基于电流互感器的配电柜测温系统的电源设计

2013-05-12章俊伟

山西电子技术 2013年6期

关键词：磁感应铁芯互感器

章俊伟

(中北大学电子测试国防科技重点实验室，山西太原030051)

0 引言

在高电压现场安装着在线监测系统，由于电气隔离的安全要求，系统的工作电源无法经二次电源供给，由此电源的来源是监测系统的一项关键问题，对电源的溯源的研究具有重要的实用价值。

针对当下太阳能、激光供能、感应生电等几种供电方式，从母线获取电能最为可靠和稳定。通过一个特制的电流互感器(CT)，直接从高压侧一次母线电流获取电能，成功地解决了有源电子设备的电源问题［1］。

1 CT在线供电原理

CT供电方式的基本结构如图1所示，测温系统所需的能量通过一个特制电流互感器从电网取得，经过电磁耦合，取能电流互感器绕组的两端感应出电势，此电势经整流滤波稳压后供给后续电子电路所需的电能。

图1 电流互感器原理图

对于闭合铁芯，在铁芯处于线性段时(保证铁心材料的磁感应强度在1.7T以下)，感应电压与母线电流成正比，母线电流是正弦输出，线圈处于线性段时，可以认为磁路中的主磁路按正弦规律变化。

磁路中单位截面铁芯的磁通称为磁通密度，即磁感应强度B，铁芯中的磁通与磁感应强度的关系为:

S是铁芯截面积。

则

Bm是磁通密度的幅值，ω=2πf是电源的角频率。

那么磁感应线圈产生的电动势为:

N是线圈绕组匝数。

当铁芯处于非线性状态时，即为饱和状态，虽然母线电流仍是正弦变化的，磁感应强度增长极其缓慢，可以认为铁芯中的磁感应强度的值保持不变，所以磁通量也为一常数。图2是在饱和区磁通量的变化曲线。

图2 饱和区磁通量变化曲线

铁芯在母线激励下，在半个周期内磁通量的变化从+Bm到－Bm，感应电压在半个周期的积分:

(5)式结果表明处在饱和工作状态的铁芯线圈，输出电压在半个周期内的积分近似是一个定值，其大小仅与铁芯截面、最大磁感应强度，线圈匝数有关，而与外施激励的母线电流无关。

2 线圈设计

当线圈工作在线性区时，负载一定，负载上的电压平均值会随着母线电流的增大而增大，因此感应电压变化范围会很大，会给后续电源变换电路有非常大的影响，所以让线圈一直工作在线性区是不可行的［2］。

利用线圈在饱和区输出的平均值保持不变的特性，可以设计线圈在刚工作时就进入饱和区，这种设计还可以降低线圈的唤醒电流:即使高压侧采样电子电路进入工作状态的最小的一次电流［3］。根据铁芯材料磁导率高、饱和磁感应强度低、较好的温度稳定性选择纳米晶合金，选用铁芯的尺寸为:外径120 mm，内径70 mm，高度30 mm，匝数60，用线径为0.38 mm漆包线缠绕铁芯。

3 电路设计

当线路出现短路大电流时，此时铁芯会感应一个很高的冲击电压，这对后端电路极为不利，为了保护后端线路，在线圈两端接一个抑制二级管，即TVS，以限制感应线圈输出的冲击电压。

输出交流电经过稳态保护电路、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压［4］。

当线圈输出的变化范围加大，为了满足后续电路的输入，需要先对交流电压的瞬时值进行电压反馈限幅处理，把较高的瞬时电压削去。交流电压瞬时值的变化锁存在电容上，可以将高频干扰脉冲滤除，双向触发二极管的触发电压是35～45 V。当a、b间瞬时电压低于触发电压，电路断开;当a、b间瞬时电压高于触发电压，二极管立即短路，触发双向晶闸管转向导通，电压和电流开始降低，a、b间的电压被箝位在二极管触发电压的附近，交流电压的波峰和波谷被削平，经过整流和滤波电路输出的直流电压不超过45 V。

整流电路是将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，一般的半波整流电路只利用了交流电压的半个周期，输出电压低，交流分量大，效率低，因此采用全波整流电路。桥式整流电路由四只二极管组成，保证负载上的电压和电流的方始终不变。

滤波电路是将脉动的直流电压变为平滑的直流电压，在理想情况下可以滤去所有交流成分，在这里采用的是LC－π型滤波电路，输出电压的脉动系数比只有LC滤波时更小，波形更加平滑，C1:0.0047F，C2:0.001F，L1:0.01H。

由于母线电流的变化范围大，感应电压经过整流、滤波后将会得到宽范围的直流电压，需要通过一个大范围输入、单一稳定输出的直流降压变换来得到一个稳定的电压，以满足高压侧电路需要［5］。采用LM2576芯片，LM2576的最高输入电压为60 V，输入电容C3选用100 μF、75 V的铝电解电容，在前端加一稳压管D2来保护DC/DC模块，输出电容C4也选用1 000 μF、25 V铝电解电容，使输出为5 V，续流二极管D3采用肖特基二极管，储能电感L2300 μH。