毕业设计答辩-水下中大功率感应耦合电能传输系统研制.pptx

水下中大功率感应耦合电能传输系统研制,指导老师：答辩人：,1、背景和意义2、系统原理与设计3、主要研究内容4、系统调试与分析5、总结与展望,1、背景和意义,21世纪是海洋的世纪，人类正迎来开发海洋、利用海洋的新时代，我国正逐步加大在海洋领域的开发与投入。海洋资源的开发利用离不开水下探测设备的支持。,水下探测设备,有缆：活动范围和工作效率受电缆限制，常用于定点取样或拖曳式探测等工作。,无缆：不受电缆限制，可适应于更加广阔的海域和更复杂的水下环境。,水下无缆探测设备：探测能力受制于电源，所以能源供给技术是关键。,传统充电方式,水上：设备回收布放费时费力，作业效率低。,水下：湿插拔方式，接口造价高使用寿命短且安全隐患大。,水下中大功率感应耦合电能传输系统则正好能够解决上述问题，这对我国海洋探测将会起到巨大的作用。,2、系统原理与设计,2.1系统原理法拉第电磁感应原理，非接触式感应电能传输技术（IPT）,2.2系统结构,供电端,设备端,耦合器,2.3设计指标供电端输入电源：110V130VDC；设备端输出功率：耦合器两线圈间气隙0.5-5mm以内，输出功率120W；耦合器电能传输效率：耦合器两线圈间气隙0.5-5mm以内，电能传输效率70%；耦合器体积：4000cm3；工作水深：0-1000m；,3、主要研究内容,3.1硬件设计与实现3.2耦合器设计与实现3.3软件设计与实现,3.1.1逆变电路,常见逆变电路：推挽式逆变、半桥式逆变、全桥式逆变,全桥式逆变电路：开关电流小，适用于高电压输入的大功率应用场合。,功率开关管的选型,IR公司生产的IRFP460，耐压500V，电流20A，开关时间在ns级,驱动电路驱动电路是逆变器中最重要的组成部分之一，驱动电路的正确设计可以大大降低逆变电路的复杂性，并提高电路的稳定性。,IR2110,自举二极管：快恢复二极管，HER307自举电容：10uF,实际电路图,CD2型无源无损缓冲电路,抑制电路,软开关电路,3.1.2电压电流测量电路,电压测量电路维博公司出产的元件型电压隔离测量传感器：它采用的是调制解调原理，能够对电路中50mV500V的直流电压进行准确的测量，在输出端获得0-5V的测量电压，经分压后可直接由ADC读取。,电流测量电路采用的是ACS758电流测量芯片：它以霍尔效应为工作原理，具有不影响被测电路、不损耗电源功率等优点，能对-5050A电流进行准确测量，且具有非常广的工作温度，适合本论文应用环境。,3.1.3温度采集与散热电路,MLX90614红外温度传感器，采用SMBus总线通信，具有线性化，精度高，体积小等特点。能够在不接触被测物体的情况下，测出物体温度，分辨率为0.01，有效范围为-40125。,3.2耦合器设计与实现,3.2.1耦合器选型,系统要求水下设备只需要停在一个较大范围内即可开始充电。本系统将选用无磁芯耦合器，但是因为这类耦合器通常只应用在小功率电能传输系统上，所以系统将设计一个大直径多层环形的耦合线圈来提高传输功率和传输效率。,3.2.2参数设计,（1）线圈材料选择趋肤效应、临近效应：电流会向导线表面集中，增大电阻,利兹线是由许多直径很小的漆包线组成，所以趋肤效应和邻近效应对其交流电阻的影响非常小，而且，这些小直径的漆包线相当于并联在一起使用，其电阻得到有效的降低。本系统采用0.1*200股的利兹线作为线圈导线。,（2）线圈直径：由应用场合决定，定初级线圈和次级线圈直径为180mm。（3）耦合线圈匝数与电感：耦合线圈直径、电感和匝数的关系：,其中，KL是系数，主要由耦合线圈半径和长度决定；u0是真空磁导率；us是相对磁导率，无磁芯时为1；Nc是线圈匝数；Sc是线圈截面积；lc是线圈轴向长度。,根据耦合器制作经验，可以先将次级耦合线圈的电感设置为160uH，然后根据上式来确定耦合线圈次级线圈匝数为25匝。为了能在次级耦合线圈上获得足够感应电压，取初级线圈匝数为15。,3.2.3补偿设计,松耦合技术：漏磁现象严重，漏磁量等于甚至大于励磁量，严重降低耦合电能传输量，所以需要加补偿电路来提高传输效率。,补偿电路：串联补偿电路和并联补偿电路，因为耦合器有两个线圈，所以搭配之后就形成八种耦合器补偿电路。,串-串,串-并,并-串,并-并,设交流电频率为w，初级次级线圈电流分别为I1、I2，电感分别为L1、L2，互感值为M，线圈的品质因数是Q,次级耦合线圈上产生的感应电压U2：,次级耦合线圈上的电流I2：,则次级线圈能够获得的功率Po：,若次级线圈直接与负载，则负载功率Po：,次级线圈添加串联补偿电容，则次级电路上的阻抗Z2：,对应的输出功率Po：,=0,即取补偿电容C2：,次级耦合线圈影响初级耦合线圈，这种作用可以用反映阻抗Zr：,设交流电频率为w，初级次级线圈电流分别为I1、I2，电感分别为L1、L2，互感值为M，线圈的品质因数是Q,初级耦合线圈添加串联补偿电容，则Z1：,次级耦合线圈使用串联补偿电容，初级耦合线圈补偿电路中的补偿电容：,3.2.4仿真与制作,用ANSOFTMAXWELL对耦合线圈的静磁场进行建模仿真分析,（1）根据初设的耦合线圈直径、匝数，先在软件中建立分析模型，设置好线圈的直径、匝数、相对位置、仿真区域,（2）设置经过两个耦合线圈的激励电流，都设置为1A。,（3）仿真电磁感应线分布和电磁场强度分布,在线圈的两端磁感应强度较大，在线圈的上方和下方磁感应强度较均匀，符合之前的选型分析。,（4）线圈间距从2mm到20mm以2mm为单位进行仿真得到耦合系数与线圈距离的关系曲线,耦合系数的值随两线圈之间的间隙增大而减小，考虑到线圈的封装和实际应用场合，取两线圈之间的距离为8mm时的耦合系数值，约为0.65。,根据参数设计和仿真结果实际绕制耦合线圈，并用LCR电桥测量线圈的各类参数如下：,计算得初级串联和次级串联补偿电容分别为36nF和15nF，单侧补偿时次级串联补偿电容为35nF,3.2.5深海环境因素对耦合器的影响,深海环境的特点：高压、低温、海水成分复杂等。海水作为电的良导体，放置在高频电磁场中，通过麦克斯韦方程可知，必定会产生涡电流，带来能量损失，且磁场越大涡电流越大。磁场在线圈附近最大，若在线圈附近使用绝缘物质填充，则可大大降低涡电流带来的能量损失。,3.3软件设计与实现,3.3.1上位机软件,串口配置,数据显示,坐标设置,曲线选择,3.3.2下位机软件,4、系统调试与分析,4.1驱动逆变电路（1）频率：10k-200kHz,10kHz,100kHz,驱动逆变电路工作在不同频率时，通过下位机设置合适的PWM波死区时间，都能够在逆变电路的输出端得到了理想的交流电波形；,150kHz,200kHz,（2）电压50V-200V,当控制功率开关管的PWM频率一定时，通过分析不同直流供电电压输入时的逆变电路输出波形可知，在逆变电路输出端获得的交流波形在本论文的理想范围之内,50V,100V,150V,200V,4.2系统联调,设备端主电路板,供电端主电路板,（1）开关频率,开关频率为100kHz时，系统的传输效率最高，150kHz时的传输效率最低，在相同供电电压供电的时，50kHz和100kHz的频率能够更多的负载功率,（2）负载大小,负载值从25欧姆升至200欧姆，除了25欧姆时候略低于其他几个负载时的效率，但是总体来看负载的大小对系统传输效率的影响不大，负载值越小，在相同情况下获得的功率越大,（3）线圈间隙,系统的传输效率随线圈间隙的增大而减小，2mm时的传输效率最大，20mm时的传输效率最低；同供电电压输入时，线圈间隙越大负载获得的功率越小，这与漏磁现象的基本原理符合,10mm,100W,5总结与展望,1、完全了论文设计要求完成一种基于感应耦合技术的水下非接触电能传