水下非接触电能传输装置的设计、试验与研究

论文摘要

深海探测设备受制于体积和重量等限制,不能依靠自身在深海实施长时间不间断探测。通过水下电能传输装置,深海游弋的AUV等探测设备可以通过海底观测网的水下供电网络及时补充电能,节约返回水面所消耗的时间。传统的水下电能传输装置依靠金属导体的直接接触传输电能,在水下应用中容易发生漏水漏电事故。新型非接触电能传输装置,将电能先转化为磁场中的能量,再由磁场中的能量转化回电能。这种电能传输方式能够实现传输装置发射端和接收端的完全防水密封,简化传输装置内部结构,提高设备的可靠性。本文研究的非接触电能传输装置,是在实验室开发的第一代原理验证装置的基础上,进行了工程化尝试和性能实验研究。该装置综合应用了电磁场、电子等多学科知识,以求达到在较宽的工作间隙（8mm）下实现较高的系统传输能力（500W）的目的。水下非接触电能传输装置的实现,主要从硬件电路设计制作和电磁耦合装置设计制作两个方面着手。在硬件电路方面,自行设计了适用于水下耐压腔体的高频逆变电路及其控制电路、带有变压器隔离的辅助电源装置及高频补偿、整流等电路,自行搭建了DC-DC稳压输出装置。在电磁耦合装置方面,根据Ansoft Maxwell软件的计算结果,选取了磁芯型号,计算了电能传输装置原边和副边的线圈匝数等参数。为了能够在装置完成后进行水下试验,还制作了相应的电压、电流检测电路以及专用的辅助电源装置。在硬件电路和电磁耦合装置制作完成后,本课题分别进行了实验室测试和水下试验。在实验室测试中,首先搭建测试台架,随后进行各电路模块的功能测试,最后将各电路模块和电磁耦合装置组装成完整的非接触电能传输系统并测试系统传输能力及效率。实验室测试证明,本系统能够在8mm磁芯工作间隙下,为负载提供48V/500W的直流电,总体效率在70%-75%之间。如果负载允许较大的输入电压波动,则移除DC-DC模块后,传输效率可达83%-92%在水下试验中,为了能够取得直观的试验效果,本课题还自行设计制作了一个约20W的水下照明装置。该水下照明装置与同时进行试验的水下非接触信号传输系统、水下摄像机等一同组成系统负载。最终,本装置在浙江千岛湖完成了初步的水下试验,试验水深约10m,传输功率约35W,传输效率约85%。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 海底观测网及水下电能传输技术
• §1.2 非接触电能传输技术基本原理
• §1.3 国内外研究现状
• §1.3.1 非接触电能传输技术在陆地应用中的研究现状
• §1.3.2 水下非接触电能传输技术的研究现状
• §1.4 课题的研究难点
• §1.5 课题的研究内容
• §1.6 本章小结
• 第二章 水下非接触电能传输技术的基本原理
• §2.1 电磁耦合装置的磁路假设
• §2.2 基于互感的电路模型 #1
• §2.3 电磁耦合装置的输入阻抗分析
• §2.4 基于谐振补偿的阻抗分析
• §2.4.1 单侧补偿方式
• §2.4.2 双侧补偿方式
• §2.5 水下环境对非接触电能传输系统的影响
• §2.6 本章小结
• 第三章 电磁耦合装置设计
• §3.1 元器件的选型
• §3.1.1 磁芯材料的选型
• §3.1.2 磁芯型号的选型
• §3.1.3 高频漆包线的选型
• §3.1.4 磁芯窗口面积的校核
• §3.2 补偿方式和电路参数的选取
• §3.2.1 方波逆变电路及软开关特性
• §3.2.2 补偿方式的选取
• §3.2.3 匝数比的确定
• §3.2.4 线圈匝数和补偿电容的计算
• §3.3 电磁耦合装置涡流损耗的抑制
• §3.4 基于Ansoft Maxwell的仿真计算
• §3.5 本章小结
• 第四章 硬件电路与系统实现
• §4.1 非接触电能传输系统的总体架构
• §4.2 输入滤波器及辅助电源设计
• §4.2.1 输入滤波器设计
• §4.2.2 辅助电源的设计
• §4.3 逆变电路模块的设计
• §4.3.1 主电路设计
• §4.3.2 控制驱动电路的设计
• §4.4 补偿/整流电路的设计
• §4.5 DC-DC模块的设计
• §4.6 电压、电流检测电路
• §4.7 用于水下耐压腔体的PCB（印刷电路板）布局设计
• §4.7.1 输入滤波器及辅助电源
• §4.7.2 逆变电路模块PCB布局
• §4.7.3 补偿/整流电路PCB布局
• §4.7.4 DC-DC模块PCB布局
• §4.7.5 电压/电流检测电路PCB布局
• §4.8 水下耐压腔体封装
• §4.9 本章小结
• 第五章 系统试验研究
• §5.1 实验室测试
• §5.1.1 测试台架的搭建
• §5.1.2 辅助电源电路的功能测试
• §5.1.3 控制/驱动电路的功能测试
• §5.1.4 主电路的功能测试
• §5.1.5 电磁耦合装置的传输能力测试
• §5.1.6 DC-DC模块的功能测试
• §5.1.7 全系统传输能力测试
• §5.1.8 散热测试
• §5.1.9 实验室测试小结
• §5.2 千岛湖水下试验
• §5.2.1 水下照明装置
• §5.2.2 水下试验系统腔体封装
• §5.2.3 水下试验过程及试验结果
• §5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• §6.1 总结
• §6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果