500W级水下感应式非接触电能传输系统研究

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应用于深海环境的感应式非接触电能传输(ICPT)系统是深海移动平台与海底观测网非接触接驳技术的一个重要课题,水下电能传输可以通过湿插拔水密接插件接通与断开,但由于湿插拔技术被国外垄断,成本高昂,且有使用次数限制。故亟需开发自主的感应耦合电能传输装置为水下移动平台安全地供电,它无需直接的电气连接,满足海底非接触接驳系统的应用要求。本文主要涉及ICPT系统的电磁耦合器和初、次级侧电路系统的分析、计算、仿真与设计。对于电磁耦合器的设计,它是ICPT系统中最关键的部分,决定系统的电能传输性能。建立了松散耦合器的励磁电路模型,采用特殊的空心同轴耦合器形式。通过理论分析与磁场仿真,确定了初、次级线圈布置形式及其基本参数。针对深海高压腐蚀的应用环境,为电磁耦合器设计了独特的耐压防水封装。对于电路系统的理论分析,通过建立互感电路模型和反射阻抗模型,得出了 ICPT系统主要参数的理论表达式,包括表征系统输出能力的相关参数的计算方式。实现逆变电路中开关管的软开关可以提高系统传输效率,采用闭环控制方式能够保证电能的稳定传输,本文对其进行了初探。由电路系统的理论分析,设计出了应用于系统参数选择的MATLAB界面,对ICPT系统的具体设计有指导意义。完成系统的理论分析之后,确定了初、次级电路主要元器件的型号,并完成了驱动电路的设计。通过Simulink稳态仿真和PSpice瞬态仿真来验证系统设计的合理性与正确性,得到了 ICPT系统输出参数曲线和IGBT电压电流曲线。为保证电路系统良好地散热,对PCB板的元器件和电路模块进行了合理的布局。最后,在实验室中分别对电磁耦合器工作于空气和模拟海水环境中的ICPT系统,进行了实际测试,系统输入端为直流电压,输出端采用电子负载的恒阻值模式。有序地改变输入电压和负载阻值的大小以测试本ICPT系统的性能,在输入电压大于200 V的情况下完成了 500W电能的稳定传输,系统传输效率达到了 70%,证明了本系统设计的可行性,满足了项目的基本需求。
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