CN107947385B - 一种基于无线电能传输的易分离式水下变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于无线电能传输的易分离式水下变压器，包括前端能量发送装置、后端能量接收装置。本发明针对深海环境下传统接触式输变电方式存在密封、绝缘、磨损、寿命、操作便捷性等一系列问题，提出了一种基于谐振式无线电能传输的易分离松耦合变压器方案。该方案采用谐振式无线电能传输原理，针对水介质特性进行了特殊设计，实现了水下非接触式电能传输和变换的功能，在保证高传输效率的同时有效避免了接触式动密封、磨损等难点，提高了电力传输和变换的安全性和可靠性。

Description

一种基于无线电能传输的易分离式水下变压器
技术领域
本发明涉及电力电子工程技术领域，具体涉及一种基于谐振式无线电能传输技术的高效率低耦合系数易分离的水下变压器。
背景技术
随着海洋探测和开采技术在广度和深度的发展，对水下设备的持续工作时间提出了越来越高的要求。水下随深度增加的压力和导电液体环境，要求水下输变电装置必须具有高可靠性，传统的湿插拔电连接器和整体式水下输配电设备在耐压、密封、绝缘、工作寿命等方面均存在较大的技术难度和风险，而现有的无线电能传输方式却因水下环境的特殊性而无法充分发挥起作用，现有的无线电能传输方式应用于水下时，会产生涡流损耗，严重降低传输效率。
目前，大多数水下应用装置普遍使用远距离输电或者蓄电池为水下用电设备提供所需电能(典型引用如水下自治式潜器AUV、水下电潜泵)，一般采用接触式电能传输方法，然而水具有导电特性，为了适应水下环境需设计复杂的动密封结构，这会使得接口处会出现严重磨损并存在漏电隐患，因此，远距离电气设备的输变电和水下电池的充电成为难题。
发明内容
本发明的目的是为了克服常规接触式水下输变电装置存在电气接口动密封难度高、绝缘要求高、易磨损、机械寿命低、水下操作复杂且成本高等问题，提供一种基于谐振式无线电能传输技术的无物理接触且易于水下分离对接的水下变压器。本申请的发明人注意到，水下无线传输能提高电气接口的可靠性、安全性、便捷性，并延长其使用寿命，将会成为未来海洋开发过程中一种新颖可靠的水下输变电方式。而且，申请人解决了现有无线传输方式应用于水下时的涡流损耗问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于无线电能传输的易分离式水下变压器，其特征在于，其包括输入变换电路、原边谐振补偿电路、松耦合变压器、副边谐振补偿电路、输出变换电路,所述松耦合变压器包括松耦合变压器原边线圈、松耦合变压器副边线圈以及原边磁芯、副边磁芯，所述输入变换电路、原边谐振补偿电路以及松耦合变压器原边线圈封装在一起，所述副边谐振补偿电路、输出变换电路以及所述松耦合变压器副边线圈封装在一起。
进一步地，所述输入变换电路连接至原边谐振补偿电路，所述输入变换电路将外部输入电压转换成高频交流电压输出给所述原边谐振补偿电路；所述原边谐振补偿电路连接至松耦合变压器原边线圈，组合成原边谐振电路；所述松耦合变压器原边线圈与所述松耦合变压器副边线圈通过磁场进行能量传输；所述松耦合变压器副边线圈连接至副边谐振补偿电路，组合成副边谐振电路；所述副边谐振补偿电路输出交流谐振电压或电流至输出变换电路；所述输出变换电路连接至负载，为后端负载提供所需电制的电力。
进一步地，所述输入变换电路包括整流电路和逆变电路，所述整流电路将交流电压变换为直流电压并输出至所述逆变电路，所述逆变电路将直流电压变换成高频交流电压。
进一步的，所述原边谐振补偿电路包括谐振补偿电容或谐振补偿电感与谐振补偿电容的组合，所述谐振补偿电容与所述松耦合变压器原边线圈并联或者串联，构成原边谐振电路。
进一步的，所述松耦合变压器包括原边线圈、副边线圈以及原边磁芯、副边磁芯，所述原边线圈和所述副边线圈之间通过外部封装实现完全的物理和电气隔离，所述的原边磁芯和所述的副边磁芯用以提高所述原边线圈和所述副边线圈之间的耦合系数。
进一步的，所述的副边谐振补偿电路包括谐振补偿电容或谐振补偿电感与谐振补偿电容的组合，所述谐振补偿电容与所述松耦合变压器副边线圈并联或者串联，构成副边谐振电路，所述副边谐振电路的谐振频率与原边谐振电路的谐振频率一致。
进一步的，所述的输出变换电路将高频交流电转换成所需电制式和电压等级。
需要说明的是，本发明中所提到的部件“输入变换电路、原边谐振补偿电路、松耦合变压器原边线圈、松耦合变压器副边线圈、副边谐振补偿电路、输出变换电路”既可以采用本发明实施例中所给出的结构，又可以采用本领域中的常规结构。
现有的传统空气介质中无线电能传输系统一旦应用于水介质环境会发生严重的线圈损耗和水介质涡流损耗，人们一直无法解决该问题。
申请人在研究中意外发现，无线电能传输系统在水介质环境的线圈损耗和水介质涡流损耗，并非是无法消除的，这种损耗主要发生在20kHz～10MHz高频段。而一旦将谐振频段降低至1kHz～20kHz的中高频段，线圈损耗和水介质涡流损耗将会显著降低。
此外，申请人还发现，原边线圈和副边线圈之间水介质的量也会影响传输效率，为适应水介质环境，提高系统传输效率，申请人控制所述松耦合变压器原边线圈和副边线圈之间水介质的量，采取半封闭式松耦合变压器结构，减小漏磁损耗。这里所提到的半封闭指的是原边磁芯与副边磁芯并非整体封装。
本发明中所提到的“松耦合”指的是原边线圈和副边线圈之间的耦合系数低于预定阈值，比如，低于0.8。
本发明的基于谐振式无线电能传输的易分离式水下变压器采用非物理连接方式进行电能传输，将传统的水下一体式工频电压变换装置设计为原边、副边完全物理隔离的两个部分，有效避免接触式供电的直接电气接口，从而不需要复杂且造价昂贵的动态密封结构来保证水下电气对接过程中与水介质的隔离，由此可见，本发明的非接触式电能传输比接触传导式传输方法更适合水下环境的应用。
本发明的优点在于：
1、本发明能够实现水下无线电能传输和变换，避免了接触式电气接口，无须考虑水下操作部位的动密封可靠性，尤其是在深海高水压下的动密封问题。
2、本发明将水下变压器分割成原边、副边两个无需直接电气接口的独立模块，大大提高工程应用中实现水下对接和分离的便利性。
3、本发明避免水下电气接口插拔操作对接触件的磨损，提高了水下输变电设备的使用寿命，节约了水下输变电设备维护、更换的成本。
4、本发明在水下变压器原边和副边之间实现了完全的介质、电气、机械隔离，能有效降低任意一侧的故障失效对另外一侧的影响，极大的降减轻泄漏、短路等故障导致的恶劣后果。
5.本发明在空气介质中无线电能传输技术的基础上针对水介质环境进行了特殊改进，通过降低系统谐振频率、改进松耦合变压器结构的方式，保证本发明所述水下变压器的传输效率。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的水下变压器的原理示意图。
图2为图1所示的一个实施例的水下变压器的主电路拓扑结构图。
图3为图1所示的水下变压器的4种原副边谐振网络的电路图。
图4为图1所示的水下变压器的4种松耦合变压器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地说明。
图1示出了本发明一个实施例的水下变压器的原理示意图，该水下变压器包括输入变换电路、原边谐振补偿电路、松耦合变压器、副边谐振补偿电路、输出变换电路。
图2示出了图1实施例中的基于谐振式无线电能传输技术的水下变压器的电路结构。在本实施例中，所述输入变换电路包括不可控整流电路、全桥逆变电路；所述原边谐振补偿电路包括串联补偿谐振电容；所述松耦合变压器包括原边线圈、原边磁芯、副边线圈、副边磁芯；所述副边谐振补偿电路包括串联补偿谐振电容；所述输出变换电路包括可控整流电路。
如图2所示，该电路包括由输入滤波电感L1、输入滤波电容C1构成的滤波电路，由功率二极管D1、D2、D3、D4、滤波电容C2构成的不可控整流电路，由绝缘门极双极型晶体管T1、T2、T3、T4、缓冲吸收电容CS1、CS2构成的全桥逆变电路，由原边串联谐振补偿电容CP、松耦合变压器TM1原边绕组电感构成的原边谐振电路，由副边串联谐振补偿电容CS、松耦合变压器TM1原边绕组电感构成的副边谐振电路，由绝缘门极双极型晶体管T5、T6、T7、T8、续流二极管D5、D6、D7、D8构成的可控整流电路。原边谐振电路和副边谐振电路的谐振频率保持一致，均设计在1kHz～20kHz的中高频段。
如图2所示，对所述绝缘门极双极型晶体管T1、T2、T3、T4进行通断控制，从而实现高频交流电压输出。所述逆变电路输出的高频交流电压输入到由原边串联谐振补偿电容CP、松耦合变压器TM1原边绕组电感所构成的原边谐振电路，发生谐振，谐振电流产生交变磁场；松耦合变压器TM1副边线圈通过电磁感应原理产生高频交流电压，该感应电压在副边串联谐振补偿电容CS、松耦合变压器TM1原边绕组电感构成的副边谐振电路中发生谐振；输出谐振电压经过所述可控整流电路，输出后端所需的电制。
如图2所示，由原边串联谐振补偿电容CP、松耦合变压器TM1原边绕组电感构成的原边谐振电路以及由副边串联谐振补偿电容CS、松耦合变压器TM1原边绕组电感构成的副边谐振电路产生较大的谐振电流，增大了低耦合系数下的功率传输能力，提高了能量感应耦合效率，进而提高了松耦合变压器在低耦合系数下的传输效率。
图3示出了本发明的水下变压器的4种原副边谐振网络的电路图。本发明的原副边谐振网络可以包括：
(1)原边谐振补偿电容CP与原边线圈电感LP串联、副边谐振补偿电容CS与副边线圈电感LS并联的PSSP谐振网络；
(2)原边谐振补偿电容CP与原边线圈电感LP串联、副边谐振补偿电容CS与副边线圈电感LS串联的PSSS谐振网络；
(3)原边谐振补偿电容CP与原边线圈电感LP并联、副边谐振补偿电容CS与副边线圈电感LS并联的PPSP谐振网络；
(4)原边谐振补偿电容CP与原边线圈电感LP并联、副边谐振补偿电容CS与副边线圈电感LS串联的PPSS谐振网络。这4种原副边谐振网络能够提供不同类型的高效输出。
图4示出了本发明所述水下变压器的4种松耦合变压器的结构示意图。本发明所述松耦合变压器结构型式包括：
(1)平面磁芯-双面绕组结构：所述结构采用平面磁芯引导磁场走向，将绕组线圈绕至平面磁芯的前后两面；
(2)平面磁芯-单面绕组结构：所述结构采用平面磁芯引导磁场走向，将绕组线圈平铺于平面磁芯的一面，原边磁芯位于原边线圈的上方，副边磁芯位于副边线圈的下方；
(3)半封闭式环形磁芯结构：所述结构采用环形磁芯引导磁场走向，将绕组线圈绕至于内环磁芯上，原边的磁芯为具有中柱的圆盘形构造，副边的磁芯为具有中柱的圆筒形构造。所述结构漏磁小，耦合系数大，功率传输能力大和传输效率高，同时原副边装置的圆锥式外形易于工程上实现对接和分离；
(4)半开放式环形磁芯结构：所述结构采用环形磁芯引导磁场走向，将绕组线圈绕至于内环磁芯上，磁芯的聚磁作用能有效较小漏磁，增大原边线圈与副边线圈之间的耦合系数。
如图4所示，所述(1)平面磁芯-双面绕组结构、(2)平面磁芯-单面绕组结构为空气介质中无线电能传输技术的常用结构，所述(3)半封闭环形磁芯结构、(4)半开放式环形磁芯结构为适用于本发明所述水下变压器的新型结构；所述(3)、(4)两种结构与所述(1)、(2)两种结构相比，原边线圈与副边线圈之间的耦合系数有较大提高，漏磁损耗更小，更适用于水介质环境。
通过实验对比发现，第(3)种半封闭环形磁芯结构的松耦合变压器具有最高的传输效率以及最优的功率传输能力。
原副边分界面为所述水下变压器能量发送装置和能量接收装置的物理分界，中间为水介质，没有直接的电气、机械连接即可完成水下输变电功能。
本发明找到了空气介质中无线电能传输技术应用于水下时耗损严重的原因，针对水介质环境进行了适应性改进，通过降低系统谐振频率、提高耦合系数的方式，提高本发明所述水下变压器的传输效率。本发明的一个实施例采用(3)半封闭式环形磁芯结构，与空气介质中常用的(2)平面磁芯-单面绕组结构相比，原边线圈和副边线圈之间的耦合系数从0.21提高到0.55，谐振频率设计为20kHz，与谐振频率为150kHz相比，系统效率提高了5.2％。
本发明不仅仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于无线电能传输的易分离式水下变压器，其特征在于，其包括输入变换电路(1)、原边谐振补偿电路(2)、松耦合变压器、副边谐振补偿电路(5)、输出变换电路(6),所述松耦合变压器包括松耦合变压器原边线圈(3)、松耦合变压器副边线圈(4)以及原边磁芯、副边磁芯，所述输入变换电路(1)、原边谐振补偿电路(2)以及松耦合变压器原边线圈(3)封装在一起，所述副边谐振补偿电路(5)、输出变换电路(6)以及所述松耦合变压器副边线圈(4)封装在一起，所述输入变换电路(1)连接至原边谐振补偿电路(2)，所述输入变换电路(1)将外部输入电压转换成高频交流电压输出给所述原边谐振补偿电路(2)；所述原边谐振补偿电路(2)连接至松耦合变压器原边线圈(3)，组合成原边谐振电路；所述松耦合变压器原边线圈(3)与所述松耦合变压器副边线圈(4)通过磁场进行能量传输；所述松耦合变压器副边线圈(4)连接至副边谐振补偿电路(5)，组合成副边谐振电路；所述副边谐振补偿电路(5)输出交流谐振电压或电流至输出变换电路(6)；所述输出变换电路(6)连接至负载，为后端负载提供所需电制的电力，所述松耦合变压器结构采用半封闭式环形磁芯结构，所述结构采用环形磁芯引导磁场走向，将绕组线圈绕至于内环磁芯上，原边的磁芯为具有中柱的圆盘形构造，副边的磁芯为具有中柱的圆筒形构造，其中，交流谐振的谐振频率为1kHz～20kHz。
2.根据权利要求1所述的易分离式水下变压器，其特征在于，所述输入变换电路(1)包括整流电路和逆变电路，所述整流电路将交流电压变换为直流电压并输出至所述逆变电路，所述逆变电路将直流电压变换成高频交流电压。
3.根据权利要求2所述的易分离式水下变压器，其特征在于，所述原边谐振补偿电路(2)包括谐振补偿电容或谐振补偿电感与谐振补偿电容的组合，所述谐振补偿电容与所述松耦合变压器原边线圈(3)并联或者串联，构成原边谐振电路。
4.根据权利要求3所述的易分离式水下变压器，其特征在于，所述原边线圈和所述副边线圈之间分别通过外部封装实现完全的物理和电气隔离，所述的原边磁芯和所述的副边磁芯分别插入到所述原边线圈和所述副边线圈中用以提高所述原边线圈和所述副边线圈之间的耦合系数。
5.根据权利要求4所述的易分离式水下变压器，其特征在于，所述的副边谐振补偿电路(5)包括谐振补偿电容或谐振补偿电感与谐振补偿电容的组合，所述谐振补偿电容与所述松耦合变压器副边线圈(4)并联或者串联，构成副边谐振电路，所述副边谐振电路的谐振频率与原边谐振电路的谐振频率一致。
6.根据权利要求5所述的易分离式水下变压器，其特征在于，所述的输出变换电路(6)将高频交流电转换成所需电制式和电压等级。
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