专利名称：高压线路在线供电系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于高压线路技术领域，涉及为高压线路仪器的能量提供，尤其是涉及高压线路在线供电系统。
背景技术：
日本、美国、加拿大等发达国家于20世纪80年代末先后开展了巡线机器人的研究工作。我国关于巡线机器人的研究始于20世纪90年代末。从国内外已取得的研究成果可知，没有越障功能的巡线机器人技术较为成熟，但能够实施大范围、长时间的线路巡检作业的自主巡线机器人的研究进展比较缓慢。其中很重要的原因就是巡线机器人的自主取电功能尚不能很好地实现。高压输电线路上感应取电存在许多困难，如输电线路工频电流的频率低且不可调；输电线材质、线圈匝数不能改变，难以提高取电的能量；需要对铁芯、感应线圈、负载和输出功率的关系作出优化设计；此外，高压侧一次母线电流的情况变化非常复杂，电流最低可能只有几十安，而最高可达数千安，考虑到实际工程需求，在线供电系统需要较强的适应性和良好的绝缘设计。目前的取能补给装置欠缺感应线圈的优化设计，同时缺少良好的外部绝缘设计等，迫切需要一种优化的、考虑实际工程情况和应用的在线取能系统。
发明内容为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供高压线路在线供电系统，可以从高压输电线路获得能量为蓄电池充电，为巡线机器人等高压线路仪器提供能量， 以解决由于缺乏能源在线补给装置，线路仪器应用受到极大限制的问题。为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是高压线路在线供电系统，包括由铁芯、感应线圈和绝缘外壳组成的感应取电模块 1，其中铁芯外缠绕感应线圈，然后一起置于绝缘外壳中，所述感应取电模块1的输出连接输入滤波电路21，输入滤波电路21的输出连接脉宽调制电路22，脉宽调制电路22的输出连接输出滤波电路23，输出滤波电路23的输出经检测电路M后连接至蓄电池3。所述铁芯为硅钢片。所述蓄电池3为锂离子电池。所述绝缘外壳为相互连接的左半外壳和右半外壳组成。所述检测电路M的电压信号反馈至脉宽调制电路22。所述感应线圈的匝数N按照公式# =确定，其中，R为用电仪器与蓄电
池的等效电阻，K是与铁芯相关的常数，通过试验和理论计算获得，f为输电线路中的电流频率。所述输入滤波电路21是通过双绕组耦合电感实现的。所述脉宽调制电路22是采用场效应管及其驱动芯片和外围电路构成。[0015]所述输出滤波电路23包括并联二极管组D7，脉宽调制后的信号连接第一并联二极管组D7中所有二极管的阳极，第一并联二极管组D7中所有二极管的阴极连接极性电容 C17的正极和电感Li，极性电容C17的负极接。所述检测电路M是将输出滤波电路23的输出接到第二并联二极管组DlO中所有二极管的阳极，第二并联二极管组DlO中所有二极管的阴极作为电压输出，输出滤波电路23的输出还连接第二发光二极管ED2的阳极，第二发光二极管ED2的阴极通过第一电阻 R50连接三极管Q6的基极，三极管Q6的集电极通过第二电阻R52连接第一发光二极管EDl 的阳极，第一发光二极管EDl的阴极作为电压输出，三极管Q6的基极和发射极之间接有第三电阻R53，三极管Q6的发射极通过第四电阻R58连接场效应管Q7的栅极，场效应管Q7的漏极接作为电压输出，源极接地，栅极和源极之间接第五电阻R57。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是1)可以有效的根据实际取电装置大小、铁芯体积和质量的要求，有效选择感应线圈匝数。2)能够在电流变化的较大范围内，有效的获得能量为蓄电池充电。
[0020]图1是本实用新型原理框图。[0021]图2为蓄电池恒流充电阶段充电电流，纵坐标为电流，横坐标为时间。[0022]图3为蓄电池两端电压随时间的变化曲线，纵坐标为电压，横坐标为时间。[0023]图4为匝数-电压曲线和饱和电压限制曲线。[0024]图5为输入滤波电路的原理图。[0025]图6为输出滤波电路的原理图。[0026]图7为检测电路的原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。如图1所示，为本实用新型的电原理框图，感应取电模块1的输出连接输入滤波电路21，输入滤波电路21的输出连接脉宽调制电路22，脉宽调制电路22的输出连接输出滤波电路23，输出滤波电路23的输出经检测电路M后连接至蓄电池3，输入滤波电路21和脉宽调制电路22都挂有保护电路，检测电路M的电压信号信号反馈至脉宽调制电路22，同时在检测出异常的时候输出告警信号，其中输入滤波电路21、脉宽调制电路22、输出滤波电路23和输出经检测电路M以及保护电路共同组成电能转换及充电模块2。本实用新型的电能转换及充电模块2，使在线供电系统可以从大电流导线取电并为蓄电池充电，对电能转换及充电模块的设计主要涉及两个接口。一个接口是电能转换及充电模块的感应取电端接口，即铁芯端接口。设计的难点在于母线电流为小电流时，要尽量保证电源的供应；而当母线电流处于大电流状态，要在保证电源供应的同时给予电源足够的保护，另一个接口是充电端接口，即电池端接口。本实用新型选用的蓄电池是锂离子电池。根据其材料特性，选用先恒流充电再恒压充电的方式为锂离子电池充电。如图2所示，为蓄电池恒流充电阶段充电电流，纵坐标为电流，横坐标为时间。[0031]图3为蓄电池两端电压随时间的变化曲线，纵坐标为电压，横坐标为时间。可以看出，随着时间的增加，电压稳定上升。同时，针对铁芯、感应线圈、负载和输出功率的关系进行研究并给出优化设计方案，考虑到实际应用时，取电装置有体积和重量的限制，优先考虑在传统的软磁材料中具有较大的饱和磁感应强度及叠片系数，且能取得较大功率的铁芯材料，因此选择此类型的硅钢片作为制作铁芯的材料。为了避免铁芯受强磁场的影响，同时确保在取电装置闭合时，铁芯能够准确对接， 设计了可分合的绝缘外壳，由相互连接的左半外壳和右半外壳组成，能将铁芯固定于绝缘外壳中。如图4所示，为线圈匝数-电压曲线和饱和电压限制曲线，因此，对线圈匝数的设计进行了优化。根据电磁场知识和电磁感应定律易知，带电输电线路会产生交变磁场，回路在磁场中会感应产生电流。设输电线路近似认为无限长且其中电流大小为I1，根据安培环路定理可得，距离输电线为r的空间中的任一点磁场强度为H = I1^Jir(AZm)(1)设线圈的厚度为h，内外半径分别为A和r2，线圈导线匝数为N，电流的频率为f， 可知感应电动势为E = ^Ι πΝ/Φ = ^JiNf (Φ ^-Φ2)(2)这里，Φ是铁芯的磁通量，Φ由叫和Φ2组成。其中，CD1由原边导线电流产生的磁通量，Φ2是副边线圈电流产生的磁通量。设输电线通过感应取电铁芯的中心，可知 Φ, = Γ BdS = Γ ^hdr( 3 )
jIjI 2W这里，μ是磁导率。将巡线机器人及蓄电池等效为一个电阻R，设通过电流和铁芯导线的电流为I2，将取电装置视为电源，与等效的电阻R串联为一个电路。设。2有如下形式O2 = kI2N(4)这里，k是与铁芯相关的常数。进一步可得，感应电压为E = ^^/(Φ, - Φ2 ) (5)= ^znNf (Φ^ - Iil2N) = E1 - E2可得I2i = E =芯TiNfi^l - Iil1N)(6)P = HR = (^^JR最后，可得到能取到最大功率的线圈匝数为N = yjR/k^nf(7)容易看出，上述结果未考虑铁芯饱和效应的影响，故需要综合考虑铁芯的饱和效
5应进行实验，以提高计算结果的准确度。实际选定铁芯线圈匝数时需经过以下步骤第1步，选取固定阻抗负载，测试在不同的线圈匝数情况下，负载两端电压。第2步，根据所测得数据，求出式(5)中的系数k。第3步，根据式(5)做出匝数-电压曲线。第4步，考虑饱和效应曲线，结合两个曲线的交点，求出最优的线圈匝数。如图5所示，输入滤波电路21是通过双绕组耦合电感实现。如图6所示，输出滤波电路23包括并联二极管组D7，脉宽调制后的信号连接第一并联二极管组D7中所有二极管的阳极，第一并联二极管组D7中所有二极管的阴极连接极性电容C17的正极和电感Li，极性电容C17的负极接。如图7所示，检测电路对是将输出滤波电路23的输出接到第二并联二极管组DlO 中所有二极管的阳极，第二并联二极管组DlO中所有二极管的阴极作为电压输出，输出滤波电路23的输出还连接第二发光二极管ED2的阳极，第二发光二极管ED2的阴极通过第一电阻R50连接三极管Q6的基极，三极管Q6的集电极通过第二电阻R52连接第一发光二极管EDl的阳极，第一发光二极管EDl的阴极作为电压输出，三极管Q6的基极和发射极之间接有第三电阻R53，三极管Q6的发射极通过第四电阻R58连接场效应管Q7的栅极，场效应管Q7的漏极接作为电压输出，源极接地，栅极和源极之间接第五电阻R57。充电过程中，输出电流检测电路用于控制开关电源的占空比，通过电压和电流的反馈，保证充电过程中在电池电压低于29V的时候是恒流充电，在接近29V的时候开始转为恒压充电，当输出电池欠压(输出电压低于20V)或者输入失电(输入电流为零)时，通过告警信号提示。
权利要求1.高压线路在线供电系统，包括由铁芯、感应线圈和绝缘外壳组成的感应取电模块 (1)，其中铁芯外缠绕感应线圈，然后一起置于绝缘外壳中，其特征在于，所述感应取电模块 (1)的输出连接输入滤波电路(21)，输入滤波电路的输出连接脉宽调制电路(22)，脉宽调制电路0 的输出连接输出滤波电路(23)，输出滤波电路的输出经检测电路 (24)后连接至蓄电池(3)。
2.根据权利要求1所述的高压线路在线供电系统，其特征在于，所述铁芯为硅钢片。
3.根据权利要求1所述的高压线路在线供电系统，其特征在于，所述蓄电池(3)为锂离子电池。
4.根据权利要求1所述的高压线路在线供电系统，其特征在于，所述绝缘外壳为相互连接的左半外壳和右半外壳组成。
5.根据权利要求1所述的高压线路在线供电系统，其特征在于，所述检测电路04)的电压信号反馈至脉宽调制电路02)。
6.根据权利要求1所述的高压线路在线供电系统，其特征在于，所述感应线圈的匝数N按照公式# = 7^71 确定，其中，R为用电仪器与蓄电池的等效电阻，K是与铁芯相关的常数，通过试验和理论计算获得，f为输电线路中的电流频率。
7.根据权利要求1所述的高压线路在线供电系统，其特征在于，所述输入滤波电路(21)是通过双绕组耦合电感实现的。
8.根据权利要求1所述的高压线路在线供电系统，其特征在于，所述脉宽调制电路(22)是采用场效应管及其驱动芯片和外围电路构成。
9.根据权利要求1所述的高压线路在线供电系统，其特征在于，所述输出滤波电路(23)包括并联二极管组(D7)，脉宽调制后的信号连接第一并联二极管组(D7)中所有二极管的阳极，第一并联二极管组(D7)中所有二极管的阴极连接极性电容(C17)的正极和电感 (Li)，极性电容(C17)的负极接。
10.根据权利要求1所述的高压线路在线供电系统，其特征在于，所述检测电路04) 是将输出滤波电路的输出接到第二并联二极管组(DlO)中所有二极管的阳极，第二并联二极管组(DlO)中所有二极管的阴极作为电压输出，输出滤波电路的输出还连接第二发光二极管(ED2)的阳极，第二发光二极管(ED2)的阴极通过第一电阻R50连接三极管 (Q6)的基极，三极管0^6)的集电极通过第二电阻0 连接第一发光二极管(EDl)的阳极，第一发光二极管(EDl)的阴极作为电压输出，三极管0^6)的基极和发射极之间接有第三电阻(R53)，三极管0^6)的发射极通过第四电阻(R58)连接场效应管0^7)的栅极，场效应管0^7)的漏极接作为电压输出，源极接地，栅极和源极之间接第五电阻(R57)。
专利摘要本实用新型为高压线路在线供电系统，包括由铁芯、感应线圈和绝缘外壳组成的感应取电模块，其中铁芯外缠绕感应线圈，然后一起置于绝缘外壳中，所述感应取电模块的输出连接输入滤波电路，输入滤波电路的输出连接脉宽调制电路，脉宽调制电路的输出连接输出滤波电路，输出滤波电路的输出经检测电路后连接至蓄电池，本实用新型可以从高压输电线路获得能量为蓄电池充电，为巡线机器人等高压线路仪器提供能量，以解决由于缺乏能源在线补给装置，线路仪器应用受到极大限制的问题。
文档编号H02J7/00GK202218037SQ201120313999
公开日2012年5月9日 申请日期2011年8月24日 优先权日2011年8月24日
发明者刘锋, 梅生伟, 王克非, 王冠群, 王鹏 申请人:清华大学