水下景观灯无线供电系统研制Word文档格式.docx
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CollegeofAutomationofChongqingUniversity,Chongqing,China
April,2016
中文摘要
摘 要
随着人们思想意识、生活方式的不断改变，人们对于城市生活质量的要求越来越高，传统的单功能路灯已不能满足人们的需求。
景观照明以其独特的艺术魅力正在吸引大众的目光，并越来越受到人们的青睐。
目前，水下景观灯普遍采用线缆供电方式，由于其所处环境恶劣，该供电方式必然会限制水下灯的防护强度，产生供电安全隐患、布线施工困难以及后期维护麻烦等不可避免的缺点。
电磁感应耦合能量传输（InductiveCoupledPowerTransfer，ICPT）技术能够通过空间磁场耦合的方式实现电能从静止电网向用电设备的非接触传输，从而解决了传统供电方式存在的上述问题，迎合了人们对日常生活中的电气设备安全高效性、灵活性和智能化的需求，为景观灯的研究和发展开拓了一种新思路。
ICPT基于法拉第电磁感应原理，综合利用电力电子能量变换技术、磁场耦合技术以及现代控制理论和方法等，以其原理简单、容易实现、近距离传输效率高、传输功率大等特点，越来越受到工业界和学术界的广泛关注，成为研究热点。
因此本文主要基于ICPT技术原理和控制方法，研究适用于中小功率等级ICPT系统的设计流程和方案，并研制出一款100W的无线供电系统，实现电能的非接触传输。
在研究过程中，作者主要做了以下工作：
①对ICPT系统的基本结构和原理做了简要介绍，分析了该无线供电系统的技术需求，确定了系统的电路结构。
②分析对比了几种高频逆变电路、谐振网络模型、整流滤波电路以及稳压电路的优缺点和适用情况，设计了系统的主电路。
③设计出系统的耦合机构，用mathcad软件建立了系统的数学公式，计算出系统工作时的电路参数，并研究了系统的电路参数设计和器件选型。
④设计了系统保护电路、驱动电路、控制电路等辅助电路。
⑤用simulink软件仿真出系统的控制效果，并搭建实验平台对系统进行了功能性验证。
关键词：
水下灯，无线供电，ICPT，系统设计，器件选型
III
英文摘要
ABSTRACT
Withthechangeofpeople'
sideologyandlifestyle,peopledemandmuchmoreonthequalityofurbanlife,andthetraditionalstreetlampwithsinglefunctioncannotmeetpeople'
sneeds.Landscapelightingisattractingthepublic'
sattentionandincreasinglyfavoredwithitsuniqueartisticcharm.Atpresent,cablepowersupplyisuniversalappliedtoUnderwaterLandscapeLight.Butthismethodhasmanyinvincibleshortcomingsduetoitsbadenvironment,suchaslimitedprotectionstrengthofunderwaterlight,powersupplysecurityrisks,wiringconstructiondifficulties,latemaintenancetrouble.InductiveCoupledPowerTransfer（ICPT）canrealizecontactlesspowertransferfromstationarysourcetoelectricequipmentthroughcouplingmagnetic,thatsolvedaboveproblemsinthetraditionalpowersupplymode.TheICPTtechmeetstheneedsofelectricalequipmentsafety,effciency,flexibilityandintelligenceinpeople’sdailylife,andithasdeepinfluenceonthedevelopmentoflandscapelight.
ICPTtechnologyisbasedonFaraday’selectromagneticinductionlaw,itcombinesofpowerelectronicsconverttechnology,magneticcouplingtechnologyandmoderncontroltheoryandmethods.ICPThasincreasinglyreceivedwideattentionintheindustryandacademiawithitsfeature,suchassimpleprinciple,easytoimplement,hightransmissionefficiencyintheneardistanceandlargetransmissionpower,andICPTtechnologyhasbeenapopularresearchproject.Therefore,thispaperstudiedadesignflowandmethodforsmallandmedium-sizedpowerlevelICPTsystem,and100Wwirelesspowersupplysystemisdevelopedtoachievethepowerwirelesstransmission,whichmainlybasedontheICPTtechnologyprincipleandcontrolmethod.
Themainworksofthepaperinclude:
①Firstly,thepaperdescribedthefundamentalstructureandprincipleofICPTsystem,andthetechnicalrequirementsofwirelesspowersupplysystemisanalyzedtodeterminecircuitstructureofthesystem.
②Secondly,comparisonandanalysisaremadeonadvantagesanddisadvantages
ofseveralhighfrequencyinvertercircuit,resonantnetworkmodel,rectifierandfiltercircuit,andvoltagestabilizingcircuit,thataimingatthedesignofmaincircuitofthesystem.
③Thirdly,thedesignofcouplingmechanismofthesystemisintroducedinthis
paper,andthemathematicalformulaofthesystemisestablishedwithMathcadsoftwaretostudyparameterdesignandcomponentsselectionofthecircuit.
④ Fourthly,thesystemprotectioncircuit,drivingcircuitandotherauxiliary
circuitsaredesignedinthispaper.
⑤Finally,thepapersimulatedthecontroleffectofthesystemwithSimulinksoftwareandsetuptheexperimentalplatformtoverifythefunctionofthesystem.
Keywords:
underwaterlight,wirelesspowersupply,InductiveCoupledPowerTransfer,systemdesign,componentsselection
目
录
目 录
V
中文摘要 I
英文摘要 II
1绪论 1
1.1论文的研究背景 1
1.2ICPT技术在各领域内的应用 2
1.3国内外研究现状 4
1.3.1国外研究现状 4
1.3.2国内研究现状 4
1.4课题研究目的及意义 5
1.5论文主要内容及结构 6
1.6本章小结 7
2无线供电系统的基本电路及需求分析 8
2.1引言 8
2.2ICPT系统的基本结构 8
2.3系统需求分析 9
2.3.1项目规格说明 9
2.3.2系统基本组成电路 11
2.4高频逆变电路分析 11
2.4.1逆变电源分类 11
2.4.2逆变电路拓扑分类 12
2.5谐振网络分析 13
2.5.1原边谐振补偿网络 14
2.5.2副边谐振补偿网络 16
2.6整流滤波电路分析 17
2.7稳压电路分析 18
2.8本章小结 19
3系统硬件结构及参数设计 21
3.1引言 21
3.2磁耦合机构设计 21
3.2.1磁耦合机构的结构 21
3.2.2耦合线圈的主要参数 24
3.2.3利兹线规格选择 26
3.3主电路设计 27
3.3.1主电路拓扑选型与设计 27
3.3.2SP型谐振网络建模 28
3.3.3主电路器件选型及参数设计 31
3.4本章小结 33
4系统保护电路、控制电路及其他辅助电路设计 34
4.1引言 34
4.2保护电路 34
4.2.1开关管保护电路 34
4.2.2过电压保护 36
4.2.3过电流保护 36
4.2.4过热保护 37
4.3控制电路 37
4.3.1控制原理 37
4.3.2控制电路设计 37
4.4驱动电路 38
4.5辅助电路 39
4.5.1辅助电源 39
4.5.2I/O电路 40
4.6本章小结 40
5系统仿真及实验验证 41
5.1引言 41
5.2磁耦合机构仿真 41
5.3系统simulink仿真 43
5.4电路搭建及实验结果 47
5.5本章小结 49
6结论与展望 50
致 谢 52
参考文献 53
附 录 57
A.作者在攻读学位期间承担或参与的科研项目目录 57
B.作者在攻读学位期间获奖情况 57
1 绪论
1.1论文的研究背景
随着社会经济的发展，人们思想意识、生活方式的不断改变，人们对于城市的生活质量要求越来越高，传统的单功能照明即路灯已不能满足人们的需求。
近年来，灯具、光源、风格与设计方式都发生了很大的变化，水下景观照明这一新生事物在国内应运而生，成功应用在公园、广场、喷泉、街道雕塑等环境中，并逐步发展为城市环境艺术的综合性照明体系，成为城市的一道靓丽风景线，如图
1.1所示。
随着夜景工程的大力建设，各类水下灯具在夜景工程中的应用日益普遍，引起了照明届人士的广泛关注。
目前，国内外市场上已有诸多照明厂商的水下灯产品在售，如雷士、飞利浦、TCL、欧普和松下等；
此外，其他高新企业也逐渐将目光投向水下景观灯的研究，为景观照明行业的向前发展助力。
（a）应用于地面的景观照明 （b）应用于音乐喷泉的景观照明
图1.1景观照明的应用
Fig.1.1Applicationoflandscapelighting
然而，水下景观灯的研究及推广范围却并不大，主要受其供电所处的环境条件恶劣复杂、水下灯防护强度弱以及安装施工和后期维护困难等因素的制约，这就要求从景观灯自身结构出发，改变其传统供电方式。
目前，水下灯主要通过传统的供电线缆进行传导式供电，传导式供电方式具有电能传输效率高、技术成熟等优点，但该种供电方式存在以下突出弊端：
①部分线缆必然会裸露在灯体外面，限制了水下灯的IP等级和防护强度。
②水下恶劣的工作环境带来巨大的安全隐患，水是电的良导体，系统中有任何极少量的水渗漏，将导致其瘫痪。
③水下布线十分困难，不仅要求有序美观，其接插件密封防水也极其复杂。
9
④维护时间和成本较大，一旦水下灯损坏，需要把水放净后才能修理。
无线电能传输技术（WirelessPowerTransfer，WPT）可以实现电源与用电设备之间的非接触式能量传输，目前能够实现无线电能传输的方式主要有微波、激光、电磁感应耦合、磁耦合谐振、电场耦合等，可实现不同距离、不同功率的能量传输，如图1.2所示。
其中，基于电磁感应耦合的无线电能传输技术（InductiveCoupledPowerTransfer，ICPT）是WPT研究领域里研究时间最长、技术最为成熟的一种技术，它拥有原理简单、容易实现、传输距离范围宽、近距离效率高等优点，故其在很多领域都得到了应用[1]。
基于ICPT技术的景观灯无线供电方式可以很好地解决传导式供电方式存在的上述问题，由于电源电能输出端与景观灯电能输入端之间实现完全的电气隔离，故不存在密封方式复杂、接插件裸露、线缆磨损、供电环境杂乱、维护困难等弊端。
图1.2WPT技术实现方式
Fig.1.2WPTtechnologyrealizationway
1.2ICPT技术在各领域内的应用
近年来，世界各国研究人员开展了ICPT技术在各个应用领域的研究，其涉及到的领域日渐广阔，其中主要有交通运输、生物医学、家用电子以及工业应用等领域，分别叙述如下：
第一，交通运输领域。
近年来，由于煤、石油等能源危机和人们对环境意识的不断加强，由于电动汽车具有绿色、环保等优势，能够实现尾气零排放，社会对于电动汽车的关注度越来越高。
目前，电动汽车的充电主要通过各类充电桩来实现，但电动汽车作为智能电网的一个重要组成部分，一旦规模化的使用并同时进行充放电，必然会对电网带来一定的冲击，而ICPT技术在一定程度上提高了电网与电动汽车间的互动能力，不仅大大降低了电动汽车对电池容量的要求，还分散了电动汽车充电的集中程度，缓解其对电网的冲击影响。
从国外车企来看，奔驰、宝马、奥迪等传统汽车品牌都开始着手研发旗下电动车的无线充电系统，宝马和戴姆勒研发的无线充电系统充电速率可达3.6kW每
小时，未来则有望提升至7kW每小时，宝马称这一系统的充电效率可达到90%以上。
特斯拉是世界上第一辆可以进行无线充电的汽车，作为电动汽车界的新贵已经成功吸引了大多数人的注意，并且特斯拉正计划建立一张张公路充电网，以保证电动汽车在行驶过程中电力充足。
在瑞典，沃尔沃集团和瑞典能源局、电力公司正在通力合作在公路上铺设电源线，便于电动汽车驶过时即可获得电力供应。
国内中兴通讯2014年9月在湖北襄阳发布了大功率无线充电公交示范线，10月在成都西博会展示了无线充电纯电动巴士。
重庆大学电力电子与控制工程研究所自2002年开始研究给汽车充电的“大功率无线电能充电传输装置”，并建立了国内首个企业联合研发实验室以及首个无线电能传输技术国际联合研发中心，经过15年的不懈努力，取得了大量理论和技术成果，目前该项技术已经成熟，为电动汽车的大范围使用扫清了障碍。
第二，生物医学领域。
人体植入式医疗设备也是ICPT技术应用的热点之一，
ICPT技术解决了传统人体内置电子设备备有电池的缺陷，避免了电池泄露、污染和更换等对人体造成的安全隐患，目前在诸如人工心脏、神经刺激器、心脏起搏器、人工耳蜗中有极大的应用研究。
此外，便携式医疗设备也需要此项技术的普及，来为整个医疗过程提供便利。
第三，智能家居与消费电子领域。
为解决传统家用电器供电线缆布线杂乱、不安全等问题，无尾家电的概念被研究人员提出，该方案可为人们带来极为简单舒适的生活体验。
海尔集团2012年8月全球首发引导厨房革命的创新型电器，目前海尔无尾电饭煲和无尾搅拌机已经上市，其它产品诸如咖啡机、电水壶、豆浆机等无尾小家电也将陆续上市，届时，将为每个家庭打造一个完全没有“牵绊”的厨房。
智能手机作为当前最为普及的消费电子，电池电量的消耗是最被诟病的，也是ICPT技术的应用使智能手机不在拘束于用数据线充电。
诺基亚是最早推出可无线充电手机产品的制造商，三年前上市的Lumia920、Lumia930一大卖点就是内置了Qi无线充电技术。
之后三星、HTC、谷歌等也陆续在其产品中内置无线充电技术，如SamsungGALAXYS6、HTCDroidDNA、LGNexus4等。
第四，工业领域，ICPT技术在工业应用中也有非常广阔的前景。
当前工业自动化的普及使工业机器人的使用大幅度增加，要使机器人灵活地工作在不同区域，传统的电缆供电或电池供电是一个亟待解决的问题。
另外，在一些诸如矿井、海底等特殊环境下，用电设备同样采用电缆或电池供电，这给正常使用或维护带来极大的不便。
以上问题都可通过ICPT技术予以解决。
1.3国内外研究现状
1.3.1国外研究现状
20世纪90年代以来，新西兰奥克兰大学功率电子学研究中心以JohnT.Boys
教授为首的团队对ICPT领域作了较为深入的研究，针对ICPT技术的基本原理
[2-4]、磁耦合机构设计[5]、系统频率分析[6]、小功率电子产品充电技术研究[7]等，
形成了一整套理论系统和技术体系。
在工程应用技术方面，该团队研究了如单轨行车、有轨电车及运料车等轨道交通设备的电源感应耦合接入、生物体内植入式电气设备等的无线供电[8]以及电动汽车感应耦合充供电[9]等。
在产业化方面，新西兰奥克兰大学的ICPT研发团队先后与新西兰PowerbyProxy公司、新西兰TelemetryResearch公司、日本Daifuku公司、德国Wampfler公司进行合作，成功开发了转动机械臂的无线电源装置、可植入式监测仪、工厂物料系统无线电源装置、150kW载人电动火车等多项ICPT供电装置，有效推动了ICPT技术的产业化发展。
2010年11月，由奥克兰大学在英国成立的HaloIPT公司在伦敦利用其最新研发的ICPT技术研究成果实现为电动汽车无线充电，如图1.3所示。
图1.3HaloIPT电动汽车无线充电系统
Fig.1.3HaloIPTwirelesschargingsystemforelectricvehicles
此外，西班牙[10,11]、日本[12]、丹麦[13]、韩国[14,15]、新加坡[16]、印度[17]、比利时[18]、波兰[19]、伊朗[20]、泰国[21]、意大利[22]、加拿大[23]等国家的学者相继投入一定的人力和物力对ICPT技术展开了研究，形成了一定的理论基础和产业化态势，为ICPT技术向更深、更广研究方向的推进提供了强大的推动作用。
1.3.2国内研究现状
在国内，自上世纪90年代初开始，越来越多的高等院校和科研单位对此项技术展开了研究，并在不同的研究层面上和应用领域中取得了不错的成果。
重庆大学自动化学院无线电能传输研究所（WPTCQU）以孙跃教授为首的研究团队，从2002年开始研究无线电能传输技术，已经形成集基础理论、技术开发和
工程实现为一体的研发体系。
研究所与国内外优秀团队合作，联合成立了“无线电能传输技术国际联合研究中心（国家级）”、“中国—新西兰无线电能传输技术国际联合研究中心”、“无线电能传输技术重庆市工程研究中心”、“重庆市无线电能传输技术工程实验室”。
多年来，该团队主要针对无线电能传输技术的频率特性[24-27]、非线性系统建模方法[28]、高功率密度多自由度磁系统优化[29,30]、高效大功率电力电子电能变换技术与拓扑[31,32]、非线性系统控制策略[33-35]、电动汽车无线供电关键问题[36-38]等方面进行深入研究。
此外，该研究所与国内多家企业合作，分别针对家用电器、石油钻杆、生物体医疗器械、电动汽车等领域进行系统研发，为ICPT技术的应用推广做出了重要贡献。
该团队针对大功率ICPT系统做了较多研究，并开发了国内首套10kW级别的ICPT装置，近期该装置成功应用于电动汽车无线供电，如图1.4所示。
目前，该研究所已具备数十千瓦及以下系统装置的研发能力，并逐渐形成了拥有自主知识产权的理论技术体系。
图1.4重庆大学电动汽车不停车动态无线供电系统
Fig.1.4EVs’wirelesspowersupplysystemdevelopedbyChongqingUniversity
中国香港城市大学的HuiSYR、XunLiu等主要围绕便携式消费类电子产品的平板型感应耦合充电平台进行研究，就其中的设计思路、控制策略、优化策略等方面进行实验分析[39]。
浙江大学的马皓博士主要研究ICPT系统相关的绕线结构电路设计、电压型系统设计、电流源系统动态分析以及补偿电路分析，取得了一定的研究成果[40,41]。
此外，中科院电工研究所[42]、南京航空航天
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