基本信息
- 項目名稱：
- 非接觸電能傳輸系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 非接觸電能傳輸技術是通過電磁耦合以非接觸式方式向負載傳遞能量的一項新技術。該技術利用現(xiàn)代功率變換技術、電磁感應技術，借助于現(xiàn)代控制技術，實現(xiàn)了從靜止電源系統(tǒng)向相對靜止或移動的用電設備以非接觸方式進行的電能傳輸。
- 詳細介紹：
- 電能是迄今為止人類文明史上最優(yōu)質(zhì)的能源。正是有賴于對電能的充分開發(fā)和利用，人類才得以進入如此發(fā)達的工業(yè)化和信息化社會。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線進行，電工設備的充電一般也是通過插頭和插座來進行。但是在進行大功率充電時，這種充電方式存在高壓觸電的危險，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、易爆領域極易引發(fā)事故 。另外，隨著醫(yī)學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致皮膚感染等痛苦 。非接觸電能傳輸技術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原理的新技術。 非接觸電能傳輸技術將耦合器的磁路分開，原、副邊繞組分別繞在不同的鐵芯上，實現(xiàn)了在電源和負載之間非機械連接的電磁能量傳遞 ，克服了傳統(tǒng)的導體接觸傳輸方式帶來的磨損、電擊、火花、噪音等一系列缺點和不足。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潛力和經(jīng)濟效益。推廣領域有：化工、礦井、油田鉆采、水下供電、航空航天、機器人、醫(yī)療器械、手機無線充電、照明、家用電器以及交通運輸?shù)取?
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 設計目的： 設計一種不用機械接觸便能實現(xiàn)電能可靠傳輸?shù)南到y(tǒng)，該系統(tǒng)發(fā)送機構和接收機構可以自由分開，供電安全、可靠、操作維護方便。 基本思路： 1. 根據(jù)非接觸電能傳輸系統(tǒng)的實際應用，提出該類系統(tǒng)的設計原則，實現(xiàn)一套基于高頻逆變原理的樣機1。 2. 針對樣機1所存在的問題，提出將單相矩陣變換器應用到非接觸電能傳輸系統(tǒng)中，實現(xiàn)一套基于單相矩陣變換器的獨立樣機2。 3. 針對工作過程中因補償電容的不同和負載的改變，從而導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)的自適應諧振控制策略。 4. 針對傳統(tǒng)電壓型或電流型非接觸電能傳輸系統(tǒng)只能進行向上或向下調(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： 1. 首次將單相矩陣變換器應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)中提出了自適應諧振技術的概念，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)，進而提出了阻抗源非接觸系統(tǒng)的移相調(diào)功控制策略，實現(xiàn)傳輸功率的雙向調(diào)節(jié)。 技術指標： 1. 氣隙大?。?mm； 2. 耦合器的耦合系數(shù)：0.4； 3. 開關頻率：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)變化時的調(diào)節(jié)速度：0.1ms。
科學性、先進性
- 1. 通過實驗測試，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)實現(xiàn)了非接觸電能傳輸?shù)淖赃m應諧振控制；只需對逆變器的輸出電壓和電流進行檢測，從而保證了系統(tǒng)接收和發(fā)送機構的可分離性。系統(tǒng)仿真和實驗結果表明：該系統(tǒng)能夠對原、副邊所有元件參數(shù)的變化進行快速跟蹤和調(diào)節(jié)，使整個系統(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. 針對傳統(tǒng)電壓型或電流型非接觸電能傳輸系統(tǒng)只能進行單向調(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，通過移相角的設定來減小系統(tǒng)的傳輸功率，同時通過在移相死區(qū)中加入直通時間，來增大系統(tǒng)的傳輸功率，實現(xiàn)傳輸功率的雙向調(diào)節(jié)。實驗結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。
獲獎情況及鑒定結果
- 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)的設計與實現(xiàn)，電力電子技術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)的實驗研究，被全國電工理論與新技術2009年學術年會收錄，同時被《電力電子技術》期刊錄用。 3. 用于非接觸電能傳輸系統(tǒng)的自適應諧振技術原理， 電工電能新技術，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，電工技術學報，已投稿，編號：X90789。 獲得獎勵： 09年6月5日，在**大學舉行的第*屆“挑戰(zhàn)杯”**省大學生課外學術科技作品競賽終審決賽答辯環(huán)節(jié)中，受到與會專家的好評，并取得省特等獎。 作品的評審和鑒定： 在2009年4月6日，*******成立項目驗收組對課題“非接觸電能傳輸系統(tǒng)的研究”進行了評審和鑒定。經(jīng)專家組討論表決，通過了對該課題組所取得的研究成果的驗收，并認為部分成果達到了國內(nèi)高等院校同類研究的先進水平。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；圖片；樣品。
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術特定和優(yōu)勢： 1. 單相矩陣變換器在非接觸電能傳輸系統(tǒng)中的應用，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能電容，減少了系統(tǒng)的體積。 2. 基于鎖相環(huán)的自適應諧振技術的應用，只需對逆變器的輸出電壓和電流進行檢測，從而保證了系統(tǒng)接收和發(fā)送機構的可分離性；也使該系統(tǒng)能夠對原、副邊所有元件參數(shù)的變化進行快速跟蹤和調(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定，實現(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。 適應范圍和推廣前景：化工、油田鉆采、水下供電、航空航天、機器人、醫(yī)療器械、手機無線充電、家用電器以及交通運輸?shù)取? 市場分析和經(jīng)濟效益預測： 非接觸電能傳輸克服了傳統(tǒng)的導體接觸傳輸方式帶來的磨損、電擊、火花、噪音等一系列缺點。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潛力和經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 目前，國外學者對非接觸電能傳輸技術進行了較深入的研究，已有一定的產(chǎn)品投入應用。而國內(nèi)對該技術的研究起步較晚，離產(chǎn)業(yè)化還有很大差距。 目前，國內(nèi)研究一方面主要集中在耦合器形狀等因素對傳輸效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，文獻《非接觸感應電能傳輸系統(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現(xiàn)高耦合系數(shù)；文獻《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，但在該篇文獻中沒有涉及電能的傳輸。 國內(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構方面，還未見交-交變換原理應用到非接觸系統(tǒng)的報道。在國外，目前也只有德國的Rudolf Mecke等發(fā)表了兩篇關于三相－單相矩陣變換器應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合的特別之處，但沒有對系統(tǒng)中電能傳輸情況給出分析。 此外，國內(nèi)只有兩篇文獻探討了非接觸系統(tǒng)中諧振控制方面的問題。文獻《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，解決多負載切換過程中原邊回路的電流變化問題，但此控制方法復雜，文中沒能給出實驗分析；文獻《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態(tài)調(diào)諧方式實時調(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雜，并且只能在確定了負載變化范圍后才能設計出使系統(tǒng)固有諧振頻率保持穩(wěn)定的調(diào)諧電路。 關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《非接觸供電移相控制系統(tǒng)建模研究》對此問題進行了探討。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間來控制系統(tǒng)的傳輸功率。但由于電流源逆變器的負載只能是電容性，而非接觸電能傳輸系統(tǒng)的等效負載為阻感性，導致文中系統(tǒng)只能在全諧振或準諧振的狀態(tài)下工作；另外，文中設計的系統(tǒng)只能對傳輸功率進行提升，無法在需要雙向調(diào)功的場合應用。
