基极与限流电阻R0的一端连接，限流电阻R0的另一端与ΝΡΝΞ 极管的基极连接，ΝΡΝΞ极管的集电极与稳压电容C1的正极连接，ΝΡΝΞ极管的发射极与第 二分压电阻R3的电阻调节端连接，光禪器件TLP521的输入端负极端与Ξ端可调分流基准源 TL431的基极连接，光禪器件化P521的输入端正极端与续流二极管D1的正极端和继电器202 连接，光禪器件TLP521的输出端的负极端接数字地GND，光禪器件TLP521的输出端的正极端 与上拉电阻R4的一端连接，上拉电阻R4的另一端与外部电源VCC连接。输入电压Vin经第一 分压电阻R2、第二分压电阻R3分压，用于获取基准参考电压，稳压电容C1滤除直流电压中的 交流分量，保护电阻R1用于保护继电器，防止流过继电器电流过大，上拉电阻R4将光禪器件 TLP521电压上拉至VCC。
[0030] 该电路的工作原理为：当Ξ端可调分流基准源化431集电极输入电压小于2.5V时， 内部Ξ极管处于截止状态，输出高电平，ΝΡΝΞ极管导通，电阻分压比为R31/(R3+R2)(定义 第二分压电阻R3电阻调节端至下部电阻值为R31，电阻调节端至上部电阻值为R32,则R3= R31+R32)，光禪器件化P521截止，继电器不动作；当Ξ端可调分流基准源化431集电极输入 电压大于2.5V时，Ξ端可调分流基准源化431被击穿，内部Ξ极管处于导通状态，输出低电 平，ΝΡΝΞ极管关断，电阻分压比增加至R3AR3+R2)，确保Ξ端可调分流基准源化431处于击 穿状态，光禪器件化P521导通，驱动继电器202动作，续流二极管D1用于吸收继电器线圈的 反电势。由于该在继电器202动作前后，电阻分压比改变形成正反馈，大大提高了取能线圈 应数切换的可靠性，解决了目前输入电源Vin电压在继电器动作电压设定临界点附近时因 禪合取能电源带负载或电流波动使输入电压Vin电压波动从而使继电器频繁往复切换的问 题。
[0031] 进一步地，Ξ端可调分流基准源化431及光禪器件化P521均可W采用其他符合要 求的同系列元器件替代。
[0032] 如图3所示是过压保护电路图。在本实施例中，过压保护电路二极管D2、输入稳压 电容C2、限流电阻R5、齐纳二极管D3、储能电容C3、N沟道M0SFET开关管Q1、第Ξ分压电阻R6、 第四分压电阻R7、输出稳压电容C4和MAX6495构成。限流电阻R5、齐纳二极管D3用于对输入 电压进行巧位，储能电容C3选用至少luF的陶瓷电容，为MAX6495内部电路工作提供能量，第 Ξ分压电阻R6、第四分压电阻R7用于设置过压保护口槛电压，该口槛电压值应高于取能线 圈切换控制单元继电器切换时的电压设定值，根据口槛电压大小控制开关管Q1的通断，当 电压超过口槛电压时，拉低M0SFET的栅极，M0SFET关断，将负载与输入电源断开。
[0033] 如图4所示是DC/DC模块电路图。为适应较宽动态范围的输电线路电流，在本实施 例中，DC/D对莫块选用宽电压范围输入的降压开关型集成稳压器LT3431，将过压保护电路输 出的直流电压转换为在线监测设备所需的直流电压，其输入电压最高可达60V，最大输出电 流3A，外围器件简单，效率高，能够满足负载功率在15WW内的功率需求。
[0034] 进一步地，可W使用降压线性集成稳压器或其他可满足电压要求的稳压电路忍 片。
[00对实施例二
[0036]如图5所示是本实施例取能线圈绕组切换控制单元电路图。与实施例一不同的地 方为在Ξ端可调分流基准源化431的基极和光禪器件化P521增加一保护二极管D4，S端可 调分流基准源化431的基极和限流电阻R5的公共端与保护二极管D4的负极端连接，保护二 极管D4的正极端与光禪器件化P521的负极端连接。利用保护二极管D4的单向导电性，对光 禪器件进行保护，防止Ξ端可调分流基准源化431因过电压损坏输出电压过高而使光禪器 件TLP521反向击穿，烧毁光禪器件TLP521。
[0037] 实施 S
[0038] 具体地，根据W下实施例对本实用新型进行进一步地说明其优点和工程应用价 值。将实施例二所公开的技术方案应用于输电线路在线监测中，在线监测设备负载功耗为 1.8W，为便于输电导线的安装、拆卸及绕线方便，环形铁忍切割采用半圆对称线切割的方 式，取能线圈的总绕组应数为60应，分绕组应数为20应，取能线圈均采用直径为0.3mm的铜 漆包线。取能线圈切换控制电路实验测试结果如表1所示。
[0039] 表1.整流滤波电路输出电压及取能线圈绕组与试验电流关系表
[0040]
[0041] ~当试验电流上升至98A时铁忍磁化曲
线已经进入饱和区域，此时取能线圈A-C接入' 电路，当试验电流上升至110A时取能线圈切换控制电路继电器动作，取能线圈切换至B-C接 入电路；当试验电流上升至122A时开始降低试验电流，当试验电流下降至110A和108A时取 能线圈切换控制电路继电器未动作，当试验电流下降至82A时，取能线圈切换控制电路继电 器动作，取能线圈B-C切换至A-C接入电路。该电路有效解决了输电导线电流波动导致继电 器误切换的问题，提高了电路的抗干扰性。
[0042] W上技术特征构成了本实用新型的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施 效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求，例如将取能线圈分 成Ξ组及W上，或者将电路中电子元器件用其他通用型号替代，运些都属于本实用新型的 保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应W所附权利要求为准。
【主权项】
1. 一种适应宽动态范围母线电流工作的親合取能电源，包括:親合取能单元、取能线圈 切换控制单元和电压调整单元;耦合取能单元包括能够套装在电力母线上的铁芯和均匀绕 置在其上且带有中间抽头的取能线圈，中间抽头位于取能线圈的总线圈的中部并形成分线 圈；親合取能单元与取能线圈切换控制单元连接，取能线圈切换控制单元与电压调整单元 连接;其特征在于:取能线圈切换控制单元包括保护电阻、第一分压电阻、电阻值可调节的 第二分压电阻、限流电阻、NPN三极管、稳压电容、三端可调分流基准源、继电器、光耦器件、 上拉电阻、续流二极管和保护二极管;保护电阻的一端分别与输入电源连接和第一分压电 阻连接，保护电阻的另一端分别与继电器和续流二极管的负极端连接，第一分压电阻的另 一端与第二分压电阻连接，第二分压电阻与稳压电容并联，稳压电容的负极端接模拟地，三 端可调分流基准源的集电极和发射极与稳压电容的两端并联，三端可调分流基准源的基极 分别与限流电阻的一端和保护二极管的负极端连接，限流电阻的另一端与NPN三极管的基 极连接，NPN三极管的集电极与稳压电容的正极连接，NPN三极管的发射极与第二分压电阻 的电阻调节端连接，光耦器件的输入端负极端与保护二极管的正极端连接，光耦器件的输 入端正极端与续流二极管的正极端和继电器连接并接数字地，光耦器件的输出端的正极端 与上拉电阻的一端连接，上拉电阻的另一端与外部电源连接。2. 根据权利要求1所述的适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，其特征在于， 取能线圈的总线圈匝数为使耦合取能电源输出功率最大时的匝数，分线圈匝数为总线圈匝 数的0.2~0.5倍。3. 根据权利要求1所述的适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，其特征在于， 电压调整单元包括冲击保护电路、整流滤波电路、过压保护电路和DC/DC模块，整流滤波电 路的输入端与冲击保护电路的输出端连接，整流滤波电路的输出端与过压保护电路的输入 端连接，过压保护电路的输出端与DC/DC模块的输入端连接。4. 根据权利要求3所述的适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，其特征在于， 冲击保护电路为双向瞬态抑制二极管，双向瞬态抑制二极管的一端与取能线圈总线圈和分 线圈的公共端连接，双向瞬态抑制二极管的另一端与总线圈的另一端连接。5. 根据权利要求3所述的适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，其特征在于， DC/DC模块包括能够使输出电压稳定在5伏的降压开关型集成稳压器芯片LT3431。6. 根据权利要求1至5任一所述的适应宽动态范围母线电流工作的耦合取能电源，其特 征在于，三端可调分流基准源为TL431，光耦器件为TLP521。
【文档编号】H02H7/125GK205430069SQ201620162783
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月3日
【发明人】徐春营, 曹法明, 田雅芸
【申请人】国网江西省电力公司南昌供电分公司, 国家电网公司