基本信息
- 项目名称：
- 非接触电能传输系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 非接触电能传输技术是通过电磁耦合以非接触式方式向负载传递能量的一项新技术。该技术利用现代功率变换技术、电磁感应技术，借助于现代控制技术，实现了从静止电源系统向相对静止或移动的用电设备以非接触方式进行的电能传输。
- 详细介绍：
- 电能是迄今为止人类文明史上最优质的能源。正是有赖于对电能的充分开发和利用，人类才得以进入如此发达的工业化和信息化社会。虽然人类在电能的生产、传输和利用方面已经取得了十分辉煌的成就，但是如何更加合理、高效、安全和方便地利用电能，仍然是需要解决的重大问题。 众所周知，电能的传输主要是由导线进行，电工设备的充电一般也是通过插头和插座来进行。但是在进行大功率充电时，这种充电方式存在高压触电的危险，且这种连接容易受到腐蚀、水、灰尘和污物的影响，由于存在摩擦和磨损，系统的安全性、可靠性及使用寿命也较低，特别是在化工、采矿等一些易燃、易爆领域极易引发事故 。另外，随着医学上人工器官以及体内诊疗装置的迅速发展，体内充电的要求变得更加迫切，而传统的电能传输方式需要用导线将体外与体内的装置直接连接，给病人带来了极大不便并易导致皮肤感染等痛苦 。非接触电能传输技术正是为了克服这些弊端而发展起来的一种基于电磁感应原理的新技术。 非接触电能传输技术将耦合器的磁路分开，原、副边绕组分别绕在不同的铁芯上，实现了在电源和负载之间非机械连接的电磁能量传递 ，克服了传统的导体接触传输方式带来的磨损、电击、火花、噪音等一系列缺点和不足。非接触电能传输系统供电的安全性、可靠性和灵活性决定了它的巨大市场潜力和经济效益。推广领域有：化工、矿井、油田钻采、水下供电、航空航天、机器人、医疗器械、手机无线充电、照明、家用电器以及交通运输等。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的： 设计一种不用机械接触便能实现电能可靠传输的系统，该系统发送机构和接收机构可以自由分开，供电安全、可靠、操作维护方便。 基本思路： 1. 根据非接触电能传输系统的实际应用，提出该类系统的设计原则，实现一套基于高频逆变原理的样机1。 2. 针对样机1所存在的问题，提出将单相矩阵变换器应用到非接触电能传输系统中，实现一套基于单相矩阵变换器的独立样机2。 3. 针对工作过程中因补偿电容的不同和负载的改变，从而导致传输功率和传输效率迅速降低的问题，提出基于锁相环的自适应谐振控制策略。 4. 针对传统电压型或电流型非接触电能传输系统只能进行向上或向下调功的问题，提出基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统，进而探讨阻抗源非接触电能传输系统的移相调功控制策略。 创新点： 1. 首次将单相矩阵变换器应用到非接触电能传输系统中，以此提高系统输入功率因数。 2. 首次在非接触电能传输系统中提出了自适应谐振技术的概念，保证系统始终具有最大的传输功率和传输效率。 3. 首次提出了基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统，进而提出了阻抗源非接触系统的移相调功控制策略，实现传输功率的双向调节。 技术指标： 1. 气隙大小：7mm； 2. 耦合器的耦合系数：0.4； 3. 开关频率：50-100kHz; 4. 输出功率：15w； 5. 传输效率：56%； 6. 输入功率因素：0.9； 7. 谐振参数变化时的调节速度：0.1ms。
科学性、先进性
- 1. 通过实验测试，基于单相矩阵变换器的非接触电能传输系统不仅可以使输入功率因数接近于1，而且可以减少中间环节的能量损耗，增大耦合器的能量传输密度。 2. 通过锁相环实现了非接触电能传输的自适应谐振控制；只需对逆变器的输出电压和电流进行检测，从而保证了系统接收和发送机构的可分离性。系统仿真和实验结果表明：该系统能够对原、副边所有元件参数的变化进行快速跟踪和调节，使整个系统工作在谐振状态，保证系统始终具有最大的传输功率和传输效率。 3. 针对传统电压型或电流型非接触电能传输系统只能进行单向调功的问题，首次提出了基于阻抗源逆变器的非接触电能传输系统，进而探讨了阻抗源非接触电能传输系统的移相调功控制策略，通过移相角的设定来减小系统的传输功率，同时通过在移相死区中加入直通时间，来增大系统的传输功率，实现传输功率的双向调节。实验结果证明了阻抗源非接触电能传输系统移相调功策略的可行性和优越性。
获奖情况及鉴定结果
- 基于该作品以第一作者发表的论文： 1. 小型非接触电能传输系统的设计与实现，电力电子技术2009年第一期发表。 2. 基于单相矩阵变换器的非接触电能传输系统的实验研究，被全国电工理论与新技术2009年学术年会收录，同时被《电力电子技术》期刊录用。 3. 用于非接触电能传输系统的自适应谐振技术原理， 电工电能新技术，已录用。 4. 基于移相控制的阻抗源非接触电能传输系统的调功分析，电工技术学报，已投稿，编号：X90789。 获得奖励： 09年6月5日，在**大学举行的第*届“挑战杯”**省大学生课外学术科技作品竞赛终审决赛答辩环节中，受到与会专家的好评，并取得省特等奖。 作品的评审和鉴定： 在2009年4月6日，*******成立项目验收组对课题“非接触电能传输系统的研究”进行了评审和鉴定。经专家组讨论表决，通过了对该课题组所取得的研究成果的验收，并认为部分成果达到了国内高等院校同类研究的先进水平。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
作品可展示的形式
- 实物、产品；图片；样品。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特定和优势： 1. 单相矩阵变换器在非接触电能传输系统中的应用，使系统输入功率因数得到了很大的提高；没有大容量的直流储能电容，减少了系统的体积。 2. 基于锁相环的自适应谐振技术的应用，只需对逆变器的输出电压和电流进行检测，从而保证了系统接收和发送机构的可分离性；也使该系统能够对原、副边所有元件参数的变化进行快速跟踪和调节，使系统始终具有最大的传输功率和传输效率。 3.阻抗源非接触电能传输系统通过移相角和直通角的设定，实现了传输功率的双向调节。解决了传统电压型或电流型非接触系统只能单相调功的弊端。 适应范围和推广前景：化工、油田钻采、水下供电、航空航天、机器人、医疗器械、手机无线充电、家用电器以及交通运输等。 市场分析和经济效益预测： 非接触电能传输克服了传统的导体接触传输方式带来的磨损、电击、火花、噪音等一系列缺点。系统供电的安全性、可靠性和灵活性决定了它的巨大市场潜力和经济效益。
同类课题研究水平概述
- 目前，国外学者对非接触电能传输技术进行了较深入的研究，已有一定的产品投入应用。而国内对该技术的研究起步较晚，离产业化还有很大差距。 目前，国内研究一方面主要集中在耦合器形状等因素对传输效率及系统稳定性的影响，文献《非接触感应电能传输系统可分离变压器特性分析》提出了基于U型铁芯的耦合器，通过增大耦合器的体积来实现高耦合系数；文献《透过皮肤的电磁耦合》提出了基于PCB线圈的耦合器，其体积较小，但在该篇文献中没有涉及电能的传输。 国内另一方面的研究主要集中在全桥逆变、半桥逆变等交－直－交变换原理的电路结构方面，还未见交-交变换原理应用到非接触系统的报道。在国外，目前也只有德国的Rudolf Mecke等发表了两篇关于三相－单相矩阵变换器应用于非接触电能传输系统的论文《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－单相高频矩阵变换器与非接触电能传输相结合的特别之处，但没有对系统中电能传输情况给出分析。 此外，国内只有两篇文献探讨了非接触系统中谐振控制方面的问题。文献《非接触电能传输系统恒流控制策略》提出了利用分段控制方法来调节控制脉冲的移相角，解决多负载切换过程中原边回路的电流变化问题，但此控制方法复杂，文中没能给出实验分析；文献《非接触电能传输系统的频率稳定性研究》提出了利用相控电感的动态调谐方式实时调节原边回路的等效固有谐振频率，但相控电感的控制算法过于复杂，并且只能在确定了负载变化范围后才能设计出使系统固有谐振频率保持稳定的调谐电路。 关于非接触电能传输系统的功率调节方面，也只有文献《非接触供电移相控制系统建模研究》对此问题进行了探讨。文中提出了电流型非接触系统的移相控制策略，通过调整全桥逆变器的桥壁直通时间来控制系统的传输功率。但由于电流源逆变器的负载只能是电容性，而非接触电能传输系统的等效负载为阻感性，导致文中系统只能在全谐振或准谐振的状态下工作；另外，文中设计的系统只能对传输功率进行提升，无法在需要双向调功的场合应用。
