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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 非接觸電能傳輸系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 非接觸電能傳輸技術(shù)是通過電磁耦合以非接觸式方式向負(fù)載傳遞能量的一項(xiàng)新技術(shù)。該技術(shù)利用現(xiàn)代功率變換技術(shù)、電磁感應(yīng)技術(shù)，借助于現(xiàn)代控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從靜止電源系統(tǒng)向相對(duì)靜止或移動(dòng)的用電設(shè)備以非接觸方式進(jìn)行的電能傳輸。
- 詳細(xì)介紹：
- 電能是迄今為止人類文明史上最優(yōu)質(zhì)的能源。正是有賴于對(duì)電能的充分開發(fā)和利用，人類才得以進(jìn)入如此發(fā)達(dá)的工業(yè)化和信息化社會(huì)。雖然人類在電能的生產(chǎn)、傳輸和利用方面已經(jīng)取得了十分輝煌的成就，但是如何更加合理、高效、安全和方便地利用電能，仍然是需要解決的重大問題。 眾所周知，電能的傳輸主要是由導(dǎo)線進(jìn)行，電工設(shè)備的充電一般也是通過插頭和插座來進(jìn)行。但是在進(jìn)行大功率充電時(shí)，這種充電方式存在高壓觸電的危險(xiǎn)，且這種連接容易受到腐蝕、水、灰塵和污物的影響，由于存在摩擦和磨損，系統(tǒng)的安全性、可靠性及使用壽命也較低，特別是在化工、采礦等一些易燃、易爆領(lǐng)域極易引發(fā)事故 。另外，隨著醫(yī)學(xué)上人工器官以及體內(nèi)診療裝置的迅速發(fā)展，體內(nèi)充電的要求變得更加迫切，而傳統(tǒng)的電能傳輸方式需要用導(dǎo)線將體外與體內(nèi)的裝置直接連接，給病人帶來了極大不便并易導(dǎo)致皮膚感染等痛苦 。非接觸電能傳輸技術(shù)正是為了克服這些弊端而發(fā)展起來的一種基于電磁感應(yīng)原理的新技術(shù)。 非接觸電能傳輸技術(shù)將耦合器的磁路分開，原、副邊繞組分別繞在不同的鐵芯上，實(shí)現(xiàn)了在電源和負(fù)載之間非機(jī)械連接的電磁能量傳遞 ，克服了傳統(tǒng)的導(dǎo)體接觸傳輸方式帶來的磨損、電擊、火花、噪音等一系列缺點(diǎn)和不足。非接觸電能傳輸系統(tǒng)供電的安全性、可靠性和靈活性決定了它的巨大市場(chǎng)潛力和經(jīng)濟(jì)效益。推廣領(lǐng)域有：化工、礦井、油田鉆采、水下供電、航空航天、機(jī)器人、醫(yī)療器械、手機(jī)無線充電、照明、家用電器以及交通運(yùn)輸?shù)取?
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)目的： 設(shè)計(jì)一種不用機(jī)械接觸便能實(shí)現(xiàn)電能可靠傳輸?shù)南到y(tǒng)，該系統(tǒng)發(fā)送機(jī)構(gòu)和接收機(jī)構(gòu)可以自由分開，供電安全、可靠、操作維護(hù)方便。 基本思路： 1. 根據(jù)非接觸電能傳輸系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，提出該類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)一套基于高頻逆變?cè)淼臉訖C(jī)1。 2. 針對(duì)樣機(jī)1所存在的問題，提出將單相矩陣變換器應(yīng)用到非接觸電能傳輸系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)一套基于單相矩陣變換器的獨(dú)立樣機(jī)2。 3. 針對(duì)工作過程中因補(bǔ)償電容的不同和負(fù)載的改變，從而導(dǎo)致傳輸功率和傳輸效率迅速降低的問題，提出基于鎖相環(huán)的自適應(yīng)諧振控制策略。 4. 針對(duì)傳統(tǒng)電壓型或電流型非接觸電能傳輸系統(tǒng)只能進(jìn)行向上或向下調(diào)功的問題，提出基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，進(jìn)而探討阻抗源非接觸電能傳輸系統(tǒng)的移相調(diào)功控制策略。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1. 首次將單相矩陣變換器應(yīng)用到非接觸電能傳輸系統(tǒng)中，以此提高系統(tǒng)輸入功率因數(shù)。 2. 首次在非接觸電能傳輸系統(tǒng)中提出了自適應(yīng)諧振技術(shù)的概念，保證系統(tǒng)始終具有最大的傳輸功率和傳輸效率。 3. 首次提出了基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，進(jìn)而提出了阻抗源非接觸系統(tǒng)的移相調(diào)功控制策略，實(shí)現(xiàn)傳輸功率的雙向調(diào)節(jié)。 技術(shù)指標(biāo)： 1. 氣隙大小：7mm； 2. 耦合器的耦合系數(shù)：0.4； 3. 開關(guān)頻率：50-100kHz; 4. 輸出功率：15w； 5. 傳輸效率：56%； 6. 輸入功率因素：0.9； 7. 諧振參數(shù)變化時(shí)的調(diào)節(jié)速度：0.1ms。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1. 通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，基于單相矩陣變換器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)不僅可以使輸入功率因數(shù)接近于1，而且可以減少中間環(huán)節(jié)的能量損耗，增大耦合器的能量傳輸密度。 2. 通過鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)了非接觸電能傳輸?shù)淖赃m應(yīng)諧振控制；只需對(duì)逆變器的輸出電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)，從而保證了系統(tǒng)接收和發(fā)送機(jī)構(gòu)的可分離性。系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?qū)υ?、副邊所有元件參?shù)的變化進(jìn)行快速跟蹤和調(diào)節(jié)，使整個(gè)系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)，保證系統(tǒng)始終具有最大的傳輸功率和傳輸效率。 3. 針對(duì)傳統(tǒng)電壓型或電流型非接觸電能傳輸系統(tǒng)只能進(jìn)行單向調(diào)功的問題，首次提出了基于阻抗源逆變器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，進(jìn)而探討了阻抗源非接觸電能傳輸系統(tǒng)的移相調(diào)功控制策略，通過移相角的設(shè)定來減小系統(tǒng)的傳輸功率，同時(shí)通過在移相死區(qū)中加入直通時(shí)間，來增大系統(tǒng)的傳輸功率，實(shí)現(xiàn)傳輸功率的雙向調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了阻抗源非接觸電能傳輸系統(tǒng)移相調(diào)功策略的可行性和優(yōu)越性。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 基于該作品以第一作者發(fā)表的論文： 1. 小型非接觸電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，電力電子技術(shù)2009年第一期發(fā)表。 2. 基于單相矩陣變換器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，被全國(guó)電工理論與新技術(shù)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)收錄，同時(shí)被《電力電子技術(shù)》期刊錄用。 3. 用于非接觸電能傳輸系統(tǒng)的自適應(yīng)諧振技術(shù)原理， 電工電能新技術(shù)，已錄用。 4. 基于移相控制的阻抗源非接觸電能傳輸系統(tǒng)的調(diào)功分析，電工技術(shù)學(xué)報(bào)，已投稿，編號(hào)：X90789。 獲得獎(jiǎng)勵(lì)： 09年6月5日，在**大學(xué)舉行的第*屆“挑戰(zhàn)杯”**省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽終審決賽答辯環(huán)節(jié)中，受到與會(huì)專家的好評(píng)，并取得省特等獎(jiǎng)。 作品的評(píng)審和鑒定： 在2009年4月6日，*******成立項(xiàng)目驗(yàn)收組對(duì)課題“非接觸電能傳輸系統(tǒng)的研究”進(jìn)行了評(píng)審和鑒定。經(jīng)專家組討論表決，通過了對(duì)該課題組所取得的研究成果的驗(yàn)收，并認(rèn)為部分成果達(dá)到了國(guó)內(nèi)高等院校同類研究的先進(jìn)水平。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品；圖片；樣品。
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特定和優(yōu)勢(shì)： 1. 單相矩陣變換器在非接觸電能傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，使系統(tǒng)輸入功率因數(shù)得到了很大的提高；沒有大容量的直流儲(chǔ)能電容，減少了系統(tǒng)的體積。 2. 基于鎖相環(huán)的自適應(yīng)諧振技術(shù)的應(yīng)用，只需對(duì)逆變器的輸出電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)，從而保證了系統(tǒng)接收和發(fā)送機(jī)構(gòu)的可分離性；也使該系統(tǒng)能夠?qū)υ?、副邊所有元件參?shù)的變化進(jìn)行快速跟蹤和調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)始終具有最大的傳輸功率和傳輸效率。 3.阻抗源非接觸電能傳輸系統(tǒng)通過移相角和直通角的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了傳輸功率的雙向調(diào)節(jié)。解決了傳統(tǒng)電壓型或電流型非接觸系統(tǒng)只能單相調(diào)功的弊端。 適應(yīng)范圍和推廣前景：化工、油田鉆采、水下供電、航空航天、機(jī)器人、醫(yī)療器械、手機(jī)無線充電、家用電器以及交通運(yùn)輸?shù)取? 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)： 非接觸電能傳輸克服了傳統(tǒng)的導(dǎo)體接觸傳輸方式帶來的磨損、電擊、火花、噪音等一系列缺點(diǎn)。系統(tǒng)供電的安全性、可靠性和靈活性決定了它的巨大市場(chǎng)潛力和經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 目前，國(guó)外學(xué)者對(duì)非接觸電能傳輸技術(shù)進(jìn)行了較深入的研究，已有一定的產(chǎn)品投入應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究起步較晚，離產(chǎn)業(yè)化還有很大差距。 目前，國(guó)內(nèi)研究一方面主要集中在耦合器形狀等因素對(duì)傳輸效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，文獻(xiàn)《非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)可分離變壓器特性分析》提出了基于U型鐵芯的耦合器，通過增大耦合器的體積來實(shí)現(xiàn)高耦合系數(shù)；文獻(xiàn)《透過皮膚的電磁耦合》提出了基于PCB線圈的耦合器，其體積較小，但在該篇文獻(xiàn)中沒有涉及電能的傳輸。 國(guó)內(nèi)另一方面的研究主要集中在全橋逆變、半橋逆變等交－直－交變換原理的電路結(jié)構(gòu)方面，還未見交-交變換原理應(yīng)用到非接觸系統(tǒng)的報(bào)道。在國(guó)外，目前也只有德國(guó)的Rudolf Mecke等發(fā)表了兩篇關(guān)于三相－單相矩陣變換器應(yīng)用于非接觸電能傳輸系統(tǒng)的論文《Bidirectional switches for matrix converter in contactless energy transmission systems》和《Matrix converter with advanced control for contactless energy transmission》。文中研究了三相－單相高頻矩陣變換器與非接觸電能傳輸相結(jié)合的特別之處，但沒有對(duì)系統(tǒng)中電能傳輸情況給出分析。 此外，國(guó)內(nèi)只有兩篇文獻(xiàn)探討了非接觸系統(tǒng)中諧振控制方面的問題。文獻(xiàn)《非接觸電能傳輸系統(tǒng)恒流控制策略》提出了利用分段控制方法來調(diào)節(jié)控制脈沖的移相角，解決多負(fù)載切換過程中原邊回路的電流變化問題，但此控制方法復(fù)雜，文中沒能給出實(shí)驗(yàn)分析；文獻(xiàn)《非接觸電能傳輸系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性研究》提出了利用相控電感的動(dòng)態(tài)調(diào)諧方式實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)原邊回路的等效固有諧振頻率，但相控電感的控制算法過于復(fù)雜，并且只能在確定了負(fù)載變化范圍后才能設(shè)計(jì)出使系統(tǒng)固有諧振頻率保持穩(wěn)定的調(diào)諧電路。 關(guān)于非接觸電能傳輸系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)方面，也只有文獻(xiàn)《非接觸供電移相控制系統(tǒng)建模研究》對(duì)此問題進(jìn)行了探討。文中提出了電流型非接觸系統(tǒng)的移相控制策略，通過調(diào)整全橋逆變器的橋壁直通時(shí)間來控制系統(tǒng)的傳輸功率。但由于電流源逆變器的負(fù)載只能是電容性，而非接觸電能傳輸系統(tǒng)的等效負(fù)載為阻感性，導(dǎo)致文中系統(tǒng)只能在全諧振或準(zhǔn)諧振的狀態(tài)下工作；另外，文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)只能對(duì)傳輸功率進(jìn)行提升，無法在需要雙向調(diào)功的場(chǎng)合應(yīng)用。
