水下单线电能传输机理分析及实验研究

为了实现缆系水下感知平台挂载传感器的低成本、非接触全天候供电,提出了一种以系泊缆和开放海水构成电能传输链路的水下单线电能传输系统。首先从电磁波在系泊缆和海水中的传播机理进行了分析,建立了麦克斯韦方程组并通过分析得到了电磁波束缚在系泊缆表面传播的结论;然后使用Ansys/HFSS软件建立了系泊缆在海水中的模型,仿真得到了电磁场分布情况以及坡印廷矢量分布情况,验证了理论分析的正确性;最后搭建了50 m单线电能传输实验样机,在海水中进行了电能传输实验。实验结果表明,提出的水下单线电能传输系统最高可以实现187 W的电能传输,系统最大效率可达49.2%,证明水下单线电能传输系统具有为缆系水下感知平台挂载传感器非接触供电的可行性。

自主水下机器人非接触电能传输系统研究

针对自主水下机器人(AUV)水下接触式充电存在的问题,提出基于电磁耦合的非接触式水下充电方法。建立了基于松耦合变压器的水下非接触式电能传输系统电路模型,分析了电能传输效率的影响因素,实验测试了不同间隙介质和间隙距离对传输效率的影响规律。

基于模块堆叠的同步整流变换器

针对水下远距离高压直流电能传输的海底观测网络,设计了一套装备在观测网节点上的2 000 V DC/400 V DC@2 kW的高低压直流电能变换器。基于海底应用的特殊场合,提出了具有高可靠性和高冗余度的多模块堆叠构建方式。根据电源变换理论,分析了单个基于PWM控制的功率模块的输入/输出动态特性,以及5个模块通过输入级串联输出级并联堆叠组合后产生的不稳定问题,并针对该问题采用了基于峰值电流控制策略的单一控制器来提供同步PWM信号,所有模块基于同步信号驱动整流,实现自然均压、均流和冗余。进行了样机的半载启动和稳态运行测试、冗余特性测试和水池观测系统应用测试等试验,试验结果表明基于模块堆叠和单一控制器同步整流的方法构建的高压直流变换器能够应用于水下观测系统。