一种煤矿井下自发电装置的制作方法

1.本实用新型属于电子信息技术领域，涉及电气设备及电气工程技术领域，具体涉及一种煤矿井下自发电装置。


背景技术：

2.目前，煤矿井下钻进装备开始逐步实现自动化、智能化。因此钻机需要配以大量传感器，而这类型传感器大多为低压弱电流设备。目前钻机上的传感器供电依然是由隔爆型电磁启动器提供，在低压长距离传输过程中线损较高，线缆数量多，易缠绕不易后期维护，且存在安全隐患。由于煤矿井下对本安电路的要求，现市面上尚无适应于煤矿井下的自发电装置。
3.因此，亟需一种能在煤矿井下应用的自发电装置。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种煤矿井下自发电装置，用于在钻机工作时收集的能量转换为电能，供应各个传感器工作，该装置就近安装于传感器附近，减少线束。本实用新型装置能在自身储能单元处于低电压时对电池进行充电，在自身储能单元处于高电压时停止充电。
5.为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
6.一种煤矿井下自发电装置，包括：换能单元、电路整流单元、控制单元、检测单元、储能单元、电能输出模块和信号输出模块；
7.所述换能单元与电路整流单元、储能单元和电能输出模块依次连接；所述检测单元分别与电路整流单元、储能单元和电能输出模块连接，负责对各个单元和模块的输出电压进行实时检测；所述信号输出模块与控制单元连接；
8.所述电路整流单元用于对换能单元产生的电流波形进行整流；所述储能单元使用充电电池，用于对传感器进行供电以及存储换能单元转换的多余的电能；所述检测单元对储能单元电压进行检测并反馈给控制单元信号用于判断充、放电逻辑。
9.优选的，所述换能单元包括能量转换装置和能量采集模块。能量转换装置包括但不限于振动换能器、风力换能器、光电换能器或温差换能器等。能量采集模块依据换能器类型的不同设置第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3和第四电容c4，并依照对应换能器类型分别输出交流电与直流电。
10.优选的，所述换能单元各类型换能器的能量变换电路之间设置隔离电路。
11.优选的，所述换能单元与电路整流单元采用航空插头连接，实现多种换能单元之间的互换。
12.优选的，所述电路整流单元主要以ltc3588电源管理芯片为核心构建本安型电压变换电路，用于对各类型换能器产生的电流波形进行整流，具体包括：一级整流模块、阻抗匹配模块以及二级整流模块，模块之间按顺序连接。
13.一级整流模块包括ac/dc电路与dc/dc电路，根据换能器类型自动选择。一级整流模块具体包含第一二极管vd1、第二二极管vd2、第三二极管vd3、第四二极管vd4和四个二极管组成ac/dc电路。阻抗匹配电路包含第一电感l1、第一mos管q1、第五电容c5和原件组成dc/dc电路。二级整流模块包括第二mos管q2、第三mos管q3、第四mos管q4、第五mos管q5、第二电感l2、变压器t1、第五二极管vd5、第六二极管vd6和第六电容c6。
14.第一mos管q1栅极，第二mos管q2栅极，第三mos管q3栅极，第四mos管q4栅极，第五mos管q5栅极与控制模块中的max1771单元连接，作为mos管驱动信号。
15.第二mos管q2源极与第四mos管q4漏极连接并与第二电感l2正极相连，第二电感l2负极与变压器t1原边正极相连。第二mos管q2漏极与第三mos管q3漏极相连并与阻抗匹配模块输出端正极相连。
16.第三mos管q3源极与第五mos管q5漏极相连并与变压器t1原边正极相连。第五mos管q5源极与第四mos管q4源极相连，并与阻抗匹配模块输出端负极相连。
17.变压器t1副边与第五二极管vd5，第六二极管vd6正极相连，并与第三电感l3正极相连。变压器t1输出端与第六电容c6负极相连并与公共负极g2相连，第三电感l3负极与第六电容c6正极相连。
18.公共负极g1与g2之间设置隔离电路。
19.优选的，充电模块(即储能单元)设置第六mos管q6、第七二极管vd7、第四电感，l4、第七电容c7和电源bat。第六mos管q6栅极与控制单元ltc4071充电控制芯片相连。第六mos管q6漏极与二级整流模块输出端正极相连，源极与第四电感l4正极和第七二极管vd7负极相连。第四电感l4负极与第七电容c7正极与电源bat正极相连。
20.优选的，电源bat为充电电池或超级电容。
21.优选的，所述电能输出模块包括ldo模块，为传感器(压力传感器、流量传感器、温度传感器)或信号输出模块(蓝牙模块或wifi模块)供电。
22.优选的，检测单元与能量采集模块、一级整流模块、阻抗匹配模块、二级整流模块、充电模块、ldo模块相连，负责对各个模块输出电压进行检测。
23.优选的，控制单元与各个传感器信号输出端相连，负责处理传感器信号并通过与之相连的通信模块进行通信。
24.优选的，该发电装置设置有磁性座，使该发电装置能安装在煤矿井下各个设备上。
25.优选的，该发电装置内各单元和各模块之间的电连接采用矿用信号电缆连接，实现井下的安全使用。
26.本实用新型的有益效果在于：
27.1)本实用新型装置所有电路均为本质安全电路，实现自发电装置在煤矿井下使用。
28.2)本实用新型装置可兼容振动发电、温差发电等多种换能单元，可扩展性强。
29.3)本实用新型装置采用航空插头转接，提高更换换能单元的便捷性。
30.4)本实用新型自发电装置，实现煤矿井下钻机自发电，减少低压电流长距离传输的能量损耗，减少了为低压传感器提供电能的线束，降低了成本。
31.5)本实用新型装置设置的储能单元，能持续稳定的为传感器供应电能，减小因能量源变动引起电压波动损坏传感器。
32.6)本实用新型装置通过控制单元对储能单元进行充、放电控制，增强设备使用寿命。
33.7)本实用新型装置设置的磁性座，使装置能轻松吸附在钻机表面，不会随钻机振动跌落。
34.本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
35.为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：
36.图1为本实用新型煤矿井下通用型自发电装置控制流程图；
37.图2为本实用新型煤矿井下通用型自发电装置的电路传递框图。
具体实施方式
38.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
39.请参阅图1～图2，本实用新型设计的煤矿井下通用型自发电装置包括：换能单元、电路整流单元、控制单元、检测单元、储能单元、航空插头、矿用信号电缆、磁性座和信号输出模块等。本实用新型发的装置设置的磁性座，使设备能安装在煤矿井下各个设备上。
40.电路整流单元主要以ltc3588电源管理芯片为核心构建本安型电压变换电路，用于对各类型换能器产生的电流波形进行整流。
41.储能单元使用充电电池，用于对传感器进行供电以及存储换能单元转换的多余的电能。储能单元与电路整流单元与检测单元连接，实现储能单元能量实时检测。
42.控制单元，用于对煤矿井下用的自发电装置进行系统控制，包含系统启动、关闭控制以及以ltc4071充电控制芯片为核心的充放电路。
43.换能单元与电路整流单元采用航空插头与矿用信号电缆连接，实现在井下的安全使用。
44.换能单元可由压电晶振组成振动能量自发电装置、由温差能收集器组成温差自发电装置、光伏换能器组成光电自发电装置和风能收集器组成风能自发电装置等(不限于上述四种能量收集装置)。换能单元各类型换能器能量变换电路之间设置隔离电路。换能单元设置航空插头，用于多种换能单元之间的互换。
45.如图2所示，换能单元包括能量转换装置和能量采集模块。能量转换装置包括但不限于振动换能器ta1、风力换能器ta2、光电换能器ta3、温差换能器ta4，依照换能器类型输
出交流电与直流电。能量采集模块依据能量转换方案不同设置第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4。并依照上述传感器类型分别输出交流电与直流电。
46.电路整流单元包含一级整流模块、阻抗匹配模块以及二级整流模块，模块之间按顺序连接。一级整流模块包含ac/dc电路与dc/dc电路，根据能量转换器类型自动选择。一级整流模块包含第一二极管vd1、第二二极管vd2、第三二极管vd3、第四二极管vd4和四个二极管组成ac/dc电路。阻抗匹配电路包含第一电感l1、第一mos管q1、第五电容c5和原件组成dc/dc电路。二级整流模块包括第二mos管q2、第三mos管q3、第四mos管q4、第五mos管q5、第二电感l2、变压器t1、第五二极管vd5、第六二极管vd6和第六电容c6。
47.第一mos管q1栅极，第二mos管q2栅极，第三mos管q3栅极，第四mos管q4栅极，第五mos管q5栅极与控制模块中的max1771单元连接，作为mos管驱动信号。
48.第二mos管q2源极与第四mos管q4漏极连接并与第二电感l2正极相连，第二电感l2负极与变压器t1原边正极相连。第二mos管q2漏极与第三mos管q3漏极相连并与阻抗匹配模块输出端正极相连。
49.第三mos管q3源极与第五mos管q5漏极相连并与变压器t1原边正极相连。第五mos管q5源极与第四mos管q4源极相连，并与阻抗匹配模块输出端负极相连。
50.变压器t1副边与第五二极管vd5，第六二极管vd6正极相连，并与第三电感l3正极相连。变压器t1输出端与第六电容c6负极相连并与公共负极g2相连，第三电感l3负极与第六电容c6正极相连。
51.公共负极g1与g2之间设置隔离电路。
52.充电模块(即储能单元)设置第六mos管q6、第七二极管vd7、第四电感l4、第七电容c7和电源bat。
53.第六mos管q6栅极与控制单元ltc4071充电控制芯片相连。第六mos管q6漏极与二级整流模块输出端正极相连，源极与第四电感l4正极和第七二极管vd7负极相连。
54.第四电感l4负极与第七电容c7正极与电源bat正极相连。
55.电源bat为充电电池或超级电容。
56.由ldo模块(即电能输出模块)进行电能输出，为压力传感器、流量传感器、温度传感器、蓝牙模块或wifi模块供电。
57.检测单元与能量采集模块、一级整流模块、阻抗匹配模块、二级整流模块、充电模块、ldo模块相连，负责对各个模块输出电压进行检测。
58.控制单元与各个传感器信号输出端相连，负责处理传感器信号并通过与之相连的通信模块进行通信。
59.实施例1：连接压电晶振组成的振动自发电装置。
60.机械设备工作时，将该自发电装置磁性座吸附于振动设备表面(不限于电机、泥浆泵、钻机机身等)。机械能换能单元接收振动能量经过压电传感器将机械能转换为交变电流，由于是交流换能器，因此电能通过一级整流模块中的第一二极管vd1、第二二极管vd2、第三二极管vd3、第四二极管vd4组成的全桥ac/dc电路，转换为直流电。经阻抗匹配电路，流入二级整流电路，经过第二mos管q2，第三mos管q3，第四mos管q4，组成的dc/ac电路，经过第二电感l2，变压器t1进行电压调整，检测单元检测整流单元输出的电能与储能单元电压状态并将信号传递给控制单元ltc4071芯片vcc口，由控制单元判断系统工作状态为储能单元
充电，或控制系统为整流单元为传感器供电。传感器信号经控制模块连接的通信模块输出信号。
61.实施例2：连接温差能收集器组成的温差自发电装置。
62.设备工作时，液压油由于被压缩从而温度上升，将该自发电装置磁性座吸附于散热器表面。换能单元接收散热器表面的高温与环境中的低温形成温度梯度，从而产生电动势。由于是直流换能器，因此电能通过一级整流模块直接流入阻抗匹配模块。经阻抗匹配电路，流入二级整流电路，经过第二mos管q2，第三mos管q3，第四mos管q4，组成的dc/ac电路，经过第二电感l2，变压器t1进行电压调整，检测单元检测整流单元输出的电能与储能单元电压状态并将信号传递给控制单元ltc4071芯片vcc口，由控制单元判断系统工作状态为储能单元充电，或控制系统为整流单元为传感器供电。传感器信号经控制模块连接的通信模块输出信号。
63.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。