用於架空高壓輸電導線的感應取電裝置的製作方法
2023-04-27 13:51:21
專利名稱：用於架空高壓輸電導線的感應取電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於架空高壓輸電導線的感應取電裝置，尤其是將架空高壓輸電線路周圍的磁能轉換為電能，並對蓄電池進行充電或直接為外接負載供電的感應取電裝置。
背景技術：
目前，高壓輸電導線上的在線檢測儀器是由電池供電，輸電導線上的巡檢或帶電作業行動裝置是由蓄電池供電或由燃油機提供動力或由人力驅動。在以上儀器或設備中，由於電池或燃油容量的限制，每工作一段時間，需要人工帶電作業更換新電池或補充燃料，這不僅極大地增加了儀器設備的非工作時間，也增加了帶電作業工作量及其潛在的人身安全隱患。為了延長這些儀器設備的工作時間，就必須增加能源的容量，從而導致儀器設備重量的大幅度增加，也就限制了這些儀器設備的實際應用。由於缺乏能源的在線補給裝置，使得這些儀器設備在輸電線路上的應用受到了極大限制。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種用於架空高壓輸電導線的感應取電裝置，它能夠為架空高壓輸電導線上的在線檢測儀器或行動裝置進行在線補給電能，無需人工帶電作業。
本發明的技術方案是一種用於架空高壓輸電導線的感應取電裝置，包括鐵芯5，該鐵芯5上繞有副邊線圈4，其獨到之處是鐵芯5內設有騎在輸電導線7上的行走輪6，鐵芯5的下端聯接著可打開鐵芯5下端的活動邊9，打開或合攏該活動邊9的是位於鐵芯5附近的驅動機構3，在副邊線圈4的輸出迴路上並聯有開關電源18、電壓監測及控制裝置19、蓄電池20、電機1和直流-直流(DC-DC)轉換裝置21。
而且，執行機構3包括電機1、減速器2和由其驅動的絲杆螺母機構15，在絲杆14上往復移動的螺母13副與搖杆11的一端構成移動副，搖杆11的迴轉中心12與支架16鉸接，搖杆11的另一端與可動電磁鐵支架10構成轉動副。
而且，搖杆11和支承鐵芯5的支架10、17由工程塑料製成。
而且，電壓監測及控制裝置19包括電壓監視電路和蓄電池20自動充電控制電路。
而且，電壓監視電路由穩壓二極體D1、三極體Q1、兩個光電二極體D3和D2、光電隔離晶片U2和相應的電阻R1～R7組成，所述電阻R1、穩壓二極體D1、電阻R3、R2、光電二極體D2依次相串聯，其中，穩壓二極體D1和電阻R3之間接三極體Q1的基極，三極體Q1的發射極接地並同時接在光電隔離晶片U2的IN-端和電阻R2及R3之間，三極體Q1的集電極依次經光電二極體D3、電阻R5接光電隔離晶片U2的IN1+端，蓄電池20自動充電控制電路包括穩壓晶片U1、運算放大器AR2及其電阻組成的施密特觸發電路以及由三極體Q3和繼電器K組成的開關電路，穩壓晶片U1的Vin和Vout端分別經電解電容C1、C2與其GND端相連並同時接地且經電阻R8、光電二極體D5接另一光電二極體D4和蓄電池20的OUT端，其Vout端與運算放大器AR2的控制端相接並經電阻R10、R13與其正極相接，穩壓晶片U1的Vin端經電阻R11與放大器AR2的負極相接，並經電阻R12、R14、R15與放大器AR2的輸出端相接，該輸出端再經電阻R16同時與三極體Q3的基極和三極體Q4的集電極相接，Q4的基極接光電隔離晶片U3的OUT2-，其發射極接地，三極體Q3的集電極與繼電器K相接，三極體Q2和Q3、光電隔離晶片U3、繼電器K組成給蓄電池20充電的外部控制電路，所述兩個三極體Q2和Q3的集電極和發射極同極相連，三極體Q2的基極與光電隔離晶片U3的OUT2-相接，與此同時，Q2的集電極經光耦合二極體D7與光電隔離晶片U2的IN2+端以及光電隔離晶片U1的Vin端、接線座J、蓄電池20的正極、繼電器K相連接，光電隔離晶片U2的IN2-端經電阻R9、光耦合二極體D6與三極體Q2的集電極相連，蓄電池20的負極接地並與開關電源18的一個輸出端相接，接線座J的CONTROL和EN端分別與光電隔離晶片U3的IN1-和IN2-端相連，光電隔離晶片U3的IN1+和IN2+端之間經電阻R19、R20互連。
本發明由於採用了上述技術方案，可將輸電導線周圍的交變磁能轉換為交變電能，並經開關電源整流濾波和隔離後變為直流恆流電源輸出，向蓄電池實時充電而無需人工帶電作業更換電源。並且，充電電壓的自動監視和控制可由外部對其進行控制。電磁鐵可實現機械開合，開合力由機械力和電磁吸力構成，開合運動時，副邊線圈短接，以減少電磁吸合阻力，合攏後的磁鐵受機械力和電磁吸合力共同作用，從而保證電磁鐵的可靠接合。本發明既可用於輸電線路在線檢測儀器上，又可用於帶電作業的行動裝置上。
圖1是本發明的電磁感應裝置的結構示意圖。
圖2是本發明的電源系統的示意框3是電源及其監控電路原理圖。
圖4～圖7分別是直流-直流(DC-DC)轉換裝置的4個DC-DC轉換模塊。
具體實施例方式
參見圖1～圖7，本發明是一種用於架空高壓輸電導線的感應取電裝置，它包括鐵芯5，該鐵芯5上繞有副邊線圈4，鐵芯5內設有騎在輸電導線7上的行走輪6，鐵芯5的下端聯接著可打開鐵芯5下端的活動邊9，打開或合攏該活動邊9的是位於鐵芯5附近的驅動機構3，在副邊線圈4的輸出迴路上並聯有開關電源18、電壓監測及控制裝置19、蓄電池20、電機1和直流-直流(DC-DC)轉換裝置21。
進一步的技術方案可以是執行機構3包括電機1、減速器2和由其驅動的絲杆螺母機構15，在絲杆14上往復移動的螺母13副與搖杆11的一端構成移動副，搖杆11的迴轉中心12與支架16鉸接，搖杆11的另一端與可動電磁鐵支架10構成轉動副。
進一步的技術方案還可以是搖杆11和支承鐵芯5的支架10、17由工程塑料製成，採用該非導磁材料是為了避免在電磁鐵5橫截面上形成磁迴路和電流迴路。
而且，電壓監測及控制裝置19包括電壓監視電路和蓄電池20自動充電控制電路。
而且，電壓監視電路由穩壓二極體D1、三極體Q1、兩個光電二極體D3和D2、光電隔離晶片U2和相應的電阻R1～R7組成，所述電阻R1、穩壓二極體D1、電阻R3、R2、光電二極體D2依次相串聯，其中，穩壓二極體D1和電阻R3之間接三極體Q1的基極，三極體Q1的發射極接地並同時接在光電隔離晶片U2的IN-端和電阻R2及R3之間，三極體Q1的集電極依次經光電二極體D3、電阻R5接光電隔離晶片U2的IN1+端，蓄電池20自動充電控制電路包括穩壓晶片U1、運算放大器AR2及其電阻組成的施密特觸發電路以及由三極體Q3和繼電器K組成的開關電路，穩壓晶片U1的Vin和Vout端分別經電解電容C1、C2與其GND端相連並同時接地且經電阻R8、光電二極體D5接另一光電二極體D4和蓄電池20的OUT端，其Vout端與運算放大器AR2的控制端相接並經電阻R10、R13與其正極相接，穩壓晶片U1的Vin端經電阻R11與放大器AR2的負極相接，並經電阻R12、R14、R15與放大器AR2的輸出端相接，該輸出端再經電阻R16同時與三極體Q3的基極和三極體Q4的集電極相接，Q4的基極接光電隔離晶片U3的OUT2-，其發射極接地，三極體Q3的集電極與繼電器K相接，三極體Q2和Q3、光電隔離晶片U3、繼電器K組成給蓄電池20充電的外部控制電路，所述兩個三極體Q2和Q3的集電極和發射極同極相連，三極體Q2的基極與光電隔離晶片U3的OUT2-相接，與此同時，Q2的集電極經光耦合二極體D7與光電隔離晶片U2的IN2+端以及光電隔離晶片U1的Vin端、接線座J、蓄電池20的正極、繼電器K相連接，光電隔離晶片U2的IN2-端經電阻R9、光耦合二極體D6與三極體Q2的集電極相連，蓄電池20的負極接地並與開關電源18的一個輸出端相接，接線座J的CONTROL和EN端分別與光電隔離晶片U3的IN1-和IN2-端相連，光電隔離晶片U3的IN1+和IN2+端之間經電阻R19、R20互連。
所述感應取電裝置的結構中，除絲槓14、螺母13、固定電磁鐵支架16搖杆11以及可動電磁鐵支架10外，其餘均由高強度鋁合金材料加工製造，且均進行陽極化處理，這樣既保證了結構的強度，又保證了相對運動表面的硬度，同時能防腐蝕。
所述開關電源18最好是開關恆流電源，由於它屬現有技術，故對其具體電路不作贅述。
電源及其監控電路的工作原理為載流輸電導線7所產生的交變磁場在電磁鐵芯中形成閉合磁通，並在電磁感應線圈中的兩輸出端產生感應電勢，當外接負載時，則形成交變電流輸出。此交流信號經開關恆流電源變換為直流，並恆流輸出為蓄電池20充電。蓄電池20兩端的電壓分別引入其電壓監視電路、充電控制電路和直流-直流(DC-DC)轉換電路21。引入到電壓監視電路的蓄電池20電壓經穩壓管D1後控制三極體Q1的導通和截止，從而使發光二極體D3導通或截止，並經光電隔離後給外接控制系統提供相應的TTL電平信號。引入到充電控制電路的電壓信號，與一個基準電壓信號進行比較，即當蓄電池20電壓低於基準信號電壓時，控制繼電器K線圈得電，感應電流經開關恆流電源後給蓄電池20充電，反之，則繼電器K線圈失電，感應線圈的兩輸出端短路，停止向蓄電池20充電。當外部控制系統來控制蓄電池20充電時，則只需先輸入一個TTL電平信號使內部的控制信號不起作用，然後再輸入一個TTL電平信號，控制繼電器K線圈的得電或失電，從而實現對蓄電池20的充電的外部控制。當蓄電池20電壓引入到直流-直流(DC-DC)模塊電源時，則各模塊為外接負載和控制系統提供所需的電源。具體工作原理如下充電電路繞在感應取電鐵芯5上的線圈4，將輸電導線7周圍的磁能轉換為交變電能，經開關恆流電源後輸出直流，再經限流二極體D4給蓄電池20充電。電磁鐵芯5用矽鋼片衝製成形，截面積為40*25mm2，感應線圈為750匝，輸電導線電流為400A時，充電電流為2.5A。
蓄電池20電壓監視電路它是由穩壓二極體D1、三極體Q1、兩個光電二極體D3和D2、光電隔離晶片U2和相應的電阻組成。穩壓二極體的電壓為22V，當蓄電池20電壓低於22V時，穩壓二極體D1和三極體Q1均截止，光電二極體D3和D2導通發光，光電隔離晶片U2輸出一TTL低電平信號，表示蓄電池20電低於22V，外部設備(負載)應停止作業，處於充電工作狀態；當蓄電池20電壓高於22V時，則穩壓二極體D1和三極體Q1導通，光電二極體D3截止不發光，而D2導通發光，光電隔離晶片U2輸出一TTL高電平信號，表示蓄電池20電壓大於或等於22V，外部設備(負載)可繼續作業。
蓄電池20自動充電控制電路其條件是在接線座J上的CONTROLT和EN均接低電平。它包括由穩壓晶片U1組成的穩壓電路，由運算放大器AR2及其電阻組成的施密特觸發電路，由三極體Q3和繼電器組成的開關電路。由蓄電池20電壓經穩壓電路後，給施密特觸發電路提供標準的參考電壓，經電阻R10、R13和R14分壓限流後送入AR2的正極，同時，蓄電池20電壓經電阻R11和R12分壓限流後引入到AR2的負極。當蓄電池20電壓低，即A點的電位低於B點電位，運算放大器AR2(晶片型號CA3140)輸出高電平，使三極體Q3正嚮導通，繼電器K線圈得電，常閉觸點斷開，即ACN1和ACN2間斷開，感應線圈經開關恆流電源給當蓄電池20充電。隨著充電的進行，蓄電池20兩端的電壓逐漸升高到AR2的A點電位高於B點電位時，運算放大器AR2輸出低電平，使三極體Q3截止，繼電器線圈K失電，常閉觸點閉合，即ACN1和ACN2間短路，感應線圈自身形成閉合迴路，停止向蓄電池20充電。以上兩種狀態經光電隔離晶片U2後給外部控制電路提供相應的TTL電平信號。其中，施密特觸發器的觸發閾值電壓通過R13調節，滯後電壓通過R14調節。
蓄電池20充電的外部控制電路它是由光電隔離晶片U3、兩個三極體Q2和Q3、繼電器等組成。當外部控制系統需要對蓄電池20充電進行控制時，則首先由外部控制系統給接線座J的EN端輸入TTL電平控制信號，經光電隔離晶片U3輸出後，使三極體Q4正嚮導通，則三極體Q3反向截止，即來自比較器AR2信號不起控制作用，也即蓄電池20自動充電控制電路處於無效狀態。然後，當外部控制信號給接線座J的CONTROL為TTL低電平時，則經光電隔離晶片U3輸出低電平信號，使三極體Q2截止，繼電器線圈K失電，常閉觸點閉合，即ACN1和ACN2間短路，感應線圈自身形成閉合迴路，停止向蓄電池20充電；當外部控制信號給接線座J的CONTROL為TTL高電平時，則經光電隔離晶片U3輸出高電平信號，使三極體Q2導通，繼電器線圈K得電，常閉觸點斷開，即ACN1和ACN2間斷開，感應線圈經開關恆流電源給當蓄電池20充電。
直流-直流(DC-DC)轉換裝置21具有4個晶片(見圖4～圖7)，分別是24D12、HZD10、CNK32V、HZD40，它們均與接線座J的24V相接，其功能是分別將24VDC轉換為±12VDC、+5VDC、+12VDC、和+32VDC，以便為巡檢機器人提供的除24V直流外的其它直流電源。由於該裝置屬現有技術，故對其電路以及原理不作詳述。
所述電磁鐵可由矽鋼片材料製成，蓄電池20可選用的是24V9000mAh的鎳氫可充電蓄電池20，其它元器件和開關恆流電源等，市場均有售。電路簡單，調試和使用方便。
本發明既可用於固定在輸電導線上的檢測儀器的電源，又可用於在輸電線路上移動作業設備的電源，並根據儀器設備所需的電源，對電磁鐵芯的截面積和感應線圈的匝數、蓄電池20容量和電壓等級、施密特觸發器的觸發電壓閾值、直流-直流(DC-DC)及其它元器件等作相應的調整，且光電隔離晶片U2輸出的TTL電平作為配套的儀器設備控制系統的輸入，而配套儀器設備控制系統中提供兩路TTL電平信號到接線座J的CONTROL和EN端，則可實現一個完整的電源應用系統。
本發明的應用及工作過程如下按上述工作原理，將本系統在電器上接入應用系統，並由固定電磁支架16上的四個安裝孔16.1與儀器設備進行定位聯接。在應用系統安裝在輸電導線7上之前，將感應取電裝置上的可動電磁鐵芯8完全打開到最大開度，蓄電池20電量充足；當應用系統安裝在輸電導線7上後，合上電源總開關SW，且使可動電磁鐵芯8完全合攏，則感應取電裝置處於工作狀態，電源系統按如下過程進行工作當接線座J上的CONTROL和EN均為低電平時，則本系統按上述的充電自動監控原理進行工作。當應用系統需裝卸，或應用系統為在輸電線路上的行動裝置需要感應取電裝置作跨越障礙物運動時，則應用系統給接線座J上的EN送高電平信號，使本系統的充電自動控制功能失效，由應用系統按如下要求工作在可動電磁鐵8打開和合攏的過程中，接線座J上的CONTROL應為低電平，繼電器K失電，常閉觸點閉合，感應線圈經繼電器的常閉觸點短路，且感應線圈產生反磁通，從而減少電磁鐵接合面的電磁吸力；在可動電磁鐵芯8合攏後，接線座J上的CONTROL應為高電平，繼電器K得電，常閉觸點斷開，感應線圈4經開關恆流電源給蓄電池20充電，且電磁鐵的接合面產生電磁吸合力。
權利要求
1.一種用於架空高壓輸電導線的感應取電裝置，包括鐵芯(5)，該鐵芯(5)上繞有副邊線圈(4)，其特徵是鐵芯(5)內設有騎在輸電導線(7)上的行走輪(6)，鐵芯(5)的下端聯接著可打開鐵芯(5)下端的活動邊(9)，打開或合攏該活動邊(9)的是位於鐵芯(5)附近的驅動機構(3)，在副邊線圈(4)的輸出迴路上並聯有開關電源(18)、電壓監測及控制裝置(19)、蓄電池(20)、電機(1)和直流-直流轉換裝置(21)。
2.根據權利要求1所述的用於架空高壓輸電導線的感應取電裝置，其特徵是執行機構(3)包括電機(1)、減速器(2)和由其驅動的絲杆螺母機構(15)，在絲杆(14)上往復移動的螺母(13)副與搖杆(11)的一端構成移動副，搖杆(11)的迴轉中心(12)與支架(16)鉸接，搖杆(11)的另一端與可動電磁鐵支架(10)構成轉動副。
3.根據權利要求1或2所述的用於架空高壓輸電導線的感應取電裝置，其特徵是搖杆(11)和支承鐵芯(5)的支架(10、17)由工程塑料製成。
4.根據權利要求3所述的用於架空高壓輸電導線的感應取電裝置，其特徵是電壓監測及控制裝置(19)包括電壓監視電路和蓄電池(20)自動充電控制電路。
5.根據權利要求4所述的用於架空高壓輸電導線的感應取電裝置，其特徵是電壓監視電路由穩壓二極體(D1)、三極體(Q1)、兩個光電二極體(D3，D2)、光電隔離晶片(U2)和相應的電阻(R1～R7)組成，所述電阻(R1)、穩壓二極體(D1)、電阻(R3、R2)、光電二極體(D2)依次相串聯，其中，穩壓二極體(D1)和電阻(R3)之間接三極體(Q1)的基極，三極體(Q1)的發射極接地並同時接在光電隔離晶片(U2)的IN-端和電阻(R2)及(R3)之間，三極體(Q1)的集電極依次經光電二極體(D3)、電阻(R5)接光電隔離晶片(U2)的IN1+端，蓄電池(20)自動充電控制電路包括穩壓晶片(U1)、運算放大器(AR2)及其電阻組成的施密特觸發電路以及由三極體(Q3)和繼電器(K)組成的開關電路，穩壓晶片(U1)的Vin和Vout端分別經電解電容(C1、C2)與其GND端相連並同時接地且經電阻(R8)、光電二極體(D5)接另一光電二極體(D4)和蓄電池(20)的OUT端，其Vout端與運算放大器(AR2)的控制端相接並經電阻(R10、R13)與其正極相接，穩壓晶片(U1)的Vin端經電阻(R11)與放大器(AR2)的負極相接，並經電阻(R12、R14、R15)與放大器(AR2)的輸出端相接，該輸出端再經電阻(R16)同時與三極體(Q3)的基極和三極體(Q4)的集電極相接，(Q4)的基極接光電隔離晶片(U3)的OUT2-，其發射極接地，三極體(Q3)的集電極與繼電器(K)相接，三極體(Q2和Q3)、光電隔離晶片(U3)、繼電器(K)組成給蓄電池(20)充電的外部控制電路，所述兩個三極體(Q2和Q3)的集電極和發射極同極相連，三極體(Q2)的基極與光電隔離晶片(U3)的OUT2-相接，與此同時，(Q2)的集電極經光耦合二極體(D7)與光電隔離晶片(U2)的IN2+端以及光電隔離晶片(U1)的Vin端、接線座(J)、蓄電池(20的正極、繼電器(K)相連接，光電隔離晶片(U2)的IN2-端經電阻(R9)、光耦合二極體(D6)與三極體(Q2)的集電極相連，蓄電池(20)的負極接地並與開關電源(18)的一個輸出端相接，接線座(J)的CONTROL和EN端分別與光電隔離晶片(U3)的IN1-和IN2-端相連，光電隔離晶片(U3)的IN1+和IN2+端之間經電阻(R19、R20)互連。
全文摘要
一種用於架空高壓輸電導線的感應取電裝置，包括鐵芯(5)，該鐵芯(5)上繞有副邊線圈(4)，其特徵是鐵芯(5)內設有騎在輸電導線(7)上的行走輪(6)，鐵芯(5)的下端聯接著可打開鐵芯(5)下端的活動邊(9)，打開或合攏該活動邊(9)的是位於鐵芯(5)附近的驅動機構(3)，在副邊線圈(4)的輸出迴路上並聯有開關電源(18)、電壓監測及控制裝置(19)、蓄電池(20)、電機(1)和直流－直流轉換裝置(21)。本技術方案，可將輸電導線周圍的交變磁能轉換為交變電能，並經開關電源整流濾波和隔離後變為直流恆流電源輸出，向蓄電池實時充電而無需人工帶電作業更換輸電線路巡檢設備的電源。
文檔編號H02J17/00GK1655421SQ20041006131
公開日2005年8月17日 申請日期2004年12月10日 優先權日2004年12月10日
發明者吳功平, 肖華, 周文俊, 白玉誠, 陳中偉 申請人:武漢大學, 寧波公牛機器人有限公司