電力隧道電纜非接觸式感應取電裝置的制作方法

專利名稱：：電力隧道電纜非接觸式感應取電裝置的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種能在電力隧道中無供電線路情況下通過非接觸式感應取電方法獲取電能的電力隧道電纜非接觸式感應取電裝置。
背景技術：
：目前電力隧道的輔助設備(照明、機械通風、防火預警)建設逐步展開。在以往的電力隧道中，通常都沒有專門布設交流220V或其它專用于隧道內輔助設備的供電回路，這樣就給在此情況下開發和布設電纜監控系統、隧道照明系統等帶來了極大的不便，因此通常情況只能采用電池作為主要能源提供，這樣一方面要求設備的功耗要極低，同時還必須定期更換電池，給工作帶來極大的不便。由于電力隧道的特點是距離長、范圍廣、使用環境潮濕、隧道內水汽較重，部分地段污水存積，甚至會產生沼氣，因此對隧道內設備的可靠性要求極高；同時考慮到隧道內作業、施工人員的安全，通常要求隧道內輔助設備的供電采用低壓，這樣就要求供電線路必須采用大口徑的電纜來布設，而這樣又極大地增加了供電線路的投資，通常情況下是難以接受的，為此必須找到一種便宜的、安全的方案才能接受。
發明內容本發明的目的就是為解決上述問題，提供一種具有結構簡單，使用方便，可以非接觸式取電等優點的電力隧道電纜非接觸式感應取電裝置。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案它包括至少一個取電回路，各取電回路包括互感式取電裝置，該裝置與整流電路連接，整流電路與保護電路和功率因數矯正電路連接，功率因數矯正電路與穩壓電路電路；各取電回路中的穩壓電路則與取電平衡控制電路連接。所述互感式取電裝置包括互感器及其配套的線圈L2和電容C1，預防尖峰脈沖的瞬態電壓抑制二極管TVS1跨接在線圈L2和電容Cl兩端；電容Cl兩端還并聯高頻濾波電容C2，高頻濾波電容C2與整流電路連接，所述整流電路為全橋整流電路B1。所述互感器為硅鋼制，在負載為100Q電阻時，獲取最大電能所需的互感器線圈匝數為100匝。所述保護電路為高壓防護電路，它由二極管ZD1、電容C3、晶閘管Q1、電阻R1、電阻R2、電阻R3組成，串聯的二極管ZD1與電容C3兩端并聯串聯的晶閘管Ql與電阻R3，晶閘管Ql的觸發極與電阻R2連接，電阻R2—路連接在二極管ZD1和電容C3之間，另一路與電阻Rl連接，電阻Rl連接在電容C3和電阻R3之間；所述功率因數矯正電路由電容El、電容E2、二極管Dl、二極管D2、二極管D3、電阻R4組成，電容El與二極管D2的陰極連接，二極管D3的陽極與電容E2連接，陰極與電容El連接，電容E2與二極管D2的陽極連接，二極管Dl的陰極經電阻R4接在二極管D3與電容E2間，二極管Dl的陽極連接在電容El與二極管D2之間；在高壓防護電路與功率因數矯正電路間并聯泄壓二極管TVS2。所述穩壓電路包括輸入濾波電容E3，輸入濾波電容E3—端接地，另一端與上拉電阻R5連接，上拉電阻R5與直流輸入電源連接，上拉電阻R5與芯片工作控制端JA1串接，芯片工作控制端JA1另一端接地；頻率補償電容C5、C6并聯并與電源芯片Ul連接，電源芯片Ul還與定時電容C7連接；電源芯片Ul輸出端與串聯的電阻R7、R8、R9組成的電壓調整電路連接，電源芯片Ul的FB引腳連接在電阻R8和電阻R9之間，檢測輸出電壓并降低開關頻率，在輸出電壓低于調節電平時控制軟起動電壓斜坡速率。所述取電平衡控制電路包括并聯的二極管TVS1、濾波電容El和濾波電容Cl，二極管TVS1與濾波電容E1間連接二極管D1，二極管TVS1還與熔斷器FR1連接；濾波電容C1兩端并聯控制芯片Ul，控制芯片Ul的4腳即為公共設定端，各電源芯片通過一公共電阻進行設定，各電源芯片共同作用，最終形成一個統一的電源。本發明源自互感器技術，但互感器提取的電能不論從電能的總量上，還是取電特性上都無法滿足現有設備的需要。通過實驗，申請人發現互感器在取電情況下所取電能的大小與互感器線圈的匝數、取電電阻的大小都有直接的關系。在通過互感器的主干電流一定且輸出電阻不變的情況下，研究互感器的取電線圈匝數與互感器最終輸出功率的關系，通過實驗發現，取電線圈匝數與最終輸出功率之間存在著極值關系，即當輸出電阻一定(100Q)時，只有當匝數取某個值(IOO匝)時負載電壓才最大、輸出功率才最高，匝數高于或低于該數值時，負載電壓和輸出功率都會減少，且匝數距指定值越遠，負載電壓和輸出功率減少就越多。由此可知，只有在取電線圈具有這一匝數的情況下才能在該輸出電阻上使取出的功率達到最大。(即最大輸出功率對應的匝數是靠實驗來確定的，其后的實驗均在此基礎上，并保證受此影響的電路均在此條件下工作。)CT環匝數對輸出功率的影響條件輸入電流5A，輸出電陽100Q<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>同時，申請人對同一互感器掛接不同負載電阻的工作情況進行了測試，測得輸出電壓隨著負載電阻的增大而增大，而輸出電流則隨負載電阻的增大而減小，申請人還發現在輸出功率上同樣存在極值情況，即只有當負載電阻為某一固定值時輸出功率才最大，負載電阻大于或小于該數值盡管負載電壓或電流也增大，但輸出功率卻呈明顯地減少現象。實驗數據見下表電流CT環輸出功率(100匪)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>通過對不同材質的互感器做以上的實驗，結果發現不同材質(鐵氧體、硅鋼片)的互感器其取電線圈的最佳匝數、最大輸出功率對應的負載電阻等均不相同，相同尺寸互感器所能取得的最大功率也有所不同。即取電線圈用互感器只有選用特定材料才能獲取最大輸出功率，而實際上該特定材料恰恰是當前應用最廣泛的硅鋼！通過分析我們認為互感器所能取得的最大功率與互感器所用材質的飽合磁感應強度一致，而當前我們常用的互感器材料中，硅鋼的飽合磁感應強度為2T、坡莫合金為0.8T、超微晶為1.2T、非晶為1.6T，可見正是最常用的硅鋼是我們所需的磁材料！該結論已經實驗證明，即同樣尺寸的坡莫合金互感器和硅鋼互感器當輸出電阻均為100Q時，雙方同樣達到最大輸出功率時，雙方的匝數各不相同，硅鋼的最大功率要遠大于坡莫合金的最大功率；我們還做了非晶互感器和硅鋼互感器的對比實驗，結論與之相同。對于磁材料的選擇，我們所考慮的主要依據有兩點1、我們認為找到了一種材料所制互感器的最大輸出功率與該材料的飽合磁感應強度直接相關，而硅鋼的飽合磁感應強度最大；2、由于我們所用互感器必須為兩個半圓制成，而這兩個半圓相互之間接合的緊密程度與整體反映出的磁感應強度密切相關，通常情況下下降70%以上，而在這些磁材料中，只有硅鋼更容易加工打磨，因此最終硅鋼制成的兩個半圓的互感器的磁感應強度最大。同時硅鋼的價格也更便宜，為此硅鋼就是我們的最終選擇！為此我們通過不斷選材、反復測試，最終在同樣外形尺寸情況下我們找到了能夠獲得最大電能的互感器的材質-硅鋼、及在指定負載電阻(100Q)上獲取最大電能所需的互感器線圈匝數-ioo匝。為將在此情況下取得的電能有效地轉化為可用的電能，在此基礎上申請人首先對該電能進行普通的整流、濾波，結果發現效果很不理想，無法有效地將所取電能轉化為直流電，通過示波器觀察此時互感器輸出信號波形畸變，為改善此狀況，我們對電路參數進行了反復地測試、調整，同時查找資料參考前人的解決方法，最終通過加入磁環來改善、穩定了輸出波形。同時通過實驗發現濾波電容的大小對輸出電流的影響非常明顯，通過不斷更換該電容的大小，發現該電容的大小同樣與輸出功率之間存在著極值關系，即存在某一容值的電容能使電路輸出功率最大，最終經實驗確定了該濾波電容的大小，具體電路見圖2。電流CT環匝數對輸出功率的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>結論在輸入電流固定、負載固定情況下，CT環在匝數為100匝時輸出電流最大，即輸出功率最大。為將互感器提取的電能較為可靠地轉化為直流電，在經全橋轉換成直流電后還要首先經高壓防護電路進行保護，然后再經功率因數矯正電路修正后，再接入專用開關電源芯片中，具體電路見圖3。功率因數矯正(PPFC)電路用于對脈動直流的波谷部分進行調整，使整流后形成的脈動直流更加平滑，從而提高整個電路的功率因數。圖4是PPFC電路輸出電壓u和交流輸入電流的波形。為將該直流電有效地轉為穩壓電源，還需相應地穩壓器件；為此試驗了多種穩壓電源芯片，發現大多數芯片不能很好的完成此項功能，后經反復測試發現主要原因在于那些芯片要求的輸入電容過大，影響了前級互感器的取電效率，為此特意找到了本款電源芯片，經實驗效果良好。利用該開關電源芯片將上述CT環取得的電能形成穩定的直流電壓輸出。實測該電路形成的直流輸出能量已經十分接近(90%以上)理論上所能取得的最大電能。具體電路見圖5。其后，為獲取能盡可能多的電能，申請人采用了多路取電的方法，即同時用多個CT環取電，并在各CT環取電完成后，再想辦法將其組合成一個電源供后續電路使用。為此我們通過查找資料選用了一款專用的電源芯片，該芯片能平衡使用各取電回路，即能保證各回路的輸出基本相同，這樣既能有效提高整體的供電能力，同時也保證了各取電回路的安全。該芯片相關的電路見圖6。以上電路經實測，在主線路電流滿足基本要求時，單路該裝置能提供約1.5W的有效功率輸出，若同時利用35個該裝置取電，則能有效提供多達58W的輸出功率，從而滿足大多數信號采集設備的供電需要。該裝置通常可安裝于電纜的接地端處(該處較細、同時單根獨立)，也可安裝于電纜的主線路上，只是所需的CT環的尺寸不同，同時也要求相應線路上能提供便于安裝的地方。本發明的有益效果是？圖1是電纜非接觸式感應取電裝置結構示意圖；圖2非接觸式感應取電基本裝置圖。圖3是非接觸式感應取電保護裝置圖。圖4是功率因數矯正(PPFC)電路輸出電壓隨輸入電流變化的波形圖。圖5是專用穩壓電源芯片相關電路圖。圖6是專門平衡各取電回路的電源芯片工作原理圖。具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的詳細闡明。圖1中，它包括至少一個取電回路，各取電回路包括互感式取電裝置7，該裝置與尖峰吸收電路6和整流電路5連接，整流電路5與保護電路4和功率因數矯正電路3連接，功率因數矯正電路3與穩壓電路2電路；各取電回路中的穩壓電路2則與取電平衡電路1連接。圖2是非接觸式感應取電基本裝置圖。其中，XPl是取電互感器附帶線圈的接線端，L2是配套的線圈，Cl是配套的電容，Bl是轉為直流電所用的全橋，TVS1為預防尖峰脈沖的瞬態電壓抑制二極管，C2為高頻濾波電容。繞有指定匝數的取電互感器將所取得的電能經XP1及配套線圈L2和配套電容C1相互作用，形成能量相對穩定的交流電送至全橋B1整流，在此電路中同時裝有預防尖峰脈沖的TVS1及高頻濾波電容C2，防止線路上的高頻電流成份混入后級電路，同時對線路上的偶發尖峰脈沖進行濾除。圖3是非接觸式感應取電保護裝置圖，其中高壓防護電路由ZD1、C3、Ql、Rl、R2、R3組成，功率因數矯正電路由E1、E2、D1、D2、D3、R4組成。為將互感器提取的電能較為可靠地轉化為直流電，全橋B1轉換后的直流電還要再經由ZD1、C3、Ql、Rl、R2、R3組成的高壓防護電路和由El、E2、Dl、D2、D3、R4組成的功率因數矯正電路，再接入后續的專用開關電源芯片U1中。高壓防護電路由ZD1、C3、Ql、Rl、R2、R3組成，用于當主線路中的電流過大取出的電壓過高時保護后續電路之用；ZD1和Rl形成最簡易的穩壓電路，C3為濾波電容，A點電位隨轉換后的直流電壓高低而變；當轉換后的直流電壓低于設定值時，保護電路Q1不動作；當轉換后的直流電壓高于設定值時，A點電位就會高于Q1的導通電壓，保護電路Q1瞬間導通，過高的電壓通過Q1、R3被泄放掉，當泄放后的電壓低于設定值后，防護電路Q1恢復不再動作，直到取出的電壓再次高于設定值時再次動作，從而使后級電壓始終低于設定值；即使主線路上的電流極大，取出的電能極多，也能使后級電路工作于斷續狀態，從而即保護了后級電路的正常工作，也實現了大電流情況下取電電路同樣能正常工作。TVS2同樣是對轉換后的過高直流電壓進行泄放，保證后續電路的安全。功率因數矯正(PPFC)電路由El、E2、Dl、D2、D3、R4組成，它能對脈動直流的波谷部分進行調整，使整流后形成的脈動直流更加平滑，從而提高整個電路的功率因數。圖4是功率因數矯正(PPFC)電路輸出電壓隨輸入電流變化的波形圖在t0tl時間內，橋式整流輸出電壓Uz通過E1、D1、R4、E2對E1、E2充電，同時為負載供電，由于充電時間常數很小，E1、E2充電速度很快，當Uz到達峰值Um時，E1、E2上的電壓UEl=UE2=Um/2;在tlt2時間內，Um/2<Uz<UEl+UE2，D3和D2均反偏截至，E1、E2無放電回路，負載仍由整流電壓Uz供電；在t2t3時間內，Um/2<Uz，橋式整流管截止，電容El通過D2對負載放電，電容E2通過D3也對負載放電；在t3t4時間內，Uz>UEl、Uz>UE2，橋式整流管的另一對開始導通，為負載供電，當Uz>UEl+UE2時，Uz通過E1、E2、D1、R4對E1、E2充電，t4時刻UEl=UE2=Um/2;在t4t5時間內，Um/2<Uz<UEl+UE2，El、E2仍無放電回路，負載仍由Uz供電；在t5t6時間內，Um/2<Uz，橋式整流管截止，電容El通過D2，E2通過D3又對負載開始放電，以后將循環上述過程。由上述分析不難看出，當電路達穩態后，整流二極管的導通時間明顯增大，其輸入電流波形得到較大的改善(接近正弦波)。實驗表明，采用PPFC電路可使輸入電流總諧波含量降低到30%以下，功率因數可提高到0.90以上。圖5是專用穩壓電源芯片相關電路圖，其中E3是輸入濾波電容，R5為/SHDN腳的上拉電阻，JA1為芯片工作控制端，C5、C6、R6通常用于頻率補償，C7為定時電容。其中，E3是輸入濾波電容，R5為/SHDN腳的上拉電阻，JA1為芯片工作控制端，通常情況下JA1開路，以使該芯片連續工作，當JA1短接時，/SHDN腳電位為零，芯片處于待機狀態。C5、C6、R6通常用于頻率補償，C7為定時電容。電源芯片U1的輸出是可調的，通過電阻R7、R8、R9的阻值可簡單地設定所需的輸出電壓，電源芯片Ul的FB引腳的作用并不僅限于輸出電壓檢測，它還降低了開關頻率，并可在輸出電壓低于調節電平時控制軟起動電壓斜坡速率。專用開關電源芯片U1能夠在很寬的溫度和輸入電壓范圍內精確地調節輸出電壓。該芯片還能夠通過在一個寬廣的負載電流范圍內維持高效率來最大限度地減小"始終接通"系統中的電源能量消耗。其很寬的輸入電壓范圍使其成為要求苛刻的隧道內設備供電的理想選擇。微功率偏置電流和突發模式操作有助于在整個負載范圍內維持高效率，并產生僅微安級的無負載靜態電流。圖6是專門平衡各取電回路的電源芯片工作原理圖，其中FR1是用于輸入過流的自恢復保險絲，TVS1為預防輸入過壓的尖峰脈沖瞬態抑制器，Dl則為防止輸入反接的肖特基二極管，El為濾波電容，Cl為高頻濾波電容，D4為防止set端電壓過高的二極管，C4為set腳濾波電容，Rl為輸出平衡電阻。其中，FR1、TVS1和Dl為電源保護電路，防止電源極性接反、電源瞬間高壓等現象，E1、C1為濾波電容，4腳即為公共設定端，幾個連在一起的電源芯片通過一公共電阻進行設定，通過這些電源芯片共同作用，最終形成一個統一的電源。權利要求一種電力隧道電纜非接觸式感應取電裝置，其特征是，它包括至少一個取電回路，各取電回路包括互感式取電裝置，該裝置與整流電路連接，整流電路與保護電路和功率因數矯正電路連接，功率因數矯正電路與穩壓電路電路；各取電回路中的穩壓電路則與取電平衡控制電路連接。2.如權利要求1所述的電力隧道電纜非接觸式感應取電裝置，其特征是，所述互感式取電裝置包括互感器及其配套的線圈L2和電容C1，預防尖峰脈沖的瞬態電壓抑制二極管TVS1跨接在線圈L2和電容CI兩端；電容CI兩端還并聯高頻濾波電容C2，高頻濾波電容C2與整流電路連接，所述整流電路為全橋整流電路Bl。3.如權利要求1所述的電力隧道電纜非接觸式感應取電裝置，其特征是，所述互感器為硅鋼制，在負載為100Q電阻時，獲取最大電能所需的互感器線圈匝數為100匝。4.如權利要求1所述的電力隧道電纜非接觸式感應取電裝置，其特征是，所述保護電路為高壓防護電路，它由二極管ZD1、電容C3、晶閘管Ql、電阻Rl、電阻R2、電阻R3組成，串聯的二極管ZD1與電容C3兩端并聯串聯的晶閘管Ql與電阻R3，晶閘管Ql的觸發極與電阻R2連接，電阻R2—路連接在二極管ZD1和電容C3之間，另一路與電阻Rl連接，電阻Rl連接在電容C3和電阻R3之間；所述功率因數矯正電路由電容El、電容E2、二極管Dl、二極管D2、二極管D3、電阻R4組成，電容El與二極管D2的陰極連接，二極管D3的陽極與電容E2連接，陰極與電容El連接，電容E2與二極管D2的陽極連接，二極管Dl的陰極經電阻R4接在二極管D3與電容E2間，二極管D1的陽極連接在電容E1與二極管D2之間；在高壓防護電路與功率因數矯正電路間并聯泄壓二極管TVS2。5.如權利要求1所述的電力隧道電纜非接觸式感應取電裝置，其特征是，所述穩壓電路包括輸入濾波電容E3，輸入濾波電容E3—端接地，另一端與上拉電阻R5連接，上拉電阻R5與直流輸入電源連接，上拉電阻R5與芯片工作控制端JA1串接，芯片工作控制端JA1另一端接地；頻率補償電容C5、C6并聯并與電源芯片Ul連接，電源芯片Ul還與定時電容C7連接；電源芯片Ul輸出端與串聯的電阻R7、R8、R9組成的電壓調整電路連接，電源芯片Ul的FB引腳連接在電阻R8和電阻R9之間，檢測輸出電壓并降低開關頻率，在輸出電壓低于調節電平時控制軟起動電壓斜坡速率。6.如權利要求1所述的電力隧道電纜非接觸式感應取電裝置，其特征是，所述取電平衡控制電路包括并聯的二極管TVS1、濾波電容E1和濾波電容C1，二極管TVS1與濾波電容El間連接二極管Dl，二極管TVS1還與熔斷器FR1連接；濾波電容Cl兩端并聯控制芯片Ul，控制芯片U1的4腳即為公共設定端，各電源芯片通過一公共電阻進行設定，各電源芯片共同作用，最終形成一個統一的電源。全文摘要本發明公開了一種電力隧道電纜非接觸式感應取電裝置。它具有結構簡單，使用方便，可以非接觸式取電等優點，其結構為它包括至少一個取電回路，各取電回路包括互感式取電裝置，該裝置與整流電路連接，整流電路與保護電路和功率因數矯正電路連接，功率因數矯正電路與穩壓電路電路；各取電回路中的穩壓電路則與取電平衡控制電路連接。文檔編號H02J17/00GK101728876SQ201010002539公開日2010年6月9日申請日期2010年1月11日優先權日2010年1月11日發明者付懷珍,姜理遠,張明廣,李少輝,楊震威申請人:山東康威通信技術有限公司