Incarcator Wireless

PROIECT DE DIPLOMĂ

Incărcător wireless

Cuprins

Introducere. Motivarea temei de licență

Capitolul 1. Transmisia wireless de energie

1.1Generalități.

1.2-Contribuția lui Tesla in domeniul transmisiei Wireless.

1.3.-Invențiile lui Tesla

Capitolul 2 Tehnologii existente

2.1- Sistemul de rezonanță WPT- institutul de tehnologie Massachusetts

2.2- PowerMat-stație de incarcare Wireless portabila

2.3 – Sistemul de transmisie Wireless WiPower

Capitolul 3.Abordare personală

3.1 Modulul de incarcare Wireless

3.2 Principiul de funcționare

3.3. Simulari ale incarcatorului

Capitolul. 4 Proiectarea sursei de alimentare

4.1. Generalități

4.2. Calculul sursei

4.2. Protecția la supratensiuni și scurcircuit

4.3. Realizarea practică a sursei

Capitolul 5 Puntea redresoare

5.1 Definitii. Generalitati

5.1.1 Schema bloc a unui redresor

5.1.2 Transformatorul

5.1.3 Redresorul

5.1.4 Filtrul

5.1.5 Stabilizatorul de tensiune

5.2 Clasificarea redresoarelor

5.3. Puntea redresoare cu rețea de rezonanță

5.3.1 Aspectul rețelei rezonante

5.3.2. Teoria de control a defazării PWM

Capitolul 6. Motorul de curent continuu

6.1 Generalitați

6.2 Clasificarea motoarelor de curent continuu

6.3 Schema motorului electric de curent continuu

Motivarea temei de licenta “Incarcator wireless”

Interesul meu fata de electronica de putere a inceput inca din primi ani ai scolii, curios fiind cum functioneaza aparatele radio sau telefoanele mobile. Odata ajuns la facultate, mi s-au parut foarte interesante circuitele care “faceau ceva”, de la circuitele care faceau ceva, care pur si simplu aprindeau un LED, pana la unele mai complicate gen jocuri de lumini sau surse de tensiune. De asemenea am fost atras de circuitele propriu zise, de partile practice ale electronice si mai putin de partile teoretice ale electronice, gen transformari Laplace, Fourier.

Imi amintesc despre cateva materii din primii ani, gen Fizica, Microunde, Analiza matematica care ma faceau sa ma gandesc de multe ori ca mi-am gresit profilul, neintelegand la momentul respectiv la ce imi folosesc atatea formule. In urmatorii ani am inceput sa facem tot mai multe laboratoare unde puteam pune fiecare mana si sa realizam cablaje si circuite.

Lăsând deoparte teoria sau cunoștiințele mele acumulta în decursul facultății, aș vrea să mai adaug că alegerea, temei de licenta, incarcator wireless am ales sa o realizez datorita faptului ca acest tip de incarcare te scuteste de fire si poate fi folosit pentru mai multe dispozitive.

În capitolul 1, al acestei lucrări de licența am încercat să scriu câteva generalitați despre transferul wireless de energie cât si despre cine a inventat prima dată acest fenomen.

În capitolul 2, am prezentat câteva din tehnologiile apărute până acum dintre care am amintit: Sistemul de rezonanță WPT- institutul de tehnologie Massachusetts, PowerMat-stație de incărcare Wireless portabilă, Sistemul de transmisie Wireless WiPower.

În capitolul 3, am prezentat lucrarea practică realizată cât si simulări ale circuitului, în care am putut vedea formele de undă în momentul când se realizează incarcarea dar si randamentul incărcătorului.

În capitolele 4, 5 și 6 am prezentat fiecare circuit care l-am folosit pentru realizarea proiectului din care amintesc: sursa de tensiune, puntea redresoare si motorul de curent continuu.

În capitolul 7, am scris concluziile la care am ajuns in urma realizări, simulări si analizei încărcătorului.

Capitolul 1

Generalitati

Transferul wireless de energie reprezinta o tehnologie potențiala pentru transferul electricității/puterii intre surse electrice și receptori fără a folosi fire.

Transmisia se face pe o distanță la care campul electromagnetic este suficient de puternic pentru a oferi un transfer de putere rezonabil. Acest lucru este posibil daca atat emițătorul cat si receptorul lucreaza la rezonanța. Transmiterea wireless este utila in cazurile in care energia instantanee sau continua este necesară, dar legaturile prin fire sunt imposibile.

Transmiterea wireless a energiei este diferită de transmiterea wireless a datelor atat in privința nivelului de putere cât si al randamentului. In transferul de energie wireless randamentul este cel mai important parametru.

Eficiența redusă a transmiterii si problemele de siguranță au sabotat incercarile

transferului de energie wireless, insă cateva inițiative – intre care, unele, semnate de

nume mari, precum Sony si Intel – propun o noua abordare pentru a face lucrurile sa

meargă. Ultimii cațiva ani au adus in atenție demonstrații promițatoare cu telefoane

mobile, laptopuri si televizoare alimentate wireless.

Ideea transferului de energie fără fire este aproape la fel de veche ca insăși

producerea de electricitate.

Capitolul 1.1-Contribuția lui Tesla in domeniul transmisiei Wireless.

Unul dintre cei mai influenți oameni de știință, inventatori și experimentatori din ultimele secole în domeniul transmisiei wireless este Nikola Tesla. Invențile lui Tesla în domeniul transmisiei wireless sunt descrise în secțiunea următoare. Cu toate acestea, contribuția sa in domeniu nu provine de la o singură invenție. Tesla a declarat la o conferință în 1899 că viziunea sa cu privire la un sistem de transmisie wireless a fost îndeplinită.[16] Ideea lui, spre deosebire de tehnologiile actuale, folosind sisteme de transmisie wireless de putere, a declarat, că s-ar difuza energie care ar fi "colectată pe tot globul de preferință în cantități mici. Una dintre utilizările sale de baza va fi iluminarea caselor izolate". Ideea lui este ceea ce orice inginer in electronica de putere ar visa. Acesta constă într-un post central care ar transmite puterea în atmosferă și multe receptoare care ar colecta și ar folosi aceasta energie.Imaginațiva dacă aceasta ar deveni realitate in zilele noastre, cat de diferită ar fi viața noastră.

Capitolul 1.2.-Invențiile lui Tesla

Geniu indiscutabil, Tesla a lăsat în urmă mai bine de 200 de invenții. La o jumătate de secol după moartea sa, mai mult de o sută dintre invențiile lui Tesla erau încă în uzul a milioane de oameni. Creațiile lui Tesla au inclus realizări extraordinare la acea vreme, ca arcul electric, motorul de curent alternativ și sistemele de transport al electricității către gospodării. El este faimos pentru bobina de inducție pentru curenți alternativi de înaltă frecvență, concepută pentru creșterea tensiunii la frecvențe înalte – un pas necesar pentru propagarea undelor cu ajutorul unei antene. Mulți consideră că Tesla ar trebui creditat cu descoperirea radioului.În fapt, sistemul său de circuite oscilante, reglabile au făcut radioul posibil. Tesla, de asemenea, a introdus conceptul de cuptor cu microunde. El a avut o puternică intuiție a electricității și a undelor radio, ceea ce i-a permis să proiecteze mașini funcționale.[20]

Tesla a avansat o mulțime de idei despre electronic de putere care erau destul de corecte, dar și unele care erau doar extravagante. De pildă, el a înțeles faptul că transmiterea wireless a energiei este posibilă, dar nu a știut că există limite în privința cantității de energie transmise astfel. El a proiectat un turn prin intermediul căruia urma să transmită energie electrică în mod gratuit în orice loc de pe planetă, folosindu-se de proprietățile de reflexie ale ionosferei, dar nu a realizat că, deși principiul funcționează în cazul undelor radio AM, nu este aplicabil în cazul curentului electric. De asemenea, Tesla a gândit acest turn și ca o armă gigantică, ce ar putea să fie folosită pentru scopuri de apărare. Mai mult, a crezut că folosind energia electrică ar putea schimba vremea pe Terra, fapt despre care cercetătorii de astăzi cred că nu este posibil. Deși înțelegerea  lui Testa asupra ionosferei și a transmiterii fără fir a energiei erau mult înaintea timpului său, acesta a atribut uneori naturii proprietăți pe care nu le avea

Printre invențiile lui Tesla a fost sistemul de transmisie wireless de putere construit în laboratorul său din Colorado Springs, așa cum se vede în imaginea de mai jos. Cele mai interesante puteri wireless de transmisie ale lui Nikola Tesla a fost "Tesla Tower," care se poate vedea in imaginea de mai jos. “Tesla Tower” a fost un turn de 60 metri, care a fost extins din laboratorul său. Turnul trebuia sa transmita puterea în atmosferă, după cum a explicat la conferinta, mai târziu fiind colectate și utilizate de receptoare isolate.[21]

Figura 1.1: Tesla cu invenția lui in propriul laborator din Colorado Spring[21]

Figura 1.2 : Turnul lui Tesla in Insulele Shorenham[20]

Tesla a avut, de asemenea, ideea de a transmite fără fir puterea între două dintre aceste turnuri. Deși ideile lui Tesla și invențiile sunt extrem de tehnice și implicate, premisa de bază a sistemelor sale a dat drumul la sistemele de transmisie wireless care sunt solutii viabile astazi. Principiul de baza de funcționare al lui Tesla in sistemele de transmisie de putere fără fir a fost rezonanța. Circuitele de la lor frecvență de rezonanță reciprocă de operare cauzate comportamentul unuia să influențeze producția de alte. Cu toate acestea, aceste idei nu au fost considerate practic posibilitati tehnologice până de curând.[21]

 De fapt in decursul de aproximativ cinci ani, multe companii au fost fie eliberate sau anunțate ca si curent de lucru pe sistemele de putere fără fir utilizate pentru încărcarea dispozitivelor precum telefoane mobile, mp3 playere și alte aparate diverse personale. Deși acoperă fiecare forma actuală a acestei tehnologii este dincolo de domeniul de aplicare al lucrării, cele mai multe tehnologii existente și relația acestora cu sistemul explicat în detaliu în lucrare sunt examinate în capitolul 2.

Capitolul 2

Tehnologii existente

Ideile și invențile pentru transmisia wireless de putere ale lui Nikola Tesla s-au dezvoltat în jurul 1981, el nu a devenit o realitate comerciale până recent la începutul secolului al XXI-lea.Ideile inițiale ale lui Tesla au fost modificate foarte mult în continuare pentru a putea fi ințeles electromagnetismul și sistemele de energie electrică. Aceste modificări la tehnologie adezvoltat tehnologiile multiple pentru a realizarea transmisiei wireless de putere. În speranța de a explica metodele primare și preferate de transmisia de putere fără fir în metodele de cercetare și industrie, următoarele trei tehnologii sunt examinate și mai târziu în comparație cu metoda utilizată în teză.

Capitolul 2.1- Sistemul de rezonanță WPT- institutul de tehnologie Massachusetts

O echipă de cercetători de la MIT (Masschusetts Institute of Technology) condusă de Prof. Marin Soljacic, au reușit să pună în practică un vis vechi de zeci de ani: transportul energiei electrice fără a mai fi nevoie de un suport palpabil. În experimentul lor, ei au reușit să aprindă un bec aflat la mai mult de doi metri de orice sursă de tensiune electrică.

Principiile electricității fără fir sunt cunoscute de multă vreme însă nu au fost până acum puse în practică din diverse motive.

Cunoaștem de multă vreme modalități de transmitere a informației fără fir (undele radio), însă a transporta energie folosind această metodă este foarte ineficient datorită faptului că undele radio se împrăștie în toate direcțiile și astfel nu toată energia mai poate fi captată de receptor. Folosind tehnici mai noi, cu radiație electromegnetică coerent direcționată (lasere), acest lucru este realizabil, dar nu este foarte practic: receptorul trebuie să fie imobil iar orice întrerupere a contactului dintre emițător și receptor va întrerupe fluxul de energie (așadar nu trebuie să existe nici un corp masiv între acestea).

Noutatea experimentului echipei de la MIT constă în faptul că folosește principiul de rezonanță pentru a transmite cât mai eficient energia de la emițător la receptor. Rezonanța este un fenomen cu implicații în extrem de ogy) condusă de Prof. Marin Soljacic, au reușit să pună în practică un vis vechi de zeci de ani: transportul energiei electrice fără a mai fi nevoie de un suport palpabil. În experimentul lor, ei au reușit să aprindă un bec aflat la mai mult de doi metri de orice sursă de tensiune electrică.

Principiile electricității fără fir sunt cunoscute de multă vreme însă nu au fost până acum puse în practică din diverse motive.

Cunoaștem de multă vreme modalități de transmitere a informației fără fir (undele radio), însă a transporta energie folosind această metodă este foarte ineficient datorită faptului că undele radio se împrăștie în toate direcțiile și astfel nu toată energia mai poate fi captată de receptor. Folosind tehnici mai noi, cu radiație electromegnetică coerent direcționată (lasere), acest lucru este realizabil, dar nu este foarte practic: receptorul trebuie să fie imobil iar orice întrerupere a contactului dintre emițător și receptor va întrerupe fluxul de energie (așadar nu trebuie să existe nici un corp masiv între acestea).

Noutatea experimentului echipei de la MIT constă în faptul că folosește principiul de rezonanță pentru a transmite cât mai eficient energia de la emițător la receptor. Rezonanța este un fenomen cu implicații în extrem de multe domenii: soldații nu merg în ritm sacadat pe un pod pentru că energia mecanică transmisă de aceștia poate fi preluată de podul care începe să vibreze și să cedeze. Un copil poate să se dea pe leagăn dacă își mișcă picioarele în acord cu perioada de mișcare a leagănului, tranferând astfel foarte eficient puțină, dar sufientă energie cât să își continue balansul. Aceste exemple sunt din mecanică, însă fenomenul de rezonanță are implicații în toate ramurile fizicii și, în principal, ușurează transferul de energie, de orice fel. Sistemul echipei de la MIT folosește două bobine care generează un câmp electromagnetic variabil. Cele două bobine sunt “acordate”, în sensul că atunci când intră în rezonanță una cu alta, transferul de energie dintre ele este maxim, energia disipată în mediu fiind neglijabilă. Procedeul este oarecum asemănător cu cel al inducției electrice, folosit în transformatoare.[12]

Figura 2.1: MIT rezonanta in transmisia de putere wireless[12]

Avantajele acestei tehnici pot fi uriașe: imaginațivă că laptop-ul dumneavoatră nu mai are nevoie de baterie, în schimb îl puteți folosi fără probleme în toată casa. La fel ar putea funcționa și alte dispozitive (telefoane mobile, mp3 playere) care nu vor mai trebui alimentate sau incărcate, în modul clasic al cuvântului. Deși, probabil, va mai dura ceva timp până vom renunța la clasicele fire.

Capitolul 2.2- PowerMat-statie de incarcare Wireless portabila

Problema incarcatoarelor universale incepe sa devina tot mai acuta si tot mai multi dezvoltatori de sisteme incearca sa gaseasca o solutie.

Daca cei mai mari producatori de telefoane mobile vad viitorul in cablul USB, compania Powermat propune alta alternativa.

Placa Powermat

Gadgetul propus este in forma unei placi care incarcă telefoanele mobile si numai, wireless. Powermat este conectat la sursa de curent printr-un cablu, dar pentru incarcarea dispozitivelor folosește unde electromagnetice .

Mai mult, cu sistemul propus de companie, utilizatorul poate incărca o gamă largă de gadgeturi, de la mai multe feluri de telefoane mobile, printre care se numără BlackBerry sau iPhone, pana la console de joc si diferite mărci de playere muzicale. Incărcarea unui dispozitiv se face prin atașarea unui receiver special pe carcasa fiecaruia și așezarea pe suprafața plăcii Powermat. Aceasta va atenționa utilizatorul printr-un semnal luminos si sonor că dispozitivul este detectat și se afla in stadiul de incărcare. Atunci când acumulatorul a ajuns la saturație , Powermat va inceta furnizarea de energie către gadgetul respectiv.[12]

Figura 2.2: Incarcator wireless PowerMat portabil[12]

Capitolul 2.3 – Sistemul de transmisie Wireless WiPower

Sistemul de transmisie Wireless WiPower a fost primul dezvoltat la Universitatea din Florida. Sistemul este în mod inerent diferit care se compune dintr-o serie de bobine de emițător cuplatforma de bază (padul negru în imaginea de mai jos), în loc de o singură bobină de transmitere. Aceste bobine apoi pot transmite simultan fără fir putere la mai multe receptoare plasate pe partea de sus (fotografia de mai jos). Aspectul uimitor al acestui sistem este că este capabil de încărcare mai multe dispozitive simultan. Din informațiile pe care le-am găsit, se pare că scopul acestui produs este de a instala un pad de încărcare mare, care poate fi folosit pentru a încărca wireless orice incepand de la telefoane celulare lalaptop-uri.[12]

Figura 2.3:Sistemul de transmisie Wireless WiPower[12]

Capitolul 3.Realizare practică

Specificațiile sistemului

Soluția de referință a transmițătorului opereaza cu tensiune mare de intrare și transferă destulă putere pentru a îndeplini cerințele de 5 W(5V/1A). Parametrii cheie ai sistemului sunt următorii:

Eficiența transferului: maxim 60%

Voltaj de intrare: 5-16 V Dc

Putere de ieșire: până la 5W

Frecvență operațională: 180kHz

Topologia stagiului de putere: punte-redresoare.

Algoritmul de control al transmițătorului include:

Protocol de comunicare WPC ”Qi”

Control liber de poziție

Limitare curentă

Protecție împotriva defecțiunilor

3.1 Modulul de incărcare Wireless

Modulul de încărcarefără fir poate fi aplicat în echipamente electronice de uz comun pentru echipamente wireless fără fir sau surse de alimentare.Modulul consta într-un emițător și o bobina de izolare, aceasta ar putea servi ca un înlocuitor pentru

sursa de alimentare Wireless cu tensiunea de iesire stabile de 5V și curentul maxim de 600mA . Este de dimensiuni mici și bobina de izolare este mai potrivita pentru utilizarea in cadrul proiectului wireless.

Figura 3.1: Schema bloc al unui incarcator wireless[13]

3.2 Principiul de functionare

Figura 3.2: schema unui sistem de alimentare wireless[10]

Bobina este un element de circuit format dintr-un conductor electric astfel înfășurat încât să formeze mai multe spire. O spiră are doi conductori activi, unul de ducere, și unul de întoarcere raportat la mersul curentului prin dânsa. Prin aceste spire se deplasează curentul de electroni (curentul electric) manifestând astfel în jurul bobinei un câmp magnetic. Fluxul de electroni din interiorul conductorului (spirei), format din sarcini pozitive (+) respectiv negative (-), va realiza dinamismult câmpului magnetic care își va schimba polaritatea rotativ, adică de la N la S și de la S la N, iar de aici… Ați ghicit! Avem cea mai comună soluție constructivă în care un magnet (ROTOR) este rotit în interiorul bobinei fixe (STATOR), adică un motor rotativ.

Figura 3.3: Bobina emitator

Bobina primară, după cum ați observat deja, este conectată la sursa de energie electrică, curent alternativ, desigur. Eu aș numi aceasta bobină primară BOBINĂ DONOR. Această bobină donor generează un câmp magnetic, reprezentat în schiță prin aria galbenă. Când bobina secundară, BOBINA ACCEPTOR, intră în câmpul magnetic a celei dintâi, energia electrică este indusă și astfel avem curentul necesar pentru funcționarea LCDului.

Figura 3.4: Bobina receptor

În timpul oricarei conversii de energie vor fi pierderi în gol sub o formă sau alta. Amploarea acestor pierderi este ceea ce dictează practic orice tip de încărcare fără fir. Incarcarcarea wireless, magnetica sau inductiva, a fost folosita în mod eficient pentru diferite tipuri de implanturi biomedicale. În prezent este metoda cea mai sigura și cea mai de durată pentru a realiza transferul de putere în interiorul corpului. În aceste sisteme, oscilatia curentului în exteriorul bobinei de sârmă, generează un câmp magnetic, care induce o tensiune în interiorul bobinei. Curentul rezultat din aceasta tensiune poate încărca o baterie sau dispozitivul de alimentare direct.

Figura 3.6:Bobina receptor împreună cu bobina emițător

În timp ce magnetul se afla în mișcare acesta poate fi folosit pentru a genera un câmp extern sau o bobina externă care este mult mai practică.

Mulți utilizatori de smartphone vor fi mirați că pe lângă domeniul de comunicare acestea pot fi folosite pentru a recolta putere de la o sursă externă dedicata, sau o sursă electromagnetică gen WiFi. Teoretic este posibil si astfel de sisteme sunt pe piata deja. Pentru a obține o eficiență maximă sistemul ar trebui să fie optimizat pentru o utilizare la o distanța de separare fata unghiul de incidență, faza si frecventa astfel încât acesta sa indeplineasca conditia de rezonanță.

Un singur lucru trebuie tinut minte atunci când se analizează incarcarea wireless: dacă sistemul de încărcare se afla la departare fata de priza incarcarea va fi lenta dar se va risipi si curent.

3.3. Simulari ale incărcătorului

Cu ajutorul osciloscopului am obținut formele de unda in momentul cand se realizeaza incărcărea.

Figura 3.1:Formele de undă la incărcare

Bobina de emițător și bobina de receptor functioneaza intre distanțele de 1-20 mm, pentru a creste distanta de transmisie este de preferat sa se mareasca numarul de rotatii ale bobinei de receptor, iar pentru aceasta am facut cateva teste.

Cu cat bobina de emitator este mai aproape de bobina de receptor cu atat randamentul este mai bun.

Pentru transformarea curentului alternativ in curent continuu am folosit o punte redresoare.Puntea este construită din patru diode, aceasta fiind conectată la bobina receptoare prin bornele „ V+” si „V-”, asa cum este in schema de mai jos.

Figura 3.2: Schema in Eagle a puntei redresoare

În schema următoare este prezentat produsul finit al puntei redresoare:

Figura 3.3: Puntea redresoare

3.4 Motorul de curent continuu – consumator

Ca și consumator am conectat un motor de curent continuu, acesta fiind controlat de la un „push-button” in trei stări.

Figura 3.4: Motorul de curent continuu

La acest motor de curent continuu, i-am adăugat doi condenstatori ceramici pentru partea de filtrare.

Produsul finit realizat, se poate vedea in figura următoare. Pentru a demonstra incărcarea am folosti două baterii de 1,2 V fiecare, cu ajutorul lor fiind alimentat si apoi controlat, motorul de curent continuu.

Figura 3.5: Produsul final obținut

Capitolul 4. Sursa de tensiune

4.1 Generalități

Funcționarea normală și corectă a aparatelor electronice necesită alimentarea acestuia de la surse de tensiune la care variațiile tensiunii de alimentare să nu depășească anumite limite, dependente de performanțele aparatului. Principala sursă de energie electrică folosită la alimentarea aparaturii electronice o constituie rețeaua de curent alternativ. Conversia energiei de curent alternativ în energie de curent continuu se realizează cu sisteme de redresare. Exceptând consumatorii alimentați în curent continuu, de putere mare (motoare electrice de curent continuu, instalații de electroliză, etc.), majoritatea instalațiilor electronice utilizează surse de tensiune continuă caracterizate prin tensiuni de ordinul zecilor de volți și curenți de câțiva amperi, sau, în unele cazuri, zeci de amperi.[8]

Practic, rețelele de distribuție a energiei electrice nu pot funcționa fără întreruperi, cauzate în special de unele deranjamente specifice (furtuni ce produc ruperi de stâlpi sau de conductoare, scurtcircuite etc.). Instalațiile de centralizare, de bloc de linie automat, din triaje etc., fiind instalații ce asigură siguranța circulației trenurilor, nu admit întreruperi ale alimentării, nici de foarte scurtă durată. În scopul asigurării continuității alimentării, se iau diferite măsuri, al căror grad de complexitate depinde de situația locală existentă la punerea în funcțiune a instalațiilor respective.

Ca principiu general, se urmărește existența întotdeauna a cel puțin două surse de energie, care să fie capabile, fiecare în parte, să asigure funcționarea în bune condiții a tuturor instalațiilor.

O primă măsură o constituie alimentarea instalației prin doi fideri separați, de la două surse independente. Una dintre ele este sursa de bază, iar cealaltă sursa de rezervă. Fiderii de la cele două surse sunt supravegheați în mod automat de un panou special, de conectare automată a instalației stației la fiderul cu tensiune.

Deoarece acest sistem nu este întotdeauna suficient de sigur sau posibil de realizat, se prevede de obicei pentru stațiile mari și o sursă autonomă, independentă, constituită dintr-un grup electrogen, montat într-o încăpere a stației. El este constituit dintr-un motor cu ardere internă (Diesel) ce antrenează un alternator trifazic de 50Hz și putere corespunzătoare. Grupul electrogen este prevăzut cu un panou propriu de supraveghere, conectare și reglare, având asigurată pornirea automată după căderea surselor, într-un interval de timp scurt, dar totuși insuficient pentru a preîntâmpina trecerea pe oprire a semnalelor aflate pe liber într-un parcurs anterior comandat.[9]

În figura 4.1 sunt arătate principalele moduri de asigurare a continuității alimentării instalației de centralizare electrodinamică.

Funcționarea instalației necesită atât curent continuu, cât și curent alternativ.

Curentul continuu este utilizat în principal la valorile 12V, 24V și 160V. Curentul de la sursa de 12V se utilizează la acționările unor scheme cu relee și alimentarea unor becuri electrice, cel de la sursa de 24V se utilizează la anumite scheme de comandă și control efectuate cu relee, iar cel de la sursa de 160V se utilizează pentru acționarea electromecanismelor de macaz și iluminatul de rezervă, în caz de avarie.

Tensiunile continue se obțin cu ajutorul redresoarelor, ce încarcă în tampon și baterii de acumulatoare. Se observă că alimentarea în curent alternativ este independentă de existența tensiunii rețelei, un timp determinat de capacitatea bateriei de acumulatoare și consumul instalației.

Tensiunile alternative necesare sunt: 220V pentru alimentarea semnalelor luminoase (ziua), a circuitelor de cale, a dulapurilor de semnal și de barieră, 180V pentru alimentarea semnalelor (noaptea), 127V pentru alimentarea circuitelor de control la electromecanismele de macaz și 12V pentru alimentarea becurilor pe luminoschemă. Toate aceste tensiuni se obțin prin intermediul mai multor transformatoare ce au rapoarte de transformare corespunzătoare.

Obținerea unei autonomii totale față de întreruperile rețelei de distribuție se asigură la instalații cu ajutorul schemei din figura 4.2:

Bateria de acumulatoare de 160V, dimensionată corespunzător, este în permanență alimentată de la un redresor de mare putere, ce asigură atât consumul motoarelor electromecanismelor de macaz, cât și alimentarea unor invertoare statice, ce asigură energia electrică alternativă în 75Hz, pentru toți consumatorii din stație. Se observă că la căderea rețelei de 50 Hz, instalația de centralizare, având bateriile de acumulatoare încărcate, funcționează fără nici o întrerupere.[9]

Pentru a se evita rămânerea fără alimentare în cazul defectării redresoarelor sau invertoarelor, acestea sunt dublate sau triplate, unul fiind de rezervă, gata să intre automat în funcție la defectarea celuilalt.

Distribuția, măsurarea și protecția circuitelor de alimentare în curent continuu și alternativ se efectuează de către un tablou de intrare și distribuție al stației, care cuprinde ampermetre și voltmetre, comutatoare pachet și siguranțe pentru toate circuitele principale.

Un stabilizator de tensiune continuă este un subansamblu electronic, care menține tensiunea de ieșire în limite foarte restrînse, la variații mari ale tensiunii de intrare, a curentului de sarcină sau a temperaturii mediului ambiant.

Stabilizarea unei tensiuni continue se poate asigura fie “înainte de redresor”, menținând constantă tensiunea alternativa de alimentare, fie “dupa redresor”, intercalând între aceasta și sarcina un subansamblu electronic denumit stabilizaror de tensiune continuă, capabil să mențină între anumite limite tensiunea constanta. Stabilizatoarele din cea de-a doua categorie au căpătat cea mai mare răspândire, deoarece prezintă avantajul că mențin mai ușor tensiunea constantă la bornele sarcinii, indiferent de perturbațiile care tind să o modifice.

Tehnologia actuală oferă o mulțime de posibilități de realizare a unui stabilizator de tensiune continuă. În funcție de modul de comandă a elementului de putere, distingem următoarele tipuri de stabilizatoare:

stabilizatoare cu acțiune continuă (stabilizatoare liniare);

stabilizatoare cu acțiune discontinuă (stabilizatoare în comutație).

Proliferarea tehnologiilor LSI (Large Scale Integration) și VLSI (Very Large Scale Integration), precum și expansiunea sistemelor de calcul bazate pe microprocesoare au impus crearea unor noi echipamente electronice, care să fie cât mai compacte, cât mai ușoare, cu volum cât mai mic și cu preț de cost cât mai redus. Sistemele de alimentare cu tensiune continuă bazate pe principiul stabilizării liniare, cu care erau dotate în special mijloacele moderne de calcul, au început să se dovedească nepotrivite pentru un echipament electronic, care trebuie să aibă greutate și volum cât mai mici. Preocupările au fost în mod normal orientate spre găsirea unor soluții care să reducă volumul și greutatea surselor de alimentare.

Progresele tehnologice obținute în domeniul semiconductoarelor de putere, de comutație, realizarea unor circuite magnetice capabile să funcționeze la frecvențe mari și cu pierderi mici, au creat posibilitatea proiectării și realizării unor stabilizatoare de tensiune continuă în comutație, care să satisfacă cerințele impuse de greutate, volum, randament și cost.

Ca și în cazul stabilizatoarelor de tensiune continuă liniare, stabilizatoarele în comutație, în funcție de cerințele impuse tensiunilor și curenților pe care trebuie să-i livreze, se realizează în două variante:

fără circuit de reacție;

cu circuit de reacție.

Sursele de tensiune continuă în comutație, în a căror componență nu apar elemente de circuit care să urmărească modul de variație al tensiunii de ieșire, au o structură simplă. Acestea, în principiu, conțin un redresor, un element de comutație de putere și un filtru. Performanțele lor sunt în general modeste.[8]

Stabilizatoarele de tensiune continuă cu circuit de reacție au o structură mai complexă. Prin intermediul unei bucle de reacție se asigură menținerea constantă a tensiunii de la ieșire în concordanță cu factorii perturbatori din rețea sau de la consumator. Performanțele obținute cu o astfel de structură în ceea ce privește puterea maximă debitată, coeficientul de stabilizare, randamentul sunt superioare față de sursa fără buclă de reglare. În lucrare se utilizează termenul de stabilizator de tensiune continuă în comutație pentru sursa care conține bucla de reglare, iar termenul de sursă în comutație circuitului care furnizeaza tensiune continuă fără să posede bucle de reglare.[8]

Schema bloc a unui stabilizatorde tensiune continuă în comutație

În figura 4.3 sunt prezentate subansamblurile ce intră în componența unui stabilizator în comutație.

Tensiunea alternativă a rețelei este redresată, de obicei, printr-o punte redresoare. De remarcat că între rețeaua de curent alternativ și stabilizator nu este prevăzut nici un transformator de separare. Tensiunea redresată este filtrată corespunzător până se asigură nivelul pulsațiilor admis de celelalte părți componente pentru funcționarea corectă a acestora. Tensiunea continuă alimentează elementul de comutație (de exemplu: tranzistor de putere), care la rândul său este comandat de un semnal rectangular de frecvență mare, care de obicei este de 20 kHz. Tensiunea de formă dreptunghiulară se aplică unui transformator de putere, în secundarul căruia se obține o tensiune de aceeași formă ca în circuitul primar cu amplitudine determinată de raportul de transformare. Transformatorul mai îndeplinește și rol de element izolator între circuitele conectate la rețeaua de curent alternativ și consumator.[9]

Tensiunea alternativă, de formă rectangulară, este în continuare redresată și filtrată și constituie tensiunea de ieșire a stabilizatorului.

Pentru ca tensiunea să rămână constantă chiar dacă tensiunea rețelei se modifică sau dacă circuitul de sarcină își modifică valoarea, un eșantion din tensiunea de ieșire este preluat de circuitul de comandă și control. Acest bloc are rolul de a compara tensiunea de reacție cu o tensiune de prescriere și să ajusteze pe baza rezultatului comparării durata de conducție a elementului de comutare.

Întrucât elementul de comutare se află într-una din cele două stări distincte, conducție respectiv blocare, tensiunea rezultată va avea un important conținut de armonici superioare. Ele pot perturba alte echipamente aflate în apropierea stabilizatorului sau se pot propaga în rețeaua de alimentare. Pentru a împiedica pătrunderea în rețea a tensiunilor perturbatoare la intrarea stabilizatorului este obligatorie folosirea unui filtru (filtru de radiofrecvență).

Stabilizatorul mai posedă circuite de protecție care să-i asigure funcționarea corectă în situații când curentul de sarcină depășește o anumită limită, precum și în cazul apariției unor supratensiuni accidentale.

4.2. Calculul sursei

Figura 4.4: Schema convertorului flyback[16]

Transformatorul:

Pentru cele două stari de comutare a convertorului, avem următoarele circuite echivalente:

Figura 4.5: Circuitul echivalent pentru cele doua stări ale comutatorului S[16]

Cu tensiunea de ieșire fixata pe U0 putem deriva ecuația echivalenta pentru curentul pentru fiecare circuit:

Ecuația pentru S=ON: (1)

Ecuația pentru S=OFF : (2)

Ecuațiile medii pe o perioadă de comutare: (3)

Perturbațiile si liniaritățile in jurul punctului de operare:

(4)

Semnalul mic (CA) și starea de echilibru (CC):

(5)

(6)

Inlocuind soluția starii de echilibru in soluția semnalului mic:

(7)

Deoarece apare aici ca și variabila perturbatoare, o stabilim la zero si efectuam transformata Laplace:

(8)

Valoarea media a semnalului masurat de intrare este oricum: (9)

(10)

Inlocuind (10) și (6) in ecuatia (8) obținem :

(11)

Valoarea semnalului mare definește punctul de funcționare și poate fi calculat cu:

(12)

Funcția de transfer este dependentă de punctul de funcționare { } care este definit de unghiul de faza a tensiuni de intrare.In figura 3 putem vedea diagrama Bode a funcției pentru trei unghiuri definite. Simularea a fost facuta in programul MatLab.

Figura 4.6: Funcția de transfer a semnalului mic, in trei puncte de funcționare diferite.

Modelul semnalului mic este valabil doar pana la o anumită frecvență. Această frecvență este sub frecvența de comutare ( 5-10 ori mai mica). Daca frecvența semnalului mic este apropriată celei de comutare, atunci nu putem vedea efectul metodei de mediere a filtrului. Acesta este motivul pentru care acest model este valabil doar pentru frecvențe mai mici decat frecvența de comutare. In realitate sistemul reacționeaza la zgomot de frecvențe inalte.

Funcția de transfer a filtrului este: (13)

Pentru o atenuare de 30 dB a frecvenței de comutare (45 kHz) avem nevoie de o constantă de timp Tf corespunzatoare lui := (14)

Frecvența de taiere poate fi acum calculată ușor.

(15)

Aspectul curentului de control: Lațimea de banda a controlerului poate fi determinată folosind frecvența buclei de control. In principiu, lațimea maxima a benzi de este limitata de timpul limită al buclei de control. Lățimea impulsului modularii introduce o intarziere a lui

Dacă alegem un curent de control cu lățimea buclei de 2 kHz si stabilim faza la 40°, putem vedea in MatLab, modelarea unei bucle deschise.

(16)

Figura 4.7 : Diagrama Bode a funcției de transfer a curentului de control intr-o bucla deschisă

Răspunsul este generat in MatLab folosind comanda step().

Figura 4.8: Funcția de transfer a curentului de control al unei bucle inchise

Aspectul controlerului de tensiune: controlerul tensiuni de ieșire trebuie să fie mic, în comparație cu controlerul de curent. Luam în considerare mai întâi puterea la intrarea convertorului: (17)

Valoarea lui RMS a curentului de intrare este variabila de la ieșire a controlerului de tensiune, obtinem astfel: (18)

(19)

(20)

La ieșirea convertorului, putem specifica puterea instantanee. este curentul in secundarul transformatorului : (21)

= (22)

Pentru semnalul mic avem : (23)

Ne putem modela incarcărea convertorului cu o rezistența constantă(consumand toata puterea de la ieșire): (24)

Examinand circuitul echivalent la ieșirea convertorului, putem obtine expresia pentru si o inlocuim in ecuatia de mai sus.

Figura 4.9: circuitul echivalent la iesirea convertorului

(25)

. (26)

In starea de echilibru, curentul de la ieșire este egal cu curentul din secundarul transformatorului peperioada de alimentare. Echivalând puterea de intrare si ieșire, in final vom obține funcția de transfer dorită:

(27)

Lățimea de bandă controlerului de tensiune poate fi relativ mic. Acest lucru se datorează faptului că într-un sistem cu o singură fază, puterea reală este pulsată de două ori frecvenței de alimentare. Acest lucru provoacă o unda de tensiune de ieșire de două ori a frecvenței de alimentare. Aceasta unda nu poate fi compensata cu controllerrul, în același timp menținând curentul de intrare sinusoidal și în fază cu tensiunea de intrare. Deoarece aceasta este o cerință de proiectare, vom lăsa această dublă alimentare de frecvența a riplului necompenstata.

. (28)

(29)

Figura 4.10: Diagrama Bode a tensiuni buclei de ieșire

Răspunsul tensiuni de inchidere a buclei de control prezintăun comportament amortizat.

Figura 4.11: Funcția de transfer a tensiuni de inchidere a buclei

Tensiunea la ieșire arată un comportament așteptat a riplului, acesta fiind dublul frecvenței. La prima vedere forma undei de tensiune pare a fi deformata.

Circuitul a fost simulat in programul MatLab, si am obținut formele de undă a tensiuni si curentului la ieșire.

Figura 4.12: Formele de undă a tensiuni si curentului la ieșire

Deformarea tensiuni este cauzata de schimbarea modului de operare. Zona roșie marcată in figură arată punctul de operare dintre limita respectiv granita dintre modul conditionat de operare discontinuu si continuu. Cele doua moduri de operare au semnale mici si foarte diferite. In modul discontinuu caștigul intern al sistemului este mult mai puțin decat in modul continuu.

4.2. Protecția la supratensiuni și scurcircuit

În funcționare aparatelor electronice pot apărea uneori deteriorări datorate rețelei publice de alimentare, șocuri în rețea sau a unei alimentări greșite, de cele mai multe ori mai mare decât tensiunea specificată. Pentru a fi protejați de aceste eventuale accidente, voite sau nevoite, se apelează la circuite de protecție la supratensiuni, când valoarea tensiunii U de intrare este mai mare decât cea normală de alimentare sau pretecție la scurcircuit, de vină fiind în acest caz curentul I.

Cauzele care duc la apariția de supratensiuni în circuitele electrice pot fi multiple, unele dintre cel mai întâlnite fiind, scurcircuitarea tranzistorului regulator (pentru stabilizatoarele în comutație), defectarea unor componente din circuit sau defectarea sursei de referiță a cărei mărime poate să crească brusc. Circuitele specifice, acestui tip de problemă din domeniul electronic, pot fie rezistențele fuzibile, stabilizatoarele, diodele zenner, tiristorul, ș.a.

În cazul scurtcircuitelor electrice se urmărește limitarea curentului aplicat la intrarea circuitului. Prin scurtcircuitare, se ajunge la o valoare foarte mare a curentului, care va distruge dispozitivul. Pentru a combate acest tip de problemă se folosește, de cele mai multe ori, rezistența de balast R, care fiind una de o valoare destul de mare limitează curentul de la intrarea sarcinii, ISC = VImax / R . Dacă R suportă o putere Pd = R * I2SC , atât sarcina cât și elementul regulator sunt protejate.

4.3. Realizarea practică a sursei

Pentru a putea demonstra incărcarea wireless avem nevoie de o sursă alimentată la 220 V, tensiunea la ieșire fiind de 5V.

În următoarea schemă este prezentată schema in Eagle a sursei folosite de mine.

Figura 4.13: Schemă sursa in programul Eagle

Figura 4.14: Board-ul sursei in programul Eagle

Figura 4.15: Sursa obținută

Capitolul 5. Puntea redresoare

5.1 Definitii. Generalitati

Pentru alimentarea aparaturii electronice sunt necesare surse de energie de curent continuu.Aceste surse pot fi surse chimice (baterii galvanice, acumulatoare) sau redresoare.

Prin redresor se înțelege un circuit electronic capabil să transforme energia electrică de curent continuu. Alimentarea redresoarelor se face de obicei de la rețeaua de energie electrică. Redresoarele de puteri mici (pană la 1 kw) se alimentează in curent alternativ monofazat, iar cele de puteri mari se alimentează in curent alternativ trifazat.

Dintre elementele componente ale redresorului, cele electronice trebuie sa aibă proprietatea de a conduce unilateral, respectiv sa prezinte o caracteristică pronunțat neliniară și să funcționeze in regim neliniar. Se pot folosi diode cu vid (kenotroane), diode semiconductoare, tiratroane,tiristoare etc.[17]

5.1.1Schema bloc a unui redresor (fig. 5.1) conține următoarele elemente (pornind de la sursa de energie alternativă – de obicei rețeaua electrică):

Figura5. 1. Schema bloc a unui redresor[17]

sursa de curent alternativ (rețeaua);

transformatorul;

elementul redresor;

filtrul;

sarcina pe care se obține tensiunea continuă

5.1.2Transformatorul:

• modifică tensiunea alternativă a rețelei la nivelul necesar obținerii tensiunii

continue dorite;

• izolează aparatul electric (sarcina) alimentat de redresor, de rețeaua de curent

alternativ.

5.1.3 Redresorul:

• este circuitul care transformă tensiunea alternativă într-o tensiune pulsatorie;

• conține elemente neliniare (una sau mai multe diode semiconductoare) care pe

baza conducției unidirecționale suprimă una din alternanțele tensiunii alternative.

5.1.4 Filtrul, pe baza proprietății de acumulare și redare a energiei:

• extrage componenta continuă;

• elimină pe cât posibil componentele alternative ce apar la ieșirea circuitului

redresor contribuind la micșorarea pulsației (ondulației, riplului) tensiunii redresate.

5.1.5 Stabilizatorul de tensiuneeste necesar de fiecare dată când sarcina ce trebuie

alimentată nu admite variații prea mari ale tensiunii de alimentare, variații ce pot

interveni datorită variației tensiunii pe rețea sau datorită consumului de curent diferit al

sarcinii în diferite regimuri de funcționare.

5.1.5 Sarcina reprezintă „consumatorul” care poate fi un circuit electronic, aparatură

electronică, etc. [17]

5.2 Clasificarea redresoarelor

Redresoarele se pot clasifica după următoarele criterii:

după tipul tensiunii alternative redresate (numărul de faze):

– redresoare monofazate;

– redresoare polifazate (de obicei trifazate);

după numărul de alternanțe ale curentului alternativ pe care le redresează:

– redresoare monoalternanță;

– redresoare bialternanță;

după posibilitatea controlului asupra tensiunii redresate:

– redresoare necomandate;

– redresoare comandate sau reglabile;

după natura sarcinii

– redresoare cu sarcină rezistivă (R);

– redresoare cu sarcină inductive (RL);

– redresoare cu sarcină capacitive (RC).

In cele ce urmează ,se vor examina redresoarele necomandate, cu sarcina rezistivă, având ca elemente redresoare diodele semiconductoare.

REDRESOARE MONOFAZATE

Aceste redresoare se folosesc pentru puteri medii (sute de wați). Ele pot fi atât monoalternanță, cât si bialternanță.

Redresorul monofazat monoalternanță

Schema electrică a acestui tip de redresor este redată in figura 5.2.1.Funcționarea are loc astfel:la aplicarea unei tensiuni alternative in primar, ia naștere în secundar tot o tensiune alternativa, ce se aplica pe anodul diodei redresoare. Pe durata alternanțelor pozitive dioda conduce, in circuit apare un curent proporțional cu tensiunea aplicată, deci având aceeași formă cu ea. Pe durata alternanțelor negative, dioda este blocată si curentul prin circuit este nul. Curentul prin sarcină circulă deci dintr-un singur sens, sub forma unor alternanțe (curent pulsatoriu).

Figura 5.2.2- forma de undă a tensiunii redresate.

Figura. 5.2. Redresor monofazat monoalternanța cu sarcina rezistiva;[17]

În cazul acestui tip de redresor, valoarea factorului de ondulație este:

====1,57

Valoarea randamentului devine:

Tensiunea inversa maximă este:

Uinv max = Uim

Redresorul monofazat dublă alternanță cu transformatorul cu priză mediană

În figura 5.2,3este redată schema electrică a unui redresor dublă alternanță, la care tensiunea de alimentare se aplică printr-un transformator având un secundar cu priză mediană legată la masă. Se observă că schema conține două redresoare monoalternanță, formate din; – înfășurarea L’2, D1, Rs;

– înfășurarea L’’2, D2, Rs.

Datorită modului in care sunt conectate înfășurările secundare, tensiunile la bornele celor două secțiuni variază în antifază. La apariția alternanței pozitive la înfășurarea L’2, dioda D1 este polarizată direct,conduce și determină apariția curentului i’A care străbate rezistența de sarcină Rs in sensul indicat pe figură.

Figura 5.2.3. Redresor monofazat dublă alternanță folosind transformator cu priză mediană și sarcină rezistiva: a- schema electrică; b- forma de undăa tensiunii redresate.[17]

În acest interval, in înfășurarea L”2 fiind aplicată alternanța negativă, dioda D2este polarizată invers si curentul prin circuitul ei este nul.

Când se aplică alternanța negativă pe L’2, dioda D1 se blochează și respectiv, apărând alternanța pozitivă pe L”2, dioda D2 conduce. În circuitul ei apare curentul i”Ace străbate Rs in sensul din figură, sens care coincide cu cel al curentului i’A. În felul acesta, la bornele sarcinii apare o tensiune de forma indicată in figura 1.2., b.

O altă îmbunătățire o constituie valoarea randamentului redresorului, care in acest caz devine:

deci dublă fată de cazul redresorului monoalternanță. Tensiunea inversă maximă rezultă, pentru dioda blocată, din însumarea intre valoarea tensiunii negative aplicate pe anodul său de către transformator și tensiunea pozitivă aflată la bornele rezistenței de sarcină, deci pe catodul diodei blocate. Deci, în acest caz:

Uinv max=2Uim

Se observă avantajele redresorului dubla alternanță, constând intr-o formă de undă mai apropiată de cea continuă si un randament de valoare dublă, dar și dezavantajele sale, constând intr-o schemă mai complicată si mai costisitoare ( secundar cu priză mediană, două diode redresoare ), ca și in condițiile mai severe impuse diodelor redresoare in privința tensiunii inverse maxim admise.

Redresorul monofazat dublă alternanță, în montaj de tip punte

Schema ce oferă avantajele redresorului anterior, evitând dezavantajele lui, este

cea a unui redresor monofazat dublă alternanță in punte .

Cele patru diode redresoare folosite formează brațele unei punți, la care alimentarea în curent alternativ se face printr-o diagonală, de la secundarul unui transformator, iar tensionarea redresată se culege la bornele unei rezistențe plasate in cea de-a doua diagonală.

Funcționarea redresorului este următoarea: in timpul aplicării alternanței pozitive la o extremitate a secundarului transformatorului, conduc diodele D1 si D3, care sunt polarizate direct, determinând un curent i’A in rezistența Rs, iar diodele D2 si D4 fiind invers polarizate, sunt blocate.

La apariția celei de-a doua alternanțe, D1 si D3 sunt blocate, pe când D2 si D4 conduc, determinând apariția curentului iA ce străbate in același sens rezistența de sarcină Rs. Se observă că forma tensiunii redresate este aceeași ca și în cazul redresorului folosind un transformator cu priză mediană, tensiunea inversă maximă pentru fiecare diodă fiind însă Uim ca si în cazul redresorului monoalternanță.

Dezavantajele acestui montaj constau în numărul mărit de diode folosite ( patru ) si necesitatea unei bune izolări fată de restul elementelor a capătului nelegat la masă al rezistenței de sarcină Rs

Figura 5.4. Redresor monofazat dublă alternanță in punte având sarcină

rezistivă: 5.4.1- schema electrică; 5.4.2- forma de undă a tensiunii redresa[17]

5.3. Puntea redresoare cu rețea de rezonanță

Figura 5.5 arată topologia puntei redresoare, care consistă în două picioare de poduri, două comutatoare de putere pe fecare picior de pod care să funcționeze alternativ. Se găsesc două pulsuri de putere polară opuse, transferate în timpul fiecărui ciclu PWM, autorizarea ciclului de istereză pentru transformatorul de producție pentru a opera în cadrane de unu și trei, pentru ca ciclurile de la zero la unu să fie posibile.

Figura 5.5: Topologia puntei redresoare[15]

Puntea-redresoare este vast folosită în conversia aplicațiilor CC-to-AC, datorită următoarelor caracteristici:

Utilizarea crescută a voltajului CC pentru a suporta o gamă largă de voltaj de intrare

Mai mult control al variațiilor pentru diferite confiții ale aplicațiilor

Frecvență fixată, unipolară PWM pentru a reduce EMI

Posibilitatea defazării strategiei de control pentru operațiile de schimbare de soft posibile, pentru îmbunătățirea eficienșei sistemului

Componente de putere mică accentuate pe aplicații de putere medie/mare

Topologie simplă a invertorului cu transformator de producție

Rețelele rezonante sunt folosite pentru a converti valul patratic AC într-un vas sinusoidial, care este proiectat să asiste convertorii la operarea în comutare și să reducă EMI de la comutatorii de putere în convertor. Transformatorul de ieșire saturat cu valuri sinusoidiale va îmbunătății de asemenea eficiența transferului de putere și EMI scăzut. Așadar, invertorul cu un singur stagiu full-bridge cu rețele rezonante LCL paralele este folosit ca un stagiu de transmitere a puterii pentru a îndeplini specificațiile.

5.3.1 Aspectul rețelei rezonante

Rețeaua rezonantă este arătată in figura 5.6. Transmițatorul folosește un multiplexor pentru a selecta poziția din zona activă. Multiplexorul configurează bobina primară in asa fel încât una, două sau trei bobine primare sunt conectate in paralel în rețeaua circuitului resonant. Conectând bobinele primare împreună obținem o celulă primară.

Figura 5.6: schema simplificată a unui circuit resonant[15]

În figura 5.6, reprezintă inductanța, , reprezintă rezonanța capacitivă, , reprezintă rezonanța capacitivă aditională pentru configurația multibobinei și reprezintă inductanța bobinei primare.

și sunt conectate în paralel; când intrarea unghiului de frecvență ωeste mica, aceasta arată caracteristicile unui inductor. Cu cât unghiul frecvenței crește , rezonanța paralelă are loc atunci când unghiul frecveței a lui ω1.

Impedanța echivalentă poate fi calculată folosind ecuația de mai jos:

= j

Când numărătorul =0, rezonanța serială are loc.

Când numitorul = 0, rezonanța paralelă are loc.

5.3.2. Teoria de control a defazării PWM

După cum arată figura 5.7, cele două PWM pentru un picior de punte sunt perechi complementare la 180°șipentru a prevenisupraîncărcarea, trebuieinserațitimpimorți (perioadă de timpfărăputerecu comutatorulpornit) întrefiecareschimbare de tranziție. Diferența de fazeîntre PWM-urilecelordouăpicioare de pod se numeșteunghi de defazare. Funcția de transfer ieșire-intrareesteproporționalăunghiului de defazare.

Figura5.7: Principiul defazării PWm[15]

Ca rezultat, impulsul tensiunii de ieșirepoate fi ajustatprinmodificareaunghiuluidedefazare. Controluldefazării PWM are avantajefață de controlul PWM tradiționalpetopologiainvertorului full-bridge:

Frecvență fixată, unipolară PWM-ului de control pentru a reduce sistemul EMI

Operații ZVS ușor de imlementat pentru comutarea softului pentru îmbunătățirea eficienței

Voltaj constant pentru a îmbunătății stabilitatea sistemului

Creșterea cu 50% a operațiunilor pentru a extinde ciclul de viață a comutatorului și îmbunătățirea sistemului

Pentru a respecta cerințele specificate, strategia de defazare este folosită în transmiterea soluțiilor de referință.

Capitolul 6. Motorul de curent continuu

6.1 Generalitați

Motorul de curent continuu a fost apărut în 1873 de Zénobe Gramme prin conectarea unui generator de curent continuu la un generator asemănător. Astfel, a putut observa că mașina se rotește, realizând conversia energiei electrice absorbite de la generator.

Motorul de curent continuu are pe stator polii magnetici și bobinele polare concentrate care creează câmpul magnetic de excitație. Pe axul motorului este situat un colector ce schimbă sensul curentului prin înfășurarea rotorică astfel încât câmpul magnetic de excitație să exercite în permanență o forță față de rotor.[18]

6.2 Clasificarea motoarelor de curent continuu

În funcție de modul de conectare a înfășurării de excitație motoarele de curent continuu pot fi clasificate în:

motor cu excitație independentă – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt conectate la două surse separate de tensiune

motor cu excitație paralelă – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în paralel la aceași sursă de tensiune

motor cu excitație serie – unde înfășurarea statorică și înfășurarea rotorică sunt legate în serie

motor cu excitație mixtă – unde înfășurarea statorică este divizată în două înfășurări, una conectată în paralel și una conectată în serie.

Înfășurarea rotorică parcursă de curent va avea una sau mai multe perechi de poli magnetici echivalenți. Rotorul se deplasează în câmpul magnetic de excitație până când polii rotorici se aliniază în dreptul polilor statorici opuși. În același moment, colectorul schimbă sensul curenților rotorici astfel încât polaritatea rotorului se inversează și rotorul va continua deplasarea până la următoarea aliniere a polilor magnetici.

Figura 6.1 Motorul electric de curent continuu[18]

Pentru acționări electrice de puteri mici și medii, sau pentru acționări ce nu necesită câmp magnetic de excitație variabil, în locul înfășurărilor statorice se folosesc magneți permanenți.

Turația motorului este proporțională cu tensiunea aplicată înfășurării rotorice și invers proporțională cu câmpul magnetic de excitație. Turația se reglează prin varierea tensiunii aplicată motorului până la valoarea nominală a tensiunii, iar turații mai mari se obțin prin slăbirea câmpului de excitație. Ambele metode vizează o tensiune variabilă ce poate fi obținută folosind un generator de curent continuu (grup Ward-Leonard), prin înserierea unor rezistoare în circuit sau cu ajutorul electronicii de putere (redresoare comandate, choppere). Motor universal folosit la râșnițele de cafea

Cuplul dezvoltat de motor este direct proporțional cu curentul electric prin rotor și cu câmpul magnetic de excitație. Reglarea turației prin slăbire de câmp se face, așadar, cu diminuare a cuplului dezvoltat de motor. La motoarele serie același curent străbate înfășurarea de excitație și înfășurarea rotorică. Din această considerație se pot deduce două caracteristici ale motoarelor serie: pentru încărcări reduse ale motorului, cuplul acestuia depinde de pătratul curentului electric absorbit; motorul nu trebuie lăsat să funcționeze în gol pentru că în acest caz valoarea intensității curentului electric absorbit este foarte redusă și implicit câmpul de excitație este redus, ceea ce duce la ambalarea mașinii până la autodistrugere. Motoarele de curent continuu cu excitație serie se folosesc în tracțiunea electrică urbană și feroviară (tramvaie, locomotive).[18]

Schimbarea sensului de rotație se face fie prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare, fie prin schimbarea sensului câmpului magnetic de excitație. La motorul serie, prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare se realizează schimbarea sensului ambelor mărimi și sensul de rotație rămâne neschimbat. Așadar, motorul serie poate fi folosit și la tensiune alternativă, unde polaritatea tensiunii se inversează o dată în decursul unei perioade.Un astfel de motor se numește motor universal și se folosește în aplicații casnice de puteri mici și viteze mari de rotație (aspirator, mixer).

6.3 Schema motorului electric de curent continuu

Figura 6.2 Schema constructivă a motorului de c.c[18]

În general, sunt similare în constructie cu generatoarele de curent continuu. Ele pot, de fapt sa fie descrise ca generatoare care "functioneaza invers". Când curentul trece prin rotorul unui motor, este generat un câmp magnetic care genereaza o forță electromagnetică, și ca rezultat rotorul se rotește. Actiunea periilor colectoare si a placuțelor colectoare este exact aceiași ca la generator. Rotația rotorului induce un voltaj în bobinajul rotorului. Acest voltaj indus are sens opus voltajului exterior aplicat rotorului. În timp ce motorul se roteste mai rapid, voltajul rezultat este aproape egal cu cel indus. Curentul este mic, si viteza motorului va ramâne constanta atât timp cât asupra motorului nu acționeaza nici o sarcina, sau motorul nu efectueaza alt lucru mecanic decât cel efectuat pentru învârtirea rotorului. Când asupra rotorului se aplica o sarcina, voltajul va fi redus si un curent mai mare va putea sa treaca prin rotor. Astfel, motorul este capabil sa primeasca mai mult curent de la sursa care îl alimenteaza, si astfel sa efectueze mai mult lucru mecanic. Deoarece viteza rotației controleaza trecerea curentului prin rotor, mecanisme speciale trebuie folosite pentru pornirea motoarelor cu curent continuu. Când rotorul se afla în repaus, el, efectiv, nu are nici o rezistenta, si daca voltajul normal este aplicat, va trece un curent mare, ceea ce ar putea avaria periile colectoare sau motorul. Mijloacele obisnuite pentru prevenirea acestor accidente este folosirea în serie a unei rezistente, la început, împreuna cu rotorul, pentru a limita curentul pâna când motorul începe sa dezvolte un curent suficient. Pe parcurs ce motorul prinde viteza, rezistenta este redusa treptat, fie manual ori automat.[18]

Capitolul 5. Concluzii

Întru-un final după o lungă perioadă de documentare si studiere a tehnologiilor de incărcare wireless, am reușit să ințeleg cum funcționează acest tip de încărcare și am ajuns la următoarele concluzii:

· Transferul wireless de energie reprezintă o tehnologie experimentală folosită

pentru a transmite electricitate/putere intre surse electrice si receptori fără a

folosi fire.

· Acestă modalitate de transmisie este utilă pentru a satisface necesitățile de

energie acolo unde legăturile prin fire sunt imposibile.

·Este foarte lejer de manevrat. Utilizatorul nu mai trebuie să conecteze un fir în telefon, ci pur și simplu acesta este așezat pe placa de inducție electrică și se încarcă

· Cel mai important lucru este că nu există posibilitatea să vă curentați nici dacă atingeți placa, deoarece curentul electric este produs când cele două părți ale ecuației, transmițătorul și receptorul, sunt conectate. Ceea ce se produce prin introducerea unei asemenea stații de încărcare în priză este doar un câmp magnetic. Transformarea în energie electrică se produce doar cu ajutorul receptorului, în speță gadgetul sau in cazul meu cele două baterii de 1.2 V fiecare.

Bibliografie

Dumitriu, Lucia. – “Curs Bazele Electrotehnicii”.

Kempton, Ill: Adventure Unlimited Press”.

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

resonant converter solution”.

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

Suresh, S. RamaReddy, „Parallel Resonance based Current Source Inverter for Induction Heating”,European Journal of Scientific Research.

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

V. Popescu –Electronică de putere,Editura de Vest Timisoara,1998,ISBN 973-36-0306

V. Popescu, D. Lascu, D. Negoițescu – Surse de alimentare în telecomunicații, Editura de Vest Timisoara,2002, ISBN 973-36-0365-1.

http://adevarul.ro/tech/mobile/cum-functioneazaincarcarea-wireless-nokiao-inovatia foloseste-otehnologie-veche-200-ani-1_504847418a396968668eac12/index.html#accesat în data de 25.05.2014, ora 23:35.

http://cache.freescale.com/files/microcontrollers/doc/user_guide/LPWPRUG.pdf?fsrch=1&sr=3accesat in data de 20.02.2014, ora 21.10.

http://easycharge.ro/powermat3x, accesat in data de 22.04.2014, ora 23.10.

http://elecfreaks.com/store/download/User-specified.pdf

http://www.istro-romanian.net/articles/art990111.html, accesat în data de 20.04.2014, ora 23.50.

http://powerbyproxi.com/wireless-charging/accesat în data de 12.05.2014, ora 21:35.

http://www.pes.ee.ethz.ch/uploads/tx_ethstudies/PES_II_RC2_solution.pdf,

http://www.robotics.ucv.ro/flexform/aplicatii/ite/Fetele%20Valerica%20-%20Circuite%20Redresoare/redresoare_monofazate.html, accesat în data de 20.04.2014, ora 23.55.

http://ro.math.wikia.com/wiki/Motor_de_curent_continuu, accesat în data de 18.06.2014, ora 23:40.

http://vega.unitbv.ro/~craciun/ElnAn/Lab/Lucr4_Redr.pdf

https://sites.google.com/site/dimensiuniparalele/zeitgeist-DOCUMENTARE-TRADUSE-CU-TITRAJ-TITRARE/nikola-tesla-DOCUMENTAR-TRADUS- accesat în data de 28.11.2013, ora 13:14

http://www.teslasociety.com/tesla_tower.htmaccesat în data de 30.11.2013, ora 20:35.

http://www.ziare.com/articole/nikola+tesla+inventii accesat în data de 26.11.2013, ora 13:00.

http://www.wirelesspowersupply.net/wipower-charging-technology-for-a-complex-hi-tech-world, accesat in data de 25.04.2014, ora 23.10.

Bibliografie

Dumitriu, Lucia. – “Curs Bazele Electrotehnicii”.

Kempton, Ill: Adventure Unlimited Press”.

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

resonant converter solution”.

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

Suresh, S. RamaReddy, „Parallel Resonance based Current Source Inverter for Induction Heating”,European Journal of Scientific Research.

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

V. Popescu –Electronică de putere,Editura de Vest Timisoara,1998,ISBN 973-36-0306

V. Popescu, D. Lascu, D. Negoițescu – Surse de alimentare în telecomunicații, Editura de Vest Timisoara,2002, ISBN 973-36-0365-1.

http://adevarul.ro/tech/mobile/cum-functioneazaincarcarea-wireless-nokiao-inovatia foloseste-otehnologie-veche-200-ani-1_504847418a396968668eac12/index.html#accesat în data de 25.05.2014, ora 23:35.

http://cache.freescale.com/files/microcontrollers/doc/user_guide/LPWPRUG.pdf?fsrch=1&sr=3accesat in data de 20.02.2014, ora 21.10.

http://easycharge.ro/powermat3x, accesat in data de 22.04.2014, ora 23.10.

http://elecfreaks.com/store/download/User-specified.pdf

http://www.istro-romanian.net/articles/art990111.html, accesat în data de 20.04.2014, ora 23.50.

http://powerbyproxi.com/wireless-charging/accesat în data de 12.05.2014, ora 21:35.

http://www.pes.ee.ethz.ch/uploads/tx_ethstudies/PES_II_RC2_solution.pdf,

http://www.robotics.ucv.ro/flexform/aplicatii/ite/Fetele%20Valerica%20-%20Circuite%20Redresoare/redresoare_monofazate.html, accesat în data de 20.04.2014, ora 23.55.

http://ro.math.wikia.com/wiki/Motor_de_curent_continuu, accesat în data de 18.06.2014, ora 23:40.

http://vega.unitbv.ro/~craciun/ElnAn/Lab/Lucr4_Redr.pdf

https://sites.google.com/site/dimensiuniparalele/zeitgeist-DOCUMENTARE-TRADUSE-CU-TITRAJ-TITRARE/nikola-tesla-DOCUMENTAR-TRADUS- accesat în data de 28.11.2013, ora 13:14

http://www.teslasociety.com/tesla_tower.htmaccesat în data de 30.11.2013, ora 20:35.

http://www.ziare.com/articole/nikola+tesla+inventii accesat în data de 26.11.2013, ora 13:00.

http://www.wirelesspowersupply.net/wipower-charging-technology-for-a-complex-hi-tech-world, accesat in data de 25.04.2014, ora 23.10.