PROGRAMUL DE STUDII: SURSE REGENERABILE DE ENERGIE [309455]

[anonimizat], CALCULATOARE ȘI INGINERIE ELECTRICĂ

PROGRAMUL DE STUDII: SURSE REGENERABILE DE ENERGIE

PROIECT DE DIPLOMĂ

Platformă didactică pentru studiul unui ȋncărcător de telefon wireless

Absolvent: [anonimizat]

2018-2019

[anonimizat]. [anonimizat]-[anonimizat] a [anonimizat] a acestor sisteme în anumite limite bine definite. Lucrarea își propune să atragă atenția utilizatorilor dar și potențialilor finanțatori asupra aplicațiilor și avantajelor acestor sisteme și să contribuie la realizarea unui parteneriat național de cercetare teoretică și aplicativă pentru dezvoltarea domeniului.

Cercetătorii au botezat noua metodă de transmisie a energiei electrice WiTricity (de la „Wireless Electricity” în engleză). Ei speră că astfel vom renunța în viitor la cablurile electrice sau la baterii. [anonimizat]. [anonimizat] o [anonimizat]. [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat] a radiației.

Prezentare dispositive wireless

Transmisia energiei fără contact nu este încă o [anonimizat]. Cele mai multe publicații au în vedere aspectele teoretice iar cele practice nu sunt susținute de standarde de produs care să permită realizarea unor instalații compatibile.

[anonimizat]. [anonimizat] a bateriilor de la automobilele electrice sau hibride prezintă o importanță practică deosebită. Firma iSupply care face studii de piață la nivel mondial apreciază o piață pentru aceste echipamente de peste 4 miliarde USD la nivelul anului 2013.

[anonimizat]. [anonimizat] S-E și SUA demonstrează un interes maxim pentru această tehnologie.

Transferul energiei fără contact este posibil la distanțe mici și medii prin tehnici în câmp apropiat (prin cuplaj capacitiv sau cuplaj inductiv), [anonimizat] (cum este transmisia energiei solare prin conversie în microunde).

Metode de transmitere a puterii electrice

Metodele de transfer a puterii fără fire bazate pe componente existente pe piață

Lucrarea de față prezintă principiile teoretice pe care se bazează transmisia de energie în câmp apropiat, precum și aplicații ale acesteia, cu scopul de a atrage atenția utilizatorilor dar și potențialilor finanțatori asupra avantajelor și posibilităților de implementare ale acestor sisteme în practica curentă. În figura 1 sunt prezentate schemele de principiu ale celor două tehnici de transmisie a energiei în câmp apropiat, prin cuplaj capacitiv (a) și prin cuplaj inductiv (b), cele două tehnici fiind sisteme duale [6].

(a) (b)

Fig. 1. Sisteme de transfer al energiei fără contact, în câmp apropiat:

a – transfer capacitiv; b – transfer inductiv.

Studiul se bazează pe teoria macroscopică Maxwell-Hertz și este focalizat pe soluții de maximizare a randamentului transmisiei de energie, esențial în aplicarea practică a acestor sisteme. Studiul teoretic este susținut prin analize numerice și rezultate experimentale.

O posibilitate pentru alimentarea cu energie fără cabluri este inducția magnetică, cea mai tentantă alternativă pentru aplicațiile domestice. Un câmp magnetic fluctuant emanând dintr-o bobină poate induce un curent electric într-o altă bobină apropiată. Este și modalitatea prin care multe dispozitive, precum periuțele de dinți electrice și chiar unele telefoane mobile își reîncărca bateriile golite .

Problema este, însă, aceea că, deși randamentul transferului este bun aproape, el poate scădea la zero atunci când distanță față de transmițător crește fie și numai la câțiva milimetri. Se știe de multă vreme că un asemenea transfer mecanic de energie este enorm îmbunătățit dacă două obiecte au aceeași frecvență de rezonanță. Karalis s-a întrebat dacă nu cumva aceeași idee ar putea îmbunătăți și eficientă inducției magnetice la distanțe mai mari.

Proiectul echipei sale constă într-un circuit format dintr-o bobină conectată la un condensator. Energia acestui circuit oscilează rapid între un câmp electric din condensator și un câmp magnetic din bobină. Frecvență acestei oscilații este controlată de abilitatea condensatorului de a stoca încărcătură și abilitatea bobinei de a produce un câmp magnetic. Dacă frecvență din circuitul transmițătorului de energie diferă de cea a circuitului din receptor, atunci ele sunt non-rezonante.

Rezultatul este că energia eliberată de transmițător nu va fi în fază cu energia existenta deja în receptor, ceea ce ar putea conduce la anularea reciprocă a celor două, limitând o acumulare pertinentă de energie înăuntrul receptorului. Dar dacă transmițătorul și receptorul sunt rezonanțe, este de părere echipă, câmpurile oscilante ale celor două bobinaje vor fi permanent sincronizate, deci interfață vă fi constructivă, iar cantitatea de energie transferta va crește.

Figura 1,1

Această teorie a fost experminentata în 2007, cu mare succes, transmițând o putere de 60 de watti la o distanță de doi metri, cu un randament de 40%. Echipa a fondat, de atunci, o companie denumită WiTricity, pentru a dezvolta ideea. Apoi firma a folosit două bobine cubice, cu diametrul de 30 centimetri, una pentru receptor și una pentru generator, pentru a alimenta un televizor de 50 watti, aflat la 0,5 metri distanță de sursa de putere, cu un impresionant randament de 70%. Spre deosebire de trasferul de energie prin tehnologie laser, un câmp magnetic nu este concentrat într-un punct și, de aceea, poate depăși obstacolele de orice fel dintre transmițător și receptor.

Figura 1.2 transmitere la distanta mai mare

Companiile producătoare de aparatură electronică puternic consumătoare se arată dispuse să investească în transferul wireless de energie. Sony, spre exemplu, a făcut deja demonstrația unui televizor wireless, iar Intel investighează această tehnologie pentru a o aplica unei întregi game de dispozitive. Randamentul transferului de energie fluctuează independent de cantitatea de curent necesară, asfel încât aceeași eficientă poată fi obținută pentru laptopuri, apărate electronice mari consumatoare precum tv-urile și apărate portabile mai mici, precum celularele.

Cea mai comună formă de transmitere a energiei fără fir este transportul prin inducție directă urmată de o inducție cu rezonanță magnetică. Alte metode luate în considerare includ radiația electromagnetică sub formă de microunde sau lasere.

Diferite metode de transmitere a energiei fără fir au fost cunoscute de secole. Probabil cel mai cunoscut exemplu este radiația electromagnetică, cum ar fi undele radio. În timp ce aceste radiații sunt excelente pentru transmitere fără fir a informațiilor, folosirea lor nu este posibilă în cazul transmiterii puterii electrice. Deoarece radiațiile se răspândesc în toate direcțiile, cea mai mare parte a energiei electrice s-ar irosi împrăștiată în spațiul liber.

Concentrarea radiației electromagnetice într-un punct, cum ar fi laserele, ar fi o idee mai bună, dar acest lucru nu este foarte practic și poate fi chiar periculos deoarece această metodă necesită un contact neîntrerupt de niciun obiect între sursă și dispozitivul de recepție, precum și un mecanism sofisticat de urmărire atunci când dispozitivul este mobil.

O altă metodă este utilizarea principiului de rezonanță pentru a transporta cât mai eficient energia de la emițător la dispozitivul de recepție. Un experiment MIT a folosit două bobine generatoare a unui câmp electromagnetic variabil. În momentul în care o bobină intră în rezonanță cu cealaltă, transferul de energie dintre bobine este maxim, pierderile de energie în exterior fiind minime. Procedeul este oarecum asemănător cu cel de inducție electrică folosit la transformatoare.

Avantaje și dezavantaje ale dispozitivelor wireless

Transmiterea fără contact a energiei are numeroase avantaje în tehnica modernă printre care avem :

Un avantaj principal al utilizării metodei de transfer electrostatic ȋn comparație cu metoda inductivă este faptul că punerea dispozitivului care trebuie atribuit pe baza de încărcare este mult mai puțin critic. Eficiența ridicată a transferului de energie, aproximative 80% pentru orice design (uzual, chiar mai mare pentru încărcătoare cu fire), se menține datorită marii toleranțe de poziționare prin design în zona XY (pe suprafață), în vreme ce Z (înălțimea) rămâne un parametru de rezolvat prin proiectare.

lipsa contactelor și a uzurii acestor transmisii

utilizarea ușoară în mediu agresiv sau cu pericol de explozie (fără scântei)

aplicarea la obiecte aflate în mișcare de translație sau de rotație (robotică)

randament ridicat, la distanțe relativ mici etc.

Ca dezavantaje avem:

pierdere mare de energie emisă ca și căldură termică.

Costă mai mult pentru a fi implementată și este mai pretențioasă în ceea ce privește circuitul care trebuie integrat în dispozitiv.

Elemente Teoretice

Transferul wireless de energie reprezintă o tehnologie potențială pentru transferul electricității/puterii ȋntre surse electrice si receptori fără a folosi fire. Transmisia se face pe o distanță la care câmpul electromagnetic este suficient de puternic pentru a oferi un transfer de putere rezonabil. Acest lucru este posibil dacă atât emitatorul cât și receptorul lucrează la rezonanță. Transmiterea wireless este utila in cazurile in care energia instantanee sau continua este necesara, dar legaturile prin fire sunt imposibile.

Transmiterea wireless a energiei este diferită de transmiterea wireless a datelor atât în privința nivelului de putere cât și al randamentului. În transferul de energie wireless randamentul este cel mai important parametru.

Eficientă redusă a transmiterii și problemele de siguranță au sabotat încercările transferului de energie wireless, însă câteva inițiative – între care, unele, semnate de nume mari, precum Sony și Intel – propun o nouă abordare pentru a face lucrurile să meargă. Ultimii câțiva ani au adus în atenție demonstrații promițătoare cu telefoane mobile, laptopuri și televizoare alimentate wireless.

Ideea transferului de energie fără fire este aproape la fel de veche că însăși producerea de electricitate. La începutul secolului XX, Nikola Tesla a propus folosirea unor bobine uriașe

pentru a transmite eletricitate prin troposferă și a alimenta casele oamenilor. Genialul om de știință a început chiar demersurile pentru construirea Turnului Wardenclyffe din Long

Island, New Yok, un enorm turn de telecomunicații, ce avea să testeze și ideea de transfer, fără cabluri, a energiei electrice. Povestea spune că finanțatorii lui Tesla (J.P.Morgan) și-au retras fondurile atunci când au înțeles că nu ar exista o modalitate eficientă prin care să se asigure că oamenii vor plăti pentru electricitatea folosită, iar centralele electrice prin cabluri au fost alese în schimb.

Transmiterea wireless a revenit în atenție în anii '60 ai secolului trecut, printr-o demonstrație a unui elicopter miniatural alimentat prin microunde emise de la sol. Unii au sugerat chiar că, într-o zi, s-ar putea să alimentăm navele spațiale prin direcționarea către ele a unor raze laser purtătoare de energie. Mergând pe aceeași idee, multe teorii au fost emise și în explorarea posibilității de a transmite energie la sol de către sateliții orbitali, ce ar putea stoca energia solară. Tranferul de energie sol-sol, pe distanțe mări, ar solicita infrastructuri costisitoare, iar grijile privitoare la siguranță transmiterii energiei prin microunde de mare putere au născut skepticism față de această modalitate de alimentare. Deși nu vom asista prea curând la construirea unei centrale electrice wireless, ideea electricității transmisă prin fascicole la o scară mai mică începe să câștige teren. Iar acest lucru se întâmplă deoarece, odată cu tehnologiile wireless, precum Wi-Fi și Bluetooth, și cu circuitele tot mai reduse că dimensiuni, cablurile de alimentare rămân singurele care pun cu adevărat o limită ideii de mobilitate și portabilitate.

Evoluția în această direcție pare una inevitabilă, din momnentul nașterii comunicațiilor wireless, este de părere David Graham, cofondator al companiei PowerBeam din Sân Jose, California. Compania Powercast, din Pittsburgh, Pennsylvania, a utilizat recent tehnologia wireless pentru a transmite microwatti și miliwatii de putere la cel puțin 15 metri distanță, către niște senzori industriali. În viitor această tehnologie poate fi folosită pentru a realimenta dispozitive mici, precum telecomenzile, ceasurile cu alarmă și chiar telefoanele mobile. O altă problemă ar fi aceea că este necesară o rază diferită pentru fiecare dispozitiv ce trebuie alimentat, ceea ce reprezintă o provocare inginerească, crede Aristeidis Karalis, de la Institutul de Tehnologie Massachusetts, dezvoltătorul unui sistem alternativ de transfer energetic wireless.

TRANSMISIA ENERGIEI PRIN CUPLAJ CAPACITIV

Transferul capacitiv ilustrat ca principiu în fig. 2a are loc prin intermediul câmpului electric (curentului de deplasare), un exemplu fiind prezentat în fig. 2, unde sarcina R, considerată pur rezistivă, este conectată la sursa de alimentare prin intermediul unui cuplaj capacitiv cu două secțiuni identice, având fiecare capacitatea C. Între sursa cu tensiunea la borne v0 și cuplajul capacitiv este conectată o impedanță de adaptare cu caracter inductiv ( Ra , La ), cu rolul de a asigura condițiile de transfer maxim de putere către sarcină. Rezistența de adaptare Ra include atât rezistența electrică a spirelor bobinei de adaptare, cât și rezistența internă a sursei.

Se consideră cuplajele capacitive de forma unor condensatoare plane în aer (fig. 2a), cu neglijarea capacităților parazite între armăturile lor situate de partea sursei (), respectiv sarcinii (), indicate în figura 2. Mărimile de stare ale câmpului electric în cuplajele capacitiv sunt indicate în detaliul din figura 3a, unde suprafața închisă (cu elementul de suprafață ) permite calculul inducției electrice pe baza legii fluxului electric și segmentul AB (cu elementul de lungime ) permite exprimarea tensiunii la borne ca integrală curbilinie a intensității câmpului electric. Pentru cazul particular ales, notând S suprafața armăturilor și g distanța între ele, idealizând distribuția spațială a câmpului electric ca fiind plan-paralelă, mărimile locale de câmp se exprimă simplu în funcție de o valoare arbitrară a sarcinii electrice a armăturilor:

D = ;

E = =

Densitatea curentului de deplasare este:

=

curentul de deplasare fiind, evident egal cu curentul prin conductoarele de conexiune:

unde intervine capacitatea electrică C a structurii.

Pentru calculul puterii transferate către sarcină, se consideră funcționarea în regim armonic, cu

tensiunea de intrare:

sin(), având imaginea complex 0 =

Impedanța circuitului în raport cu bornele sursei, curentul de sarcină și tensiunea la bornele

sarcinii, sunt:

Puterea absorbită de rezistența de sarcină și valoarea ei maximă obținută în condiții de

rezonanță la frecvența

sunt:

Puterea activă furnizată de sursă:

conduce la un randament de transfer:

Acesta poate fi mărit prin scăderea rezistenței de adaptare, ceea ce conduce și la creșterea factorului de calitate al circuitului:

Ca imagine a comportării sistemului, în figura 2.1 este trasată puterea transferată sarcinii ca

funcție de frecvență pentru trei valori diferite ale , cu indicarea factorului de calitate și randamentului de transfer. Pentru aplicația numerică s-au considerat armături plane 0.8m x 8m , distanța între ele fiind 250 mm , aceste valori fiind posibile în cazul autobuzelor electrice echipate cu sisteme fără contact pentru încărcarea bateriilor. A rezultat C=255pF și s-a ales , ceea ce a condus la o frecvență de rezonanță :

.

Tensiunea maximă la bornele unei structuri capacitive rezultă ==560 V, valoare căreia îi corespunde un câmp electric cu valoarea de vârf a intensității . Puterea maximă transferată către sarcină în aceste condiții este la un curent efectiv 4A. Abaterea frecvenței de la valoarea de rezonanță cu 5% conduce la reducerea cu aproximativ 25% a puterii.

Trebuie remarcat că dimensiunile sistemului considerat sunt mai mici cu aproximativ un ordin de mărime față de lungimea de undă corespunzătoare frecvenței de rezonanță (), iar câmpul magnetic în dielectric este neglijabil. Pentru a determina ordinul de mărime al mărimilor de câmp magnetic, se consideră o structură capacitivă cu armături sub formă de disc, având aceeași capacitate ca și cea considerată anterior, aceeași distanță între armături și același dielectric (aer), funcționând în aceleași condiții. Se determină intensitatea câmpului magnetic în dielectric la distanța r față de axă pe baza legii circuitului magnetic aplicată pe un cerc de rază r construit ca în figura 3b, care delimitează suprafața sub formă de disc. Dacă se face calculul pentru periferia dielectricului ( r=), rezultă: , de unde se calculează valoarea de vârf a lui H pentru regimul de rezonanță: și apoi inducția magnetică

Figura 2.1. Puterea transferată sarcinii pentru diferite valori ale rezistenței de adaptare Ra .

TRANSMISIA ENERGIEI PRIN CUPLAJ INDUCTIV

Transferul inductiv are loc prin intermediul câmpului magnetic, un exemplu relevant fiind acela al transformatoarelor electrice de tensiune sau curent. Pentru aplicațiile tipice de transfer al energiei fără contact se pretează însă structuri cu miez magnetic deschis sau fără miez. Expunem principiul de funcționare al unei astfel de structuri, în care bobina emițător cu N spire și bobina receptor cu N2 spire au forme solenoidale și sunt dispuse coaxial (fig. 5a), având lungimi sensibil mai mari decât diametrele (). În acest caz particular câmpurile magnetice proprii ale celor două bobine pot fi considerate uniforme; pentru ca și câmpul mutual să fie uniform vom considera că bobina-receptor este amplasată în interiorul bobinei indus (fig. 2.2b), astfel încât analiza bazată pe calcul analitic devine simplă și sugestivă.

La alimentarea bobinei-emițător cu un curent variabil în timp , în spațiul din vecinătate apare un câmp magnetic care, la rândul său, determină un flux magnetic prin spirele bobinei-receptor. Ca efect, la bornele bobinei-receptor apare o tensiune care alimentează rezistența de sarcină R. Intensitatea câmpului magnetic propriu al bobinei-emițător se poate determina aplicând legea circuitului magnetic pentru curba închisă care delimitează suprafața (fig. 2.2a) și urmărește axa bobinei, închizându-se prin exteriorul ei pe un traseu arbitrar.

Fig. 2.2. Structură de cuplaj inductiv.

În ipoteza enunțată, respectiv a câmpului magnetic uniform în interiorul bobinei cu neglijarea câmpului din exteriorul ei, se calculează mărimile de stare locale ale câmpului din interiorul acestei bobine:

Fluxul magnetic propriu și inductanța proprie a bobinei se calculează simplu:

Similar se calculează inductanța proprie a bobinei-receptor, ignorând prezența bobinei-emițător:

Fluxul magnetic prin suprafața delimitată de spirele bobinei-receptor (fluxul mutual), în ipoteza ilustrată în fig. 5b, precum și inductanța mutuală, sunt:

Tensiunea electromotoare indusă în bobina-receptor, egală cu tensiunea la borne la funcționarea în gol, se calculează aplicând legea inducției electromagnetice pe o curba închisă 2 care urmărește pirele acesteia și se închide prin exterior, între borne (nereprezentată în figura 5):

Dacă aceasta are sensul lui din figura 5a, în prezența sarcinii apare curentul cu sensul din figură; acesta, la rândul său, provoacă apariția unui câmp magnetic propriu al bobinei-receptor, cu fluxul propriu dat de (12). Făcând abstracție de prezența bobinei-emițător, acest flux determină tensiunea la borne:

cu sens opus față de . Prin compunere, rezultă tensiunea la bornele bobinei-receptor la funcționarea în sarcină:

Similar se poate exprima tensiunea la bornele bobinei-emițător. Cu sensurile din figură, rezultă:

La funcționarea în regim armonic, când bobina-emițător este alimentată cu tensiunea

Ținând seama de relația evidentă și introducând coeficientul de cuplaj k=M / , de aici se calculează curenții și impedanța de intrare evidentă

Puterile absorbite de la sursă sunt:

Puterile absorbite de la sursă sunt:

Din ultima expresie se observă că puterea reactivă este semnificativă, având valoarea minimă pentru valorile extreme ale coeficientului de cuplaj (k=0 și k=1) Ca urmare, componenta reactivă a curentului provoacă pierderi importante pe rezistențele circuitului de intrare, care includ rezistența bobinei-emițător și rezistența internă a sursei, reducând randamentul transferului de energie către sarcină. Soluția de a asigura condițiile de funcționare în regim de rezonanță atât pentru circuitul emițător, cât și pentru cel receptor, conduce la minimizarea puterii reactive absorbite de la sursă și creșterea randamentului. Exemplificăm pentru o schemă de tip rezonanță serie-serie (fig. 2.3.a), unde cele două capacități sunt alese încât asigură rezonanța de tensiune la aceeași frecvență pentru circuitul emițător și circuitul receptor. În acest caz, pentru aplicația numerică și un coeficient de cuplaj , se obține la frecvența de rezonanță un randament de 72%, dependența randamentului de transfer în raport cu frecvența, obținută prin simulare numerică, fiind reprezentată în figura 2.3.b (curba 3) alături de puterea absorbită de sarcină (curba 1) și puterea activă debitată de sursă (curba 2).

Deși puterea transferată sarcinii nu are valoarea maximă la frecvența de rezonanță, se constată că pentru valoarea ei maximă, mai mare cu 15% față de puterea la rezonanță, puterea absorbită de la sursă crește cu 40%, ceea ce înrăutățește sensibil randamentul de transfer.

Figura 2.3. Sistem de transfer inductiv cu circuite rezonante:

a – schema de simulare SPICE; b – rezultate obținute prin simulare numerică

Teorema transferului maxim de putere activă

Figura 2.4.

Circuit echivalent Thévenin

Parametrii echivalenti ai unui generator de tensiune Thévenin sunt:

Unde – curentul care strabate circuitul intre nodurile A si B.

Orice structura de doua sau mai multe rezonatoare cuplate magnetic au un circuit

Thévenin echivalent. Pentru a modela sursa de tensiune in legatura cu nodurile 0’-0’’ ale

circuitului sarcina impedantei este inlocuita cu o sursa de curent , astfel incat

parametrii generatorului echivalent de tensiune sunt:

=/

Unde este exprimata in raport cu parametrii circuitului si

Teorema transferului maxim de putere impune ca o structura existenta de rezonatoare

cuplate magnetic sa primeasca putere activa maxima, daca, urmatoarele relatii sunt

satisfacute:

=

Puterea activa maxima transferata este

Frecventa de rezonanta a circuitului se calculeaza prin rezolvarea ecuatiei :

= – = 0

, – sunt functii de toti parametrii circuitului si de frecventa.

Observatii

1. Daca sarcina este pur rezistiva, puterea maxima transferata impune ca sistemul la

stanga nodurilor A si B, sa fie rezonant, asta inseamna ca :

Im{=}

2. Daca sarcina are si rezistenta si reactanta atunci conditia de rezonanta se aplica

intregului sistem incluzand sarcina.

Frecventa de rezonanta am determinat-o pe baza relatiei:

f=

C-capacitatea condensatorului C=2.0002022 µF

L-inductivitatea bobinei L=0.0009999 H

=>frecventa de rezonata : f=3560.6160 Hz=3.56 kHz

Conditia de rezonanta am determinat-o prin echivalarea circuitului de rezonatoare

in conexiune Serie-Serie cu generatorul echivalent Thévenin.

Generatorul echivalent de tensiune Thévenin

Figura 2.5.

Figura 2.6.

Figura 2.7

Figura 2.8.

Descrierea editorului de circuite in QuickField

Ce este un circuit

QuickField susține analiza simultană a elementelor finite ale problemelor magnetice în timpul armonicelor cu simularea curenților și a tensiunilor în circuitul electric conectat.

Circuitele electrice din QuickField sunt stocate în fișiere cu extensii .qcr. Puteți include fișierul de schemă de circuit corespunzător în baza de date cu probleme împreună cu alte fișiere care conțin problema QuickField (fișier model de geometrie * .mod, fișiere de date și fișiere de bibliotecă, fișier de rezultate * .res) prin editarea proprietăților de problemă.

Circuitul electric constă din elemente de circuit. Elementele de circuit pot fi de două tipuri:

Prima grupă include componente obișnuite ale circuitelor electrice, cum ar fi:

• Rezistente

• Condensatoare

• Inductoare

• Surse curente

• Surse de tensiune

Al doilea grup este specific pentru QuickField și reprezintă blocuri ale modelului geometric. Aceste elemente sunt folosite pentru a asigura interacțiunea între circuit și alte părți ale problemei QuickField. Dacă problema susține co-simularea circuitului electric extern, atunci fiecare bloc de conductor solid din modelul geometric trebuie inclus în circuit.

Firurile sunt utilizate pentru conectarea elementelor de circuit.

Adăugarea componentelor electrice la circuit

Pentru a adăuga componente la circuit:

În meniul Inserare, faceți clic pe Rezistor, Condensator, Inductor, Sursă de tensiune sau Sursă curentă, în funcție de componenta pe care doriți să o adăugați. De asemenea, puteți apăsa butonul corespunzător al barei de unelte.

Puneți cursorul în punctul în care doriți să apară un dispozitiv nou și faceți clic pe butonul stâng al mouse-ului.

Note:

• Punctul în care faceți clic pe butonul mouse-ului va fi pinul din stânga al noului dispozitiv.

• Componentele circuitului sunt întotdeauna aliniate la cel mai apropiat punct al rețelei. Aceasta înseamnă că va fi plasată componenta astfel încât știfturile sale să se afle la punctele de rețea.

• Pentru a introduce o componentă în mijlocul unui fir, puteți să faceți clic pe acest fir. Segmentul de sârmă va fi împărțit în două și componenta va fi inserată între ele.

Specificarea proprietăților pentru componentele circuitelor

Pentru a seta proprietatea pentru componentele circuitului:

• faceți dublu clic pe elementul din listă sau

• selectați elementul și faceți clic pe Proprietăți în meniul Editare sau

• Faceți clic dreapta pe element și alegeți Proprietăți din meniul contextual.

Proprietăți pentru componente electrice

Pentru componentele electrice, puteți seta următoarele proprietăți:

Eticheta

Puteți modifica eticheta pentru element. Nu este necesar să modificați această proprietate, deoarece puteți utiliza eticheta implicită. Dar numele de etichete semnificative îmbunătățesc claritatea modelului și, prin urmare, sunt recomandate. Etichetele trebuie să fie unice în circuit.

Valoare

În funcție de tipul elementului, trebuie să specificați valoarea numerică: rezistența R, capacitatea C, inductanța L, curentul I sau tensiunea V. Puteți specifica formula ca valoare. Pentru problemele tranzitorii, puteți specifica formula care conține t (timp).

Faza

Pentru probleme de curent alternativ, surse de tensiune și surse de curent, trebuie să specificați aici valoarea fazei.

Proprietăți pentru componente care reprezintă blocuri de model

Pentru componentele care reprezintă blocuri de model, puteți seta următoarea proprietate:

bloc

Puteți schimba numele blocului. Fiecare bloc poate fi specificat o singură dată. Caseta Combo furnizează lista tuturor blocurilor care ar trebui adăugate la circuit, adică lista tuturor conductorilor solizi ai modelului.

Proprietățile ferestrei elementului de circuit

Pentru a deschide fereastra de proprietăți, utilizați comanda Proprietăți din meniul Vizualizare. Această fereastră este în mod normal andocată într-o fereastră cu probleme, dar poate fi micșorata în alte ferestre sau în stânga plutitoare.

Adăugarea blocurilor de modele

Pentru a adăuga componenta care reprezintă blocul de model la circuit:

1. Faceți clic pe butonul Inserare bloc din model sau selectați Blocare din model în meniul Inserare.

2. Puneți cursorul în punctul în care doriți să apară un nou bloc și faceți clic pe butonul stâng al mouse-ului.

Sau, puteți utiliza drag și drop din tree-ul de probleme:

1. Faceți clic pe eticheta unui bloc din copia Editorului problemei. Puteți alege orice bloc cu conductivitate diferită de zero.

2. Trageți-l în fereastra editorului de circuite ținând apăsat butonul mouse-ului.

3. Puneți cursorul în punctul în care doriți să apară componenta nouă și apoi eliberați butonul mouse-ului.

Componentele circuitului de conectare cu cabluri

Pentru a adăuga un fir la circuit:

1. Faceți clic pe butonul din bara de instrumente Insert Wire sau selectați Wire din meniul Insert.

2. Faceți clic pe punctul de start al firului și trageți cursorul până la punctul final al firului. Apoi eliberați butonul mouse-ului. Se va adăuga punctul de pornire și punctul final de conectare a firului.

Note:

• Astfel puteți adăuga fie segmentul vertical de sârmă, fie segmentul orizontal de fir, fie două segmente de sârmă, verticală și orizontală, făcând un unghi drept. Pentru a crea fire de formă mai complexă, trebuie să repetați această operație de mai multe ori.

• Cablurile sunt întotdeauna aliniate la cel mai apropiat nod de rețea. Aceasta înseamnă că firul va fi plasat astfel încât punctele sale de capăt să fie la nodurile rețelei.

Adăugarea punctelor de joncțiune:

Pentru a adăuga un punct de joncțiune, trebuie să plasați un fir astfel încât unul dintre punctele de capăt să aparțină unor fire existente. Punctul de legătură va fi adăugat automat în acest punct.

Plasarea unui fir astfel încât să intersecteze un alt fir într-un punct intermediar pentru ambele fire este diferită. În acest caz, punctul de joncțiune nu va fi adăugat, iar firele vor fi considerate ca nefiind conectate.

Selectarea elementelor de circuit

Pentru a selecta elemente de circuit sau mai multe elemente, trebuie mai întâi să comutați la modul de selecție. Pentru aceasta, faceți clic pe butonul Selectați obiecte sau alegeți Anulați modul de inserare din meniul Inserare. Apoi, puteți face una dintre următoarele acțiuni:

• Pentru a selecta un singur element, faceți clic pe el.

• Pentru a selecta mai multe elemente, aveți posibilitatea să faceți clic pe ele ținând apăsat CTRL.

• O altă modalitate de a selecta mai multe elemente este să faceți clic și să trageți în diagonală. Se vor selecta toate elementele care se potrivesc în întregime dreptunghiului de selecție.

Pentru a selecta / deselecta toate elementele de circuit, este posibil să utilizați Comenzile Selectați tot și deselectați tot din meniul Editare

Elemente de circulație, copiere și redimensionare

Pentru a muta elementul de circuit într-un alt loc:

1. Plasați cursorul peste elementul pe care doriți să îl mutați. Cursorul ar trebui să aibă forma săgeții cu patru puncte.

2. Faceți clic pe butonul mouse-ului și trageți elementul selectat ținând apăsat butonul.

Pentru a redimensiona un cablu:

1. Așezați cursorul peste punctul final al firului. Cursorul trebuie să aibă forma săgeții cu două puncte.

2. Faceți clic pe butonul stâng al mouse-ului și trageți punctul final într-o locație nouă.

Nu puteți numai să redimensionați firul, dar mutați-l și în lateral în timpul acestei operații.

Pentru a muta mai multe elemente simultan:

1. Selectați elementele de circuit pe care doriți să le mutați.

2. Plasați cursorul peste unul dintre elementele selectate.

3. Faceți clic pe butonul mouse-ului și trageți elementele selectate.

Glisați elementele atașate

Când trageți elementele de circuit, un alt element atașat la ele poate fi tras sau redimensionat pentru a păstra conexiunile dintre elemente și fire. De exemplu, când trageți o componentă electrică, firele atașate la ea ar putea fi mutate sau redimensionate.

Trageți fără elemente atașate

Puteți trage elemente de circuit astfel încât firele și elementele atașate să nu fie trase. Pentru aceasta, apăsați ALT și mențineți apăsat până când eliberați butonul mouse-ului.

Copierea elementelor

În loc de elemente în mișcare, puteți face o copie a elementelor selectate. Pentru aceasta, apăsați CTRL și mențineți apăsat până când eliberați butonul mouse-ului.

Rotirea elementelor de circuit

Pentru a roti componentele circuitelor la 90 °, 180 ° sau 270 ° în sens invers acelor de ceasornic:

1. Selectați componentele pe care doriți să le rotiți.

2. În meniul Editare sau în meniul contextual, faceți clic pe Rotire, apoi alegeți valoarea unghiului: Pentru 90 °, Pentru 180 ° sau Pentru 270 °.

De asemenea, puteți utiliza butonul din bara de instrumente Rotiți pentru 90 de grade. Apăsați acest buton de mai multe ori pentru a roti componentele pentru unghiul dorit

Ștergerea elementelor de circuit

Pentru a șterge elementele de circuit:

1. Selectați elementele pe care doriți să le ștergeți.

2. În meniul Editare sau în meniul contextual, faceți clic pe Ștergere.

Analiza circuitului electric

Calculați curenții și tensiunile în elementele circuitului, verificați echilibrul de putere.

Figura 3.1

documentul său generat automat cuprinde mai multe secțiuni, care specifică rezultatele de simulare a configurației problemei și a analizei elementelor finite.

Informații despre probleme

Tipul de problemă: Magnetică AC, frecvență: 50 Hz,

Clasa modelului de geometrie: Plan-Paralel

Numele de fișiere ale bazei de date cu probleme:

– Problemă: circuit_ac_linear.pbm

– Geometria: Circuit_ac_linear.mod

– Date materiale: Circuit_ac_linear.dhe

– Date materiale 2 (bibliotecă): niciuna

– Circuit electric: circuit_ac_linear.qcr

Rezultatele obținute din alte probleme:

– nici unul

Modelul geometric

Figura 3.2

Tabelul 1. Statisticile modelului geometric

Numărul de noduri: 4.

Circuitul electric:

Circuitul electric cuplat

Figura 3.3

Elemente de circuit:

Sursa de tensiune U = 60 * sqrt (2) [V] 30 °

Capacitor C = 0.00063662 [F]

Inductor L = 0,03183 [H]

Rezistor R = 20 [Ohm]

Sursa de curent I = 4 * sqrt (2) [A] 0 °

Etichetate obiecte

Există următoarele obiecte etichetate în modelul de geometrie (fișierul Material Data ar putea conține mai multe etichete, dar numai acele etichete atribuite obiectelor geometrice sunt enumerate)

Tabelul 2

Informații detaliate despre fiecare etichetă sunt enumerate mai jos.

Obiecte etichetate: bloc "Block1"

Există (1) obiecte cu această etichetă

Permeabilitatea magnetică relativă: mu_x = 1, mu_y = 1

Conductivitate electrică: sigma = 0 [S / m]

Densitatea curentului: j = 0 [A / m2], faza 0 °

Conexiunea conducătorului: în parallel

Figura 3.4

Obiecte marcate: margine "Marginea 1"

Există (4) obiecte cu această etichetă

Potențialul magnetic: A = 0 [Wb / m], faza 0 °

Figura 3.5

Rezultate

Curenți de circuit electric

Figura 3.6

Elemente de circuit:

U.I = 14,967 [A], faza = -100,89 °

C. I = 14,967 [A], faza = 79,11 °

L. I = 14,968 [A], faza = 100,89 °

R. I = 5,657 [A], faza = 180 °,

I. I = 5,657 [A], faza = 0 °

Rezultate

Harta de culori a Forței | H | [A.m]

Figura 3.7

Figura 3.8

Simulare transmitere wireless

Pentru simulare am folosit programul Quick Field ȋn care am evidențiat cele două bobine cea primară și cea secundară ȋntre care se va vedea liniile de câmp.

Încărcătorul fără fir este un transformator de aer. Adăugarea capacității în serie cu bobine primare și secundare îmbunătățește caracteristicile acesteia. Acest document generat automat este alcătuit din mai multe secțiuni, care specifică rezultatele simulării de configurare a problemei și de analiză a elementelor finite.

Figura 4.Principiul de transmitere

Crearea proiectului in quick field

In figura următoare am reprezentat schematic modelul care urmează să fie simulat in quickfield.

Figura 4.1. Schema dimensionată ȋn quickfield

Miezul are o permeabilitate liniară relativă de μr = 1000;

Curentul în bobine are o frecvență electrică f = 10 kHz;

Bobina primară este alimentată de la o sursă de curent I1 = 4 A;

Încărcarea este modelată cu rezistență Rload = 1 Ω.

Pentru a crea un nou proiect vom apăsa butonul new project, ȋi punem numele Charger (ȋncărcător) și dăm next.

Figura 4.2. Denumirea proiectului

Din fereastra care apare alegem AC Magnetics

Figura 4.3.

Clasa modelului asimetrică

Figura 4.4.

Dimensiunile ȋn milimetrii

Figura 4.5.

Cele două bobine sunt delimitate de o frontieră

Figura 4.6.

Figura 4.7.

Figura 4.8.

În electromagnetism, permeabilitatea este gradul de magnetizare a unui material care reacționează linear, când este străbătut de un câmp magnetic. Permeabilitatea magnetică este de obicei reprezentată de litera greacă, μ.

Figura 4.9.

QuickField block 'Coil_1'

QuickField block 'Coil_2'

Sursa de curent I_1=4 [A] 0 [deg]

Resistor R_load=1 [Ohm]

Capacitor C_2=0.0000112 [F]

Figura 4.10.

Figura 4.11

Figura 4.12

Figura 4.13

Figura 4.14

Figura 4.15

Figura 4.16

Figura 4.17

Figura 4.18

Figura 4.19

Figura 4.20

obiecte marcate

Există următoarele obiecte etichetate în modelul de geometrie (fișierul Material Data ar putea conține mai multe etichete, dar numai acele etichete atribuite obiectelor geometrice sunt enumerate)

Informații detaliate despre fiecare etichetă sunt enumerate mai jos.

Obiecte etichetate: bloc "Coil_1"

Există (10) obiecte cu această etichetă

Permeabilitatea magnetică relativă: mu_x = 1, mu_y = 1

Conductivitate electrică: sigma = 57000000 [S / m]

Densitatea curentului: j = 1 [A / m2], faza 0 °,

Conexiunea conductorului: în serie

Figura 4.21

Figura 4.22

Figura 4.23

Figura 4.24

Figura 4.25

Figura 4.26

Figura 4.27

Figura 4.28

Figura 4.29

Figura 4.30

Figura 4.31

Figura 4.32

Figura 4.33

Figura 4.34

Figura 4.5

Figura 4.36

Figura 4.37

Figura 4.38

`

Figura 4.39

Figura 4.40

Figura 4.41

Figura 4.42

Figura 4.43

Figura 4.44

Figura 4.45

Elemente de circuit:

Coil_1. I = 4 [A], faza = -0,000009874 °

Coil_2. I = 5,037 [A], faza = -91,06 °

I_1. I = 4 [A], faza = 0 °

R_load. I = 5,037 [A], faza = -91,06 °

C_2. I=5.037 [A], phase=88.94 [deg]

C_1. I=4 [A], phase=180 [deg]

Capacitor C_1=0.0000112 [F]

Figura 4.46

Figura 4.47

Figura 4.48

Figura 4.49

Obiecte etichetate: bloc "Coil_2"

Există (10) obiecte cu această etichetă

Permeabilitatea magnetică relativă: mu_x = 1, mu_y = 1

Conductivitate electrică: sigma = 57000000 [S / m]

Curent total: I = 0 [A], faza 0 [deg]

Conexiunea conductorului: în serie

Figura 4.50.

Obiecte etichetate: bloc "Air"

Există (1) obiecte cu această etichetă

Permeabilitatea magnetică relativă: mu_x = 1, mu_y = 1

Conductivitate electrică: sigma = 0 [S / m]

Densitatea curentului: j = 0 [A / m2], faza 0 °

Conexiunea conducătorului: în paralel

Figura 4.51.

Obiecte marcate: bloc "Core"

Există (2) obiecte cu această etichetă

Permeabilitatea magnetică relativă: mu_x = 1000, mu_y = 1000

Conductivitate electrică: sigma = 0 [S / m]

Densitatea curentului: j = 0 [A / m2], faza 0 °

Conexiunea conducătorului: în paralel

Figura 4.52.

Obiecte marcate: margine "Boundary"

Există (2) obiecte cu această etichetă

Potențialul magnetic: A = 0 [Wb / m], faza 0 °

Figura 4.53.

rezultate

Liniile de câmp

Figura 4.54.

Realizarea practică a machetei

Tot mai multe dispozitive mobile și gadget-uri încep să aibă posibilitatea de încărcare fără fir. Conceptul, deși vechi și relativ simplu, este destul de recent disponibil comercial. Pentru realizarea practică vom utiliza o bobina de transmitere si una de recepționare a semnalului electric La bobina de transmitere avem numarul de spire = 10, tensiunea de alimentare U=5V, curentul ce strabate bobina este I=2A, iar puterea P=10W. La bobina de receptionare numarul de spire = 24, tensiunea de ieșire de U=5V, curentul ce debitează din bobină este I=1A, iar puterea P=5W. Receptorul este o simplă bobină de cupru, suficient de subțire cît să aibă loc în carcasa telefonului, dar suficient de groasă cît să poată suporta un curent de 1A. Bobina se termină cu două sau mai multe contacte, care se conectează la telefon prin contacte elastice.

Figura 5. Bobina receptoare

Să privim și ce avem pe partea încărcătorului. Acesta s-a demontat foarte ușor, după deșurubarea celor 4 șuruburi din spatele piciorușelor de cauciuc.

Figura 5.1. ȋncărcătorul după demontare

Aici găsim o altă bobină, de data asta o bobină cu Litzwire, care este de fapt un mănunchi de mai multe sîrme foarte subțiri care se mai numesc și lițe. Acest tip de bobină prezintă dezavantajul unui preț ridicat, dar are două avantaje față de o singură sîrmă groasă. În primul rînd este mult mai ușor de îndoit și bobinat, ceea ce reduce costul de producție. În al doilea rînd, acel efectul pelicular este redus substanțial. La curenți ridicați și frecvențe mari, curentul are tendința să meargă numai pe exteriorul conductorului, densitatea curentului fiind maximă la suprafață. Se poate ȋnțelege că 20 de sîrme mai subțiri au o suprafață mai mare decît o singură sîrmă mai groasă.

Bobina aceasta este montată pe un disc din ferită.

Atunci cînd așezăm telefonul cu bobina sa aflată pe capac deasupra bobinei încărcătorului, se obține un transformator. Avem aceleași trei elemente importante: un primar (bobina încărcătorului), un secundar (bobina telefonului) și un miez magnetic (discul de ferita). Față de un transformator, cele două bobine nu sunt pe același miez, deci factorul de cuplaj este mult mai slab.

Dacă facem o măsurătoare pe bobina încărcătorului, vedem că are 6.5 μH, cu un factor de calitate de 50, măsurat la 100KHz. Acesta corespunde unui ESR la doar 100 miliohmi.

Bobina telefonului ȋn momentul cînd este foarte aproape de bobina încărcătorului are 15μH, cu factor de calitate ceva mai prost, de 15.

Pînă ȋn momentul de față am identificat un transformator. Dar noi știm că transformatoarele merg numai în curent alternativ, pe cînd USB-ul ne dă un curent continuu. Deci să analizăm circuitul de pe plăcuță.

Figura 5.2. Indentificarea elementelor

Pentru ȋnceput arată un pic surprinzător pentru categoria consumer electronics. Sîntem obișnuiți cu integrate nemarcate, SOIC-uri hibride și mult lipici care ne asigură că cea mai mică intervenție duce la distrugerea plăcii. Nu, dimpotrivă. Toate componentele au notații, nici unul nu e șters. Componentele QFP și SOIC permit intervenția cu mare ușurință. Există multe componente simple precum rezistoare, condensatoare și tranzistoare, cu valori notate.

Încărcătorul este alimentat dintr-o mufă Micro-USB de tip B, notată în poză cu 1.

Bobina aflată pe verso este conectată la plăcuță prin 2 fire lipite, notate cu 2. Bobina este ȋnseriată cu un condensator conectat în paralel, notat cu 6. Prin urmare, avem un circuit LC rezonant. Funcționarea la rezonanță ne asigură o energie maximă care se plimbă între condensator și bobină.

Circuitul LC rezonant este comandat în comutație de două semipunți (3). Această configurație este denumită Full Bridge. Practic ambele capete ale circuitului LC pot fi comutate la +5V sau la masă.

Puntea este comandată de 4 drivere discrete (4), cu bipolare în configurație totem pole, fiecare driver deține două tranzistoare complementare.

Driverele și respectiv puntea este comandată de la un microcontroller (5) de tip GPMQ8005A.

Foaia de catalog a acestuia poate fi văzută aici: http://datasheet.d4usemicon.netdna-cdn.com/pdf/738529/GPMQ8005A.pdf

Pînă aici, înțelegem că avem un microcontroller care face un circuit LC rezonant să oscileze.

LED-urile (9) sînt comandate de microcontroller și se aprind cînd se încarcă bateria. Încep să se aprindă intermitent atunci cînd bateria este încărcată. Intensitatea lor luminoasă se adaptează la lumina ambientală cu ajutorul fotorezistenței (8).

Bibliografie :

[1] Dumitriu, Lucia. – “Curs Bazele Electrotehnicii”.

[2] Valone, T. (2002)- “ Harnessing the wheelwork of nature: Tesla's science of energy.

Kempton, Ill: Adventure Unlimited Press”.

[3] ”Contactless Battery Charging for EV/HEV”, A. Marinescu, A. Vintila, D. G. Marinescu, V. Nicolae, 
[4] Paper 608, CONAT 2016 (International Congress of Automotive and Transport Engineering), 25 – 27 October 2016, Brașov, România.

[5] ”Using VNA for IPT Coupling Factor Measurement”, A. Marinescu,

[6] Hu, A. P. (2009). -“Wireless/Contactless power supply: Inductively coupled

esonant converter solution”.

[7] Walker,J., Halliday, D., Resnick, R. (2011).-“Fundamentals of physics”.

[8] http://www.agir.ro/buletine/2003.pdf

[9] http://electronica-azi.ro/2012/12/11/wireless-power-transmiterea-puterii-electrice-fara-fire/

[10] http://stiri.tvr.ro/electricitatea-wireless-o-inventie-marca-tesla-inventatorul-secolului-xx-[11] omagiat-in-10-iulie_62652.html#view

[12] https://ro.wikipedia.org/wiki/Transportul_energiei_electrice_f%C4%83r%C4%83_fir

[13] https://quickfield.com/advanced/circuit_linear_ac.htm

[14] http://www.referatele.com/referate/diverse/online5/Producerea-si-transportul-energiei-electrice-referatele-com.php

[15] ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection), Guidelines for limiting exposure to timevarying electric,magnetic, and electromagnetic fields (up to300GHz), Health Phys, 74(4), pp. 494-522, 1998.

[16] S. Ahn, N.P. Suh, D.H. Cho, Charging up the Road, IEEE Spectrum, vol. 50, no. 4, Apr. 2013, pp. 44-50.