混合光電電流互感器的反饋式激光供能

    1 引言

    目前光電式互感器的供能方式主要有：

    (1)利用特制線圈從母線上取電能。采用這種方法面臨兩個(gè)困難，一是當(dāng)母線電流處于空載等小電流狀態(tài)時(shí)，不能保證電源的正常供應(yīng);二是當(dāng)母線處于超過(guò)額定電流的大電流狀態(tài)，甚至是短路故障電流時(shí)，需要加保護(hù)電路，否則可能會(huì)造成后續(xù)電路的燒毀。

    (2)利用高壓電容分壓器從母線上取電能。采用該方法面臨著比特制線圈取更大電能的困難，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問(wèn)題，這要求更為嚴(yán)格的過(guò)電壓防護(hù)和電磁兼容設(shè)計(jì);其次就是這種方法有著更多的誤差來(lái)源，溫度、雜散電容等多種因素都將影響該系統(tǒng)的性能，因此獲取電源的穩(wěn)定性和可靠性較線罔取電能方法為差;另外，采用這種方法得到的功率有限。

    (3)太陽(yáng)能供電。太陽(yáng)能電池的輸出易受光強(qiáng)、外界環(huán)境溫度變化、季節(jié)變化等兇素的影響，所以為了獲得穩(wěn)定的電源輸出，必須與二次電池構(gòu)成組合電源系統(tǒng)。采用該方法的不足之處在于電源的不穩(wěn)定性，這是由太陽(yáng)能電池固有的缺陷所決定的。另外，就是太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題，使得該方法提供的能量有限，從而限制了其應(yīng)用。

    (4)蓄電池供電。采用這種方法的不足是蓄電池的壽命比較短，且由于放在高壓側(cè)，更換起來(lái)比較困難，因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中很少被采用。一般情況下，該供能方式都被用作輔助式電源與線圈取電方式相結(jié)合，在母線電流比較小的情況下啟動(dòng)蓄電池進(jìn)行供能。但是采用這樣的方法在制造成本及可靠性方面還存在不少問(wèn)題，因此不應(yīng)該成為將來(lái)的發(fā)展方向。

    (5)激光供能。該方法利用光纖將激光或其他光源的光能從低電位側(cè)傳送到高電位側(cè)，再由光電轉(zhuǎn)換器件(光電池)將光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過(guò)線件穩(wěn)壓后提供穩(wěn)定的電源輸出。由于激光二極管的工作特性可以確保光功率在一定溫度條件下保持穩(wěn)定，所以通過(guò)光電池轉(zhuǎn)換后得到的電源輸出功率也相對(duì)比較穩(wěn)定，且電源的紋波小，噪聲低，不易受外界其他因素的干擾。近年來(lái)，大功率光電轉(zhuǎn)換器件的性能提高、價(jià)格下降，如Photonic公司研制的激光供電系統(tǒng)可提供1.5 W的光功率，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到40%，有效供電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)個(gè)小時(shí)以上。因此，激光供能方式是解決混合式光電電流互感器高壓側(cè)供電問(wèn)題的一種比較滿意的方案，本文著重對(duì)該方案進(jìn)行了研究。

    2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

    由于光電式電流互感器安裝在高電位側(cè)，并且完全是由電子線路構(gòu)成的，因此必須給互感器的電子線路提供相應(yīng)的電源。電源的作用就是給互感器提供穩(wěn)定的電能，并且要保證提供足夠的能量。激光供電是將光源(即低壓側(cè)激光二極管)的光能經(jīng)光纖傳送給高壓側(cè)的光電轉(zhuǎn)換器件，轉(zhuǎn)換成的電能經(jīng)線性穩(wěn)壓塊變換后給電子線路供電。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是電源能量供給穩(wěn)定，不受高壓母線上電流大小和電壓高低的影響。由于采用光模塊進(jìn)行反饋數(shù)據(jù)傳輸，整個(gè)系統(tǒng)能夠根據(jù)負(fù)載的變化實(shí)時(shí)調(diào)整光源的輸出功率，不僅節(jié)約了電能、降低了高壓供能測(cè)得發(fā)熱量，也提高了激光二極管和光電池的壽命。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示。

    本系統(tǒng)主要包括低壓側(cè)的單片機(jī)、數(shù)字控制電路、激光器、電流控制電路、溫度控制電路和高壓側(cè)的光電池、智能電池監(jiān)視器、穩(wěn)壓塊、線性穩(wěn)壓塊等。單片機(jī)(MCU)通過(guò)D/A對(duì)激光器的驅(qū)動(dòng)電流及溫度進(jìn)行設(shè)定，并與高壓側(cè)的智能電池監(jiān)視器通訊，由光模塊將單片機(jī)發(fā)出的指令轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過(guò)光纖將信號(hào)傳送到高壓側(cè)，再由光模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送給智能電池監(jiān)測(cè)器。電池監(jiān)視器根據(jù)單片機(jī)的指令采集光電池輸出的電壓、電流以及互感器的工作電壓，再由光模塊及光纖將采集的數(shù)據(jù)傳送給低壓側(cè)的單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)(電流和電壓)監(jiān)視光電池的工作狀態(tài)，并據(jù)此調(diào)節(jié)激光器的驅(qū)動(dòng)電流以控制激光器的輸出功率，從而使光電池的輸出功率保持恒定。這樣，通過(guò)對(duì)光電池工作狀態(tài)的監(jiān)視，根據(jù)光電池的工作狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)激光器的驅(qū)動(dòng)電流，從而改變激光器輸出光功率的大小，以得到穩(wěn)定的光電池輸出功率。

    3 高壓供能側(cè)設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)要求光電池給互感器提供穩(wěn)定可靠的電源，以保證互感器的正常工作。但是光電池在相同光功率下輸出電功率會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化。而只有當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間大范圍變動(dòng)時(shí)，反饋系統(tǒng)才調(diào)整光源的光功率輸出。而當(dāng)互感器的阻抗發(fā)生一些瞬時(shí)小范圍波動(dòng)時(shí)，光電池的輸出功率也會(huì)隨之發(fā)生變化，這樣就很難保證互感器的正常工作。本系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)了光電池電壓自舉泄流電路，使光電池能始終工作在效率最高點(diǎn)附近，且輸出功率不受負(fù)載的影響。并且對(duì)光電池電流、電壓和互感器工作電壓進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)光電池的輸入光功率，從而進(jìn)一步保證了光電池的輸出穩(wěn)定可靠。如圖2所示，利用串聯(lián)式穩(wěn)壓塊使光電池的輸出電壓固定，本文采用的是德州儀器生產(chǎn)的TL1431，可以輸出參考電壓Vref為2.5 V，并能通過(guò)改變電路中R2，R3的阻值，來(lái)改變它的輸出電壓Uout=(1+R2/R3)Vref。同時(shí)串聯(lián)穩(wěn)壓塊在這里起到泄流的作用，即當(dāng)互感器不需要那么多的電能時(shí)，多余的電能會(huì)消耗在串聯(lián)穩(wěn)壓塊上。光電池工作在6.1 V時(shí)輸出電功率最大，但是當(dāng)工作電壓大于6.1 V時(shí)，電功率下降得很快。為避免出現(xiàn)這種情況，設(shè)計(jì)光電池的工作電壓時(shí)，留出了0.1 V的余量，也就是使光電池工作電壓保持在6 V。通過(guò)選取R2，R3使得穩(wěn)壓塊輸出電壓為5.9V，這樣采樣電阻R1的壓降就為0.1 V。由于光電池的工作電流為50 mA，故可求出所需采樣電阻的阻值為2 Ω。互感器所需電壓為5 V，但是光電池提供的電壓為6V，所以采用高效率的線性穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓。

    4 光電池輸出的穩(wěn)定性分析

    圖3(a)為在不同負(fù)載下，光電池的工作電壓曲線。由于光電池提供的電能有限，當(dāng)負(fù)載減小到一定值時(shí)，負(fù)載所需電流上升，串行穩(wěn)壓塊的電流減小以至于不能正常工作，即不能輸出6 V，光電池兩端電壓下降。圖3(d)為負(fù)載兩端的電壓，由于光電池提供的電功率不足，所以電壓開(kāi)始下降。從曲線可以看出，當(dāng)互感器的阻抗小于150 Ω時(shí)，工作電壓開(kāi)始下降，所以瓦感器的阻抗變化太大時(shí)，會(huì)引起系統(tǒng)工作異常，此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)報(bào)警程序。

    根據(jù)式(1)可求出，圖3(c)中當(dāng)電阻變化在150Ω到270 Ω時(shí)，電壓穩(wěn)定度為0.15 V，同時(shí)可以看出當(dāng)負(fù)載大于150 Ω時(shí)，負(fù)載兩端電壓下降，光電池的輸出功率也下降。系統(tǒng)不能長(zhǎng)時(shí)間工作在這個(gè)狀態(tài)下，會(huì)造成穩(wěn)壓塊燒毀，且電壓降得太低電池監(jiān)視器也無(wú)法正常上作，故應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況。　

    5 結(jié) 論

    通過(guò)對(duì)大功率激光光源和光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)和大量的實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

    (1)光電池輸出5 V，當(dāng)負(fù)載在155～180Ω變化時(shí)，電壓穩(wěn)定度≤0.15 V;

    (2)通過(guò)對(duì)高壓側(cè)供電模塊電壓、電流參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)異常工作狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警處理。