CN206948186U - 一种水下非接触电能传输装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水下非接触电能传输装置，包括依次连接的海底观测网直流电源、电能发送端和电能接收端，所述电能发送端包括依次连接的原边滤波电路、控制驱动电路、原边逆变补偿电路以及初级耦合器，所述电能接收端包括依次连接的次级耦合器、副边整流补偿电路和副边滤波电路，所述初级耦合器和次级耦合器均位于水下环境。本实用新型结构简单、设计合理，利用电磁感应原理，通过非接触电磁耦合器内部的磁场耦合实现电能的传输，提高设置原边逆变补偿电路和副边整流补偿电路，增加从初级耦合器到次级耦合器传输电能的能力，运行稳定可靠，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

Description

一种水下非接触电能传输装置

技术领域

本实用新型属于电能传输技术领域，具体涉及一种水下非接触电能传输装置。

背景技术

非接触电能传输技术的研究应用在上个世纪90年代就开始进行过尝试，特斯拉当时就进行过多次实验，但受制于当时电力电子技术和制作工艺，传输效率低，没有得到商业化应用，发展较缓慢。近现代随着电力电子技术、功率交换技术、控制技术和磁性材料的发展，以及有线电能传输所暴露的缺点，性能优良的非接触电能需求增长，非接触电能传输技术发展迅猛。国内对非接触无线电能传输相关的研究和应用起步较晚较晚，国内已知期刊中系统描述非接触电能传输技术原理的文章最早出现于2001 年。此后，以重庆大学等为代表的大学科研机构，也进行过大量的研究，在理论基础研究领域和工程应用领域方面取得了不少显著的成就，为我国非接触电能传输做出了大量贡献。深海海洋中的非接触式电力传输系统的研究尚处于起步阶段，但由于深海环境的高压和其他极端环境的影响，在技术支持、技术和理论研究方面存在着诸多不完善之处。在我国，由于基础研究起步较晚，在深海中领域中非接触电能传输没有深入的研究，地面研究也仅是一些低功耗领域，根据相关文献，它并没有被应用于工业用地产品出现的情况，也没有其他国家在水下应用的非接触式电传输技术报告和文献报道。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种水下非接触电能传输装置，其结构简单、设计合理，利用电磁感应原理，通过非接触电磁耦合器内部的磁场耦合实现电能的传输，提高设置原边逆变补偿电路和副边整流补偿电路，增加从初级耦合器到次级耦合器传输电能的能力，运行稳定可靠，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种水下非接触电能传输装置，其特征在于：包括依次连接的海底观测网直流电源、电能发送端和电能接收端，所述电能发送端包括依次连接的原边滤波电路、控制驱动电路、用于将直流电转换成高频交流电的原边逆变补偿电路以及初级耦合器，所述电能接收端包括依次连接的与初级耦合器耦合的次级耦合器、用于将交流电转换为直流电的副边整流补偿电路和用于为负载提供稳定可靠直流电的副边滤波电路，所述初级耦合器和次级耦合器均位于水下环境，所述初级耦合器和次级耦合器之间的间隙不大于5mm，其中N_S表示次级耦合器的线圈匝数，N_P表示初级耦合器的线圈匝数。

上述的一种水下非接触电能传输装置，其特征在于：所述控制驱动电路包括芯片TL494和型号均为IR2110的芯片U1和芯片U2，所述芯片TL494的 E2引脚分别与芯片U1的HIN引脚和芯片U2的HIN引脚相接，所述芯片TL494 的E1引脚分别与芯片U1的LIN引脚和芯片U2的LIN引脚相接，所述芯片 U1的HO引脚经电阻R1与原边逆变补偿电路相接，所述芯片U1的LO引脚经电阻R2与原边逆变补偿电路相接，所述芯片U1的VB引脚与电容C1的一端相接，电容C1的另一端分两路，一路与芯片U1的VS引脚相接，另一路与二极管D1的阴极相接，所述二极管D1的阳极分三路，一路与芯片U1的VCC引脚相接，另一路经电容C2与芯片U1的COM引脚相接，第三路与VCC电源端相接；所述芯片U2的HO引脚经电阻R3与原边逆变补偿电路相接，所述芯片 U2的LO引脚经电阻R4与原边逆变补偿电路相接，所述芯片U2的VB引脚与电容C3的一端相接，电容C3的另一端分两路，一路与芯片U2的VS引脚相接，另一路与二极管D2的阴极相接，所述二极管D2的阳极分三路，一路与芯片U2的VCC引脚相接，另一路经电容C4与芯片U2的COM引脚相接，第三路与VCC电源端相接。

上述的一种水下非接触电能传输装置，其特征在于：所述原边逆变补偿电路为方波逆变电路，所述方波逆变电路包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管 Q3和MOS管Q4，所述MOS管Q1的栅极与芯片U1的HO引脚相接，所述MOS 管Q1的源极分两路，一路与所述初级耦合器的一端相接，另一路与MOS管 Q2的漏极相接，所述MOS管Q2的栅极与芯片U1的LO引脚相接，所述MOS 管Q1的漏极与VDD电源端相接，所述MOS管Q2的源极接地，所述MOS管Q3 的栅极与芯片U2的HO引脚相接，所述MOS管Q3的源极分两路，一路与所述初级耦合器的另一端相接，另一路与MOS管Q4的漏极相接，所述MOS管Q4 的栅极与芯片U2的LO引脚相接，所述MOS管Q3的漏极与VDD电源端相接，所述MOS管Q4的源极接地。

上述的一种水下非接触电能传输装置，其特征在于：所述副边整流补偿电路为全波不控式整流电路，所述全波不控式整流电路由二极管D3、二极管 D4、二极管D5和二极管D6组成，所述二极管D3的阳极与二极管D5的阴极相接，所述D3的阴极与二极管D4的阴极相接，所述二极管D4的阳极与二极管D6的阴极相接，所述二极管D6的阳极与二极管D5的阳极相接，所述二极管D3的阳极与二极管D5的阴极的连接端经电容C7与所述次级耦合器的一端相接，所述二极管D4的阳极与二极管D6的阴极的连接端与所述次级耦合器的另一端相接。

上述的一种水下非接触电能传输装置，其特征在于：所述原边滤波电路包括三端稳压器7815。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型的结构简单、设计合理，实现及使用操作方便。

2、本实用新型中电能发送端包括依次连接的原边滤波电路、控制驱动电路和原边逆变补偿电路，电能接收端包括依次连接的副边整流补偿电路和副边滤波电路，利用电磁感应原理，通过非接触电磁耦合器内部的磁场耦合实现电能的传输，初级耦合器和次级耦合器分别位于电能发射端和电能接收端之间，初级耦合器和次级耦合器可以自由地对接和分离，提高非接触电能传输系统的性能，提高效率，减少损耗。

3、本实用新型在电能发送端设置有原边逆变补偿电路，在电能接收端设置有副边整流补偿电路，从而增加从初级耦合器到次级耦合器传输电能的能力，运行稳定可靠。

4、本实用新型中，初级耦合器和次级耦合器之间的间隙不大于5mm，在相同的工作电压和相同的工作频率下，初级耦合器和次级耦合器更紧密的耦合接触，增加耦合器的耦合系数和次级耦合器的感应电能，从而提高非接触电能传输系统的传输功率。

综上所述，本实用新型结构简单、设计合理，利用电磁感应原理，通过非接触电磁耦合器内部的磁场耦合实现电能的传输，提高设置原边逆变补偿电路和副边整流补偿电路，增加从初级耦合器到次级耦合器传输电能的能力，运行稳定可靠，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理框图。

图2为本实用新型控制驱动电路、原边逆变补偿电路和初级耦合器的电路连接关系图。

图3为本实用新型次级耦合器和副边整流补偿电路的电路连接关系图。附图标记说明:

1—海底观测网直流电源； 2—原边滤波电路；

3—控制驱动电路； 4—原边逆变补偿电路； 5—初级耦合器；

6—次级耦合器； 7—副边整流补偿电路； 8—副边滤波电路；

9—负载。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括依次连接的海底观测网直流电源1、电能发送端和电能接收端，所述电能发送端包括依次连接的原边滤波电路2、控制驱动电路3、用于将直流电转换成高频交流电的原边逆变补偿电路4以及初级耦合器5，所述电能接收端包括依次连接的与初级耦合器5耦合的次级耦合器6、用于将交流电转换为直流电的副边整流补偿电路7和用于为负载9 提供稳定可靠直流电的副边滤波电路8，所述初级耦合器5和次级耦合器6均位于水下环境，所述初级耦合器5和次级耦合器6之间的间隙不大于5mm，其中N_S表示次级耦合器6的线圈匝数，N_P表示初级耦合器5的线圈匝数。

实际使用时，利用电磁感应原理，通过非接触电磁耦合器内部的磁场耦合实现电能的传输，初级耦合器5和次级耦合器6分别位于电能发射端和电能接收端之间，初级耦合器5和次级耦合器6可以自由地对接和分离，提高非接触电能传输系统的性能，提高效率，减少损耗。

在相同的工作电压和相同的工作频率下，初级耦合器5和次级耦合器 6更紧密的耦合接触，可以增加耦合器的耦合系数和次级耦合器6的感应电能，从而提高非接触电能传输系统的传输功率，因此初级耦合器5和次级耦合器6之间的间隙不大于5mm。

初级耦合器5和次级耦合器6选用PM50磁芯作为电磁耦合磁芯，PM50 磁芯在5mm的工作间隙下，耦合系数k＝0.5，电感因子A_L≈0.150uH/N²，虑到开关器件等的非理想性，取匝数比因此取初级耦合器5的线圈匝数为25，次级耦合器6的线圈匝数为53。

如图2所示，本实施例中，所述初级耦合器5为线圈T1。

如图2所示，本实施例中，所述原边逆变补偿电路(4)为方波逆变电路，所述方波逆变电路包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4，所述MOS管Q1的源极分两路，一路与线圈T1的一端相接，另一路与MOS管Q2的漏极相接，所述MOS管Q1的漏极与VDD电源端相接，所述MOS管Q2的源极接地，所述MOS管Q3的源极分两路，一路与线圈T1的另一端相接，另一路与MOS管Q4的漏极相接，所述MOS管Q3的漏极与VDD电源端相接，所述MOS 管Q4的源极接地。

实际使用时，为了能将直流电压转换为高频交流电，一般采用了逆变电路，逆变电路的特点是能够产生一个带有死区时间的交变方波输出电压，具有全桥逆变电路功率密度大、磁芯利用率高等优点。

如图2所示，本实施例中，所述控制驱动电路3包括芯片TL494和型号均为IR2110的芯片U1和芯片U2，所述芯片TL494的E2引脚分别与芯片U1 的HIN引脚和芯片U2的HIN引脚相接，所述芯片TL494的E1引脚分别与芯片U1的LIN引脚和芯片U2的LIN引脚相接，所述芯片U1的HO引脚经电阻 R1与MOS管Q1的栅极相接，所述芯片U1的LO引脚经电阻R2与MOS管Q2 的栅极相接，所述MOS管Q1的漏极与VDD电源端相接，所述MOS管Q1的源极与MOS管Q2的漏极相接，所述MOS管Q2的源极接地，所述芯片U1的VB 引脚与电容C1的一端相接，电容C1的另一端分两路，一路与芯片U1的VS 引脚相接，另一路与二极管D1的阴极相接，所述二极管D1的阳极分三路，一路与芯片U1的VCC引脚相接，另一路经电容C2与芯片U1的COM引脚相接，第三路与VCC电源端相接；所述芯片U2的HO引脚经电阻R3与MOS管Q3的栅极相接，所述芯片U2的LO引脚经电阻R4与MOS管Q4的栅极相接，所述 MOS管Q3的漏极与VDD电源端相接，所述MOS管Q3的源极与MOS管Q4的漏极相接，所述MOS管Q4的源极接地，所述芯片U2的VB引脚与电容C3的一端相接，电容C3的另一端分两路，一路与芯片U2的VS引脚相接，另一路与二极管D2的阴极相接，所述二极管D2的阳极分三路，一路与芯片U2的VCC 引脚相接，另一路经电容C4与芯片U2的COM引脚相接，第三路与VCC电源端相接。

实际使用时，芯片TL494的E2引脚输出上桥臂的驱动信号，上桥臂的驱动信号从芯片IR2110的HIN引脚输入；芯片TL494的E1引脚输出下桥臂的驱动信号，下桥臂的驱动信号从芯片IR2110的LIN引脚输入。单个芯片IR2110 只能驱动同一个桥臂上的两个开关管，由于原边逆变补偿电路4采用全桥结构，全桥结构包括四个开关管，所以需要两个芯片IR2110共同工作，将芯片 TL494产生的2路PWM信号进行放大和隔离，驱动全桥结构的MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4。

如图3所示，本实施例中，所述次级耦合器6为线圈T2。

如图3所示，本实施例中，所述副边整流补偿电路7为全波不控式整流电路，所述全波不控式整流电路由二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6组成，所述二极管D3的阳极与二极管D5的阴极相接，所述D3的阴极与二极管D4的阴极相接，所述二极管D4的阳极与二极管D6的阴极相接，所述二极管D6的阳极与二极管D5的阳极相接，所述二极管D3的阳极与二极管 D5的阴极的连接端经电容C7与线圈T2的一端相接，所述二极管D4的阳极与二极管D6的阴极的连接端与线圈T2的另一端相接。

实际使用时，在全波不控式整流电路中利用了次级耦合器6输出的两个交流半波，采用全波不控式整流电路，可以充分利用次级耦合器6的线圈感应电压，并使全波不控式整流电路输出的电流易于平滑，提高了副边整流补偿电路7的效率。

本实施例中，所述原边滤波电路2包括三端稳压器7815。

实际使用时，三端稳压器7815是一种常见的线性稳压器，降压范围宽，最小输入电压和最低输出电压之间有2V的压差，最高可达37V。外围电路简单，只需要少数几个元器件就可实现降压，完全满足设计要求。

具体实施时，海底观测网的水下电网铺设在水下环境，由于海底观测网的水下电网的一端与陆地相接，以接收来自陆地的电能，海底观测网的水下电网的另一端与电能发送端相接，将海底观测网直流电源1传输给电能发送端，由于电能发送端将海底观测网直流电源1经过控制驱动电路3来控制原边逆变补偿电路4中开关管的通断，以此将海底观测网直流电源1转换为高频交流电，由于控制驱动电路3和原边逆变补偿电路4的存在，会在电路中产生高次谐波，因此在控制驱动电路3的输入端加入原边滤波电路2，以防止高次谐波干扰海底观测网的水下电网上的其他用电设备。原边逆变补偿电路4将输出的交流电传输给初级耦合器5，初级耦合器5与次级耦合器6经过电磁感应，将初级耦合器5上的电能耦合到次级耦合器6上，次级耦合器 6输出的交流电经过副边整流补偿电路7整流成直流电，由于副边整流补偿电路7输出的直流电电压不稳，因此在副边整流补偿电路7的输出端设置副边滤波电路8，经过副边滤波电路8的滤波处理为负载9提供稳定可靠的直流电，从而实现水下非接触电能传输。

水下非接触电能传输技术主要依靠电磁场穿透周围环境介质,将电能从初级耦合器5经过介质再传送到次级耦合器6。水下环境对非接触电能传输系统来说主要的影响是环境介质的改变。淡水环境中，当系统的工作频率低于300kHz时，初级耦合器5和次级耦合器6之间的磁场分布不会产生太大的变化。但是深海海水的往往含有电解质成分，当非接触电能传输系统在深海环境中处于较高工作频率下，由于涡流现象导致的系统损耗现象将更为明显，因此当非接触电能传输系统在深海环境中时，工作频率不能超过100kHz。

以上所述，仅是本实用新型的实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种水下非接触电能传输装置，其特征在于：包括依次连接的海底观测网直流电源(1)、电能发送端和电能接收端，所述电能发送端包括依次连接的原边滤波电路(2)、控制驱动电路(3)、用于将直流电转换成高频交流电的原边逆变补偿电路(4)以及初级耦合器(5)，所述电能接收端包括依次连接的与初级耦合器(5)耦合的次级耦合器(6)、用于将交流电转换为直流电的副边整流补偿电路(7)和用于为负载(9)提供稳定可靠直流电的副边滤波电路(8)，所述初级耦合器(5)和次级耦合器(6)均位于水下环境，所述初级耦合器(5)和次级耦合器(6)之间的间隙不大于5mm，其中N_S表示次级耦合器(6)的线圈匝数，N_P表示初级耦合器(5)的线圈匝数。

2.按照权利要求1所述的一种水下非接触电能传输装置，其特征在于：所述控制驱动电路(3)包括芯片TL494和型号均为IR2110的芯片U1和芯片U2，所述芯片TL494的E2引脚分别与芯片U1的HIN引脚和芯片U2的HIN引脚相接，所述芯片TL494的E1引脚分别与芯片U1的LIN引脚和芯片U2的LIN引脚相接，所述芯片U1的HO引脚经电阻R1与原边逆变补偿电路(4)相接，所述芯片U1的LO引脚经电阻R2与原边逆变补偿电路(4)相接，所述芯片U1的VB引脚与电容C1的一端相接，电容C1的另一端分两路，一路与芯片U1的VS引脚相接，另一路与二极管D1的阴极相接，所述二极管D1的阳极分三路，一路与芯片U1的VCC引脚相接，另一路经电容C2与芯片U1的COM引脚相接，第三路与VCC电源端相接；所述芯片U2的HO引脚经电阻R3与原边逆变补偿电路(4)相接，所述芯片U2的LO引脚经电阻R4与原边逆变补偿电路(4)相接，所述芯片U2的VB引脚与电容C3的一端相接，电容C3的另一端分两路，一路与芯片U2的VS引脚相接，另一路与二极管D2的阴极相接，所述二极管D2的阳极分三路，一路与芯片U2的VCC引脚相接，另一路经电容C4与芯片U2的COM引脚相接，第三路与VCC电源端相接。

3.按照权利要求2所述的一种水下非接触电能传输装置，其特征在于：所述原边逆变补偿电路(4)为方波逆变电路，所述方波逆变电路包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4，所述MOS管Q1的栅极与芯片U1的HO引脚相接，所述MOS管Q1的源极分两路，一路与所述初级耦合器(5)的一端相接，另一路与MOS管Q2的漏极相接，所述MOS管Q2的栅极与芯片U1的LO引脚相接，所述MOS管Q1的漏极与VDD电源端相接，所述MOS管Q2的源极接地，所述MOS管Q3的栅极与芯片U2的HO引脚相接，所述MOS管Q3的源极分两路，一路与所述初级耦合器(5)的另一端相接，另一路与MOS管Q4的漏极相接，所述MOS管Q4的栅极与芯片U2的LO引脚相接，所述MOS管Q3的漏极与VDD电源端相接，所述MOS管Q4的源极接地。

4.按照权利要求1所述的一种水下非接触电能传输装置，其特征在于：所述副边整流补偿电路(7)为全波不控式整流电路，所述全波不控式整流电路由二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6组成，所述二极管D3的阳极与二极管D5的阴极相接，所述D3的阴极与二极管D4的阴极相接，所述二极管D4的阳极与二极管D6的阴极相接，所述二极管D6的阳极与二极管D5的阳极相接，所述二极管D3的阳极与二极管D5的阴极的连接端经电容C7与所述次级耦合器(6)的一端相接，所述二极管D4的阳极与二极管D6的阴极的连接端与所述次级耦合器(6)的另一端相接。

5.按照权利要求1所述的一种水下非接触电能传输装置，其特征在于：所述原边滤波电路(2)包括三端稳压器7815。