水下非接触电能传输装置的设计、试验与研究

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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%。
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