電子式互感器工作電源的製作方法

2023-10-22 13:24:37 6

專利名稱：電子式互感器工作電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及無接觸功率傳輸技術領域，特別涉及一種電子式互感器工作電源。
背景技術：
無接觸功率傳輸技術是一種實現能量從靜止設備向靜止或可運動設備傳輸有效方法。其主要利用現代電力電子能量變換技術與磁場耦合技術，同時藉助於現代控制理論和微電子控制技術。它既能減小向用電設備供電可能帶來的安全隱患，又可以大大降低系統的能量傳遞受外界因素影響的程度。相比通過電氣連接傳遞能量的方法，在技術上更為可靠、耐用。因此，該技術具有十分廣闊的前景。根據能量傳輸的機理，實現無接觸功率傳輸的方法有3種
1)電磁感應原理通過特殊設計的功率發送和接收系統，以磁通作為媒介，利用電磁耦合感應產生電動勢，再通過電子變換電路實現向負載的能量供應；
2)電磁波發送與接收原理將電磁波通過天線發送、接收，再經過頻率變換電路將電波的能量轉換成常規形式加以利用；
3)耦合模理論其原理是基於2個電磁波在滿足規定條件的情況下，在同一波導(腔體)的不同電磁波的模式之間或不同波導(或腔體)的同一電磁波模式之間可以發生耦合諧振的現象，通過理論計算或實驗的方法選擇耦合模參數，利用強磁場耦合共振方式使能量在收發兩個諧振腔之間有效傳輸。以上是無接觸功率傳輸的方法。而在電子式互感器的應用中，高低壓側電信號的轉換為最常見的問題。為實現高低壓側電信號的完全隔離，高壓側信號處理用工作電源必須是懸浮式的。目前，該電源的設計主要有兩種方法
1)採用低壓側光供電方式，利用光電轉換的工作原理，通過大口徑光纖實現能量供給， 其優點是電源穩定、可靠性高，不受母線電流的影響，但由於雷射器提供的功率有限，且光電轉換的效率也不高，光電池在長期滿負荷工作條件下的壽命也難以保證，成本較高等缺點也不能完全滿足現場要求。2)利用工作電源與傳感器同處高壓端的特點，採用帶鐵芯的感應線圈直接從高壓線路獲取能源。這種方案能降低裝置的複雜程度和對絕緣的要求，但存在線路電流過低或斷路器跳閘時，電子式互感器將因缺少工作電源而不能工作的缺陷。綜上所述，目前的電子式互感器的高低壓側電信號的轉換都存在若干的缺點，如何將無接觸功率傳輸應用於電子式互感器的高低壓側電信號的轉換，則成為頗為亟待的問題。

發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種提高轉換效率同時工作狀態穩定的電子式互感器工作電源。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為一種電子式互感器工作電源，包括直流電源、高頻電源電路、低壓側無功補償電路、電磁耦合單元、高壓側接收電路與恆負載變換電路；所述直流電源給高頻電源電路供電，所述高頻電源電路與低壓側無功補償電路電連接；所述電磁耦合單元分為發送單元和接收單元，所述低壓側無功補償電路接入電磁耦合單元的發送單元；所述高壓側接收電路接入電磁耦合單元的接收單元，且所述高壓側接收電路和恆負載變換電路電連接。優選地，所述高頻電源電路為小功率高頻電源電路，其包括方波發生電路、有源帶通濾波電路與推挽放大電路；所述方波發生電路、有源帶通濾波電路與推挽放大電路依次電連接。優選地，所述方波發生電路由IC晶片和晶振構成，所述晶振與IC晶片連接；所述 IC晶片的輸出端與所述有源帶通濾波電路的輸入端電連接；所述有源帶通濾波電路包括高通濾波電路和低通濾波電路，所述高通濾波電路一端與IC晶片的輸出端電連接，其另一端與低通濾波電路電連接；所述高通濾波電路包括第一集成晶片，所述第一集成晶片的輸入端依次連接電容Cl與C2，所述電容Cl與C2分別通過電感Rl與R3接地；所述低通濾波電路包括第二集成晶片，所述第二集成晶片的輸入端依次連接電感R4與R5，所述電感R4 與R5分別通過電容Cl與C2接地；所述第一集成晶片的輸出端與第二集成晶片的輸入端電連接；所述推挽放大電路包括第一變壓器Tl、第一三極體Q1、第二三極體Q2與第二變壓器 T2，所述第一變壓器Tl的初級繞組的一端與第二集成晶片的輸出端電連接，第一變壓器Tl 的次級輸出分別連接第一三極體Ql與第二三極體Q2的基極，第一三極體Ql與第二三極體 Q2的發射極均接地，第一三極體Ql與第二三極體Q2的集電極分別連入第二變壓器T2的初級繞組，第二變壓器T2的次級輸出與低壓側無功補償電路電連接。優選地，所述低壓側無功補償電路為串聯補償電路，所述串聯補償電路包括電阻 Rp與Rr、無功補償電容Cp、電感Lp與Lr，所述電阻Rp的一端與高頻電源電路的輸出端連接、其另一端與電容Cp、電感Lp、Lr與電阻Rr依次電連接，電阻Rr的另一端為輸出端，向電磁耦合單元的發射單元輸出信號。優選地，所述低壓側無功補償電路為並聯補償電路，所述並聯補償電路包括電阻 Rp與Rr、無功補償電容Cp、電感Lp與Lr ；所述電阻Rp與電感Lp、Lr與電阻Rr依次電連接形成一支路，無功補償電容Cp並聯在該支路兩端形成所述低壓側無功補償電路，該電路的輸入端與高頻電源電路的輸出端連接，其輸出端向電磁耦合單元的發射單元輸出信號。優選地，所述電磁耦合單元的感應線圈為組合型或螺旋型，所述組合型的小線圈為平面型或拋物面型，所述螺旋型的小線圈為平面型或拋物面型。優選地，所述高壓側接收電路由無功補償電路、整流濾波電路和穩壓電路組成，三者依次電連接，且均由電磁耦合單元的接收單元提供的電源供電。優選地，所述無功補償電路採用並聯補償諧振電路，其由電阻&、電感Ls、阻抗&、 補償電容Cs組成，所述電阻&、電感Ls與阻抗依次電連接形成一支路，補償電容Cs並聯在支路兩端形成無功補償電路；所述功補償電路的一端與電磁耦合單元的接收單元提供的電源電連接，另一端與整流濾波電路電連接。優選地，所述整流濾波穩壓電路包括整流電路和濾波電路，所述整流電路由二極體D1A2與D3與D4構成的橋式電路構成，其D1與D2的交點與功補償電路電連接,D3與D4的交點與電磁耦合單元的接收單元提供的電源電連接，D1與D3、D2與D4之間的交點分別接入濾波電路中，所述濾波電路由電容C1與C2構成，電容C1與C2並聯接入電路，其輸出端輸出
直流電壓Uab。優選地，所述恆負載變化電路由直流電壓Uab供電；所述恆負載變化電路包括穩壓二極體Dw，可變電阻RL、二極體D1、電阻Rl與R2 ；穩壓二極體Dw與電阻R2連接形成一支路，可變電阻RL並在穩壓二極體Dw兩端；二極體Dl與電阻Rl連接同時並在穩壓二極體Dw 與電阻R2形成的支路兩端。綜上所述，本發明相對於現有技術，具有以下有益效果
1、本發明無接觸電子式互感器工作電源電路利用無接觸功率傳輸技術，採用特殊的設計結構使電磁耦合線圈實現能量的高集中度收發，並通過特別設計的工作電路實現電能從低壓側到高壓側的可靠傳送；
2、本發明無接觸電子式互感器工作電源電路採用的螺旋型或多線圈組合結構型的電磁耦合結構，實現能量的高集中度收發；
3、本發明無接觸電子式互感器工作電源電路的低壓側為獲得採用小功率高頻電源電路，使低壓側通過晶振產生精確頻率，再通過濾波電路和功率放大電路獲得無接觸功率傳輸功率發送用小功率高頻電源電路，頻率單一，無雜波；
4、本發明無接觸電子式互感器工作電源電路的高壓側採用恆負載變換電路，降低負載波動對無接觸功率傳輸效率的影響，效果顯著。


圖1為本發明的結構原理方框圖； 圖2為本發明的高頻電源電路圖3為本發明的低壓側無功補償電路之串聯電路圖； 圖4為本發明的低壓側無功補償電路之並聯電路圖； 圖5為本發明的電磁耦合機構單元組合型線圈示意圖； 圖6為本發明的電磁耦合機構單元螺旋形線圈示意圖； 圖7為本發明的高壓側無功補償電路、整流濾波穩壓電路圖； 圖8為發明的恆負載變換電路圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。如圖1所示，一種無接觸電子式互感器工作電源電路，其利用無接觸功率傳輸技術，採用特殊結構電磁耦合線圈實現能量的高集中度收發，並通過特別設計的工作電路實現電能從低壓側到高壓側的可靠傳送。該電路包括直流電源1、高頻電源電路2、低壓側無功補償電路3、電磁耦合單元4、高壓側接收電路5和恆負載變換電路6。直流電源1給高頻電源電路2供電，且高頻電源電路2與低壓側無功補償電路3電連接。電磁耦合單元4 分為發送單元41和接收單元42。低壓側無功補償電路3接入電磁耦合單元4的發送單元 41 ；同時高壓側接收電路5接入電磁耦合單元4的接收單元42，且高壓側接收電路5和恆負載變換電路6電連接。
如圖2所示，為高頻電源電路2的電路圖，高頻電源電路2包括方波發生電路21、 有源帶通濾波電路22與推挽放大電路23。方波發生電路、有源帶通濾波電路與推挽放大電路依次電連接。方波發生電路由IC晶片(MC14060或MC14040)和晶振構成。通過選擇不同的晶振頻率以及從IC晶片的不同的輸出口輸出，可以獲得所需要的任意頻率的方波信號； 為解決頻率的單一性問題而設計的通過晶振產生精確頻率。IC晶片的輸出端與有源帶通濾波電路22的輸入端電連接。有源帶通濾波電路22包括高通濾波電路和低通濾波電路，高通濾波電路一端與 IC晶片的輸出端電連接，其另一端與低通濾波電路電連接。高通濾波電路包括第一集成晶片，第一集成晶片的輸入端依次連接電容Cl與C2，電容Cl與C2分別通過電感Rl與R3接地。低通濾波電路包括第二集成晶片，第二集成晶片的輸入端依次連接電感R4與R5，電感 R4與R5分別通過電容Cl與C2接地。第一集成晶片的輸出端與第二集成晶片的輸入端電連接。本實施例中，第一集成晶片與第二集成晶片都採用0P07DP。另外，第一集成晶片的正電極與12V的電源連接；第二集成晶片的正電極與12V的電源連接；兩者的負電極共同接入12V的V4電源。上述方波發生電路產生的方波信號經過利用高通濾波電路和低通濾波電路設計構成的帶通濾波電路後即可獲得頻率單一性較高的正弦信號。濾波電路的參數配置及截止頻率由以下公式確定
高通濾波幅的截止頻率=% = 2lc/RRfc1c +CC)；
, 1
低通濾波電路的截止頻率:hw = ^ ^。推挽放大電路23包括第一變壓器Tl、第一三極體Q1、第二三極體Q2與第二變壓器Τ2。第一變壓器Tl的初級繞組的一端與第二集成晶片的輸出端電連接；第一變壓器Tl 的次級輸出分別連接第一三極體Ql與第二三極體Q2的基極；同時，第一變壓器Tl的次級輸出通過電感和電源接地。第一三極體Ql與第二三極體Q2的發射極均接地，第一三極體 Ql與第二三極體Q2的集電極分別連入第二變壓器Τ2的初級繞組，第二變壓器Τ2的次級輸出與低壓側無功補償電路電連接。推挽放大電路23的作用是將有源帶通濾波電路22後得到的單一頻率正弦電壓進行功率放大，成為能提供較大功率的高頻電源。為避免交越失真， 電路工作參數配置在接近乙類工作狀態的甲乙類工作狀態，由於來自濾波電路的輸入電壓基本恆定，因此，其工作狀態處於基本穩定的狀況。輸入側變壓器為兩個放大電路分別提供輸入信號，輸出側變壓器則提供阻抗變換作用。如圖3所示，低壓側無功補償電路3為串聯補償電路。串聯補償電路包括電阻Rp 與Rr、無功補償電容Cp、電感Lp與Lr，所述電阻Rp的一端與高頻電源電路的輸出端連接、 其另一端與電容Cp、電感Lp、Lr與電阻Rr依次電連接，電阻Rr的另一端為輸出端，向電磁耦合單元的發射單元輸出信號。如圖4所示，低壓側無功補償電路為並聯補償電路。並聯補償電路包括電阻Rp與 Rr、無功補償電容Cp、電感Lp與Lr ；所述電阻Rp與電感Lp、Lr與電阻Rr依次電連接形成一支路，無功補償電容Cp並聯在該支路兩端形成所述低壓側無功補償電路，該電路的輸入端與高頻電源電路的輸出端連接，其輸出端向電磁耦合單元的發射單元輸出信號。綜合圖3和圖4，由推挽放大電路23的第二變壓器T2輸出的頻率單一性強、 穩定度高的功率信號進入低壓(輸入)側無功補償電路3。低壓側無功補償電路3有串聯型和並聯型兩種形式可以採用，其等效電路分別如圖3和圖4，圖中Cp為無功補償電容，I P、LP 表示低壓(功率發射)側耦合線圈的電阻和電感，Rr> k表示高壓(功率接收)側耦合線圈的等效電阻和等效電感。本裝置設計採用的補償方式是完全補償的諧振工作方式，補償電容
1
的大小由公式
權利要求
1.一種電子式互感器工作電源，其特徵在於包括直流電源(1)、高頻電源電路(2)、低壓側無功補償電路(3)、電磁耦合單元(4)、高壓側接收電路(5)與恆負載變換電路(6)；所述直流電源(1)給高頻電源電路(2)供電，所述高頻電源電路(2)與低壓側無功補償電路 (3)電連接；所述電磁耦合單元(4)分為發送單元(41)和接收單元(42)，所述低壓側無功補償電路(3)接入電磁耦合單元(4)的發送單元(41);所述高壓側接收電路(5)接入電磁耦合單元(4)的接收單元(42)，且所述高壓側接收電路(5)和恆負載變換電路(6)電連接。
2.根據權利要求1所述的電子式互感器工作電源，其特徵在於所述高頻電源電路(2) 為小功率高頻電源電路，其包括方波發生電路(21)、有源帶通濾波電路(22)與推挽放大電路(23)；所述方波發生電路(21)、有源帶通濾波電路(22)與推挽放大電路(23)依次電連接。
3.根據權利要求2所述的電子式互感器工作電源，其特徵在於所述方波發生電路 (21)由IC晶片和晶振構成，所述晶振與IC晶片連接；所述IC晶片的輸出端與所述有源帶通濾波電路(22)的輸入端電連接；所述有源帶通濾波電路(22)包括高通濾波電路和低通濾波電路，所述高通濾波電路一端與IC晶片的輸出端電連接，其另一端與低通濾波電路電連接；所述高通濾波電路包括第一集成晶片，所述第一集成晶片的輸入端依次連接電容Cl 與C2，所述電容Cl與C2分別通過電感Rl與R3接地；所述低通濾波電路包括第二集成晶片，所述第二集成晶片的輸入端依次連接電感R4與R5，所述電感R4與R5分別通過電容Cl 與C2接地；所述第一集成晶片的輸出端與第二集成晶片的輸入端電連接；所述推挽放大電路(23)包括第一變壓器Tl、第一三極體Q1、第二三極體Q2與第二變壓器T2，所述第一變壓器Tl的初級繞組的一端與第二集成晶片的輸出端電連接，第一變壓器Tl的次級輸出分別連接第一三極體Ql與第二三極體Q2的基極，第一三極體Ql與第二三極體Q2的發射極均接地，第一三極體Ql與第二三極體Q2的集電極分別連入第二變壓器T2的初級繞組，第二變壓器T2的次級輸出與低壓側無功補償電路(3)電連接。
4.根據權利要求1所述的電子式互感器工作電源，其特徵在於所述低壓側無功補償電路(3)為串聯補償電路，所述串聯補償電路包括電阻Rp與Rr、無功補償電容Cp、電感Lp 與Lr，所述電阻Rp的一端與高頻電源電路的輸出端連接、其另一端與電容Cp、電感Lp、Lr 與電阻Rr依次電連接，電阻Rr的另一端為輸出端，向電磁耦合單元(4)的發射單元(41)輸出信號。
5.根據權利要求1所述的電子式互感器工作電源，其特徵在於所述低壓側無功補償電路(3)為並聯補償電路，所述並聯補償電路包括電阻Rp與Rr、無功補償電容Cp、電感Lp 與Lr ；所述電阻Rp與電感Lp、Lr與電阻Rr依次電連接形成一支路，無功補償電容Cp並聯在該支路兩端形成所述低壓側無功補償電路，該電路(3)的輸入端與高頻電源電路(2)的輸出端連接，其輸出端向電磁耦合單元(4)的發射單元(42)輸出信號。
6.根據權利要求或4或5所述的電子式互感器工作電源，其特徵在於所述電磁耦合單元(4)的感應線圈為組合型或螺旋型，所述組合型的小線圈為平面型或拋物面型，所述螺旋型的小線圈為平面型或拋物面型。
7.根據權利要求或4或5所述的電子式互感器工作電源，其特徵在於所述高壓側接收電路(5)由無功補償電路(51)與整流濾波穩壓電路(5 組成，兩者依次電連接，且均由電磁耦合單元(4)的接收單元(42)提供的電源供電。
8.根據權利要求7所述的電子式互感器工作電源，其特徵在於所述無功補償電路 (51)採用並聯補償諧振電路，其由電阻Rs、電感Ls、阻抗&、補償電容Cs組成，所述電阻Rs、 電感Ls與阻抗&依次電連接形成一支路，補償電容Cs並聯在支路兩端形成無功補償電路 (51)；所述功補償電路(51)的一端與電磁耦合單元的接收單元提供的電源電連接，另一端與整流濾波電路電連接。
9.根據權利要求7所述的電子式互感器工作電源，其特徵在於所述整流濾波穩壓電路(52)包括整流電路和濾波電路，所述整流電路由二極體D1A2與D3與D4構成的橋式電路構成，其D1與D2的交點與功補償電路電連接，D3與D4的交點與電磁耦合單元的接收單元提供的電源電連接，D1與D3、D2與D4之間的交點分別接入濾波電路中，所述濾波電路由電容C1 與C2構成，電容C1與C2並聯接入電路，其輸出端輸出直流電壓Uab。
10.根據權利要求9所述的電子式互感器工作電源，其特徵在於所述恆負載變化電路 (6)由直流電壓Uab供電；所述恆負載變化電路(6)包括穩壓二極體Dw，可變電阻RL、二極體 D1、電阻Rl與R2 ；穩壓二極體Dw與電阻R2連接形成一支路，可變電阻RL並在穩壓二極體 Dw兩端；二極體Dl與電阻Rl連接同時並在穩壓二極體Dw與電阻R2形成的支路兩端。
全文摘要
本發明公開了一種電子式互感器工作電源，包括直流電源、高頻電源電路、低壓側無功補償電路、電磁耦合單元、高壓側接收電路與恆負載變換電路；直流電源給高頻電源電路供電，所述高頻電源電路與低壓側無功補償電路電連接；所述電磁耦合單元分為發送單元和接收單元，所述低壓側無功補償電路接入電磁耦合單元的發送單元；所述高壓側接收電路接入電磁耦合單元的接收單元，且所述高壓側接收電路和恆負載變換電路電連接。本發明採用特殊的設計結構使電磁耦合線圈實現能量的高集中度收發，並通過特別設計的工作電路實現電能從低壓側到高壓側的可靠傳送，值得推廣。
文檔編號H02J17/00GK102244418SQ20111019396
公開日2011年11月16日 申請日期2011年7月12日 優先權日2011年7月12日
發明者劉藝, 彭顯剛, 文波, 武小梅, 王星華, 聶一雄 申請人:廣東工業大學