（电力电子与电力传动专业论文）非接触供电技术及其水下应用研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e rt r a n s f e ri sa ni m p o r t a n ta s p e c tf o rt h ep e o p l ei nm a k i n gu s eo fe n e r g y r e c e n t l y ，a san o v e lp o w e rt r a n s f e rm e t h o d ，c o n t a c tl e s sm o b i l ep o w e rs u p p l y ( c m p s ) t e c h n i q u ec a l la c h i e v ec o n t a c tl e s sp o w e rt r a n s f e re f f e c t i v e l y ，s a f e l ya n da v o i das e r i e s o fd i s a d v a n t a g ea r o s eb yt h et r a n s m i s s i o nl i n e t h e r e f o r e ，t h i st e c h n i q u ei sw i d e l yu s e d i nm a n ya p p l i c a t i o n ss u c ha sp u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m s ，a u t o m a t o n , c o m p a c te l e c t r o n i c d e v i c e s ，m i n i n ga n dw a t e r i n ga p p l i c a t i o n s st h e s i sd i s c u s s e st h et o p i c sf o rt h e p e c u l i a r i t ya n dm a i nt y p e si nt h ef i e l do fc m p st e c h n o l o g y ，a n di tc o n t r a s t ss o m e c m p st e c h n i q u ea sw e l l ，玎1 cb a s i ct h e o r ya n da p p l i c a b l ef i e l d so ft h ei n d u c t i v e l y c o u p l e dp o w e rt r a n s f e r ( i c p t ) t e c h n o l o g ya r eb r i e f l yp r e s e n t e d t h e n ，t h et h e s i sg i v e s e m p h a s i st ot h ea c t u a l i t y ，p r o g r e s sa n da c h i e v e m e n tu pt on o wr e l a t e dt ot h et e c h n o l o g y i na n da b r o a d t h et h e s i si n t r o d u c e ss t r u c t u r e so ft h ei c p ts y s t e ma n dt h e o r yo fp o w e rt r a n s f e r t e c h n o l o g y r e g u l a rp r i n c i p l e so fd e s i g np r o c e s sa r ea l s od i s c u s s e d f i r s t ，c o n c e p t so f c o u p l e di n d u c t o ra n dc o u p l e dc o e f f i c i e n ta l ee x p l a i n e d ，t h e ns e v e r a lt r a n s f o r r n e r so f d i f f e r e n tc o u p l e df o r m sa r ea n a l y z e d ；a sa ni m p o r t a n tp a r to fc m p ss y s t e m ，t h el o o s e l y c o u p l e dt r a n s f o r m e ri sa n a l y z e da n dd e s i g n e db ys o f t w a r e s i m u l a t i o nm o d e li sa l s o c r e a t e db yt h es o f t w a r e a i m i n ga tt h em a i nc i r c u i t ，t h et o p o l o g ya b o u tp r i m a r ya n d s e c o n d a r yc o m p e n s a t i o no ft h el o o s e l yc o u p l e dc i r c u i ti si n t r o d u c e d ，a n dt h e n a p p r o p r i a t ec o m p e n s a t i o np a r a m e t e ri ss e l e c t e db yt h es o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ，ac m p se x p e r i m e n tp l a t f o r mi s d e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d p r i n c i p l e so fm a i nc i r c u i lc o n t r o lc i r c u i ta n dp r o t e c t i o n c i r c u i ta r ei n t r o d u c e d t h e ne x p e r i m e n t sa l ec a r r i e do u to nd i f f e r e n tc o r e sa n da i rg a p s a f f e c tf a c t o r so ni c p ts y s t e me f f i c i e n c ya r ea n a l y z e d s u b s e q u e n t l y t 1 1 ep a p e r i n t r o d u c e sp o w e r s u p p l ym e t h o d sf o ru n d e r w a t e re q u i p m e n t si nh o m ea n da b r o a d ，a n di t p o i n t so u tt h a te n e r g yi st h em a i nf a c t o rf o rt h e mt oa c h i e v el o n ge n d u r a n c e i c p ta n d c h a r g e a b l ec e l ls c h e m ea r ep r e s e n t e dt os o l v et h ep r o b l e m so ft h ef o r m e ru n d e r w a t e r e q u i p m e n t s p o w e rs u p p l ym o d e 1 1 圮d e s i g nm e t h o d ，e m p h a s e sa n dp r o s p e c to ft h e c m p st e c h n o l o g y su n d e r w a t e ra p p l i c a t i o na r es u m m a r i z e df i n a l l y k e yw o r d s ：i n d u c t i v e l yc o u p l e dp o w e rt r a n s f e r ( i c p t ) ，c o n t a c tl e s sm o b i l e p o w e rs u p p l y ( c m p s ) 。l o o s e l yt r a n s f o r m e r ，m o d e ls i m u l a t i o n ，u n d e r w a t e r a p p l i c a t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图 目录 图1 1 非接触供电技术的研究动力2 图1 2i e e e 期刊( 会议) 论文年份数量分布3 图1 3i e e e 期刊( 会议) 论文国家数量分布3 图1 4 高速公路照明( 惠灵顿隧道) 5 图1 5 地热公园中应用的电动车辆( 新西兰) 5 图1 6 单轨行车装置( 大福物流) 5 图1 7 新型公路实验线( 日本) 5 图2 1 典型i c p t 系统基本结构9 图2 2 松耦合装置电路示意图1 0 图2 3 感应充电系统组成结构1 2 图2 4 水下感应充电装置设计流程1 2 图3 1 耦合电感电路1 5 图3 2 空心变压器电路1 6 图3 3 铁心变压器电路1 7 图3 4 典型的现代电力电子设计问题1 8 图3 5p e x p r t 软件变压器辅助设计1 9 图3 6 变压器软件设计分析结果1 9 图3 7r m 型铁心线型1 9 图3 8e e 型铁心线型2 0 图3 9r m 铁心变压器绕组结构2 0 图3 1 0 磁性元件b 矢量仿真结果2 1 图3 1 1e e 3 5 型铁心变压器示意2 l 图3 1 2 松耦合变压器磁场分布( g a p = 2 m m ) 2 1 图3 1 3 松耦合变压器磁场分布( g a p = 2 0 m m ) 2 2 图3 1 4 不同耦合间隙下的损耗对比2 2 图3 1 5 水介质下松耦合变压器磁场分布( g a p = 2 0 m m ) 2 2 图3 1 6 紧耦合变压器设计流程2 5 图3 1 7 松耦合变压器设计流程2 5 图4 1 电路初次级补偿拓扑2 7 图4 2 主电路采用的拓扑结构2 9 图4 3 主电路拓扑电路结构2 9 图4 4 主电路s i m p l o r e r 电路结构搭建3 0 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 5 负载端电压电流波形( 2 0 m s ) 3 0 图4 6 主电路s i m p l o r e r 电路仿真结果( 2 5 k h z ，无副边补偿) 3 1 图4 7 上下桥臂开关管电压电流波形。3 1 图4 8 输入输出电路参数( 2 5 此无副边补偿) 3 2 图4 9 输入输出电路参数( 2 5 k h z 副边补偿4 7 u f ) 3 2 图4 1 0 输入输出电路参数( 2 5 l ( h z 副边补偿4 7 0 u f ) 。3 2 图4 1 1 输入输出电路参数( 1 0 0 k h z 副边补偿4 7 u f ) 。3 3 图4 1 2 仿真参数设置对波形的影响3 3 图5 1 初级整流和高频逆变电路3 5 图5 2 次级整流及负载电路3 6 图5 3 开关管p w m 驱动电路3 6 图5 4s g 3 5 2 4 驱动波形3 7 图5 5i r 2 1 1 0 内部结构原理图3 8 图5 6u c 3 8 7 5 内部结构示意( d i p 2 0 封装) 4 0 图5 7u c 3 8 7 5 外围驱动电路4 0 图5 8u c 3 8 7 5 输出驱动波形4 1 图5 9 驱动输出光耦隔离电路4 1 图5 1 0 两种光耦信号波形对比。4 2 图5 1 1 输入( 输出) 过压保护电路4 2 图5 1 2i r 2 1 1 0 输出驱动失真信号4 3 图5 1 3 感应耦合系统硬件实验平台4 4 图5 1 4 高频变压器实物图4 4 图5 1 5 变压器绕组间隙互感图( 对数坐标) 4 5 图5 1 6 水下充电系统工作原理图4 6 图5 1 7 电池充放电状态检测系统4 7 图5 1 8 电池状态检测采样电路。4 7 图5 1 9 电池充放电控制流程图4 9 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 以电磁形式进行电能传输的一些可行方案8 表2 2 不同补偿形式的输出特性。1 1 表3 1 圆铜导线穿透深度2 4 表4 1 电源及负载电压电流仿真结果3 2 表5 1i r 2 11 0 动态传输延迟时间参数。3 8 表5 2 三种光耦部分时间参数对比4 2 表5 3 变压器绕组互感阻抗测量值4 5 表5 4 感应耦合电能传输系统效率、耦合间隙实验4 5 表5 5 感应耦合电能传输系统效率、铁心类型实验。4 5 表5 6 感应耦合电能传输系统效率、驱动方式实验4 6 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：韭接熊送皇这盔区甚盔王廑用丑窥 学位论文作者签名：蕴垫丝日期：砂。p 年f 月加日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 丕亟纽 作者指导教师签名：缝 日期：弘。罗年f f 月- z o 日 日期：加分年，月必日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 能量的产生、传输、储存和利用技术对人类正常生产和生活起着关键作用， 一直以来都是人们进行科学研究的重要领域。而电能以其优越的性能获得越来越 广泛的应用，如何安全、高效、方便的传输电能对技术提出了越来越高的要求。 随着电力电子及相关技术的发展，应用感应耦合电能传输( 英文缩写i c p t ，也有 称为感应电能传输，缩写为i p t ) 技术进行电能无线传输成为了现实，改变了电能 传输只能由导线进行直接接触输送的历史。 1 1 课题的背景及意义 松耦合感应电能传输概念的提出始于上世纪8 0 年代早蝌1 1 。9 0 年代初，新西 兰奥克兰大学以p r o b o y s 为首的课题组对i c p t 技术进行了系统的研究，取得了 一系列理论和实际成果，并在该领域一直保持先进水平。国内在该领域的研究起 步较晚，2 0 0 1 年之前没有这方面研究和应用的任何报道【2 】，近几年一些单位逐渐 开展研究，发展进步较快。 1 1 1 非接触供电的发展需求 大约1 0 0 多年前电子技术问世时，就已经开始利用无线方式向终端提供电能 的技术研究，现在终于逐步取得成果，大约1 0 年前又开始应用到有限的用途上。 最近，该技术突然成为厂商及研究人员关注的焦点，原因在于市场扩大、技术开 发取得进展、竞争技术滞后这3 个条件已经全部具备。市场扩大，是指利用电池 工作的便携式终端的数量及种类正在日益增多；技术进展方面，非接触式充电接 受功率与发送功率的实际比值，以前仅为1 0 2 0 ，最近两年迅速提高到6 0 以上； 电池技术的发展接近极限，随着每个用户拥有的便携式终端数量增多，为终端充 电的麻烦将日益引起用户的不满【3 】。 因此，许多厂家以及服务运营部门开始考虑采用无线方式的供电技术，这可 以减少电池充电及更换的麻烦，或减少某些场合使用的电池体积。同时，从用电 的安全性、方便性和卫生角度看，无接触式电能传输系统也有着许多优点。 1 1 2 非接触供电的技术特点 自从人类能有效利用电能以来，通常电气设备所需电能基本上都通过导线之 间的点到点的直接接触来获取，该种电能供应方式具有其固有的缺点，那就是多 点接触的不可靠性及不可迁移性。随着社会的不断发展与进步，电气化生产和电 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 气化交通在人们的生活中占据了主导地位，移动电气设备的应用领域逐步扩大， 这就对传统的通过导线直接接触的电能供应方式提出了挑战。 当前对于移动电气设备供电普遍采用滑动、滚动方式，此种供电会带来机构 磨损、碳积、电火花等一系列问题( 4 1 。非接触式移动电能供应( c m p s ) 系统抛开 了传统的用电设备通过电缆等和电源直接接触的供电模式，这种新型的供电方式 比传统供电方式具有更太的灵活性，因此特别适合移动电气设备的安全供电。它 消除了传统供电方式的多点接触的不可靠性，解决了移动电气设备通过传统取电 方式所带来的一系列问题，为设备的便捷、安全、绿色供电提供了新的解决方案。 1 13 研究水下非接触供电的必要性 非接触电能传输技术是近年来备受国际学术界关注的一项新的能量传输技 术，这一技术能够有效地克服有线供电方式存在的设备移动灵活性差、环境不美 观、容易产生接触火花等问题( 如图l1 所示) ，特别适用于易燃易爆环境和水下 设备的安全供电，可广泛应用于工矿企业吊装设备和运输设备、高层建筑升降式 电梯、城市电气化交通、室内电子设备、生物医电等领域中电气或电子设各的灵 活供电。目前，新西兰、德国、日本已成功开发出相关技术，据此研制的设备也 已在多个领域投入使用。 图1 1 非接触式供电技术的研究动力 作为一个研究热点，虽然近些年我国不少单位和个人投入力量进行研究，然 而由于该项技术研究起步晚，工作分散，导致技术水平相对较低，原创性的成果 较少。然而由于该项技术具有巨大的市场价值，所以我们有必要投入更大的力量 进行研究，在世界无线供电技术领域占有一席之地。 作为非接触供电技术的一个重要应用领域，国内尚未对其在水下供电领域的 应用开展有效的研究。目前感应耦合技术限于水下通讯领域，仅有研究利用电磁 耦合方式并通过一对线圈耦合传递频带信号，来解决载人深潜器与作业工具之间 的通讯问题【“。目前我国的水下用电系统，包括已经研制成功的自治水下机器人 ( a u v ) 系统尚无采用非接触供电技术案例。随着我国对海洋开发的进一步深入， 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 必然需要应用大量的水下救生、探测、导航、考古等各种装置，能源问题是需要 解决的一个关键问题，目前国内对水下能源动力解决方案的研究主要集中在提高 电池能量密度上，缺少充电方式方面的研究。感应充电技术由于不存在电路的直 接耦台，从而可以从根本上改变目前只使用电池作能源，利用普通方式补充电能 带来的充电麻烦与维护困难等突出问题。该技术为以a u v 为代表的水下装置提供 了良好的供电选择，有望成为制约未来海洋工程发展水平的一项关键技术。非接 触充电模式在水下系统的应用将为水下新型供电方式提供大胆尝试，同时也将极 大丰富非接触供电技术的理论和实践。 本文将以技术介绍和基础应用为重点，着重以软件仿真为指导，研制一套非 接触供电的实验系统，对电能的水下非接触传输作出一定研究。 1 2 国内外研究现状 上世纪9 0 年代以来，非接触供电技术的研究日益受到各国的重视。国外研究 以新西兰为代表，该国奥克兰大学p r o b o y s 及其领导的课题小组对该技术开展了 系统深入的研究，日本、德国和美国等国也相继投入经费，组织科研人员在该领 域展开科学研究，从事非接触电能传输的应用产品开发，并取得一系列的技术成 果和应用产品。2 0 0 1 年西安石油学院李宏教授在国内第一次介绍感应电能传输思 想以来，部分高校进行了该技术的研究工作，一些公司、企业和个人也开展研究， 目前取得的技术成果及应用产品较少，但发展进步速度很快。 12 1 研究趋势与现状 随着技术的成熟和应用上的进步，非接触供电技术吸引了越来越多的研究者， 其理论和应用范围都已经逐渐扩大，从而成为电力电子技术及应用上新的研究热 点( 见图1 2 ) 。新西兰在无线供电领域具有明显优势；美国和日本紧跟其后，反 映出其对新技术的敏感、重视及国家技术实力：德国、南非、韩国、英国、加拿 大、中国大陆和香港的研究也有一定成绩( 见图1 3 ) 。 h7 * # -i e 删* t # 。i 。i 瑟产篇 鹫| | | ：_ 图12i e e e 期刊( 会议) 论文年份数量分布图1 3i e e e 期刊( 会议) 论立国家数量分布 第3 页 。孙-”。 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 从研究领域看，新西兰在供电理论和实际应用方面均有多项成就，引领了该 项技术的发展方向；美国和新西兰相似，日本则侧重于实用设计方案；德国在结 构分析和优化领域有研究论文发表，加拿大将该技术应用于电力机车；南非研究 了系统优化和变压器设计，韩国涉及非接触变压器理论分析；香港进行了理论研 究，中国内地在分离式变压器、系统电路和应用领域各有所涉及。 从质量上看，新西兰和美国研究水平较高，尤其是新西兰在非接触供电理论 领域具有领先地位，提出了多种有价值的原创电路拓扑，美国则技术与应用并重； 日本在该领域的实际应用方面具有较大优势，开发出多种实际供电系统；中国的 原创性发明较少，申请专利多数为实用新型，且侧重于某个具体方面的应用；德 国和荷兰分别在交通和电器领域有所成就。 国内重庆大学、浙江大学、西安交通大学、中科院电工所、南京航空航天大 学、西安石油学院、河北工业大学、郑州大学、湖南大学、清华大学等单位在该 领域有研究。综合来看，国内在无线电能传输领域取得了一定的研究成果，但目 前还存在一些问题，如集中投入精力、展开持续研究的单位少，一般应用型成果 较多，电路拓扑探讨和传输效率问题等深层次研究偏少，做出稳定、高效的实用 样机更少。 1 _ 2 2 部分理论研究进展 关于非接触供电技术的理论研究主要集中在两个领域：电能变换与补偿、松 耦合变压器及结构设计。前者重要的研究成果有：建立松耦合感应电能传输系统 的负载模型【6 j ：研究解决变换电路高频应用时的控制策略和频率稳定性问题【7 ，8 】： 谐振变换器频率分析及最小功率因数分析【9 1 川；运用包含原、副边谐振电路的数学 模型，研究频率的分叉现象和最大能量传输之间的关系【l u ；考察了零相位角控制 松耦合感应系统的稳定性判据，提出了保证任意负载稳定运行和能量传输的一般 边界条件列；利用线性同轴线圈变压器进行水下能量变换和配给系统的设计方法 1 1 3 1 ；将i c p t 技术和超级电容技术联系应用于u p s 和能量供应等【1 4 】。 国内在非接触电能传输系统主电路频率稳定性方面展开研究，用于保证系统 最大功率传输，利用广义状态空间建立系统的数学模型，并解决了传统非接触电 能传输装置中磁场发射线圈和接收线圈之间存在角度限制的问题【1 5 j ；中科院电工 所分析研究了系统补偿拓扑、运行频率及负载参数对系统性能的影响，建立耦合 结构的互感模型，得到初、次级线圈形状和尺寸对耦合变化特性的影响【4 , 1 6 , 1 刀：清 华大学机器人技术及应用实验室在大气隙、非对称结构高效电能传输及谐振电路 拓扑、控制机理方面展开了研究【i 引。此外，还有结合d s p 对非接触供电的控制做 研究以及电路系统的设计和优化等方面的研究【1 9 加, 2 1 】。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 123 部分应用系统介绍 非接触供电技术早期的研究是为解决核能、采矿业以及机器人供电的特殊需 求而提出的i 越i ，后来逐步扩展到其他应用领域。采用i c p t 技术供电，国内报道较 多的有其早期典型商业化产品：1 ) 日本大福株式会社( d a n ：u k u ) 的单轨行车和无 电平自动运货车。2 ) 德国稳孚勒( w a m p f l e r ) 公司的2 0 0 k w 载人电动火车及电动 游船的水下驱动。3 ) 新西兰奥克兰大学所属奇思( u n i s e r - - v i c e s ) 公司开发的两 项有关i c 盯的实用项目高速公路发光分道猫眼系统( 目前运行于惠灵顿大隧 道，见图1 4 ) 、用于新西兰r o t o r t m 国家地热公园的3 0 k w 感应电动汽车口刘 ( 见图1 5 ) 。下面根据资料，再介绍一些目前实际应用或进行研究的项目。 圉16 单轨行车装置( 大福物流)图i7 新型公路实验线( 日本) 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 在商业电子设备领域，精工一爱普生公司己成功开发出为便携式产品之间进 行非接触电能传输的模块。利用它可以免去大量应用a c 适配器所带来的麻烦，电 池容量大的笔记本电脑可以向移动电话和数码相机等多个设备直接供叫3 2 】。日本 n t td oc om o 公司于2 0 0 5 年开发试制出第一部无线充电手机样机，摩托罗拉公 司正在开发采用这种技术的手机，在2 0 0 7 年下半年到2 0 0 8 年间，该技术将陆续 被普通手机或m p 3 等电子产品所采用【3 j 。 国内方面：重庆大学研制出的非接触电能传输装置，可实现6 0 0 至1 0 0 0 瓦的 电能输出，传输效率为7 0 ，其电能拾取机构可任意转动，能够向多个用电设备 同时供电1 3 3 , 3 4 1 ；磁浮列车技术领域，浙江大学提出了一种磁悬浮列车高次谐波无 接触供电的方法及其装置，为磁浮列车蓄电池充电【3 5 ，3 6 1 。南京航空航天大学将基 于旋转变压器的感应电能传输技术运用于同步电机中，为其提供无刷励磁电能【3 7 】； 生物医学工程领域，有实验室在研究一种用于体内诊疗装置的无线能量传输方案 p 驯；矿井安全方面，有文章探讨了非接触供电模式在煤矿运输、采掘系统应用的 可行性，以及具体应用中的高频磁技术和变流技术【3 9 4 0 1 ：石油开采行业，提出了 将之用于采油井抽油机、潜井泵、输油管线泵站和加热系统【4 1 1 。 1 3 本文主要工作与内容安排 在理解非接触供电的基本概念基础上，本文对感应耦合电能传输技术进行了 研究，试验了一套非接触电能传输系统。主要工作和内容安排如下： 1 3 1 本文所做的主要工作 一、对感应耦合电能传输技术的基本情况进行了介绍：整理总结了国内外对 该技术的研究进展及发展方向，提出在水下利用该技术进行非接触电能传输的重 要应用价值。 二、阐述了感应耦合电能传输技术的理论，介绍了系统经典的组成结构和设 计方法，介绍了系统传输效率、频率稳定性等概念；回顾了耦合电感及变压器的 知识，结合松耦合理论进行了磁路分析。 三、简要介绍a n s o t t 系列电力电子系统仿真设计软件s i m p l o r e r 、p e x p r t 及 m a x w e l l 的功能，利用软件工具模拟并分析了松耦合感应电能传输系统，为系统硬 件设计提供仿真依据。 四、根据理论和仿真结果设计并搭建硬件实验平台，对比不同铁心形式、耦 合距离和控制方法下的电能传输实验结果，简要分析水下充放电系统结构和关键 技术环节；对系统进行分析总结，从而提出一套进行水下非接触电能传输系统设 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 计的方法。 五、提出进一步研究的方向和重点；指出利用非接触供电技术进行水下电能 传输的优势和困难，展望了该技术应用的良好前景。 1 3 。2 各章内容安排 第一章，绪论。阐述了非接触供电技术的发展需求、技术特点和水下非接触 供电的优势，引出课题的研究价值。介绍该技术的研究现状和发展趋势，对全文 内容进行介绍。 第二章，感应电能传输系统的原理和设计。比较几种非接触供电方式，重点 介绍感应耦合电能传输技术的系统构成、原理以及适用领域。针对实际情况，介 绍了电能传输系统的设计思路和本文进行研究的方法。 第三章，松耦合变压器的磁路分析。分别从理论和仿真两方面进行讨论，以 a n s o f t 电力电子仿真软件为分析工具，建立仿真级变压器模型和磁路模型，对 松耦合模型在不同间隙和介质情况下进行分析。利用软件设计并生成下一步电路 仿真所需要的变压器模型。 第四章，系统主电路模型的建立及仿真。分析了全桥逆变电路拓扑结构和电 能补偿的理论，指出感应电能传输技术中的最大能量传输问题。利用软件建立电 路模型，针对主要参数进行仿真计算，为硬件电路设计和优化提供依据。 第五章，感应电能传输系统的实现及实验分析。搭建硬件平台，着重对比介 绍了两种逆变控制方法，对电路的保护和实验问题进行了分析。进行不同间隙距 离、控制模式和铁心类型条件下的电能传输实验，测量并分析其电能传输效率影 响因素。对水下充电系统整体结构进行简要介绍。 第六章，结论与展望。对本文研究内容进行总结，指出工作成绩以及不足， 阐述水下非接触供电技术的难点并预期其应用前景，对今后的研究进行展望。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章感应电能传输系统的原理和设计 非接触供电的概念提出以来，在理论和应用方面都取得了一定的进展，如前 文所述。但一方面由于该项技术原理并未真正成熟，另一方面实际应用的情况千 差万别，所以并不存在固定的设计方法。本章首先介绍当前最主要的非接触供电 技术感应耦合电能传输技术的原理，然后给出一般设计方法，最后介绍本文 所述水下非接触电能传输系统的实际设计设想。 2 1 非接触供电技术的原理 2 1 1 几种非接触供电方式比较 能量和信号是现代电气和电子工程最重要的两个概念，在一个电气系统中， 能量给系统提供运行的动力，信号给系统提供运行状态、控制命令m 】。信号的非 接触传输早已成为现实，而非接触能量传输在很长一段时间内进展缓慢，高能激 光等能量发射装置虽然也是非接触式传输，但不存在能量的接收和利用问题。表 2 1 是以电磁形式进行能量传输的一些可行方案。 表2 1 以电磁形式进行电能传输的一些可行方案 传输方式接触式 非接触式 特点导线连接感应型电容性型波 类型 移动接触紧耦合松耦合紧耦合松耦合电磁波 磁路交流分布式的磁电场交分布式的电场 基本理论电路 波的传导 电路场电力电子流电路电力电子 导线感性能量 天线波的 典型技术变压器电容容性能量传输 连接器传输引导装置 现在已经问世的非接触供电技术，根据其电能传输原理，大致上可以分为三 类【3 】。第一类应用电磁感应原理，该方式中，将两个线圈放置于临近位置，当电流 在一个线圈中流动时，所产生的磁通量成为媒介，导致另一个线圈中也产生电动 势；第二类技术直接应用了电波能量可以通过天线发送和接受的原理，直接在整 流电路中将电波的交流波形变换成直流后加以利用，并不使用放大电路等；第三 类利用电磁场的谐振方法，2 0 0 6 年1 1 月，美国麻省理工学院( m i t ) 物理系助理 教授m a t i ns o l j a c i c 的研究小组全球首次宣布了将电场或者磁场应用于供电技术的 可能性。 基于以上三种原理的技术，所能够发送的距离和功率各不相同，其主要的应 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 用方法也不相同。电磁感应型能够发射的功率非常大，最大达到几百k w ，但是， 发送器能够发送的距离仅为l c m 以下，因此，在便携式应用中，基本上还必须用 电池，其主要的作用是减少充电时的麻烦；电波接受型的最大发射距离长达l o m ， 但是能够接收的功率很小，只有几r o w - 1 0 0 m w ，因此，其主要用途是在便携式 终端中提供待机时消耗的功率；谐振型无线传输电能技术，其电能发射距离可以 达到3 m - 4 m ，而且，可以发送高达几k w 的大功率，目前技术应用难度还较大。 2 1 ，2 感应电能传输系统的构成 图2 ，l 表示了一个典型i c p t 系统的基本结构，可视为由两个分离的电气部分 组成。部分由能量变换装置组成，其作用是通过线圈回路提供高频交流电流( 通 常为1 0 1 0 0 k h z 交流电) ；另一部分由能量拾取线圈和调节装置组成，通过两部 分之间的电磁感应耦合，实现无接触的能量传输。由于耦合形式属于松耦合，和 普通变压器相比，感应电压需要经过调节装置进行变换方可供负载使用 1 1 。 厂一一一一一一一i 能量0u ；l 能量调节e j 用电设备) 一一l l 一一量塑一j 磁场藕合 一 1 能量转换 a c j 供电回路 图2 1 典型i c p t 系统基本结构 以上典型结构一般由四部分实现：功率变换装置、高频载流线圈或电缆、接 受线圈和能量调节装置。前两部分构成一次侧( 即松耦合变压器原边一侧) 能量 发射系统，后两部分构成二次侧( 即副边一侧) 能量接收系统，两系统在物理上 相互独立，工作时存在磁场耦合，一个原边能量发射源可为多个用电设备同时供 电f 4 3 】。 能量变换器提供的高质量回路电流对于整个i c p t 系统起着至关重要的作用， 是保证电能传输效果的前提，选择合适电路拓扑是关键；耦合变压器的设计重点 是考虑磁性材料选取、线圈绕组位置等：能量拾取部分则需考虑负载的折算和电 路补偿【6 1 。 2 ，1 。3 感应电能传输的原理 感应电能传输方法利用现代电力电子能量变换技术、磁场耦合技术，借助于 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 现代控制理论和手段，实现能量从静止设备向运动或分离设备的传输。感应电能 传输技术涉及的主要技术有高频磁技术、谐振逆变技术以及软开关技术【4 3 1 。具体 到一个实际系统还涉及结构设计、通信与控制等。 l p l s r 忡 r 能量 高频原边 扩气 输入 逆变 补偿 、r r 忡 f 。 副边电路 补偿调理 图2 2 松耦合装置电路示惫图 如图2 2 所示，设m 为耦合装置互感( 第三章有详细分析) ，l 。和三。为原、 副边激励电感，设原边磁场发射的高频载流线圈通过角频率为国、电流有效值为，。 的交流电。根据电路分析知识，松耦合系统副边电路接受线圈的开路电压为： v o c = j c o m i p ( 2 1 ) 相应的，诺顿等效电路电流为： l = 等= 等 i n - 玳- - 1 卵 rr p 1 l sl s l 副边电路品质因数为q ： q = 等 ( 2 3 ) 非接触供电系统的能量传输能力，即副边线圈能够获得的最大功率为【i 】= 己= 心q = 竺警 ( 2 4 ) k 因此，增大系统能量传输能力的方法有：增大工作频率 ) 、增加原边电流 、增大互感m 或减小副边自感t 、增大品质因数q 。由于品质因数不宜过大， 因而有效的增大系统传输能力的方法为增大工作角频率和原边电流。由相关文献 的分析和仿真结果可可以得知：反应阻抗直接反映了系统的功率传输性能。对于 新型无接触电能传输系统的设计参数，由次级无补偿时反应电阻和电抗随运行频 率和负载电阻变化的关系曲线可以看出，随着频率的增加，反应电阻呈逐渐增大 的趋势。而当频率恒定时，在特定的负载下，反应电阻达到最大值。反应电抗为 负值。随着负载的增加，反应电阻和反应电抗都趋向于零 4 1 。 当负载为多个时，感应电能传输的一个重要问题是各个模块的工作情况。当 某个负载的等效阻抗太小( 极限情况为短路) 或者太大( 极限情况为开路) 时， 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 反映阻抗( 见第三章) 将会不正常，此时逆变系统将会停止工作，从而导致其他 负载不能工作1 1 。 表2 表2 2 不同补偿形式的输出特性 最大输出无补偿 串联补偿并联补偿 电压 圪压 圪q k 电流厶 is s f 压 q s i 路i 钻 功率匕v s o i 。| 2q y s o ls sq y s o i s s ) 。其中 q 为耦合装置副边品质因数，圪为开路电压，瓦为短路电流。从该表可以看出经 过补偿环节，系统能量传输的能力可以达到未补偿情况的2q 倍。理论上，耦合 电路系统的能量传输能力没有限制，但实际上如果负载电阻r 对于串联拾取电路 太小或者对于并联拾取电路过大，品质因数q 将会很大。大的q 值将会使绕线困 难，同时使耦合系统对参数的变化变得极其敏感。因此，最大能量传输能力和q 紧 密相关，而q 值通常不大于1 0 。 2 1 4 主要特点及适用领域 非接触供电和传统供电方式相比，具有以下特点【l 】： 可自由运动由于i c p t 系统两级间采取松耦合形式，能量拾取装置能够在 一定范围内自由运动，这是该系统同传统变压器的最明显区别，使之可以无电气 连接直接向移动装置供电；操作安全与常规滑动接触供电相比，没有电气接 触及外露电线，因而避免了接触火花和触电事故的发生：环境友好一不受污垢、 灰尘、水、化学物质影响，可工作于恶劣环境，没有碳积和有害辐射；方便可靠 系统无直接摩擦，不受化学腐蚀，运行可靠、维护方便。 感应耦合供电方式的特点，使之在以下领域具有特殊优势( 参看第一章图) ： 移动设备供电对运动物体提供电能具有特殊优点，如单轨行车装置、自 动运行车辆、机器移动部件等场所；特殊安全要求应用于某些危险场所，如 喷漆车间、地下煤井等条件下，可有效避免由机械摩擦所导致的火灾和爆炸发生； 恶劣环境条件适于常规供电方式使用有困难情况下，如水下、雨雪、粉尘及 化学腐蚀环境。 2 2 感应电能传输系统设计过程 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2 1 感应传输系统的设计思路 感应充电系统一般组成结构如图2 2 所示，由整流、逆变、耦合和充电等环节 构成。设计一个感应电能传输系统，首先要确定传输的功率，并选定主电路拓扑 结构，然后分析选择相关的其他电磁器件和补偿结构等。由于系统复杂，影响因 素多，因而设计过程常常需要反复。 图2 3 感应充电系统组成结构 进行水下电能传输，就是对水下用电装置进行供电。由于一般情况下感应电 能传输的效率较低，所以非接触电能传输实际作用是方便充电操作，根据需要对 用电装置中备用的电池进行充电，电池起能量缓冲和蓄积的作用。水下感应电能 传输系统的设计流程如图2 4 所示： 图2 4 水f 感应充电装置设计流程 设计一个感应充电系统的关键点在于提高充电效率。由于口t 技术涉及的相 关因素较多，水下系统实际充电应用中要设计一个良好的系统，必须解决好以下 几个问题： 首先，良好的电路拓扑是保证非接触供电效率和电能质量的基础，必须根据 t 理论进行变换电路的精心设计； 其次，松耦合部分( 可分离式变压器) 是能量传输的关键，合适的耦合结构 和磁性材料选择必须引起足够的重视： 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 最后，巧妙的结构是系统功能实现的现实载体，而通信和控制策略也是不可 忽视的重要环节。 由于水下用电装置工作环境的特殊性，非接触供电的实际应用研究中除了要 精心对待以上几个方面外，还要考虑许多因素，如充电电池选择、水下环境防护、 充电装置对齐以及其他突发情况。 与