一種高壓取電雙超級電容儲能的電源的製作方法
2024-02-10 12:29:15
專利名稱：一種高壓取電雙超級電容儲能的電源的製作方法
技術領域：
一種高壓取電雙超級電容儲能的電源技術領域[0001]本實用新型涉及電力系統技術領域，是一種從高壓線路直接獲取電能，向電力參數檢測設備的高壓側電路供電的一種高壓取電雙超級電容儲能的電源。
背景技術：
[0002]高壓線路的電力參數檢測設備，如有源型的電子式電流互感器、電子式電壓互感器，其高壓側電路與低壓電路之間具有良好絕緣隔離，測量信號採用光纖通信傳輸，這樣向高壓側電路供電就成為一項關鍵技術。[0003]常用的向高壓側電路供電方式主要有母線電流取能供電、高壓電容分壓電流取能供電、雷射供電、母線取能和鋰離子電池相結合的供電方案。專利2008101U630. 2也介紹了一種有源電子式光電電流互感器高壓側供能裝置，是採用母線取電和雷射供能組合的一種電源。[0004]母線電流取能供電，其供電的能量來自高壓線路電流，取能是通過一個套在高壓線路上的磁感應線圈來完成的，高壓線路周圍存在磁場，通過磁場來獲取能量，然後經處理，提供給高壓側電路。這種技術方案方式體積小、結構緊湊、絕緣封裝簡單、使用安全、成本低，缺點是高壓線路電流不是穩定值，且變化範圍非常大，因此磁感應線圈必須同時兼顧最小、最大兩種極限條件，目前存在最小值的死區，當高壓線路電流< 30A時，系統不能正常工作。[0005]電容電流取能供電是利用電容分壓器從高壓線路周圍存在的電場取能供電的，由於一次電壓相對電流來說比較穩定，此方案的電源輸出也較穩定，但是解決取能電路和後續工作電路之間的電氣隔離問題，必須有過電壓防護和電磁兼容設計，因為高壓電容的容量問題，採用這種方法得到的功率有限。[0006]雷射供電，是採用雷射從低電壓側通過光纖將光能量傳送到高電壓側，再由光電轉換器件將光能量轉換為電能量，經過DC-DC變換後提供穩定的電源輸出。其突出優點是能量以光的形式通過光纖傳輸到高壓側，完全實現高、低壓間電氣的隔離，不受電磁幹擾的影響，穩定可靠，缺陷是雷射的發光波長及輸出功率都受溫度影響，必須採取措施對溫度進行自動控制，其次轉換效率低，提供的能量有限，製作成本高。[0007]此外還有母線取能和鋰離子電池相結合的供電方案，其取電方式與母線電流電源供電相同，增加了鋰離子電池儲能電路，在低壓、短期斷電或小電流情況下，鋰離子電池自動投入供電。其缺陷是在電源中採用了鋰離子電池，其使用溫度和壽命都受到限制。現階段普遍採用鋰電池、鉛酸蓄電池、Ni-Cd蓄電池或Ni-H蓄電池，但採用蓄電池作為蓄電系統有許多缺陷充電次數有限(小於1000次)，使用壽命較短；不能進行大電流充電；蓄電池需要有防過充、防過放以及溫度補償等控制電路。[0008]綜上所述，在現有電力參數檢測設備，如電子式電流電壓互感器產品的高壓側電路供電方式中，普遍存在當高壓線路出現小電流或低電壓時，高壓側電路供電不足或者無供電的問題。發明內容[0009]為了解決現有技術的電力參數檢測設備，存在當高壓線路出現小電流或低電壓時，高壓側電路供電不足或者無供電的問題，本實用新型提出了一種高壓側電路供電穩定的一種高壓取電雙超級電容儲能的電源。[0010]本實用新型技術方案如下[0011]一種高壓取電雙超級電容儲能的電源，該電源由依次連接的高壓取電線圈、洩流保護電路、整流濾波電路、電能切換供電電路、測量管理電路、超級電容器儲能電路A、超級電容器儲能電路B組成。[0012]所述高壓取電線圈採用高導磁材料製成的圓形磁芯T1，在該磁芯上均勻繞制線圈 Li。[0013]所述洩流保護電路包括依次連接繞在圓形磁芯Tl的測量線圈L2、限流電阻R1，電流取樣電阻R2 ；Rl與R2連接的一端連接到雙向晶閘管SCl控制端上，雙向晶閘管SCl與線圈Ll並聯。[0014]所述的整流濾波電路由整流橋BR和電解電容Cl、陶瓷MLCC電容C2組成。[0015]電能切換供電電路由大功率MOS管Si、S2、S3、S4組成，Sl源極與S2源極相連， S1、S2的漏極分別與超級電容器儲能電路B、超級電容器儲能電路A正輸入端相連，S3漏極與S4漏極相連，S3、S4的源極分別與超級電容器儲能電路A、超級電容器儲能電路B正輸出端相連。[0016]測量管理電路由單片機控制電路(Power Manage Circuit)組成，PIU PI2、PI3、 PI4為電壓檢測輸入端，PIl連接整流濾波電路的正輸出端，PI2連接超級電容器儲能電路A 和超級電容器儲能電路B的正輸入端，PI3連接超級電容SCapl正接線端，PI4連接超級電容SCap2正接線端；PI、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8為輸出控制端，分別連到Si、S2、S3、S4、 S5、S6、S7、S8柵極控制端。[0017]所述超級電容器儲能電路A，由大功率的MOS管S5、S6，快恢復二極體D1、快恢復二極體D2、電感L3、保護二極體D3、保護二極體D4、超級電容SCapl組成，Dl正負極分別連接到S5的漏極和源極，D2正負極分別連接到S6的漏極和源極，S5的漏極與S6的源極和 L3的一端相連，L3的另一端與超級電容SCapl的正極、D3的正極、D4的負極相連，D3的負極與S5的源極相連，Scapel負極分別與S6的漏極、D4的正極、整流濾波電路的負極相連。[0018]所述超級電容器儲能電路B，由大功率的MOS管S7、S8、快恢復二極體D5、快恢復二極體D6、電感L4、保護二極體D7、保護二極體D8、超級電容SCap2組成，D5正負極分別連接到S7的漏極和源極，D6正負極分別連接到S8的漏極和源極，S7的漏極與S8的源極和 L4的一端相連，L4的另一端與超級電容SCap2的正極、D7的正極、D8的負極相連，D7的負極與S7的源極相連，Scape2負極分別與S8的漏極、D8的正極、整流濾波電路的負極相連。[0019]所述高壓取電線圈，圓形磁芯Tl由高導磁材料製成，Tl的截面積按最小驅動電流設計，在大於主電路最小短路電流的情況下，圓形磁芯Tl和線圈Ll內的磁通量成飽和特性。[0020]所述的超級電容器，工作電壓為2. 5-2. 7伏，電容量為50F，工作溫度為-40°C 75 "C。4[0021]本實用新型的有益效果是[0022]1)採用超級電容器儲能電路A和超級電容器儲能電路B輪流充電和供電，供電電流和電壓穩定，解決了當高壓線路出現小電流或低電壓時，高壓側電路供電不足或者無供電的問題。[0023]2)超級電容SCapl和超級電容SCap2，均具有法拉級的超大電容量，超強的荷電保持能力，且漏電流非常小，無須特別的充電電路和控制放電電路，充電迅速，與蓄電池相比， 其過充電、過放電都不對其壽命構成負面影響；可靠性高、使用壽命長(充放電循環壽命在 10萬次以上，蓄電池才1000次)；可在-40°c 75°C的環境溫度中正常使用，無汙染。[0024]3)高壓取電線圈採用了磁飽和設計，避免大衝擊電流(如短路電流)對電源本身的整流濾波電路、測量管理電路、電能切換供電電路的影響，當高壓線路流過大衝擊電流時，產生的強磁場使特殊設計截面的圓形磁芯進入磁飽和狀態，低壓側的電流不會隨高壓線路電流成比例輸出，而是穩定在一個固定值，同時洩流保護電路導通雙向晶閘管使主電路洩流。
[0025]圖1本實用新型一種高壓取電雙超級電容儲能的電源原理圖。[0026]圖2本實用新型一種高壓取電雙超級電容儲能的電源電路圖。
具體實施方式
[0027]如圖1，本實用新型一種高壓取電雙超級電容儲能的電源由高壓取電線圈、洩流保護電路、整流濾波電路、電能切換供電電路、測量管理電路、超級電容器儲能電路A、超級電容器儲能電路B組成。[0028]圖2中，高壓取電線圈的圓形磁芯Tl採用高導磁材料製成，在圓形磁芯Tl上均勻繞制37扎線圈Li，該磁芯Tl的截面積按最小驅動電流設計，選擇磁性材料B-H曲線的合適工作點。當高壓線路電流在大於最小短路電流的情況下，圓形磁芯Tl線圈Ll內的磁通量成飽和特性。其作用是利用高壓線路通過大電流後，在周圍產生交變磁場，將交變磁場轉化為電能，同時對當高壓線路出現瞬間大衝擊電流(如短路電流時)，高壓取電線圈還取得保護的作用。[0029]洩流保護電路由連接繞在高壓取電線圈的圓形磁芯Tl的測量線圈L2、限流電阻 R1，電流取樣電阻R2，限流電阻Rl的作用是當高壓線路出現大電流時，在線圈中起限流分壓的作用，設定洩流電流為I，雙向晶閘管導通電壓為U，當電壓為I XR2> U時就可以導通雙向晶閘管，使取能線圈Ll的輸出短路。[0030]整流濾波電路由整流橋BR和電解電容Cl、陶瓷MLCC電容C2組成，其作用將交流電流整流成直流電，為超級電容儲能電路A和B充電。[0031]當電能切換供電電路的Sl導通，S4閉合時，就可以為超級電容儲能電路A充電。 Sl閉合，S4導通時，超級電容儲能電路A就可以向外供電；當電能切換供電電路的S2導通的，S3閉合時，超級電容儲能電路B充電，S2閉合，S3導通時，超級電容儲能電路B向外供電，整體工作過程是由測量管理電路交替控制超級電容儲能電路A和B充電、放電。[0032]超級電容器儲能電路A工作原理(儲能電路B工作原理相同)[0033]由大功率的MOS管S5、S6，快恢復二極體Dl和D2，電感L3，保護二極體D3和D4，超級電容SCap 1組成，形成一個雙向DC-DC變換器進行降壓和升壓。雙向DC-DC變換器是一個周期性通斷的開關控制裝置，是電流可反向的兩象限變換器，當電容對外放電時，DC-DC變換器處於升壓狀態，而對電容充電時，DC-DC變換器處於降壓狀態。當S5處於工作狀態，S6 關斷，S5和D2構成降壓斬波電路，此時雙向DC-DC變換器處於降壓狀態。在一個開關周期 Ts內，當S5閉合時，二極體D2承受反向電壓，電流從整流濾波電路充入超級電容器SCap 1， 同時電感L3存儲部分能量；當S5斷開時，二極體D2承受正向偏壓，為電感L3釋放能量構成通路，向超級電容器SCapl充電。當電路處於降壓狀態時，輸出電壓Vo與輸入電壓Vi的相互關係為Vo = DVi, D為導通比。[0034]當S6處於工作狀態，S5關斷，S2和Dl構升壓斬波電路，這時DC-DC變換器處於升壓狀態。當S2閉合時，電能從超級電容器SCapl經S5傳遞到電感L3 ；當S2斷開時，電能從電感L3經Dl釋放到電能切換供電電路輸出。當處於升壓狀態時，兩端電壓的相互關係為輸出電壓Vo與輸入電壓Vi的相互關係為Vo = l/(l_D)Vi，D為導通比。[0035]設計實例設整流濾波電路輸出電壓為5V，通過電能切換供電電路的輸出電壓為 5V，超級電容器選用2. 5V/50F超級電容器組成，其單只電容器產品的ESR (DC) 20m Ω。[0036]超級電容器充電時間為(在充電電流為5Α的情況下)t = (CAU)/I = 50X2. 5/5 = 25 秒，超級電容器放電時間為t = C(AU/I-R) = 50(1. 0/0. 5-0. 02) = 99 秒。[0037]式中C 一電容器額定容量:Δυ_電容器工作電壓變化；I-電容器充電電流；t-電容器充電時間。[0038]超級電容器可從5V放電到0. 6V，在此設定放電電壓低到IV後開始充電。
權利要求1.一種高壓取電雙超級電容儲能的電源，其特徵在於，該電源由依次連接的高壓取電線圈、洩流保護電路、整流濾波電路、電能切換供電電路、測量管理電路、超級電容器儲能電路A、超級電容器儲能電路B組成。
2.如權利要求1所述的一種高壓取電雙超級電容儲能的電源，其特徵在於，所述高壓取電線圈採用高導磁材料製成的圓形磁芯Tl，在圓形磁芯Tl上均勻繞制線圈Li。
3.如權利要求1或權利要求2所述的一種高壓取電雙超級電容儲能的電源，其特徵在於，所述洩流保護電路包括依次連接繞在圓形磁芯Tl的測量線圈L2、限流電阻R1，電流取樣電阻R2 ；Rl與R2連接的一端連接到雙向晶閘管SCl控制端上，雙向晶閘管SCl與線圈Ll並聯。
4.如權利要求1所述的一種高壓取電雙超級電容儲能的電源，其特徵在於，所述的整流濾波電路由整流橋BR和電解電容Cl、陶瓷MLCC電容C2組成。
5.如權利要求1所述的一種高壓取電雙超級電容儲能的電源，其特徵在於，電能切換供電電路由大功率MOS管S1、S2、S3、S4組成，Sl源極與S2源極相連，Si、S2的漏極分別與超級電容器儲能電路B、超級電容器儲能電路A正輸入端相連，S3漏極與S4漏極相連，S3、S4的源極分別與超級電容器儲能電路A、超級電容器儲能電路B正輸出端相連。
6.如權利要求1所述的一種高壓取電雙超級電容儲能的電源，其特徵在於測量管理電路由單片機控制電路(Power Manage Circuit)組成，PIU PI2、PI3、PI4為電壓檢測輸入端，PIl連接整流濾波電路的正輸出端，PI2連接超級電容器儲能電路A和超級電容器儲能電路B的正輸入端，PI3連接超級電容SCapl正接線端，PI4連接超級電容SCap2正接線端；PI、P2、P3、P4、P5、P6.P7.P8 為輸出控制端，分別連接 Si、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8 柵極控制端。
7.如權利要求1所述的一種高壓取電雙超級電容儲能的電源，其特徵在於，所述超級電容器儲能電路A，由大功率的MOS管S5、S6，快恢復二極體D1、快恢復二極體D2、電感L3、保護二極體D3、保護二極體D4、超級電容SCapl組成；Dl正負極分別連接到S5的漏極和源極，D2正負極分別連接到S6的漏極和源極，S5的漏極與S6的源極和L3的一端相連，L3的另一端與超級電容SCapl的正極、D3的正極、D4的負極相連，D3的負極與S5的源極相連，Scapel負極分別與S6的漏極、D4的正極、整流濾波電路的負極相連。
8.如權利要求1所述的一種高壓取電雙超級電容儲能的電源，其特徵在於，所述超級電容器儲能電路B，由大功率的MOS管S7、S8、快恢復二極體D5、快恢復二極體D6、電感L4、保護二極體D7、保護二極體D8、超級電容SCap2組成，D5正負極分別連接到S7的漏極和源極，D6正負極分別連接到S8的漏極和源極，S7的漏極與S8的源極和L4的一端相連，L4的另一端與超級電容SCap2的正極、D7的正極、D8的負極相連，D7的負極與S7的源極相連，Scape2負極分別與S8的漏極、D8的正極、整流濾波電路的負極相連。
專利摘要本實用新型涉及電力系統技術領域的一種高壓取電雙超級電容儲能的電源，由依次連接的高壓取電線圈、洩流保護電路、整流濾波電路、電能切換供電電路、測量管理電路、超級電容器儲能電路A、超級電容器儲能電路B組成；採用超級電容器儲能電路A和B輪流充電和供電，供電電流和電壓穩定，解決了當高壓線路出現小電流或低電壓時，高壓側電路供電不足或者無供電的問題；超級電容器有超大電容量，漏電流小，充電迅速，使用壽命長，充放電循環壽命在10萬次以上，而蓄電池充放電循環壽命才1000次；本實用新型可在-40℃～75℃的環境溫度中正常使用，可靠性高。
文檔編號H02J17/00GK202334010SQ20112045511
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年11月10日
發明者程順 申請人:程順