基于電流互感器的配電柜測溫系統(tǒng)的電源設(shè)計

章俊偉

(中北大學(xué)電子測試國防科技重點實驗室，山西太原030051)

0 引言

在高電壓現(xiàn)場安裝著在線監(jiān)測系統(tǒng)，由于電氣隔離的安全要求，系統(tǒng)的工作電源無法經(jīng)二次電源供給，由此電源的來源是監(jiān)測系統(tǒng)的一項關(guān)鍵問題，對電源的溯源的研究具有重要的實用價值。

針對當(dāng)下太陽能、激光供能、感應(yīng)生電等幾種供電方式，從母線獲取電能最為可靠和穩(wěn)定。通過一個特制的電流互感器(CT)，直接從高壓側(cè)一次母線電流獲取電能，成功地解決了有源電子設(shè)備的電源問題［1］。

1 CT在線供電原理

CT供電方式的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，測溫系統(tǒng)所需的能量通過一個特制電流互感器從電網(wǎng)取得，經(jīng)過電磁耦合，取能電流互感器繞組的兩端感應(yīng)出電勢，此電勢經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓后供給后續(xù)電子電路所需的電能。

圖1 電流互感器原理圖

對于閉合鐵芯，在鐵芯處于線性段時(保證鐵心材料的磁感應(yīng)強度在1.7T以下)，感應(yīng)電壓與母線電流成正比，母線電流是正弦輸出，線圈處于線性段時，可以認(rèn)為磁路中的主磁路按正弦規(guī)律變化。

磁路中單位截面鐵芯的磁通稱為磁通密度，即磁感應(yīng)強度B，鐵芯中的磁通與磁感應(yīng)強度的關(guān)系為:

S是鐵芯截面積。

則

Bm是磁通密度的幅值，ω=2πf是電源的角頻率。

那么磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的電動勢為:

N是線圈繞組匝數(shù)。

當(dāng)鐵芯處于非線性狀態(tài)時，即為飽和狀態(tài)，雖然母線電流仍是正弦變化的，磁感應(yīng)強度增長極其緩慢，可以認(rèn)為鐵芯中的磁感應(yīng)強度的值保持不變，所以磁通量也為一常數(shù)。圖2是在飽和區(qū)磁通量的變化曲線。

圖2 飽和區(qū)磁通量變化曲線

鐵芯在母線激勵下，在半個周期內(nèi)磁通量的變化從+Bm到－Bm，感應(yīng)電壓在半個周期的積分:

(5)式結(jié)果表明處在飽和工作狀態(tài)的鐵芯線圈，輸出電壓在半個周期內(nèi)的積分近似是一個定值，其大小僅與鐵芯截面、最大磁感應(yīng)強度，線圈匝數(shù)有關(guān)，而與外施激勵的母線電流無關(guān)。

2 線圈設(shè)計

當(dāng)線圈工作在線性區(qū)時，負(fù)載一定，負(fù)載上的電壓平均值會隨著母線電流的增大而增大，因此感應(yīng)電壓變化范圍會很大，會給后續(xù)電源變換電路有非常大的影響，所以讓線圈一直工作在線性區(qū)是不可行的［2］。

利用線圈在飽和區(qū)輸出的平均值保持不變的特性，可以設(shè)計線圈在剛工作時就進(jìn)入飽和區(qū)，這種設(shè)計還可以降低線圈的喚醒電流:即使高壓側(cè)采樣電子電路進(jìn)入工作狀態(tài)的最小的一次電流［3］。根據(jù)鐵芯材料磁導(dǎo)率高、飽和磁感應(yīng)強度低、較好的溫度穩(wěn)定性選擇納米晶合金，選用鐵芯的尺寸為:外徑120 mm，內(nèi)徑70 mm，高度30 mm，匝數(shù)60，用線徑為0.38 mm漆包線纏繞鐵芯。

3 電路設(shè)計

當(dāng)線路出現(xiàn)短路大電流時，此時鐵芯會感應(yīng)一個很高的沖擊電壓，這對后端電路極為不利，為了保護后端線路，在線圈兩端接一個抑制二級管，即TVS，以限制感應(yīng)線圈輸出的沖擊電壓。

輸出交流電經(jīng)過穩(wěn)態(tài)保護電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓［4］。

當(dāng)線圈輸出的變化范圍加大，為了滿足后續(xù)電路的輸入，需要先對交流電壓的瞬時值進(jìn)行電壓反饋限幅處理，把較高的瞬時電壓削去。交流電壓瞬時值的變化鎖存在電容上，可以將高頻干擾脈沖濾除，雙向觸發(fā)二極管的觸發(fā)電壓是35～45 V。當(dāng)a、b間瞬時電壓低于觸發(fā)電壓，電路斷開;當(dāng)a、b間瞬時電壓高于觸發(fā)電壓，二極管立即短路，觸發(fā)雙向晶閘管轉(zhuǎn)向?qū)?，電壓和電流開始降低，a、b間的電壓被箝位在二極管觸發(fā)電壓的附近，交流電壓的波峰和波谷被削平，經(jīng)過整流和濾波電路輸出的直流電壓不超過45 V。

整流電路是將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動電壓，一般的半波整流電路只利用了交流電壓的半個周期，輸出電壓低，交流分量大，效率低，因此采用全波整流電路。橋式整流電路由四只二極管組成，保證負(fù)載上的電壓和電流的方始終不變。

濾波電路是將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷海诶硐肭闆r下可以濾去所有交流成分，在這里采用的是LC－π型濾波電路，輸出電壓的脈動系數(shù)比只有LC濾波時更小，波形更加平滑，C1:0.0047F，C2:0.001F，L1:0.01H。

由于母線電流的變化范圍大，感應(yīng)電壓經(jīng)過整流、濾波后將會得到寬范圍的直流電壓，需要通過一個大范圍輸入、單一穩(wěn)定輸出的直流降壓變換來得到一個穩(wěn)定的電壓，以滿足高壓側(cè)電路需要［5］。采用LM2576芯片，LM2576的最高輸入電壓為60 V，輸入電容C3選用100 μF、75 V的鋁電解電容，在前端加一穩(wěn)壓管D2來保護DC/DC模塊，輸出電容C4也選用1 000 μF、25 V鋁電解電容，使輸出為5 V，續(xù)流二極管D3采用肖特基二極管，儲能電感L2300 μH。

圖3 濾波電路

圖4 DC/DC降壓電路

圖5 電源的總體電路

4 結(jié)束語

為解決在高壓場合電子裝置的電源供給，必須為其提供穩(wěn)定、可靠、高質(zhì)量的電源。特制電源CT是一個低成本的實用方案。此電源具有很高的性價比，不僅適用于溫度測量，在電流的測量系統(tǒng)和高壓開關(guān)的操動機構(gòu)中也有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］陳潔.電子式電流互感器高壓側(cè)電源的設(shè)計［D］.天津:河北工業(yè)大學(xué) ，2007.

［2］秦歡.高壓測量系統(tǒng)感應(yīng)取能電源設(shè)計［J］.現(xiàn)代電力，2009，26(5):32 －36.

［3］劉豐，高迎霞，畢衛(wèi)紅.電子式電流互感器高壓側(cè)供能方案的研究［J］.高電壓技術(shù)，2007，33(7):72－75.

［4］華成英，童詩白.模擬電子學(xué)基礎(chǔ)［M］.第4版.北京:高等教育出版社，2006.

［5］胡彬.電子式電流互感器高壓側(cè)電源的研究與設(shè)計［D］.長沙:湖南大學(xué)，2006.