專利名稱：一種基于電容分壓器的取能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電場取能領(lǐng)域，具體涉及ー種基于電容分壓器的取能裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用以下三種方案進行取能I.母線電流取能利用母線電流來取能的工作原理如圖I所示。圖中N2為高壓母線上電流互感器的二次側(cè)繞組匝數(shù)；RS為線圈內(nèi)阻出為整流橋；％為整流濾波后的電壓；も為平衡負載電阻。這種取能電路取得的能量來自于高壓母線電流，是通過一個穿在高壓母線上的電流互感器內(nèi)的磁感應(yīng)線圈T來完成的。由于母線周圍環(huán)繞著磁場，那么通過磁感應(yīng)線圈T從該磁場 內(nèi)獲取能量，然后處理，為高壓線路(即高壓母線)供電。該取能方案的取能裝置雖然具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、絕緣封裝簡單、使用安全、成本低、可靠性相對較高等優(yōu)點，但由于高壓母線電流不是穩(wěn)定值，且變化范圍非常大，因此要求磁感應(yīng)線圈必須兼顧高壓母線內(nèi)流經(jīng)最小、最大電流時的兩種極限條件，而且后續(xù)處理電路應(yīng)具有保護功能，以確保供電穩(wěn)定。鑒于現(xiàn)有技術(shù)仍存在最小值的死區(qū)，所以當(dāng)母線電流過小時，該取能裝置便不能正常工作。2.電容電流取能利用電容電流取能的工作原理如圖2所示。圖中U為高壓母線電壓，C為電容分壓器，I為流經(jīng)電容分壓器和取能變壓器T原邊的電流，N1和N2是取能變壓器一次側(cè)和ニ次側(cè)的繞組匝數(shù)，該種取能裝置是利用電容分壓器從高壓母線周圍環(huán)繞的電場取能的，這種供電方式與方式I中的母線電流取能類似。由于一次側(cè)電壓相對電流來說比較穩(wěn)定，因此該方案的電源輸出也比較穩(wěn)定，但在設(shè)計中卻面臨著更大的困難首先，是如何保證取能電路和后續(xù)工作電路之間的電氣隔離，這要求有嚴格的過電壓防護和電磁兼容設(shè)計；其次，是這種方法有著更多的誤差來源，溫度、雜散電容等多種因素都將影響該方法的性能；再次，是采用這種方法得到的功率有限，雖可通過改變電容分壓器C的大小來調(diào)整功率輸出，但過大的電容將會帶來更多的問題。3.光取能光取能的基本原理如圖3所示，其主要采用激光或其它光源從低壓側(cè)通過光纖將光能量傳送到高壓側(cè)，再由光電轉(zhuǎn)換器件(光電池)將光能量轉(zhuǎn)換為電能量，經(jīng)過處理后提供穩(wěn)定供電。這是ー種全新的供電方案，其突出的優(yōu)點在于能量以光的形式從低壓側(cè)通過光纖傳輸?shù)礁邏簜?cè)，完全實現(xiàn)高、低壓間的電氣隔離，不受電磁干擾的影響，穩(wěn)定可靠。但設(shè)計仍存在以下難點①激光的發(fā)光波長及輸出功率都受溫度影響，必須采取措施對溫度進行自動控制。②受激光輸出功率的限制，特別是光電轉(zhuǎn)換效率的影響，其提供的能量有限，制造成本高。[0012]綜上所述，以上三種供電方案的設(shè)計較復(fù)雜、成本較高。因此，需要本領(lǐng)域技術(shù)人員開發(fā)出ー款能夠解決安全性、可靠性和成本等問題的新型取能裝置。

實用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本實用新型的目的在于提出ー種結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、可靠性高的基于電容分壓器的取能裝置，該取能裝置是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種基于電容分壓器的取能裝置，其包括電容分壓器、變壓整流単元和電源變換単元，所述變壓整流単元的輸入端與電容分壓器的輸出端相連、其輸出端與電源變換單元的輸入端相連；所述電容分壓器將經(jīng)過分壓的交流電輸出至變壓整流単元，轉(zhuǎn)化為直流電，再經(jīng)電源變換單元進行穩(wěn)壓、濾波處理后輸出。進ー步地，所述電容分壓器包括串聯(lián)于高壓母線與大地之間的各個電容其中一 個電容為取能電容、其余電容為分壓電容，從高壓母線所獲取的交流電經(jīng)分壓電容進行分壓后，從取能電容的兩端輸出交流電。進ー步地，各電容的具體連接結(jié)構(gòu)為所述各電容中的第一個電容的一端與高壓母線相連，最后一個電容的一端接地，各電容之間相互串聯(lián)。進ー步地，所述取能電容和分壓電容均可采用圓柱狀平板高壓電容器，即由兩個圓形平行極板及填充在兩極板間的電介質(zhì)組成。進ー步地，所述取能電容和分壓電容可安裝在帶有傘裙的柱狀絕緣子中。進ー步地，所述電容分壓器的輸出端與變壓整流単元的輸入端之間可以設(shè)有用于消除諧振的壓敏電阻。進ー步地，所述變壓整流単元可以包括エ頻降壓器和整流橋，所述エ頻降壓器的一次側(cè)與電容分壓器的輸出端相連、其二次側(cè)與整流橋的輸入端相連。進ー步地，所述變壓整流単元還可以包括與整流橋的輸出端相連接的直流電容和
穩(wěn)壓管。進ー步地，所述電源變換單元可以包括直流穩(wěn)壓單元和電容器，所述直流穩(wěn)壓單元將變壓整流單元輸出的直流電轉(zhuǎn)換為適合于用電設(shè)備的直流電，并經(jīng)過電容器濾波后輸出至用電設(shè)備。進ー步地，所述直流穩(wěn)壓單元可以包括以寬電壓輸入的DC-DC模塊或低壓差穩(wěn)壓芯片，用于消除因負載阻抗的變化導(dǎo)致取能電壓波動所帶來的影響。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是該取能裝置不僅具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，成本較低，可靠性高，維護較少，應(yīng)用范圍廣泛等優(yōu)點，而且無需考慮過多的絕緣配合問題，只要通過調(diào)整取能電容和分壓電容，就能夠?qū)崿F(xiàn)取能。

圖I是現(xiàn)有技術(shù)中利用母線電流取能的工作原理圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中利用電容電流取能的工作原理圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)中利用光取能的基本原通圖；[0030]圖4是本實用新型取能裝置實施例的結(jié)構(gòu)原理圖；圖5是本實用新型中電容分壓器實施例的工作原理圖；圖6是本實用新型中變壓整流單元的工作原理圖；圖7是本實用新型中電源變換單元的工作原理圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的取能裝置做進ー步的詳細描述。本例所述基于電容分壓器的取能裝置，使取能不受環(huán)境限制，即在任何封閉環(huán)境或露天環(huán)境下只要有穩(wěn)定的高電壓，就能持續(xù)供給穩(wěn)定的能量。其工作原理在于由于無論高壓母線中電流如何變化，其電壓都是穩(wěn)定不變，所以在高壓母線和大地之間架設(shè)多個串 聯(lián)電容后，高壓母線與大地之間的高壓電場將使其中某一電容內(nèi)產(chǎn)生足夠的能量來供電。圖4示出了基于電容分壓器的取能裝置的原理框圖。如圖4所示，本例的取能裝置包括電容分壓器、變壓整流単元和電源變換單元三部分。其中，取能電容C1和分壓電容C2 CN合稱為電容分壓器，作為整個電場取能裝置的輸入，通過串聯(lián)分壓的方式負責(zé)從高壓母線上取得能量，后級用電設(shè)備使用的能量都從取能電容C1得到；變壓整流単元負責(zé)把取能電容C1取得的交流電轉(zhuǎn)化為所需電壓等級的直流電，濾波后提供相對平穩(wěn)的直流電，便于后級用電設(shè)備使用；電源變換單元負責(zé)把變壓整流単元處理過的相對平穩(wěn)的直流電轉(zhuǎn)換為適合于用電設(shè)備電壓等級要求的直流電并輸出到用電設(shè)備。該電容分壓器取能裝置，能夠保證得到的電源電壓平穩(wěn)且持續(xù)。下面對該取能裝置的三部分結(jié)構(gòu)和工作原理進行詳細說明。I.電容分壓器電容分壓器包括串聯(lián)于高壓母線與大地之間的各個電容其中ー個電容為取能電容、其余電容為分壓電容，從高壓母線所獲取的交流電經(jīng)分壓電容進行分壓后，從取能電容的兩端輸出交流電。本例中，將第一個電容作為取能電容C1，其余電容作為分壓電容C2 CN。圖5示出了電容分壓器的工作原理示意圖。如圖5所示，取能電容C1和分壓電容C2 CN被串聯(lián)在高壓母線與大地之間，取能電容C1的一端與高壓母線相連，分壓電容Cn的一端與大地相連，取能電容C1與分壓電容Cn的另一端之間串聯(lián)有其余的分壓電容CfCN_lt)母線電壓經(jīng)分壓后在取能電容C1兩端產(chǎn)生變壓整流単元所需的電壓，即從取能電容C1兩端引出了取能電源輸出，并與變壓整流単元的輸入端相連。取能電容C1、分壓電容C2 CN為圓柱狀平板高壓電容器，即由兩個圓形平行極板及填充在兩極板間的電介質(zhì)組成，電介質(zhì)應(yīng)選用耐壓高、局放低、介電常數(shù)適中的材料。取能電容C1和分壓電容C2 CN均安裝在具有傘裙設(shè)計的柱狀絕緣子中，柱狀絕緣子可由環(huán)氧樹脂、硅橡膠或陶瓷制成。由于電容在通過交流電時有容抗，根據(jù)電容分壓原理，取能電容C1上可以分得一
定的電壓Ua，該電壓可通過公式Ue1 = Ul求得，式中隊為高壓線路的相電
壓；Ζα為取能電容C1的容抗；Ze2為分壓電容C2的容抗；ZeN為分壓電容Cn的容抗。上述描述針對取能電源輸出處于空載的狀態(tài)。若在取能電源輸出處連上負載，那么負載將參與分壓，會影響取能電源輸出電壓Uac。不同的負載或同一負載不同的工作狀態(tài)都會引起負載阻抗的變化，從而導(dǎo)致電壓Uac波動。一般通過加入由電阻、電容、電感等無源元件組成的補償單元來抑制Uac的波動，但若加入事先確定內(nèi)部參數(shù)的補償單元，那么該取能裝置必須針對特定負載設(shè)計，從而使得其應(yīng)用范圍縮??；若加入自動或反饋式補償単元，則由于該補償單元本身的復(fù)雜性，無疑使取能裝置更加復(fù)雜，成本更高，甚至可能會導(dǎo)致可靠性降低。而由于本例中的電容分壓器是通過在高壓母線和大地之間串接取能電容C1和分壓電容C2 CN，并將取能電容C1上的交流能量轉(zhuǎn)換成直流能量后再為后級用電設(shè)備提供電源，故只需適當(dāng)調(diào)整取能電容C1和分壓電容C2 CN的容值，并且在后繼單元中加入儲能濾波環(huán)節(jié)和寬電壓輸入范圍的直流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)即可。2.變壓整流単元圖6示出了變壓整流単元的工作原理。如圖6所示，變壓整流単元的作用是將電容分壓器中的取能電容C1輸出的交流電轉(zhuǎn)化為所需電壓等級的直流電，濾波后提供相對平穩(wěn)的直流電，便于后級用電設(shè)備使用。其主要由エ頻降壓器Tl和整流橋Dl組成，但不局限于此。由于エ頻降壓器Tl及其負載主要為感性阻抗，連接在取能電源輸出處。這樣電網(wǎng)中的諧波頻率可能在電容分壓器和エ頻變壓器一次側(cè)之間引起諧振，因此在取能電容的輸出端與エ頻變壓器的一次側(cè)之間并聯(lián)有一如圖6所示的壓敏電阻RV1。在正常運行吋，電阻RVl泄漏電流極小，呈高阻狀態(tài)；當(dāng)エ頻變壓器一次側(cè)繞組出現(xiàn)異常過壓時，產(chǎn)生的過電壓使電阻RVl迅速動作將エ頻變壓器一次側(cè)繞組短路，使得裝置斷電從而得到保護。諧振現(xiàn)象消失后，電阻RVl恢復(fù)為高阻狀態(tài)，裝置可以自動重新投入正常運行。還可在整流橋Dl的輸出端連接有如圖6所示的直流電容Cl和穩(wěn)壓管VD1，直流電容Cl應(yīng)該選擇大容量，從而增強其儲能濾波能力，而且減輕因負載阻抗的變化而導(dǎo)致電壓Ua。波動所帶來的影響。3.電源變換單元電源變換單元的工作原理如圖7所示。圖7中的Udc是電源變換單元的輸入。Udc經(jīng)過直流穩(wěn)壓后轉(zhuǎn)換成供用電設(shè)備用的電壓等級的直流電，再經(jīng)過電容器C2濾波后，輸出至用電設(shè)備為其提供電源。圖7中的直流穩(wěn)壓部分可以由寬電壓輸入的DC-DC模塊或低壓差穩(wěn)壓芯片為核心的電路組成，這種結(jié)構(gòu)具有輸出電壓穩(wěn)定、可靠性強、成本較低等優(yōu)點。本例中的取能裝置在母線電壓幅值為380V至IOOOkV范圍內(nèi)時，通過適當(dāng)調(diào)整取能電容C1和分壓電容cfcN，均可實現(xiàn)取能。最后應(yīng)當(dāng)說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對本實用新型的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本實用新型精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種基于電容分壓器的取能裝置，其特征在于該裝置包括電容分壓器、變壓整流單元和電源變換單元，所述變壓整流單元的輸入端與電容分壓器的輸出端相連、其輸出端與電源變換單元的輸入端相連；所述電容分壓器將經(jīng)過分壓的交流電輸出至變壓整流單元，轉(zhuǎn)化為直流電，再經(jīng)電源變換單元進行穩(wěn)壓、濾波處理后輸出。
2.如權(quán)利要求I所述的取能裝置，其特征在于所述電容分壓器包括串聯(lián)于高壓母線與大地之間的各個電容其中一個電容為取能電容、其余電容為分壓電容，從高壓母線所獲取的交流電經(jīng)分壓電容進行分壓后，從取能電容的兩端輸出交流電。
3.如權(quán)利要求2所述的取能裝置，其特征在于所述各電容中的第一個電容的一端與高壓母線相連，最后一個電容的一端接地，各電容之間相互串聯(lián)。
4.如權(quán)利要求2或3所述的取能裝置，其特征在于所述取能電容和分壓電容均采用圓柱狀平板高壓電容器，即由兩個圓形平行極板及填充在兩極板間的電介質(zhì)組成。
5.如權(quán)利要求2或3所述的取能裝置，其特征在于所述取能電容和分壓電容安裝在帶有傘裙的柱狀絕緣子中。
6.如權(quán)利要求I所述的取能裝置，其特征在于所述電容分壓器的輸出端與變壓整流單元的輸入端之間設(shè)有用于消除諧振的壓敏電阻。
7.如權(quán)利要求I或6所述的取能裝置，其特征在于所述變壓整流單元包括工頻降壓器和整流橋，所述工頻降壓器的一次側(cè)與電容分壓器的輸出端相連、其二次側(cè)與整流橋的輸入端相連。
8.如權(quán)利要求7所述的取能裝置，其特征在于所述變壓整流單元包括與整流橋的輸出端相連接的直流電容和穩(wěn)壓管。
9.如權(quán)利要求I所述的取能裝置，其特征在于所述電源變換單元包括直流穩(wěn)壓單元和電容器，所述直流穩(wěn)壓單元將變壓整流單元輸出的直流電轉(zhuǎn)換為適合于用電設(shè)備的直流電，并經(jīng)過電容器濾波后輸出至用電設(shè)備。
10.如權(quán)利要求9所述的取能裝置，其特征在于所述直流穩(wěn)壓單元包括以寬電壓輸入的DC-DC模塊或低壓差穩(wěn)壓芯片。
專利摘要本實用新型提出一種基于電容分壓器的取能裝置，該裝置包括電容分壓器、變壓整流單元和電源變換單元，所述變壓整流單元的輸入端與電容分壓器的輸出端相連、其輸出端與電源變換單元的輸入端相連；所述電容分壓器將經(jīng)過分壓的交流電輸出至變壓整流單元，轉(zhuǎn)化為直流電，再經(jīng)電源變換單元進行穩(wěn)壓、濾波處理后輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該取能裝置不僅具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，成本較低，可靠性高，維護較少，應(yīng)用范圍廣泛等優(yōu)點，而且無需考慮過多的絕緣配合問題，只要通過調(diào)整取能電容和分壓電容，就能夠?qū)崿F(xiàn)取能。
文檔編號H02N1/08GK202634316SQ20122025960
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月4日
發(fā)明者趙羨龍, 何凡, 禹丹, 徐曙光 申請人:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院