高壓輸電線路巡檢機器人自取電裝置的製作方法

2023-08-10 01:42:16 1

專利名稱：高壓輸電線路巡檢機器人自取電裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及高壓輸電線路巡檢機器人自取電裝置，屬於高壓輸電線路巡檢技術領域。
技術背景高壓輸電線路巡檢機器人攜帶大量的檢測儀器和通信設備沿輸電線路行駛，對線路故障 及安全事故隱患進行巡視，並將所檢測的信息實時向地面傳送，能量消耗較大。由於機器人 懸掛在輸電線上，而高壓輸電線路又多分布在野外，跨越山川湖泊，在巡檢過程中如果需要頻 繁更換電池，給巡視工作造成極大的不便，限制了巡檢機器人的廣泛應用。因此，為徹底解 決巡檢機器人的能源瓶頸，研究如何從高壓輸電線感應取電的方式為機器人提供電能，最大 限度的提高機器人的續航能力，使之真正符合實用化的要求，就成為一個必須要研究的問題。 發明內容本實用新型針對現有高壓輸電線路巡檢機器人電能提供技術存在的不足，提供一種能夠 使高壓輸電線路巡檢機器人自動獲取電能的自取電裝置。本實用新型的高壓輸電線路巡檢機器人自取電裝置採用以下技術方案高壓輸電線路巡檢機器人自取電裝置包括自取電電源模塊和交直流電源轉換模塊，交直 流電源轉換模塊與自取電電源模塊的輸出端連接，自取電電源模塊由自取電裝置、開關電源、 電流檢測電路、斬波器、電池檢測及電源控制器、自適應電源切換器和蓄電池組成，自取電 裝置是以一相高壓架空輸電線為原邊並以鐵磁線圈為副邊的取電裝置，自取電裝置的副邊與 開關電源連接，開關電源的直流輸出一路連接到自適應電源切換器， 一路通過斬波器與蓄電 池連接，電流檢測電路與開關電源和蓄電池連接，電池檢測及電源控制器與蓄電池和斬波器 連接。電流檢測電路把檢測到的充電電流作為開關電源PWM控制器的輸入，電池檢測及電源控制器根據檢測到的電池電壓對斬波器實施PWM控制，以控制充電電壓。上述自取電裝置的工作過程如下自取電電源模塊的自取電裝置從高壓線路上通過感應 獲取交流電，然後再通過開關電源轉換為直流電源，通過斬波電路向蓄電池充電。同時，電 壓監測及控制保護電路對開關電源及電池電壓和溫度等實時監測，作為自取電電源模塊控制 器控制蓄電池是否需要充電，採用何種充電方式，是否要求機器人停機的依據。同時巡檢機 器人主控制器根據機器人運行狀況，可隨時通知自取電電源模塊控制器打開或閉合CT副邊線圈。本實用新型通過高壓輸電線路自身產生感應電能，能夠使高壓輸電線路巡檢機器人自動 獲取取電能，避免了頻繁更換電池給巡視工作造成的不便，打破巡檢機器人的能源瓶頸，為 巡檢機器人的廣泛應用鋪平道路。

圖l是本實用新型的結構原理框圖。圖2是本實用新型中的自取電電源模塊電路原理圖。 圖3是本實用新型的控制流程圖。圖中1、自取電電源模塊，2、交直流電源轉換模塊，3、高壓輸電相線'4、鐵磁線圈' 5、開關電源，6、電流檢測電路，7、斬波器，8、電池檢測及電源控制器'9、自適應電源切換器，10、蓄電池，11、機器人控制板，12、電機驅動器。
具體實施方式
如圖l所示，本實用新型的高壓輸電線路巡檢機器人自取電裝置包括自取電電源模塊l和 交直流電源轉換模塊2，交直流電源轉換模塊2與自取電電源模塊1的輸出端連接。自取電電源 模塊l由自取電裝置、開關電源5、電流檢測電路6、斬波器7、電池檢測及電源控制器8、自適 應電源切換器9和蓄電池10組成。自取電裝置是以一相髙壓輸電線3為原邊，以鐵磁線圈4為副 邊的取電裝置，自取電裝置的副邊與開關電源5連接，電流檢測電路6、斬波器7、電池檢測及 電源控制器8、自適應電源切換器9和蓄電池10按圖所示連接在一起。由交直流電源轉換模塊2 為機器人控制板ll供電，進而控制電機驅動器12。圖2給出了自取電電源模塊l的電路原理圖。鐵磁線圈4採用一個整體鐵芯，以保證磁路中無氣隙。同時鐵芯設計成可以分合的剖分式 結構，由固定部分和活動部分組成，在正常工作時兩部分合為一體，跨越高壓線路障礙時由 安裝在機器人手臂上的機械裝置將其分開。在自取電裝置進行開合運動時，為了減小執行機 構的電磁阻力，可控制使副邊感應線圈短路。另外，為保證在儘可能大的電流範圍內都能為 機器人提供連續的電能，自取電裝置必須在較小的電流時也能取得較大的能量，那麼在原邊 電流、線圈匝數和磁通面積不變的情況下，提高鐵芯的初始磁導率A。成為唯一有效的方法， 因此選擇鐵基納米晶合金作為鐵磁線圈4的鐵芯材料。平波電抗厶主要起限流和分壓的作用，保證電源在大電流狀態下的正常工作。採用適當 的平波電抗可以把二次側電流峰值Ih限制到幾安。平波電抗厶除了限流作用外，還起到保護 後續電路的作用。鐵磁線圈4感應得到的交流電經過平波電抗一初級濾波一整流一次級濾波得到的整流電 壓會隨著高壓輸電線電流的升髙而升高，而該電壓的升高，使後續電路的等效阻抗增大，使 穩壓電容C5的放電電流減小，最終使得整流電壓上升得更快。為了保護後續電路，必須把整 流電壓限制在要求的範圍之內。為此電路中設計了由Zl, ROl， R02, R03, RW和MOSFET Ql組 成的能量洩放電路，如圖2所示。當整流橋輸出電壓較高時，Ql導通，卸放電路進入工作狀態， 多餘能量通過大功率電阻RW(50Q100W)洩放掉；當整流橋輸出電壓恢復到正常範圍內時，該 電路不工作，因此不會影響電源啟動電流。如圖2所示，蓄電池8 (採用鋰電池)的充電電路採用的是具有快充和慢充的智能型鋰電 池充電及保護電路。該電路採用AVR單片機控制，充電過程分為快充、慢充及涓流充(浮充) 三個階段(由於在電路中設計有電池欠壓保護，當電池電壓低於預充電壓之前，己命令機器人 停機，因此可省掉快充前面的低電流(0.1C)預充階段)。該充電電路主要由開關穩壓電源5、 斬波器7、電流、電壓及溫度檢測電路和控制器等四個部分組成，具有過流保護，過壓、欠壓 保護和超溫保護功能。開關穩壓電源5採用半橋式PWM變換電路。其工作原理是由U2(TL494) 開關電源集成控制器的8腳和11腳輸出反相的PWM信號，經三極體T3、 T4互補放大，通過驅動 變壓器DT，為三極體T1和T2基極提供驅動信號。使T1和T2交替通斷，.高頻變壓器HFT的初級繞 組N1就會產生方波電壓，在HFT的次級繞組N2、 N3中就有感應電壓產生，這個電壓經整流、濾 波後，變為直流電壓， 一路直接連到電源切換器9， 一路通過斬波器7向蓄電池8充電。HFT次 級繞組N4、 N5為輔助繞組，其感應電壓經整流、濾波後，接至U2的12腳，作為其工作電壓。圖2中，電阻R10串接在HFT次級繞組N2和N3的中間抽頭與輸出地之間，作用是監控快充充 電電流和過流保護。恆流控制過程為當充電電流超過恆定值0.5C時，R10上的壓降增大，該壓降經並聯電阻 R22、 R23反饋到U2的15腳(內部電流誤差放大器反相輸入端)，使其電位變為負值，低於U2的 16腳(內部電流誤差放大器同相輸入端)，則內部電流誤差放大器輸出電壓升高，使U2的8腳 和11腳輸出的PWM信號的脈衝變窄，從而縮短T1和T2的導通時間，使輸出電壓下降，維持充電 電流恆定；隨著充電時間的延長，電池電壓逐漸升高，充電電流按指數規律下降，U2的15 腳電位按指數規律上升，則U2的8腳和11腳輸出的PWM信號脈衝逐漸又變寬，從而延長T1和T2 的導通時間，使輸出電壓升高，充電電流保持恆定。在慢充階段，通過電阻R29、 R30、 R31、 R32、 C18、 C19組成電壓取樣電路和U2內部電壓 誤差放大器，使輸出電壓恆定。恆壓控制過程為取樣電壓輸入到U2的1腳(內部電壓誤差放大器同相輸入端)，與U2的2 腳(內部電壓誤差放大器反相輸入端)的基準電壓比較，其誤差信號放大後，經內部電路處理， 使U2的8腳和11腳輸出的PWM信號的脈寬改變，從而使T1、 T2的導通時間改變，維持輸出電壓 恆定。斬波器7的電路由三極體T5和由T6、 T7組成的達林頓管及電阻R12、 R13、 R14、 R15等組成。 工作過程為Ul(ATraega48)的14腳輸出的PWM控制信號經電阻R15接至T5的基極，控制T5通斷， 從而使T6和T7亦導通或截止，充電電流通過T7對電池充電。改變PWM控制信號的脈寬，就改變 了充電電壓。電源控制器由U1、 U3(LM358N)和U4(MC74HC14AN)以及電阻電容等組成。其中U1採用ATMEL 公司生產的微功耗高性能八位RISC結構單片機ATmega48V[75]， TQFP32緊湊型封裝，內有4KB 的Flash程序存儲器、256B的EEPR0M和512B的靜態存儲器。支持ISP串行下載方式，有可編程 代碼保護。ATmega48V單片機內有兩個8位的定時/計數器， 一個16位的定時/計數器，可以滿足本電 路對開啟時間、脈寬、脈衝頻率的精確控制。控制過程為快充階段U1的14腳輸出髙電平， 使斬波器7導通，通過電流監控電路，以恆定電流對電池充電。當電池電壓V^上升到規定值 時，由電阻R33、 R34、 R35對電池電壓取樣後，送至比較器U3A的3腳，與2腳的基準電壓比較， 在l腳輸出高電平，經具有抗擾動特點的施密特觸發器反相器U4A、 U4B進入U1的25腳輸入高電 平，再經軟體濾波和延時，判斷檢測無誤後；Ul的14腳輸出低電平，關斷斬波器，停止充電， 快充階段結束。慢充階段，U1的14腳輸出PWM控制信號，使斬波器7以固定的佔空比導通，充 電器以恆定電壓對電池充電，此時充電電流隨著電池電壓的上升，按指數規律下降。當電池 電壓VwT上升到規定值時，由電阻R33、 R34、 R35對電池電壓取樣後，送至比較器U5B的5腳， 與6腳的基準電壓比較，在7腳輸出高電平，經反相器U6A、 U6B進入U1的24腳輸入高電平，再 經軟體濾波和延時，判斷檢測無誤後，結束慢充。涓流充階段，Ul的14腳輸出佔空比更小的 PWM控制信號，使斬波器7以較小的佔空比導通，將充電電流維持在0.05C左右，對電池進行涓 流充電。欠壓保護當開關電源的電壓大於電池電壓時，電源切換器9(V1)的3腳和2腳之間導通， l腳和2腳之間反向截止，交直流電源轉換模塊2的輸入為開關電源電壓；如果線路無電流或電流小於啟動電流時，開關電源無輸出或輸出電壓小於電池電壓，此時電源切換器V1的3腳和2 腳之間反向截止，l腳和2腳之間導通，交直流電源轉換模塊2的輸入為電池電壓。這種情況下， 自取電裝置己無法給電池充電，機器人系統的運行能量完全靠電池供給，當電池電壓降低到 容許的最小值時，由電阻R51、 R52及電位器WR1採樣後，送至比較器U5A的2腳，與3腳的基準 電壓比較，在l腳輸出高電平，經反相器U4E、 U4F進入U1的26腳，經軟體濾波和延時，判斷檢 測無誤後，通過串口通知機器人控制器，命令機器人停機以避免由於過放而損壞電池。當充 電到正常水平後再繼續執行巡檢任務。
超溫保護是通過附加在電池上的正溫度特性熱敏電阻RT及R38、 R39實現的。當電池溫度 升高時，熱敏電阻RT的阻值增大，貝叫3B的5腳電壓上升；若電池溫度TwT升高到規定值時，5 腳電位高於6腳電位，則7腳輸出高電平，Ul的23腳輸入高電平，則U1的14腳輸出PWM信號，使 充電器以涓流充電方式對電池充電，有效地保護了電池。該充電控制器雖然設計有M度監測 功能，但由於目前市場上買到的大多數鋰電池都己具備了過充保護功能，因此，溫度監測也 可選用。
圖2中的發光二極體指示充電狀態。快充和慢充階段點亮綠色發光二極體；涓流充電階段 點亮黃色發光二極體。
本實用新型的控制流程如圖3所示。自取電裝置從高壓線路上獲取的交流電能通過開關電 源5轉換為直流電源， 一路直接連到自適應電源切換器9， 一路通過斬波器7向電池充電。根據 開關電源輸出電壓與電池電壓大小關係，電源切換器會自適應的把開關電源的輸出或電池的 輸出引入到交直流電源轉換模塊2的輸入端。電池充電過程中，充電電流檢測電路6用於控制 開關電源5的佔空比，保證充電過程中某一階段的恆流充電；電池檢測電路對電池電壓及溫度 等實施監測並將信息傳送給電源模塊控制器，作為控制電池是否需要停機？是否需要充電， 採用何種充電方式的依據。同時巡檢機器人主控制器根據機器人運行狀況，可隨時通知電源 模塊控制器使鐵磁線圈4的副邊線圈的短路開關閉合或打開。
權利要求1.一種高壓輸電線路巡檢機器人自取電裝置，其特徵在於包括自取電電源模塊和交直流電源轉換模塊，交直流電源轉換模塊與自取電電源模塊的輸出端連接，自取電電源模塊由自取電裝置、開關電源、電流檢測電路、斬波器、電池檢測及電源控制器、自適應電源切換器和蓄電池組成，自取電裝置是以一相高壓架空輸電線為原邊並以鐵磁線圈為副邊的取電裝置，自取電裝置的副邊與開關電源連接，開關電源的直流輸出一路連接到自適應電源切換器，一路通過斬波器與蓄電池連接，電流檢測電路與開關電源和蓄電池連接，電池檢測及電源控制器與蓄電池和斬波器連接。
專利摘要本實用新型提供了一種高壓輸電線路巡檢機器人自取電裝置，包括自取電電源模塊和交直流電源轉換模塊，交直流電源轉換模塊與自取電電源模塊的輸出端連接，自取電電源模塊由自取電裝置、開關電源、電流檢測電路、斬波器、電池檢測及電源控制器、自適應電源切換器和蓄電池組成，自取電裝置是以一相高壓架空輸電線為原邊並以鐵磁線圈為副邊，自取電裝置的副邊與開關電源連接，開關電源的直流輸出一路連接到自適應電源切換器，一路通過斬波器與蓄電池連接，電流檢測電路與開關電源和蓄電池連接，電池檢測及電源控制器與蓄電池和斬波器連接。本實用新型能夠使高壓輸電線路巡檢機器人自動獲取電能，避免了頻繁更換電池給巡視工作造成的不便。
文檔編號H02G1/02GK201167024SQ200820018798
公開日2008年12月17日 申請日期2008年3月12日 優先權日2008年3月12日
發明者單金明, 周風餘, 銳 宋, 峰 李, 李貽斌, 偉 王, 王常順, 榮學文, 陳景帥 申請人:山東大學