海水环境下非接触电能传输效率的优化研究

摘要

长期以来，为水下仪器设备提供安全、高效的电能供给手段，一直是备受关注的重要问题。近年来，用于海洋科学研究、资源勘探的电子仪器和机电装备被大量研制和广泛投入使用。传统上采用的电接触式插拔接头进行水下电能传输存在磨损、电击和漏电等安全隐患。非接触电能传输(Contactless Power Transmission，CPT)技术的电能在间隙内的传输过程中没有直接的电气接触，为解决上述问题提供了一条有效的途径。
　　CPT技术已陆续在陆上各种场合得到良好应用。其中，传输效率无疑仍是攸关CPT传输品质的重要方面。海水作为一种具有特定电磁特性的介质，直接影响到海水环境下CPT的传输性能。但国内外尚缺乏针对海洋环境下CPT传输效率的系统、详细研究。
　　本论文在课题组前期研究成果的基础上，重点围绕海洋环境下的CPT传输效率的优化问题，研究海洋环境下CPT技术的传输机理，对传输效率进行深入理论分析;在海洋环境对CPT装置集成密封、固定与操作带来的客观限制条件下，完善相关的优化设计方法。开发适用于海洋环境、满足多种功能需求的海底观测网络及水下勘探机电装备的高效、稳定的电能传输插拔接口。进一步考虑CPT在深海中的应用中可能出现装置因封装结构无法满足有效传输距离的问题，对利用谐振中继的非接触传输(Contactless PowerTransmission with Resonance Relays，CPTR)，来增加有效传输距离、提升传输效率方面的内容进行了探索性的研究。
　　建立海水环境下的CPT传输模型，并依此建立在不同谐振补偿结构下的系统传输效率模型。在近距离传输范围，讨论品质因数Q值、频率和负载大小对不同谐振补偿结构下传输效率的影响。建立CPT在海水中的涡流损耗模型，分析影响涡流损耗大小的因素。通过选择合适的谐振频率抑制涡流损耗，提高传输效率。综合理论分析结果，在确定的电磁耦合器结构下，提出一种通过选择、设计合适的系统工作频率和电磁耦合器参数的方法，来优化海水环境下的CPT传输效率。
　　针对海水环境下不同的应用需求，根据理论分析结果，设计不同封装结构和电路功能的CPT系统，实现间隙距离5mm，功率300W(48V)，效率约85％的电能传输。研制的其中一套系统完成千岛湖水下试验。
　　提出一种利用谐振中继线圈提升在中距离范围的CPTR传输效率的方法。基于耦合模理论和电路理论对含有谐振中继的CPTR进行建模与效率分析;并对谐振中继个数和放置位置与传输效率的关系进行讨论。考虑海水介质对线圈的参数影响，提出了中继线圈的参数设计方法。进行相关实验来表明谐振中继线圈对效率提升的实际效果。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景

1．3 研究现状与进展

1．3．1 CPT传输技术的分类与比较

1．3．2 陆上CPT技术的研究

1．3．3 水下CPT技术的研究

1．4 本论文的主要研究内容

2 CPT电磁耦合器的传输机理研究

2．1 引言

2．2 漏感模型

2．3 互感模型

2．4 基于互感模型的海水环境下CPT传输模型

2．5 谐振补偿

2．5．1 未经补偿的耦合器阻抗

2．5．2 谐振补偿结构

2．5．3 谐振补偿电容值的计算

2．6 耦合模模型

2．6．1 耦合模理论

2．6．2 CPT耦合模模型

2．7 CPT传输效率模型

2．7．1 空气间隙下基于互感的传输效率

2．7．2 空气间隙下基于耦合模的传输效率

2．7．3 海水环境下传输效率

2．8 本章小结

3 近距离传输的效率分析与优化研究

3．1 引言

3．2 空气问隙下的传输效率分析

3．3 海水间隙中的涡流损耗分析

3．4 传输效率优化的电磁耦合器参数设计方法

3．5 海水间隙下的传输效率分析与工作(谐振)频率的选择

3．6 实验研究与结果

3．7 本章小结

4 CPT系统实现与水下试验研究

4．1 系统概述

4．2 电力电子系统设计

4．2．1 基于PWM控制器的电路系统设计

4．2．2 基于数字处理器的电路系统设计

4．3 电磁耦合器机构设计及系统集成封装

4．4 湖试及结果

4．5 本章小结

5 基于谐振中继的中距离传输效率研究

5．1 引言

5．2 利用谐振中继的提升效率的基本原理

5．3 基于CMT的CPTR的传输模型

5．4 CPTR的传输效率

5．4．1 基于CMT的含有一个和两个谐振中继CPTR的传榆效率

5．4．2 基于反射阻抗的含有任意个谐振中继CPTR的传输效率

5．5 CPTR的传输效率分析

5．5．1 传输效率特性

5．5．2 谐振中继的个数

5．5．3 谐振中继的位置

5．6 谐振中继线圈的参数设计

5．6．1 格林函数法

5．6．2 螺旋线圈的分布电容计算

5．7 实验与结果

5．8 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 论文主要创新点

6．3 展望

参考文献

作者简介