CN102437626A - 一种非接触感应充电装置 - Google Patents
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Abstract
一种非接触感应充电装置，包括电流互感器、双向可控硅、过压保护电路、整流电路、BUCK电路、锂电池组、电压反馈控制电路、电压电流反馈电路，电流互感器的两个C型铁芯构成圆环并套在输电线路上，电流互感器的输出端与继电器矩阵连接，用于控制电流互感器的次级线圈匝数，继电器矩阵的输出与双向可控硅相连，同时与过压保护电路和整流电路相连，整流电路的输出端通过电压反馈控制信号与双向可控硅连接，BUCK电路的输入为整流电路的输出，且BUCK电路的输出直接连接锂电池组，锂电池组通过电压电流反馈电路与BUCK电路相连。本发明装置在给机器人电池充电时避免频繁上线下线，可增强机器人实用性，提高输电线路巡检效率。
Description
技术领域
本发明属于自动化及工业机器人技术领域，具体涉及一种非接触感应取电装置。该非接触感应取电装置用于高压输电线路巡检机器人的电能补给，延长机器人的现场作业时间，适用于500KV以下高压输电线路巡检机器人。
背景技术
高压输电线路巡检机器人工作在高压输电线上，利用机器人装载的检测设备对输电线路及相关设施进行故障巡检。
由于机器人本身体积重量，机构设计等方面原因，一次上线、下线的操作过程非常复杂，需要线上多人配合，在地面操作人员指挥下协同操作完成；此外，高压输电线路带电作业危险性高，频繁操作容易造成人员伤害，也容易对输电线路的正常运行带来影响。因此，巡检机器人必须具备自己聚能的功能才能实用化。
另外，由于国家对输电线路的安全等级有明确规定，宜不可能通过有线的方式从输电线路直接取电。
因此，急需要提出一种通过无线方式就能够对高压输电线路巡检机器人进行充电的方法。
发明内容
本发明为解决巡线机器人在线充电需要，设计了以非接触无线电能传输技术为基础的非接触感应取电装置用于机器人线上取电。该装置可以适应输电线路的电流变化，可在短路冲击电流下实现自我保护，并在较大电流变化范围内正常取电，并根据锂电池的物理特性，按照锂电池充电特性曲线完成对锂电池的监测和充电。
本发明的非接触感应充电装置包括电流互感器1、双向可控硅2、过压保护电路3、整流电路4、BUCK电路5、锂电池组6、电压反馈控制电路7、电压电流反馈电路8，其中电流互感器1的两个C型铁芯构成圆环并套在输电线路上，电流互感器1的输出端与继电器矩阵9连接，用于控制电流互感器1的次级线圈匝数，继电器矩阵9的输出与双向可控硅2相连，同时与过压保护电路3和整流电路4相连，整流电路4的输出端通过电压反馈控制信号7与双向可控硅2连接，BUCK电路5的输入为整流电路4的输出，且BUCK电路5的输出直接连接锂电池组6，锂电池组6通过电压电流反馈电路8与BUCK电路5相连。
本发明采用了上述技术方案，通过充分利用输电线路周围交变的电磁能，可为巡检机器人可用的提供充电电能，省去了人工更换电池导致机器人频繁上下线带来的不必要工作量和不安全因素，为延长线路巡检机器人工作时间提供可靠保障。
附图说明
图1为本发明非接触感应取电装置的原理图；
图2为本发明非接触感应取电装置中匝数可变电流互感器示意图；
图3为本发明非接触感应取电装置中整流电路的电路图；
图4为本发明非接触感应取电装置中控制和状态显示电路的电路图；
图5为本发明非接触感应取电装置中MOSFET驱动电路的电路图；
图6为本发明非接触感应取电装置中电压比较电路的电路图；
图7为本发明非接触感应取电装置中2.5V基准电压源电路的电路图；
图8为本发明非接触感应取电装置中电流检测电路的电路图；
图9为本发明非接触感应取电装置中继电器组的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的应用于输电线路巡检机器人的非接触感应取电装置是以无线电能传输技术，开关电源机关技术，及锂电池充电技术为技术背景。无线电能传输技术是借助于电磁场或电磁波进行能量传递的一种技术，分为电磁感应式，电磁共振式和电磁辐射式。电磁感应方式可用于低功率、近距离传输，电磁共振适用于中等功率，中距离能量传输；电磁辐射适用于大功率，巡检机器人线上取电使用电磁感应方式取电最为可行。本发明的非接触感应取电装置利用开关电源技术，将取回的能量整合为充电电路可用的电压电流值，以单片机为控制核心，监测充电电流电压值及充电时间，实现智能充电。
图1为本发明非接触感应取电装置的结构图。参照图1，非接触感应取电装置包括电流互感器1、双向可控硅2、过压保护电路3、整流电路4、BUCK电路5、锂电池组6、电压反馈控制电路7、电压电流反馈电路8。
其中电流互感器1的两个C型铁芯构成圆环并套在输电线路上，电流互感器1的输出端与继电器组9连接，用于控制电流互感器1的次级线圈匝数。继电器矩阵9输出与双向可控硅2相连，同时与过压保护电路3和整流电路4相连。为确保整流电路输出稳定48V电压，整流输出端通过电压反馈控制信号7与双向可控硅2连接。BUCK电路5的输入为整流电路4的输出，且BUCK电路5的输出直接连接锂电池组6。锂电池组6又通过电压电流反馈信号8与BUCK电路5相连。
图2为电流互感器的示意图。电流互感器1负责将输电线路周围的交变磁场转化为可为巡线机器人充电的电能。在图2中，取电用电流互感器1采用硅钢材料设计制作，互感器磁芯为两个C型硅钢材质对接使用，磁芯规格为内半径35mm，外径55mm，高110mm。绕组为线径1.2mm的漆包线。互感器由9个绕组构成，第一绕组匝数为120，其他绕阻匝数均为60。互感器1输出至继电器组9，继电器组9可控制继电器通断可改变工作绕阻匝数，实现匝数可控。
图3为过压保护电路和整流电路的电路图。参照图3，电流互感器1输出交流信号给过压保护电路和整流电路，过压保护电路防止电流互感器输出电压过高，损坏整流电路及后续电路。整流电路4将电流互感器1的输出信号进行整流并通过电压反馈控制电路7来稳压。
在图3中，整流二极管D2，D3.D5.D6组成整流桥；电容C2，C3，C4为滤波电容；稳压D1，D4，D7为稳压二极管用于钳位输出电压；MOC1为双向光耦，用于隔离并传递反馈信号，组成输出电压反馈闭环；当互感器输出电压超过480V时电阻R2导通，用于过压保护；瞬态抑制二极管Z1为瞬态电压抑制器，用于抑制由于输电线路电流脉动感应出的冲击电压；Q1为双向可控硅，为反馈环的一部分，当输出电压超过额定值是，可控硅导通，抵消励磁，互感器不再输出功率。整流电路输出48V恒定电压，为锂电池充电提供能量。双头插针JP2接电流互感器1的输出，电阻R2，瞬态抑制二极管Z1并连，用于过压保护，双向可控硅的引脚1、2与电流互感器1输出相连，在控制信号的作用下将磁芯输出短路，抵消励磁，双向可控硅的引脚3接MOC1的脚4，为控制信号输入端。电容C1，电阻R3串连并与双向可控硅的引脚1，2连接，保护双向可控硅。整流二极管D2，D5，D3，D6如图连接组成整流桥，电容C4，C2，C3如图并联，为滤波电容，稳压管D1，D4，D7分别为12V，12V，24V稳压，与电阻R4串连后接光耦MOC的脚1，当电压高于24V时，MOC1的脚4和6脚导通，输出控制信号。电阻R1和电阻R5为控制引脚限流电阻，整流电路48V稳压信号由插针JP1输出。
图4为控制器电路，是图1BUCK电路5中的控制单元部分。它的作用是为BUCK电路提供占空比可变的PWM波，将整流电路4输出的近似直流信号变换为可以为锂电池组6充电的直流信号。U2为PIC单片机，CPP2脚为开关电源提供具有可变占空比PWM波，通过RA0，RA1的AD端口实现对锂电池的充电电压、电流的反馈控制，RD4，RD5，RD6，RD7输出电路工作状态指示，包括慢充状态指示，恒流充电状态指示，恒压充电状态指示，充电结束状态指示。RD0是充电时间控制信号，当充电时间过长，单片机将RD0引脚置低，清除PWM使能信号，锂电池停止充电。外围电路如图4所示，脚1接电阻R4至5V。电容C3，C4并联连接5V和数字地。脚2，脚3分别连接P2的脚1脚9和脚2脚10。17脚经过双排插针P7，与插针P2的7、8相连，用于输出PWM波。19，20分别与插针P2的5、16相连，为输出控制信号SD和继电器信号JiDianQi的输出。插针P2的脚6，脚14连接15V，脚3，4，11分别连接SGND，GND和GND。
图5为MOSFET驱动电路，是图1BUCK电路中的开关器件的驱动部分。图4输出的PWM波经此驱动电路后才能控制开关器件(MOSFET)按照希望的占空比快速开关动作。本发明使用IRF540作为开关管，开关管接收单片机输出PWM波，实现对BUCK电路的通断控制。U5为电平转换芯片，将单片机输出的5VPWM波升压至15V，U3为主要驱动芯片，为MOSFET提供正确的驱动电压和足够的驱动电流，保证开关管的开关速度。电阻R8和二极管Dstart为开关管保护电路。电阻Rstart2和二极管Dstart2为启动电路，电池连接在BUCK电路输出端以后，IR2110(U3)的Vs引脚电压为电池电压，为保证驱动电路正常启动，VB-VS电压要保持在驱动电压值才能让开关电路正常启动，输出足够的驱动电压，因此这里用电阻Rstart2和二极管Dstart2将VB引脚与输入电压48V连，确保在有电池的条件下充电电路顺利启动。SD-bijiaoqi为比较器输出二极管，为确保锂电池电压值低于额定电压值，防止开关电路故障导致电池电压升高，损坏电池，在输出端加入了电压比较电路，当电压高于设定值时，比较器输出有效信号，通过比较器输出二极管控制开关管驱动芯片，切断输出信号，稳压二极管Dz1用于钳位栅极电压，电阻R61用于下拉栅极电压。二极管D12为BUCK电路的反向导通二极管。
在图5中，TR1为N沟道MOSFET。电阻RS与二极管Dstart1串连分别接在开关管TR1的D，S端。二极管Dz1与电阻R61并联接TR1的G和S端。U3的7脚经电阻R43与开关管好TR1的G连接。U3(IR2110)的11脚与P11的2脚连接，P11的1脚经二极管与bijiaoqi信号连接，3脚经二极管、R42与U5(IR4427)的5脚连接，U5的2脚与PWM_5信号连接。
图6为电压比较电路的电路图，是BUCK电路中的输出电压值保护电路。当为锂电池充电的直流信号电压超出电池的允许电压范围时，此电路将输出一路控制信号给图9所示的继电器电路，切断电路互感器输出与后续电路之间的物理连接，保护整个充电系统。如图6，电阻R37、电阻R38组成分压电路，分压值与基准电压值2.5V比较，判断充电电压是否超过额定值。比较器LM393为比较电路所用芯片，然后输入LM393的脚5，脚6为2.5V基准电压输入，脚7为比较结果输出，如果电压高于额定电压，清除开关电源输出使能，保护电池。脚7经电阻R40与脚8连接，共同接至15V电压。此电路输出信号为电池电压过压保护信号。
图7为基准电压输出电路，为图6所示的电压比较电路提供2.5V基准电压，作为控制继电器电路图9的参考电压。如图，由U7(TL431)和R36组成基准电压源，输入电压为15V，输出2.5V基准电压。15V电压经R36与U7的阴极连接，U7的反馈输入端与阴极连接，正极接地。阴极输出2.5V基准电压。
图8为电压(图8左侧)电流(图8右侧)反馈电路的电路图。BUCK电路5输出后给电压电流反馈电路8。锂电池组充电对充电电压、电流有明确要求，利用电压、电流反馈电路能控制充电电路的输出电压和电流电流。
如图8，电压电流反馈电路由电阻Rs1，R10，R14，R15，三极管TR3，TR4组成，充电电流流过电阻Rs1，检测CrntSignal的输出电压，按照公式(1)计算可求出充电电流值，三极管TR3，TR4为PNP三极管9012。其中Vc为CrntSignal的输出电压。
I＝(Vc*R10)/(Rs1*R14) (1)
在图8中，电阻Rs1串接在充电回路中，电阻R10与三极管TR4的发射极连接，集电极经电阻R14接地。三极管TR3的基极与集电极短接并与三极管TR4的基极连接，再经电阻R15接地。CmtSignal为输出电压信号，与滤波电路连接。
图9为继电器组，用来控制电流互感器1的次级线圈匝数变化。它的输入为电流互感器1的9个次级绕组，输出接双向可控硅。继电器组9通过逻辑组合，将9个绕组依次全部相接，或部分连接，来改变实际参与感应输出电能的次级绕组的匝数。继电器组的控制信号由控制器(图4)提供，根据电流互感器1的输出电流决定次级线圈匝数。输出匝数可为120匝、180匝、240匝、300匝、360匝、420匝、480匝、540匝、600匝。同时控制其它未使用的绕组依次连接并首尾相接形成闭合回路，防止开路产生高电压损害电路互感器。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非接触感应充电装置，该装置包括电流互感器(1)、双向可控硅(2)、过压保护电路(3)、整流电路(4)、BUCK电路(5)、锂电池组(6)、电压反馈控制电路(7)、电压电流反馈电路(8)，其中电流互感器(1)的两个C型铁芯构成圆环并套在输电线路上，电流互感器(1)的输出端与继电器矩阵(9)连接，用于控制电流互感器(1)的次级线圈匝数，继电器矩阵(9)的输出与双向可控硅(2)相连，同时与过压保护电路(3)和整流电路(4)相连，整流电路(4)的输出端通过电压反馈控制信号(7)与双向可控硅(2)连接，BUCK电路(5)的输入为整流电路(4)的输出，且BUCK电路(5)的输出直接连接锂电池组(6)，锂电池组(6)通过电压电流反馈电路(8)与BUCK电路(5)相连。
2.根据权利要求1所述的非接触感应充电装置，其特征在于，电流互感器(1)使用硅钢非对称C型铁芯，中间留有气隙。
3.根据权利要求2所述的非接触感应充电装置，其特征在于，过压保护电路(3)保证在输电线路出现瞬间短路电流时对充电装置进行过压保护。
4.根据权利要求3所述的非接触感应充电装置，其特征在于，BUCK电路(5)在单片机控制下针对锂电池(6)的充电特性来进行能量整合，利用电压电流反馈电路(8)的电压和电流反馈来调节电路输出，使得电流互感器感(1)提供的电能能够直接用于锂电池(6)充电。
5.根据权利要求4所述的非接触感应充电装置，其特征在于，过压保护电路(3)由压敏电阻和顺态电压抑制器并联构成。
6.根据权利要求5所述的非接触感应充电装置，其特征在于，电流互感器(1)输出交流信号给过压保护电路(3)和整流电路(4)，过压保护电路防止电流互感器(1)输出电压过高，损坏整流电路及后续电路，整流电路(4)将电流互感器(1)的输出信号进行整流并通过电压反馈控制电路(7)来稳压。
7.根据权利要求6所述的非接触感应充电装置，其特征在于，BUCK电路(5)包括控制单元，用于为BUCK电路(5)提供占空比可变的PWM波，将整流电路(4)输出的近似直流信号变换为能够为锂电池组(6)充电的直流信号。
8.根据权利要求7所述的非接触感应充电装置，其特征在于，电压电流反馈电路(8)的输入是BUCK电路(5)的输出，该电路用于控制输入到锂电池组的输入电压和电流。
9.根据权利要求8所述的非接触感应充电装置，其特征在于，继电器组(9)用于控制电流互感器(1)的次级线圈匝数变化，其输入为电流互感器(1)的次级绕组，输出接双向可控硅(2)。
10.根据权利要求9所述的非接触感应充电装置，其特征在于，电流互感器(1)具有9个次级绕组，继电器组(9)通过逻辑组合，将9个绕组依次全部相接，或部分连接，以改变实际参与感应输出电能的次级绕组的匝数。
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