CN102891538A - 巡线机器人无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种巡线机器人无线充电系统，该系统包括地线、输电线、基站、地线巡线机器人和输电线路中的塔杆。基站固定于塔杆之上，巡线机器人运行在输电线路上方地线上，基站在输电线上感应出电能后利用磁场共振方式将能量以非接触的方式传送给上方的巡检机器人，为其线上充电。本发明装置的应用为地线巡线机器人提供电能补充，也可为高压输电线路上与输电线有隔离要求的中距离设备提供无线电能。
Description
技术领域
本发明属于自动化及工业机器人技术领域，具体涉及一种巡线机器人无线充电系统。该系统是一种非接触感应取电及中距离电能传输装置，该非接触感应取电装置用于工作在地线上的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
一种高压输电线路巡检机器人工作在高压输电线路中的地线上，利用机器人装载的摄像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地线高压输电线路巡检机器人进行充电的方法。
传统的太阳能、风能等能源再生方式虽然有绿色环保，技术成熟等优势，但易受天气影响，适合于对天气要求不高的应用。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明针对巡线机器人，一方面考虑天气因素的影响，另一方面由于其工作环境具备特殊的优势(全时交变磁场)，故采用电感耦合及磁共振传输相结合的方法，为地线巡线机器人供电，从而提出一种巡线机器人无线充电系统。
本发明提出的巡线机器人无线充电系统包括地线、输电线、基站、地线巡线机器人和输电线路中的塔杆，基站固定于塔杆之上，巡线机器人运行在输电线路上方地线上，基站在输电线上感应出电能后利用磁场共振方式将能量以非接触的方式传送给上方的巡检机器人，为其线上充电。
其中所述基站包括电能拾取单元和磁共振电能传输发射单元。
其中巡线机器人包括磁共振电能传输接收单元和锂电池组。
其中电能拾取单元通过与输电线路交变磁场电磁感应输出感应功率，并通过磁共振电能传输发射单元和磁共振电能传输接收单元，利用磁场耦合的方式将能量进行中距离非接触传输，并将通过磁场耦合方式接收到的电能处理成可为锂电池组充电的输出模式，为巡线机器人锂电池组进行充电。
所述电能拾取单元包括电路互感器和能量拾取控制电路，电流互感器为两个C型铁芯构成圆环并套在输电线路上，能量拾取控制电路进一步包括继电器组、双向可控硅、压保护电路、整流电路以及电压反馈控制电路，电流互感器的输出端与继电器组连接，用于控制电流互感器的次级线圈匝数，继电器组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，整流输出端通过电压反馈控制电路与双向可控硅连接，输出稳定电压。
其中磁共振电能传输发射单元进一步包括高频信号产生及功率放大电路、阻抗匹配电路、激励线圈、源谐振线圈，磁共振电能传输发射单元包括设备谐振线圈、工作线圈、高频整流电路及充电电路。
激励线圈为单匝导线环，流经其中的来自阻抗匹配电路的高频电流在激励线圈周围产生交变磁场。
其中激励线圈与源谐振线圈二者磁场耦合，在谐振线圈中产生LC振荡。
其中设备谐振线圈与源谐振线圈谐振频率相同，设备谐振线圈会与源谐振线圈产生共振，振荡过程中产生的交变磁场被工作线圈接收，再经过高频整流电路和充电电路，调理成为可为锂电池组充电的电能。
其中激励线圈与源谐振线圈距离1厘米，且轴线重合，工作线圈与设备谐振线圈的位置关系与激励线圈和源谐振线圈镜像对称。
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感应取电装置用于线上取电及中距离电能传输。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，利用磁共振原理，将电能传输至2米外的地线巡线机器人的接收线圈，为机器人在线中距离充电。
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为本发明的巡线机器人无线充电系统的结构框图；
图2为本发明巡线机器人无线充电系统中电能拾取装置结构图；
图3为本发明巡线机器人无线充电系统中磁共振电能传输设备结构框图；
图4为本发明巡线机器人无线充电系统中磁共振电能传输激励线圈和谐振线圈尺寸示意图；
图5为本发明的巡线机器人作业现场示意图。
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，长距离应用。
本发明中，针对地线巡检机器人线上取电使用电磁感应方式与磁共振电能传输技术相结合的方式取电最为可行。利用电磁感应方式，通过套在相线上的电流互感装置将电能从输电线路周围的磁场中耦合出来，利用磁共振无线电能传输技术为地线上线巡线机器人进行中距离无线供电。本发明的非接触感应取电及无线电能传输系统利用了电磁感应技术，磁共振技术，开关电源及锂电池充电与电源管理技术，以单片机为控制核心，实现地线巡线机器人线上充电。
图1为本发明巡线机器人无线充电基站系统框图。如图1所示，该基站系统包括地线1、输电线2、、基站3、地线巡线机器人4和输电线路中的塔杆5。基站3固定于塔杆5之上，巡线机器人4运行在输电线路上方地线1上，基站3在输电线2上感应出电能后利用磁场共振方式将能量以非接触的方式传送给上方的巡检机器人4，为其线上充电。
基站3安装在输电线路的塔杆5之上，该基站3包括电能拾取单元6和磁共振电能传输发射单元7。巡线机器人4进一步包括：磁共振电能传输接收单元8和锂电池组9。其中磁共振电能传输发射单元7和磁共振电能传输接收单元8又组成了磁共振电能传输设备。
其中电能拾取单元6利用电流互感装置及相关电路，通过与高压输电线路交变磁场电磁感应输出感应功率，并通过磁共振电能传输发射单元7和磁共振电能传输接收单元8，利用磁场耦合的方式将能量进行中距离非接触传输，并将通过磁场耦合方式接收到的电能处理成可为锂电池组充电的输出模式，为巡线机器人锂电池组9进行充电。
图2为电能拾取单元6的电路结构图。电能拾取单元6包括电路互感器10和能量拾取控制电路11的两个部分。如图3所示，其中电流互感器10为两个C型铁芯构成圆环并套在输电线路2上。能量拾取控制电路11进一步包括继电器组111、双向可控硅112、压保护电路113、整流电路114以及电压反馈控制电路115。电流互感器10的输出端与继电器组111连接，用于控制电流互感器10的次级线圈匝数。继电器组111输出与双向可控硅112相连，同时与过压保护电路113和整流电路114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电路115与双向可控硅112连接，输出稳定电压。
电能拾取单元6的原理及电路设计参考公开号为CN 102437626A的在审专利申请《一种非接触感应充电装置》的相关内容，此处针对磁共振传输的需要，将输出信号直接调理成高频功率信号作为磁共振传输系统的激励源，而非《一种非接触感应充电装置》专利中的BUCK电路及锂电池充电及电源管理电路。
图3为磁共振电能传输设备结构图。如图4所示，磁共振电能传输设备包括磁共振电能传输发射单元7和磁共振电能传输发射单元8，磁共振电能传输发射单元7进一步包括高频信号产生及功率放大电路14、阻抗匹配电路15、激励线圈121、源谐振线圈122，磁共振电能传输发射单元8包括设备谐振线圈123、工作线圈124、高频整流电路125及充电电路16。
电能拾取单元6输出48V稳压送入高频信号产生及功率放大电路14，利用电能拾取单元6输出的电能，将高频信号产生及功率放大电路14中产生的高频正弦小信号放大成激励源，经由阻抗匹配电路15后送到激励线圈121，用来为磁共振系统提供激励。
阻抗匹配电路15用于匹配阻抗，由于高频信号产生及功率放大电路14输出激励源频率较高，必须考虑阻抗匹配，使得能量可以最大限度的以磁场的形式从激励线圈121辐射出去，使得源谐振线圈122产生LC振荡。
磁共振线圈部分由激励线圈121，源谐振线圈122，设备谐振线圈123和工作线圈124组成。激励线圈121为单匝导线环，流经其中的来自阻抗匹配电路15的高频电流会在激励线圈121周围产生交变磁场，由于激励线圈121与源谐振线圈122距离较近，二者磁场耦合，在谐振线圈122中产生LC振荡，由于设备谐振线圈122与源谐振线圈123谐振频率相同，根据耦合模理论，设备谐振线圈122会与源谐振线圈123产生共振，即同频率的LC振荡。振荡过程中产生的交变磁场被放置距离很近的工作线圈124接收，再经过高频整流电路125和充电电路16，调理成为可为锂电池组充电的电能。其中激励线圈121与源谐振线圈122距离1厘米，且轴线重合，工作线圈123与设备谐振线圈124的位置关系与激励线圈121和源谐振线圈122镜像对称。源谐振线圈122与设备谐振线圈123距离不超过2米。这样可以保证磁共振电能传输的效率满足巡线机器人锂电池组充电的功率需求。
图4磁共振谐振线圈示意图。磁共振传输系统中的激励线圈121，源谐振线圈122，设备谐振线圈123和工作线圈124均由直径为5厘米的铜线制成。其中激励线圈121与工作线圈124形状及尺寸相同，均为直径15cm的单圈线圈，源谐振线圈122与设备谐振线圈123的形状及尺寸相同，且为平面阿基米德螺线结构。起始和结尾处相连，共8圈，内径20cm，外径35cm。铜的导电性能和高频性能较好，线圈使用铜线可获得较大的Q值，因此线圈选用直径5mm的铜线。磁共振电能传输设备的实际应用情况与源谐振线圈122和设备谐振线圈123的尺寸有关，传输距离一般为线圈直径的一至两倍，因此，系统设计时即要考虑到尺寸足够大满足传输功率的需求，又要考虑现场安装要求及机器人的带载能力，本发明中线圈尺寸设计是综合上述因素考虑得出。
图5为巡线机器人作业现场示意图。现场由地线1，输电线2，电能拾取单元6和磁共振电能传输设备12组成。地线1位于输电线2上方4到5米高处，对输电线路2起到拉力平衡及防雷等保护作用；输电线路2为图中粗线，内部为50Hz的交流电能，为本发明磁共振电能传输设备12提供能量源；电能拾取单元6为磁共振电能传输设备12提供能量来源，电能拾取单元6包括电流互感器10和能量拾取电路11。电流互感器10套在输电线2上，利用电磁感应原理从输电线2上感应出电能，为系统供电，电流互感器10与能量拾取控制电路11连接并固定安装在塔杆5上；磁共振电能传输设备12由高频信号产生及功率放大电路14，阻抗匹配电路15，磁共振线圈13及巡线机器人4中的充电电路16组成，高频信号产生及功率放大电路14将能量拾取电路6的功率输出整合成高频功率信号，经阻抗匹配电路15后用于激励磁共振线圈13，能量则通过磁共振的方式在线圈之间往返振荡传输，充电电路16从磁共振线圈中提取共振能量，并为锂电池组9充电。
如图2所示，地线1用于防止雷击和接地；输电线2用于传输高压工频交流电。巡线机器人4工作在地线1上，其利用自带滑轮在电机驱动下沿地线1移动，通过摄像头对地线1及下方输电线2及输电线2附属物进行拍摄巡检。电流互感器10，能量拾取控制电路11及磁共振电能传输设备12中的高频信号产生及功率放大单元14，阻抗匹配电路15及磁共振线圈中的发射部分组成的图1中的充电基站3固定在塔杆5上。
本发明的巡线机器人无线充电基站系统中的取电及电能传输部分如图2虚线框图所示，有两个基本部分组成，即电能拾取单元6和磁共振电能传输设备12。电能拾取单元6利用电流互感器10和能量拾取控制电路11从输电线路的交变磁场中感应出可用电能，为机器人线上充电提供能量来源。磁共振电能传输设备12接收来自能量拾取控制电路11的输出能量，经过高频信号产生及功率放大电路14和阻抗匹配电路15产生高频激励信号，再经磁共振线圈13的磁共振电能传输发射单元7和磁共振电能传输接收单元8传递功率信号。磁共振线圈10的接收部分磁共振电能传输接收单元8将能量通过充电电路16处理后为锂电池组9进行充电。
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。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)
1.一种巡线机器人无线充电系统，该系统包括地线、输电线、基站、地线巡线机器人和输电线路中的塔杆，基站固定于塔杆之上，巡线机器人运行在输电线路上方地线上，基站在输电线上感应出电能后利用磁场共振方式将能量以非接触的方式传送给上方的巡检机器人，为其线上充电。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述基站包括电能拾取单元和磁共振电能传输发射单元。
3.根据权利要求2所述的系统，其中巡线机器人包括磁共振电能传输接收单元和锂电池组。
4.根据权利要求3所述的系统，其中电能拾取单元通过与输电线路交变磁场电磁感应输出感应功率，并通过磁共振电能传输发射单元和磁共振电能传输接收单元，利用磁场耦合的方式将能量进行中距离非接触传输，并将通过磁场耦合方式接收到的电能处理成可为锂电池组充电的输出模式，为巡线机器人锂电池组进行充电。
5.根据权利要求4所述的系统，所述电能拾取单元包括电路互感器和能量拾取控制电路，电流互感器为两个C型铁芯构成圆环并套在输电线路上，能量拾取控制电路进一步包括继电器组、双向可控硅、压保护电路、整流电路以及电压反馈控制电路，电流互感器的输出端与继电器组连接，用于控制电流互感器的次级线圈匝数，继电器组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，整流输出端通过电压反馈控制电路与双向可控硅连接，输出稳定电压。
6.根据权利要求5所述的系统，其中磁共振电能传输发射单元进一步包括高频信号产生及功率放大电路、阻抗匹配电路、激励线圈、源谐振线圈，磁共振电能传输发射单元包括设备谐振线圈、工作线圈、高频整流电路及充电电路。
7.根据权利要求6所述的系统，激励线圈为单匝导线环，流经其中的来自阻抗匹配电路的高频电流在激励线圈周围产生交变磁场。
8.根据权利要求7所述的系统，其中激励线圈与源谐振线圈二者磁场耦合，在谐振线圈中产生LC振荡。
9.根据权利要求8所述的系统，其中设备谐振线圈与源谐振线圈谐振频率相同，设备谐振线圈会与源谐振线圈产生共振，振荡过程中产生的交变磁场被工作线圈接收，再经过高频整流电路和充电电路，调理成为可为锂电池组充电的电能。
10.根据权利要求9所述的系统，其中激励线圈与源谐振线圈距离1厘米，且轴线重合，工作线圈与设备谐振线圈的位置关系与激励线圈和源谐振线圈镜像对称。
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