PROGRAMUL DE STUDII ELECTROMECANICĂ PROIECT DE DIPLOMĂ Absolvent Stoica Sorina-Elena Conducător științific Șef lucrări dr. ing. Constantinescu… [309402]

[anonimizat]: [anonimizat] 2018

[anonimizat]: [anonimizat] 2018

CUPRINS

Lista Figurilor

Lista Tabelor

Lista Acronimelor

Capitolul 1. Noțiuni introductive de transfer wireless

Tehnologia wireless și inițiatorul acestui principiu.

1.2 Avantajele și dezavantajele transferului wireless.

1.3 Inducția electromagnetică.

1.4 Producerea câmpului magnetic între 2 circuite.

Capitolul 2. Modalități de transmitere a energiei/puterii

Fig. 1. [anonimizat]: (a) – transfer capacitiv; (b) – transfer inductiv.

2.1 Rezonanța în circuitele de curent alternativ:

2.1.1 [anonimizat] (rezonanța serie)

2.1.2 [anonimizat] (rezonanța paralel)

2.2 Transferul maxim de putere activă în circuitele de curent alternativ monofazate

2.3 Transmisia energiei prin cuplaj capacitiv

2.4 TRANSMISIA ENERGIEI PRIN CUPLAJ INDUCTIV

2.5 Studiul transferului wireless de putere în cazul rezonatoarelor conexiune serie serie

L5 și Representation of Interference Mechanism in Wireless Power Transfer System

via Coupled Magnetic Resonances

Capitolul 3. Domenii de utilizare și realizări experimentale

A_Marinescu

3.1 Primul bec alimentat cu energie electrică transmisă prin aer

3.2 Sistemul de încărcare a bateriilor vehiculelor electrice/hibride

3.3 Sistemul de încărcare a acumulatorului cardiac

Capitolul 4. Simulări și realizări practice

4.1 Simulari Psim sau Matlab

4.2 Realizări practice

4.2.1 Determinarea amplitudini de intrare/ieșire pentru consumatorul bec.

4.2.2 Determinarea amplitudini de intrare/ieșire pentru consumatorul led.

4.2.3 Determinarea tensiuni și curentului pentru cei doi consumatori.

4.2.3.1 Determinarea tensiuni și curentului pentru cei doi consumatori cu tensiunea de intrare 5V.

4.2.3.2 Determinarea tensiuni și curentului pentru cei doi consumatori cu tensiunea de intrare 12V.

Capitolul 5. Concluzii

Lista Figurilor

Lista Acronimelor

Introducere

Transmisia energiei fără contact galvanic reprezintă o preocupare mai veche a [anonimizat]. Transmiterea fără contact a [anonimizat] a [anonimizat], [anonimizat] (robotică),.

Prezentarea succintă a [anonimizat], sunt prezentate după cum urmează:

[anonimizat] – prezintă o introducere elaborată a noțiunii de transfer wireless al energie electromagnetice, în care sunt prezentate: importanța, inițiatorul și actualitatea acestei teme de cercetare. Toate acestea s-au bazat pe o documentare bogată și riguroasă a publicațiilor apărute în domeniul TPW.

În Capitolul doi – Modalități de transmitere a energiei/puterii – este prezentat stadiul actual al transmisiei energiei electromagnetice fără contacte galvanice (wireless), se efectuează analiza literaturii de specialitate a lucrărilor conexe, anterioare acestui studiu. Se prezintă cele două metode de transfer în câmp apropriat: transferul de energie prin cuplaj capacitiv, respectiv inductiv, din punctul de vedere al nivelului de putere transferată sarcinii și al randamentului de transfer.

Rezultatele fiind sintetizate într-o manieră folositoare și constituind astfel un instrument util pentru dezvoltarea unor cercetări ulterioare în domeniu.

În Capitolul trei- Domenii de utilizare și realizări experimentale – se vor prezenta mai multe tipuri de dispozitive ce pot folosi energia electromagnetică transmisă wireless. De asemenea, este prezentată, și o trecere în revistă a diferitelor metode de transfer de putere pentru aplicații biomedicale, al sistemul de încărcare a bateriilor vehiculelor electrice/hibride, încărcarea dispozitivelor echipate cu baterii reîncărcabile. Se arată că transferul wireless al energiei – Witricity este diferit de cel al transmisiei fără fire a informației.

În Capitolul patru- Simulări și realizări practice – își propune să prezinte modul de transmisie a puterii prin aer (wireless) de mici dimensiuni. Se identifică parametri electrici ai bobinelor cuplate magnetic, determinate prin realizări experimentale. Pentru a arăta influența distanței dintre bobine sau pentru a determina amplitudinea și frecvența bobinelor se va folosi un osciloscop HM303-6 –analog. S-a determinat tensiunea de intrare/ieșire, curentul intrare/ieșire a celor două bobine cuplate. Se observă cu cât mărim distanța de transmisie dintre bobina emițătoare și cea receptoare amplitudinea de la receptor va scădea, odată cu pătratul distanței.

Utilizarea programului PSim pentru analiza și viziualizarea tensiuni de intrare/ieșire sau a curentului în urma determinărilor experimentale, pentru transformator.

În Capitolul -Concluzii – Se prezintă punctual contribuțiile proprii, concluziile și rezultatele obținute.

Capitolul 1. Noțiuni introductive de transfer wireless

1.1 Tehnologia wireless și inițiatorul acestui principiu.

Transferul wireless de energie reprezintă o tehnologie potențială pentru transferul electricității/puterii între surse electrice și 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 emițătorul cât și receptorul lucrează la rezonanță. Transmiterea wireless este utilă în cazurile în care energia instantanee sau continuă este necesară, dar legăturile 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 semnificativ parametru. Transmisia energiei fără contact galvanic reprezintă o preocupare mai veche a mediului științific, interesat să valorifice avantajele sale incontestabile.

Prima aplicație a transmisiei de energie în câmp apropiat a fost realizată de Nikola Tesla prin inventarea motorului de inducție (asincron), unde energia este transmisă din stator în rotor prin întrefier (1893). Nikola Tesla (1856-1943), om de știință american, inginer și inventator de origine sârbă (fig.1.1). El este unul dintre cei mai importanți inițiatori ai electricității comerciale. Tesla este recunoscut ca fiind un om important de știință al sfârșitului de secol XIX și începutului de secol XX. Creațiile, precum și munca teoretică ale lui Tesla au pus bazele cunoștințelor moderne despre puterea electrică, curentul alternativ, sistemele de curent alternativ, incluzând sistemele de distribuție a puterii și motorul pe curent alternativ, au determinat cea de-a doua revoluție industrială. Datorită demonstrației de comunicare fără fir prin intermediul undelor radio, realizat în anul 1894 și după succesul în „războiul curenților” din anul 1880, a fost recunoscut ca fiind unul dintre cei mai mari ingineri electricieni ai vremi.

Figura 1.1 Portretul lui Nikola Tesla.

La vârsta de 30 de ani a emigrat în Statele Unite ale Americi (SUA), iar la insistențele lui Charles Bechelore, un asistent al lui Thomas Edison se angajează ca inginer electronist în compania „Edison Machines Work” pentru repararea motoarelor și generatoarelor de curent continuu. În anul 1884 Tesla a îmbunătățit curentul lui Edison (c.c.) și a redus cheltuielile. Auzind Edison a spus ca îl va recompensa dacă va reuși acest lucru. După câteva încercări a reușit, iar când s-a dus sa își primească răsplata, răspunsul lui Edison a fost unul ironic:"You don't understand American humor", adică "tu nu înțelegi umorul american". Datorită nerespectării înțelegerii financiare de către Edison, colaborarea s-a încheiat. Tesla va pleca din compania lui Edison și își va construi propria lui companie numită “Tesla Arc Light Company” unde va dovedi avantajele transmisiei la distanță a curentului alternativ, în comparație cu curentul continuu, al cărui adept era Edison. Mai mult decât atât, descoperirea sistemului alternativ de electricitate de către Tesla a devenit începutul unei lupte între cei doi, cunoscută ca „războiul curenților”.

Metoda de iluminat a lui Edison era amenințată de calitatea superioară a noii descoperiri. Curentul continuu producea o lumină fluctuantă, gălbuie, și nu putea fi transmisă decât pe o distanță de aproximativ două mile. Curentul alternativ, în schimb, dădea o lumină constantă, albă, și putea fi transmisă la distanțe mult mai mari, într-un mod mai sigur. Dacă descoperirea curentului alternativ este o invenție care a influențat foarte mult viața de astăzi, o alta invenție electrică, de care Tesla era convins că funcționează, a rămas multă vreme în fază de proiect: electricitatea wireless.

În secolului XX, Nikola Tesla a propus folosirea unor bobine uriașe pentru a transmite electricitate prin troposferă și a alimenta casele oamenilor. Marele savant Nikola Tesla considera Pământul ca fiind unul dintre armăturile unui condensator, ionosferă formând cealaltă armătură. După cum bine știm, condensatorul este un dispozitiv care înmagazinează energie sub forma unui câmp electric între două armături încărcate cu o sarcină electrică egală. Cu acest principiu a creat primul prototip care să furnizeze ”energie liberă” pentru oricine, inepuizabilă în cantitate, oriunde pe Pământ. Omul de știință a început demersurile pentru construirea Turnului Wardenclyffe din Long Island, New York, un enorm turn de telecomunicații, ce avea să testeze și ideea de transfer, fără cabluri, a energiei electrice. Principala construcție o reprezintă un turn cu înălțimea de 57 metri, având o “farfurie” mare de aramă la vârf – un emițător gigantic. Bobina Tesla este un transformator special, care se alimentează de la rețea sau de la baterii și care ridică tensiunea până la sute de mii de volți, obținându-se curent de înaltă frecvență. Curiozitatea invenției constă în faptul că aici nu este vorba de o creștere a tensiunii pe seama scăderii amperajului, cum se întâmplă la orice transformator, ci de un real câștig de putere a cărui cheie este rezonanța. El nu a reușit în experimentele sale să trasmită energie la distanțe mari, și e văzut ușor de ce: densitatea liniilor de câmp receptate de al doilea inel scade odată cu creșterea distanței dintre inele, cu alte cuvinte câmpul magnetic receptat de cea dea doua bobină va fi din ce în ce mai mic. Bobina Tesla poate fi folosită pentru iluminatul artificial, ca transformator radio, ca transformator de energie electrică, pentru dezinfectarea apei precum și în domeniul comunicațiilor globale, în electroterapia cu curenți de înaltă frecvență, ca generator de ozon sau pentru a genera razele X. Surprinzător este faptul că Nikola Tesla a brevetat o mulțime de aparate electrice care nu sunt alimentate cu energie electrică prin fire, ceea ce ne face să credem că în momentul în care viziunea lui va fi împlinită, nu vor mai fi necesari combustibili fosili și centrale atomoelectrice, iar energia electrică necesară oamenilor va putea fi obținută utilizându-se generatoare bazate pe principiile sintetizate de Nikola Tesla. Finanțatorii lui Tesla și-au retras fondurile atunci când au realizat că nu ar există 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. În 1908 turnul a fost demolat, iar energia liberă a rămas un vis pentru omenire.

Figura 1.2 Turnul Wardenclyffe din Long Island

Tesla va rămâne un deschizător de drumuri în domenii tehnice vaste, precum cel al electricității, radioului, curenților de înaltă frecvență, sistemului de curent alternativ, câmpului magnetic rotativ, structurii atomului și nucleului acestuia, motoarelor și diferitelor tehnologii fără de care lumea modernă ar fi de neînchipuit. Tot ceea ce astăzi numim tehnologie avansată se bazează pe invențiile lui Nikola Tesla, unele dintre acestea datând de peste un secol.

Amprenta lui Tesla poate fi observată în civilizația modernă oriunde este folosită electricitatea. Pe lângă descoperirile sale despre electromagnetism și inginerie, Tesla este considerat un inițiator și în domeniile roboticii, fizicii teoretice, fizicii nucleare, științei calculatoarelor.

Numele său denumește unitatea de măsură a inducției magnetice din Sistemul Internațional (1 Tesla = 1T).

1.2 Avantajele și dezavantajele transferului wireless.

Ultimii ani au fost caracterizați de o dezvoltare masivă a acestei metode realizându-se astfel o gamă variată de dispozitive electronice, atât în domeniul publicului larg, cum ar fi "telefoanele inteligente" și tablete, dar și în aplicațiile industriale, cum ar fi rețelele de senzori fără fir sau aplicații în domeniul medical.

Cuplajul inductiv a fost deja utilizat în domeniul biomedical motivul este că frecvențele utilizate sunt în general scăzute, joase (100 kHZ – l4 MHz), nu există prea multă absorbție sau efecte negative asupra sănătății. A devenit o opțiune viabilă pentru distanțe scurte, deoarece are o eficiență ridicată de transfer folosit pentru diagnosticarea pacienților sau monitorizarea stării de sănătate.

Tendința generală este să se mute tot mai mult spre miniaturizarea dispozitivelor pentru a facilita portabilitatea și integrarea în mediul de zi cu zi. Astăzi majoritatea dispozitivelor portabile folosesc bateriile ca sursă de energie. Bateriile trebuie înlocuite sau reîncărcate periodic. Dorim mai mult confort pentru încărcarea dispozitivelor electronice și să renunțăm la bateriile uzate care sunt foarte poluante, iar reciclarea lor este un proces complex. În ceea ce privește bateriile reîncărcabile, procesul de încărcare se bazează, de obicei, pe un încărcător cu cablu, care limitează într-un fel portabilitatea reală a acestor dispozitive "wireless".

În cazul dispozitivelor compacte, bateriile tind să aibă un volum mare, ceea ce face continuarea miniaturizării să fie aproape imposibilă, adăugând creșterea costurilor. Autonomia unor astfel de dispozitive este limitată de compromisul care se află între cantitatea de energie disponibilă și mărime.

Dacă implantarea tehnici de tranfer wireless este costisitoare, în ceea ce privește întreținerea și mentenanța costurile sunt scăzute.

Indiferent de aplicație, eliminarea conexiunii fizice oferă o serie de avantaje față de conectorii tradiționali de alimentare cu cablu. Acest mod de transport al energiei este util deoarece firele interconectate sunt costisitoare, periculoase sau imposibile (în anumite locuri nu pot fi instalate fire electrice). De exemplu :

Pentru transferul sigur de energie către aplicații care trebuie să rămână sigilate sau închise ermetic;

Partea electronică poate fi complet închisă, reducând astfel riscul de coroziune din cauza unor elemente cum ar fi oxigenul și apa.

Oferă un transfer de energie fiabil în mediile umede, murdare și pentru cele aflate în mișcare de translație sau de rotație (robotică).

Problema transportului energiei fără contact galvanic este diferită de cea a telecomunicațiilor fără fir: radio sau televiziune. Dacă la telecomunicații proporția de energie primită devine critică numai dacă este prea scăzută pentru ca semnalul să fie distins de zgomotul de fond. La energia electrică fără fir, eficiența este parametrul cel mai important.

Principalul dezavantaj al metodei este intervalul scurt de transfer (de obicei de până la câțiva centimetri).

Apariția tehnologiei pentru încărcarea wireless a telefoanele mobile este pozitivă, însă stadiul actual de dezvoltare nu permite o adoptare pe scară largă a acestui principiu de către utilizatori. În momentul de față încărcarea nu e tocmai rapidă, chiar dacă Samsung a dezvoltat o tehnologie de încărcare rapidă bazată pe mai multe bobine, nici acum eficiența de încărcare nu depășește un încărcător de 1,5A – 2A.

Implantarea tehnici este costisitoare,dar cu o întreținere ușoară.

1.3 Inducția electromagnetică.

Transferul wireless are la baza principul inductiei electromagnetice. În anul 1831 Michael Faraday descoperă inducția electromagnetică, reușind să realizeze conversia electromecanică a energiei și să enunțe legea inducției electromagnetice. Faraday după o serie de experimentări a arătat că electricitatea se obține prin inducție, prin frecare, pe cale chimică sau termoelectrică.

Legea inducției electromagnetice:

Inducția electromagnetică este fenomenul de producere a unei tensiuni electromotoare (t.e.m.) în lungul unei curbe închise prin varierea fluxului magnetic prin orice suprafață care se sprijină pe această curbă.Fie o curbă închisă pe care se sprijină suprafața (Fig. 1.3).

Figura 1.3 Fenomenul de inducție electromagnetică.

Forma integrală

T.e.m. indusă în lungul curbei este egală cu viteza de scădere a fluxului magnetic prin orice suprafață ce se sprijină pe curba .

(1.1)

Observație:

Curbele și suprafețele de integrare sunt atașate corpurilor în mișcare. Sensul t.e.m. este astfel încât fluxul de reacție () să se opună fluxului inductor ().

Forma locală pentru domeniile de continuitate

Deoarece și se scrie:

sau

(1.2)

Conform legii fluxului magnetic . Identificând se obține forma locală a legii inducției electromagnetice:

(1.3)

unde:

– corespunde t.e.m. de transformare;

– corespunde t.e.m. de mișcare;

și (1.4)

Forma locală a legii pentru suprafețe de discontinuitate

Fie o suprafață de discontinuitate o elipsă cu axa mare iar axa mică de dimensiune mult mai mică.

Figura 1.4 Suprafață de discontinuitate.

Calculăm :

cum: rezultă:

(considerând suficient de mic).

Deci: (1.5)

cum rezultă că la limită , deci

(1.6)

Concluzie:

La trecerea unei suprafețe de discontinuitate se conservă componenta tangențială a intensității câmpului electric.[1]

1.4 Producerea câmpului magnetic între 2 circuite

Dacă un circuit este străbătut de un flux magnetic variabil, acesta devine sediul unei tensiuni electromotoare care durează atât timp cât fluxul magnetic variază. Atunci cănd circuitul este închis, el este străbătut de un curent electric indus , iar dacă circuitul este deschis la bornele lui apare o tensiune electromotoare indusă.

Figura 1.5 Fenomenul de inducție electromagnetică.

Din formula fluxului magnetic ce străbate o suprafață S, a cărei normală face un unghi α cu direcția câmpului magnetic uniform avem că:

Φ = B·S·cosα = ··H·S·cos α (1.7)

Se observă că fluxul magnetic depinde de patru mărimi: , H, S și α.

Variația oricăreia dintre ele produce schimbarea fluxului (Φ), ceea ce are ca rezultat apariția unui curent indus în circuit. Prin urmare, în circuitul 2 apar curenți induși, precum și în următoarele cazuri:

1.Circuitul 2 se aproprie și se îndepărtează față de circuitul 1(intensitatea câmpului magnetic H);

2.Circuitul 2 se rotește în raport cu circuitul 1 (variză unghiul α);

3.Se introduce o substanță în interiorul conturului circuitului 2 (variază );

4.Se deformează circuitul 2(variază aria S a circuitului).

Fenomenul de inducție electromagnetică se produce datorită unui câmp magnetic variabil.

Un curent electric ce trece printr-un inel metalic (o bobină) produce un câmp magnetic. În figura de mai jos sensul curentului este indicat de săgețile roz, iar forma câmpului magnetic generat este indicată de liniile albastre. Forma liniilor de câmp magnetic se aseamănă cu cea a unui magnet. Inelul metalic are două capete tăiate, deoarece prin aceste capete se alimentează inelul cu curent electric pentru producerea de câmp magnetic.

Figura 1.6 Inel metalic (o bobină) ce produce un câmp magnetic.

Dacă curentul electric introdus în inel va fi oscilatoriu, tot așa va fi și câmpul magnetic generat.

Pentru a realiza procesul de transformare vom aduce un al doilea inel metalic în apropierea primului inel care generează câmp magnetic oscilatoriu.

Datorită legii inducției electromagnetice, fluxul magnetic ce străbate ce a dea doua bobină va genera o tensiune electrică oscilatorie de-a lungul acestuia, care va pune electronii în mișcare și va genera curent electric oscilatoriu. Este evident că prin această metodă putem transmite energie electrică de la primul inel (bobina emițătoare) la cel de-al doilea inel (bobina receptoare). În fond, această construcție de două bobine stă la baza tuturor transformatoarelor electrice, care transmit energie electrică dintr-un circuit electric în altul.

Figura 1.7 Circulația câmpului magnetic prin cele două bobine.

Capitolul 2. Modalități de transmitere a energiei/puterii

Transmisia energiei fără contact nu este încă o tehnică consacrată cu soluții clare, cu metode de proiectare și aplicare practică. Cele mai multe publicații au în vedere aspectele teoretice, pe când cele practice nu sunt așa bine definite. În Europa sunt cunoscute realizări teoretice, fără realizări practice remarcabile. În schimb, Asia de S-E și Statele Unite ale Americii demonstrează un interes maxim pentru această tehnologie.

Transferul energiei fără contact este posibil:

– la distanțe mici și medii, prin tehnici de câmp apropiat (prin cuplaj capacitiv sau cuplaj inductiv);

– la distanțe mari, prin tehnici de câmp îndepărtat (cum este transmisia energiei solare prin conversie în microunde).

Transmisiile implică de obicei aplicarea câmpului magnetic și a tehnicilor inductive care transportă energia pe distanțe relativ scurte (de obicei mult mai mici decât 1 metru, în mod excepțional, până la câțiva metri).

Metodele de transmisie electromagnetică în câmp îndepărtat permite transferuri de putere pe distanțe lungi și implică, de obicei, energie electromagnetică cu fascicul (lasere, transmisii cu microunde și radiounde).

În figura 2.1 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.

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.

Figura 2.1 Sisteme de transfer al energiei fără contact, în câmp apropiat:a – transfer capacitiv; b – transfer inductiv

Transmiterea wireless se face în condiții de rezonanță, urmărind transferul maxim de putere la consumator.

2.1 Rezonanța în circuitele de curent alternativ

Fenomenul de rezonanță electrică apare în circuitele cu elemente reactive (bobine și condensatoare) în care defazajul dintre tensiunea aplicată și curentul absorbit este nul. Aceasta este echivalent cu:

(2.1)

unde Xe reactanța echivalentă a circuitului serie sau derivație

Re rezistența echivalentă a circuitului

Rezultă (2.2)

Rezonanța electrică se poate obține fie prin variația parametrilor circuitului electric R, L, C, M fie prin variația pulsației ω /frecvenței f, corespunzătoare semnalelor de intrare ale circuitului. Pulsația la care se produce rezonanța se numește pulsație de rezonanță .

2.1.1 Studiul circuitelor R, L, C serie, rezonanța de tensiune (rezonanța serie)

Se consideră circuitul R, L, C serie alimentat cu tensiunea sinusoidală .

Figura 2.2 Circuitul R, L, C serie.

Aplicând TK.II pe ochiul o :

(2.3)

(2.4)

, (2.5)

(2.6)

Diagrama fazorială este prezentată în figura 2.3.

Figura 2.3 Diagrama fazorială a circuitului RLC serie.

(2.7)

(2.8)

,

(2.9)

(2.10)

La rezonanță ,

(2.11)

Relația (2.11) arată că se poate realiza rezonanța prin variația următorilor parametri: pulsația ω /frecvența f, inductivitatea L sau capacitatea C.

Valoarea pulsației pentru care se produce rezonanța este:

(2.12)

Rezonanța serie se mai numește și rezonanță de tensiuni.

Observație: La rezonanță impedanța circuitului are valoare minimă și este egală chiar cu rezistența R.

(2.13)

Corespunzător curentul va avea valoarea maximă:

(2.14)

Pentru studiul fenomenului de rezonanță se introduc următoarele notații:

– impedanța caracteristică a circuitului (Z0) care, din punct de vedere fizic, reprezintă raportul dintre tensiunea pe elemente reactive și intensitatea curentului din circuit, ambele la rezonanță.

(2.15)

– factorul de calitate al circuitului (Q*) care arată de câte ori puterea reactivă a unei bobine sau condensator este mai mică decât puterea activă, la rezonanță:

(2.16)

(2.17)

(2.18)

– factorul de supratensiune (factor de amortizare) (K):

(2.19)

În continuare se urmărește exprimarea următoarelor mărimi: curentul I, defazajul , tensiunea pe bobină UL și pe condensator UC în funcție de U, R, Q*, , , U0, I0.

(2.20)

(2.21)

(2.22)

(2.23)

și se obțin pentru și

(2.24)

(2.25)

(2.26)

În figurile 2.4 a, b, c este reprezentată dependența de pulsație a mărimilor la factor de calitate constant.

a. b.

Figura 2.4 Dependența de pulsație: a) Curentul în funcție de factorul de calitate și b)în funcție de factorul de calitate.

Figura 2.4 c)în funcție de factorul de calitate.

Observații:

Se poate întâmpla ca în unele circuite, la rezonanța, , fig. 2.5, dar numai în circuitele pentru care:

(2.27)

Figura 2.5 Diagrama fazorială a circuitului RLC serie la rezonanță.

În circuitele oscilante obișnuite (în radiotehnică), factorul de calitate poate avea valori de ordinul sutelor.

În instalațiile industriale creșterile neprevăzute de tensiune (, ) pot determina accidente și deteriorări ale aparatelor de măsură conectate pe porțiunile de circuit cu tensiuni mărite.

După scopul urmărit în circuitele respective fenomenul de rezonanță în circuitul serie poate fi apreciat în mod diferit:

fenomen periculos în sistemul electroenergetic, conducând la supratensiuni periculoase, putând duce la străpungerea izolațiilor;

fenomen util în circuitele de curenți slabi.

2.1.2 Studiul circuitelor R, L, C paralel, rezonanța de curent (rezonanța paralel)

Se consideră circuitul R, L, C paralel alimentat de la o tensiune sinusoidală .

Figura 2.6 Circuitul R, L, C paralel.

Aplicând TK. I în nodul (1):

(2.28)

Dar

(2.29)

(2.30)

Diagrama fazorială este prezentată în figura 2.7.

Figura 2.7 Diagrama fazorială a circuitului RLC paralel.

La rezonanță , ,

Rezonanța paralel se mai numește și rezonanță de curenți.

Observație: La rezonanță impedanța circuitului are valoare maximă și este egală chiar cu rezistența R.

(2.31)

Corespunzător curentul va avea valoarea minimă:

(2.32)

Se notează cu Y0 admitanța caracteristică:

În continuare se urmărește exprimarea următoarelor mărimi: curentul I, defazajul , curentul prin bobină IL și prin condensator IC în funcție de U, R, Q*, , , I0.

În figura 2.8 a, b este reprezentată dependența de pulsație a mărimilor la factor de calitate constant.

Figura 2.8 Dependența de pulsație a mărimilor la factor de calitate .

Dacă circuit inductiv ()

circuit capacitiv ()

Observații:

Practic este posibil ca în unele circuite, la rezonanța, , fig. 4.43, dar numai în circuitele pentru care:

(2.33)

Figura 2.9 Diagrama fazorială a circuitului RLC paralel la rezonanță.

2.2 Transferul maxim de putere activă în circuitele de curent alternativ monofazate.

Se consideră un generator de tensiune , cu tensiunea electromotoare complexă și impedanța internă complexă , care debitează curentul prin impedanța receptorului . Impedanța conductoarelor de legătură se neglijează sau se consideră inclusă în impedanța internă a generatorului.

Se cere să se calculeze valoarea impedanței a receptorului astfel încât puterea activă transferată acestuia să fie maximă.

Figura 2.10

Puterea activă a receptorului este:

Maximul acestei puteri se obține pentru anumite valori ale lui R și X . În punctul de maxim, derivatele parțiale în raport cu R și X sunt nule, și .

Dar

(2.34)

Cum (2.35)

Din relațiile (2.33) și (2.34)

(2.36)

Atunci

(2.37)

Relația (2.36) se numește și condiția de adaptare a receptorului la generator pentru a obține transferul maxim de putere activă.

Cu aceste condiții:

-curentul prin receptor este:

, (2.38)

– tensiunea la bornele receptorului (2.39)

– puterea activă maximă transmisă receptorului:

(2.40)

– puterea activă produsă de generator în acest caz:

(2.41)

Randamentul electric al transferului de putere activă de la generator la receptor este:

(2.42)

În condițiile maximului de putere activă la bornele receptorului, randamentul are valoarea:

(2.43)

Observație: Această valoare a randamentului este mult prea scăzută pentru necesitățile transmisiei de energie. În electroenergetică, unde se cer randamente cât mai mari, se lucrează cu , departe de condiția de adaptare. În electrocomunicații, unde aspectul energetic este secundar, interesează să se obțină maximul de putere activă dintr-un generator dat și, în acest caz, se caută satisfacerea condiției de adaptare.

2.3 Transmisia energiei prin cuplaj capacitiv

Ideea cuplării capacitive a fost implantată de A. Rozin în 1998. Energia este transmisă între plăcile metalice (formând astfel unul sau mai mulți condensatori) prin oscilație a unui câmp electric de înaltă frecvență. La partea receptorului, bateria sau alte echipamente electronice furnizează un curentul capacitiv de înaltă frecvență. Din păcate, pentru a obține un nivel rezonabil de putere acest câmp electric trebuie să atingă o intensitate mare și acest fapt limitează aplicațiile posibile. Eficiența acestei metode este limitată de distanța dintre emițător și plăcile receptoare (capacitatea), iar puterea transmisă este scăzută. Această tehnică este aplicabilă în sistemele de alimentare cu senzori, în echipamentele smart card sau în roboți mai mici.

Transferul capacitiv, care este ilustrat în principial în fig.2.1a, are loc prin intermediul câmpului electric (curentului de deplasare), un exemplu fiind prezentat în fig. 2.11, unde sarcina R este considerată pur rezistivă și este conectată la sursa de alimentare prin intermediul unui cuplaj capacitiv cu două secțiuni asemănătoare, având fiecare capacitatea C.

Între sursa cu tensiunea la borne și cuplajul capacitiv este conectată o impedanță de adaptare cu caracter inductiv (, ), 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.

Figura 2.11 Schema echivalentă a unui sistem de transfer cu cuplaj capacitiv.

Se consideră cuplajele capacitive de forma unor condensatoare plane în aer (fig. 2.1a), cu neglijarea capacităților parazite între armăturile lor, situate în direcția sursei (=0) , respectiv sarcinii (=0) , indicate în figura 2.11. Mărimile de stare ale câmpului electric în cuplajele capacitive sunt prezentate în detaliul în figura 2.12, 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 .

Figura 2.12. Explicativă pentru calculul mărimilor de stare al câmpului pentru un cuplaj capacitiv.

Pentru cazul particular ales, notând cu S suprafața armăturilor și g distanța dintre ele, idealizând distribuția spațială a câmpului electric ca fiind plan-paralelă, mărimile locale de câmp se exprimă în funcție de o valoare arbitrară a sarcinii electrice a armăturilor:

(2.44)

Densitatea curentului de deplasare este:

(2.45)

Curentul de deplasare este egal cu curentul prin conductoarele de conexiune :

(2.46)

Unde C este capacitatea electrică a structurii.

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

tensiunea de intrare:

, imaginea complexă (2.47)

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

(2.48)

Puterea absorbită de rezistența de sarcină și valoarea ei maximă obținută în condiții de rezonanță la frecvența sunt :

(2.49)

Puterea activă furnizată de sursă:

(2.50)

Conduce la un randament:

(2.51)

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

(2.52)

În figura de mai jos este trasată puterea sarcinii în funcție de frecvență, pentru trei valori diferite ale luicu indicarea factorului de calitate și al randamentului de transfer. Pentru aplicația numerică s-au considerat armături plane de 0.8 m 8 m , cu distanța de 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 = 10H , ceea ce a condus la o frecvență de rezonanță = 4.45MHz . Cu =200V, =20, Ra =30 rezultă că factorul de calitate este de Q=6 și randamentul de 0.4. Tensiunea maximă la bornele unei structuri capacitive este , 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 de . Abaterea frecvenței de la valoarea de rezonanță cu 5% conduce la reducerea cu aproximativ 25% a puterii. 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 2.12, care delimitează suprafața sub formă de disc.

Dacă se face calculul pentru periferia dielectricului (), avănd de unde se calculează valoarea de vârf a lui H pentru regimul de rezonanță cu .

Figura 2.13 Puterea transferată sarcinii pentru diferite valori ale rezistenței de adaptare Ra.

2.4 Transmisia energiei prin cuplaj inductiv

Transferul inductiv are loc prin intermediul câmpului magnetic, un exemplu relevant fiind acela al transformatoarelor electrice de curent sau tensiune. În cazul metodelor de câmp apropiat cel mai important este variația câmpului magnetic care induce o tensiune într-o înfășurare secundară. Motivul există deoarece câmpul electromagnetic este întotdeauna prezent, dar derivația câmpului magnetic nu este luată în considerare. Funcționarea unui transformator slab cuplat(câmp apropiat) este cel mai simplu exemplu de inducție. Bobinele cuplate inductiv nu au nevoie de legea lui Maxwell, ci de sub-legea inducție magnetice (electromagnetică). Pentru aplicațiile tipice de transfer al energiei fără contact se folosesc structuri cu miez magnetic deschis sau fără miez. Principiul de funcționare al unei astfel de structuri, în care bobina emițător cu spire și bobina receptor cu spire au forme solenoidale și sunt dispuse coaxial este prezentat în figura 2.1b, având lungimi 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 induse (fig. 2.14b), 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. 2.14a) și urmărește axa bobinei, închizându-se prin exteriorul ei pe un traseu arbitrar.

Figura 2.14 Structură de cuplaj inductiv: a) Bobinele sunt dispuse coaxial; b)Bobina-receptor este amplasată în interiorul bobinei induse.

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:

unde și . (2.53)

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

(2.54)

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

(2.55)

Fluxul magnetic prin suprafața delimitată de spirele bobinei-receptor (fluxul mutual), ilustrat în fig. 2.14b, precum și inductanța mutuală, sunt:

(2.56)

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 care urmărește spirele acesteia și se închide prin exterior, între borne (nereprezentată în figura 2.14):

(2.57)

Dacă aceasta are sensul lui (din figura 2.14a), 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 expresia (2.55). Făcând abstracție de prezența bobinei-emițător, acest flux determină tensiunea la borne:

(2.58)

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

(2.59)

Similar se poate exprima tensiunea la bornele bobinei-emițător:

(2.60)

La funcționarea în regim armonic, când bobina-emițător este alimentată cu tensiunea , cu imaginea complexă relațiile (2.59), (2.60) devin:

(2.61)

Ținând seama de relația și introducând coeficientul de cuplaj de aici se calculează curenții și impedanța de intrare .

(2.62)

Puterile absorbite de la sursă sunt:

(2.63)

Se observă că puterea reactivă este semnificativă, având o valoarea minimă pentru valorile externe 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.

Pentru o schemă de tip rezonanță serie-serie ca în figura 2.15 (simulare în SPICE), unde cele două capacități sunt alese astfel încât să asigure rezonanța de tensiune la aceeași frecvență pentru circuitul emițător și circuitul receptor.

În acest caz, pentru aplicația numerică H, și un coeficient de cuplaj k=0.1, se obține la frecvența de rezonanță cu randamentul de 72%. Dependența randamentului de transfer în raport cu frecvența, obținută prin simulare numerică este reprezentată în figura 2.15b (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 observă 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 2.15 Sistem de transfer inductiv cu circuite rezonante: a – schema de simulare SPICE; b – rezultate obținute prin simulare numerică.

Transferul cuplajului inductiv se face în câmp apropriat,iar dacă se dorește un transfer pe distanță mai mare apar unele dificultăți precum:

Densitatea liniilor de câmp receptate de al doilea inel scade odată cu creșterea distanței dintre inele, cu alte cuvinte câmpul magnetic receptat de al doilea inel va fi din ce în ce mai mic.

O altă problemă mai puțin evidentă are de-a face cu construcția ne-rezonantă a sistemului, care face „greoaie” transmiterea de energie. De exemplu, în primul inel energia este introdusă în bobină sub forma curentului electric oscilatoriu generat, iar pierderile de energie au loc datorită rezistenței electrice finite a inelului metalic. Frecvența acestei oscilații poate lua orice valoare.

2.5 Studiul transferului wireless de putere în cazul rezonatoarelor conexiune serie serie.

Sistemul rezonator cuplat magnetic poate fi reprezentat prin elementele de circuit (RLC). Schema este alcătuită din două circuite rezonante, legate între ele magnetic prin inductivitatea mutuală M.

este puterea de intrare echivalentă a bobinei emițătoare cu rezistența internă ;

și rezistențele bobinelor respectiv ;

,capacitățile circuitelor;

sarcina și tensiunea de sarcină.

Figura 2.16 Circuitul echivalent al sistemului WPT cazul rezonatoarelor în conexiune serie-serie.

Vom folosi teorema lui Kirchhoff pe cele 2 ochiuri formate pentru a putea determina curenții în fiecare circuit rezonant (relația 2.64), impedanța bobinei transmițătoare și a bobinei receptoare (relația 2.65).

(2.64)

(2.65)

Din relația de mai sus, obținem expresia curenților:

(2.66)

Acest model de circuit oferă o referință convenabilă pentru analiza caracteristicilor de transfer ale unui sistem WPT. Din motive de simplitate, sistemul este definit ca fiind simetric, vom presupune (deoarece a este raportul dintre rezistența ohmică dintre transmițător și receptor, a>0), (este raportul dintre sarcina rezistenței și rezistența receptorului, 0<<1), , frecvența , factorul de calitate al bobinelor este și deconectat frecvența de rezonanță a fiecărui element este definită ca . Astfel înlocuim, în relația 2.67 și avem:

(2.67)

Unde impedanța bobinei transmițătoare este dată de :

(2.68)

Iar impedanța bobinei receptoare este:

(2.69)

Curentul indus în receptor este scris ca:

(2.70)

Modelul circuitului echivalent din figura 2.16 poate fi schimbat în circuitul echivalent figura 2.17 prin utilizarea impedanțelor.

Figura 2.17 Circuitul echivalent prin utilizarea impedanțelor.

Factorul de cuplare este definit ca:

pentru circuitul echivalent. (2.71)

Datorită factorului de cuplare, a circuitului echivalent impedanța de intrare a bobinei transmițătoare și impedanța de ieșire a bobinei emițătoare se scriu astfel:

(2.72)

Prin înlocuirea (2.71) în (2.70) tensiunea indusă a bobinei receptoare va fi:

; (2.73)

Prin substituția (2.67) și (2.71) în (2.70) curentul obținut pentru cele 2 bobine:

(2.74)

Conform curentului al bobinei receptoare, puterea transferată la sarcină (puterea de ieșire) poate fi scrisă astfel:

(2.75)

Puterea de intrare include două părți: o parte consumată prin impedanța bobinei emițătoare și altă parte consumată pe impedanța bobinei receptoare.

(2.76)

Eficiența transferului de putere este raportul dintre puterea de ieșire și puterea de intrare:

(2.77)

Capitolul 3 Domenii de utilizare și realizări experimentale.

Sistemele de transfer al energiei își dovedesc utilitatea în domenii cu o dinamică accelerată în ultimul timp, așa cum sunt sistemele de încărcare a bateriilor vehiculelor electrice/hibride în mișcare sau în staționare, sistemele pentru încărcarea bateriilor a produselor electronice de larg consum (telefoane mobile, sisteme de calcul, tablete), alimentarea aparaturii medicale implantate, aplicații în robotică, aplicații în medii cu pericol de explozie, alimentarea cu energie a micilor comunități lipsite de infrastructură clasică de distribuție a energiei electrice.

3.1 Primul bec alimentat cu energie electrică transmisă prin aer

Recent, un grup de cercetători de la MIT(Masschusetts Institute Of Technology) au făcut un progres imens în această direcție. Teoria a fost experminentată în 2007, cu mare succes reușind astfel să alimenteze, prin aer, un bec de 60 wati (W), la câțiva metri distanță cu un randament de 40%.

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. În ambele cazuri, putem alimenta echipamentele electronice prin aer. În esență, noua metodă constă în trasmiterea energie de la o bobină la alta, prin intermediul inducției magnetice. Fiecare bobină formează un mic sistem oscilator, ales în așa fel încât să nu disipeze în mod normal energie în spațiu. Cu toate acestea, când cele două bobine rezonatoare sunt în apropiere, ele pot transmite energie de la una la alta, atâta timp cât distanța dintre ele nu este mai mare decât lungimea de undă a radiației.

Figura 3.1 Experimentul MIT- metodă de transmisie a energiei electrice în WiTricity.

În urma acestui experiment s-a dezvoltat o companie denumită WiTricity. Conceptul Witricity reprezintă o metodă folosită pentru a transmite electricitate/putere între surse electrice și receptori fără contact galvanic. Transferul este făcut pe o distanță la care câmpul electromagnetic este suficient de intens pentru a oferi un transfer de putere rezonabil. Acest lucru este posibil dacă atât emițătorul cât și receptorul funcționează la rezonanță. Cuplarea prin rezonanță impune ca sistemele cuplate să lucreze la aceeași frecvență de rezonanță. Ulterior energia este transferată între două bobine simple care formează rezonatori datorită capacităților parazite a înfășurării lor. Conceptul este apoi îmbunătățit, dacă bobinele sunt conectate cu condensatori, ceea a ce conduce la reținerea câmpului electric în interiorul acelor dispozitive. Cuplajul este făcut prin câmp magnetic, iar câmpul electric este foarte redus. Pentru a implementa ideea s-au folosit două bobine cubice, cu diametrul de 30 centimetri.

Grupul de cercetători s-a axat pe optimizarea felului în care energia este adusă în prima bobină, și în același timp crearea unui sistem rezonant dintr-o bobină și un condensator.

În acest sistem rezonant, condensatorul se descarcă pe bobină, creând un curent electric, iar bobina generează tensiune electrică datorită variației de curent, încărcând la loc condensatorul.

Pentru păstrarea aceastei oscilație, tot ce avem de făcut este să „pompăm” câtă puțină energie electrică la frecvența de rezonanță a circuitului.

Aceste circuite oscilante sunt utilizate în toate stațiile de emisie și receptoarele radio, pentru a genera sau recepta câmpul electromagnetic pe frecvența dorită. Cu toate acestea, ele au o problemă fundamentală pentru transmisia de energie: emit radiație electromagnetică, și deci își disipă repede energia în aer. Pentru radiouri nu este prea important acest lucru , căci nu vrem să captăm energie, ci informație, și putem să aruncăm sute de wați pentru a recepta câțiva miliwați. Dar în cazul transmisiei de energie nu vrem însă să disipăm energia în spațiu.

O soluție pentru a rezolva această problemă a fost construirea unui inel rezonator, care să disipe cât mai puțină energie în aer.

Figura 3.2 Îmbunătățirea transferului pentru pierderi mici de energie.

Soluția este integrarea condensatorului în inelul metalic ce formează bobina, ca rezonatorul să aibă pierderi de energie cât mai mici și să emită cât mai puțină energie în spațiu. Într-o primă fază, parametrii au fost aleși în așa fel încât lungimea de undă a radiației să fie mult mai mare decât dimensiunea bobinei. Apoi ei au ajustat capacitatea condensatorului, căci ea dă frecvența de oscilație a rezonatorului. Dacă condensator are o capacitate mică, atunci crește frecvența de oscilație, scade lungimea de undă și rezonatorul disipă energie în toate direcțiile (ceea ce nu ne dorim). Dacă în schimb condensatorul are o capacitate mare, atunci scade frecvența de oscilație, conducând la pierderi rezistive în bobina de cupru (ceea ce iarăși nu ne se dorește). După cum se vede, există un optimum, iar pentru acest optim rezonatorul disipează foarte puțină energie.

Figura 3.3 Câmpul magnetic generat de acest rezonator.

În experimentele sale cercetătorii de la MIT au construit două bobine rezonante (cu o frecvență de 10MHz), una emițătoare și alta receptoare, după un sistem asemănător considerațiilor teoretice. Apoi au așezat bobina receptoare la o distanță de câțiva metri de bobina emițătoare. Disțanta dintre bobine este mai mică decât lungimea de undă a radiației generate în mod normal de oscilator. Pentru a rămâne în așa-numita „zonă evanescentă” a câmpului electromagnetic, unde receptarea de energie este eficientă.

Figura 3.4 Plasarea celor două rezonatoare.

În final, cercetătorii au pus un bec de 60W în serie cu cea de-a doua bobină rezonantă, pentru a fi alimentat cu energie de la prima bobină. Energia este primită prin aer datorită inducției magnetice.

În urma acestui experiment, cercetătorii au reușit să aprindă de la distanța de 1m un bec de 60W. Au așezat chiar și panouri intermediare între cele două bobine pentru a arăta cum câmpul magnetic penetrează acei pereți. Eficiența raportată este de 40%. Restul de 60% de energie se pierde fie în radiație, fie în rezistența electrică finită a bobinelor de cupru.

Figura 3.5 Experimentul MIT.

Deși nu vom asista prea curând la construirea unei centrale electrice wireless, ideea electricității transmisă prin fascicule de la o scară mică începe să câștige teren. Odată cu tehnologiile wireless, precum Wi-Fi, Bluetooth și cu circuitele tot mai reduse ca dimensiuni, cablurile de alimentare rămân singurele care pun cu adevărat o barieră ideii de mobilitate și portabilitate. Evoluția în această direcție pare una inevitabilă, din momentul nașterii comunicațiilor wireless, este de părere David Graham, cofondator al companiei PowerBeam din San Jose, California.

Compania Powercast, din Pittsburgh, Pennsylvania, a utilizat recent tehnologia wireless pentru a transmite microwatti și miliwații 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.

Figura 3.6 Încărcarea wireless a telefonului mobil.

Companiile producătoare de aparatură electronică se arată dispuse sa investească în transferul wireless de energie. Intel, spre exemplu investighează această tehnologie pentru a o aplica unei intregi game de dispozitive, iar Sony a facut deja demonstratia unui televizor wireless.

Randamentul transferului de energie fluctuează independent de cantitatea de curent necesară, astfel încât aceeași eficiență poată fi obținută pentru laptopuri, aparate portabile mai mici precum celularele și aparate electronice mari consumatoare precum TV-urile.

Figura 3.7 Furnizarea de energie pentru dispozitivele echipate cu baterii reîncărcabile.

Dacă la început tehnologia a fost propusă pentru aplicații mici ca putere precum încarcarea fără fir a bateriilor și a telefoanelor mobile. Lucrările care au urmat sugerează implementarea practică a conceptului Witricity în domeniul vehiculelor electrice și în zona medicală ca o modaliltate de a reincărca senzorii și dispozitivele implantate.

3.2 Sistemul de încărcare a bateriilor vehiculelor electrice/hibride

În figura 3.8 se prezintă structura unui sistem complex pentru încărcarea bateriilor vehiculelor electrice, în care transferul de energie este combinat cu transferul de date atât pentru conducerea procesului de încărcare, cât și pentru poziționarea automată a vehiculului pentru transfer de putere cu randament maxim. Transferul energiei se realizează între circuitul emițător (B) sau stația de bază și circuitul receptor (C) sau stația mobilă (de pe vehicul) separate de o distanță variabilă (d) dată de garda la sol. Transferul este de tip inductiv, iar puterea transmisă sarcinii (E) este de ordinul kW care asigură încărcarea într-un timp similar cu sistemele cuplajului galvanic. Convertorul static de frecvență variabilă (A) are o construcție autentică, de tip autoadaptiv, pentru a asigura condițiile de rezonanță ale circuitelor emițătoare și receptoare, iar pe de altă parte să compenseze automat dezacordul provocat de sarcina variabilă. Convertorul (D) asigură încărcarea bateriei de acumulatoare indiferent de starea acesteia, într-un regim optim. Starea și regimul de încărcare a bateriei sunt monitorizate, iar informația despre acestea este transmisă printr-o cale de comunicație wireless (G) către blocul de monitorizare și comandă (F) care asigură comanda convertoarelor (A) și (D) în așa fel încât randamentul de transfer global al sistemului să fie maxim indiferent de starea bateriei, iar factorul de putere în punctul de alimentare de la rețea să fie unitar. Poziția relativă și construcția bobinelor emițătoare/receptoare sunt elemente foarte importante pentru performanța energetică a sistemului.

Figura 3.8 Schema bloc a sistemului de transfer de energie și date pentru încărcarea vehiculelor electrice.

Mulți ingineri și oameni de știință au lucrat la un transfer de energie mai bun. La începutul secolului al XX-lea inginerului electrician sovietic George Babat a construit, în anul 1943 o mașină electrică alimentată de o energie electrică fără contact transferată de la distanță. Vehiculul a fost numit "automobil HF". În 1944 el a pus în aplicare acest principiu de funcționare într-o fabrică în care acest tip de vehicul electric a început să fie aplicat și în practică. Motorul a avut o putere nominală de 2 kW și a trecut peste căile asfaltice sub care au fost îngropate tuburi de cupru subțiri. Curentul HF (50 kHz) în aceste tuburi au indus tensiunea în bobina receptorului (secundar) la o distanță maximă de 2-3 dm. Primele experimente au avut eficiența de doar 4%, dar rezultatele au fost mult îmbunătățite în 1947.

În 1995, John Boys și Grant Covic, de la Universitatea din Auckland din Noua Zeelandă, au dezvoltat un sistem pentru a transfera cantități mari de energie în spațiul aerian și au demonstrat acest lucru prin transmiterea de putere cu ajutorul inducției care este practicabilă.

Compania de locomotive Bombardier Transportation a construit primul tramvai din lume echipat cu dispozitive de colectare a curentului fără contact în locul catenarelor, numit și sistem de alimentare Primove. Institutul Coreean de Știință și Tehnologie (KAIST) a dezvoltat vehicul electric online (OLEV) care este încărcat prin inducție de la inductorul îngropat, plasat în puncte convenabile: adică la stația de autobuz, la intersecția rutieră sau la parcare, transmițând porțiuni de energie pentru reîncărcare atunci când vehiculul va fi situat peste acest punct. Tehnologii similare sunt deja utilizate în fabricile de producție a automobilelor, a podurilor rulante robotizate și a transportoarelor. Ideea este ilustrată în figura de mai jos:

Figura 3.9 OLEV și sistemul său de transfer de putere: (a) vedere laterală și (b) vedere frontală;

Transferul de putere crește odată cu frecvența și inductanța mutuală (M) între bobine, care depinde de geometria lor și de distanța dintre ele. Inductanța este o proprietate a unui conductor electric care se opune unei modificări de curent. Prin stocarea și eliberarea energiei dintr-un câmp magnetic care înconjoară conductorul atunci când trece curentul, conform legii lui Faraday de inducție. Atunci când crește curentul, energia (ca flux magnetic) este stocată în câmp, reducând curentul și provocând o scădere a potențialului (adică a tensiunii) pe conductor, iar când curentul scade, energia este eliberată din câmpul de alimentare și provoacă o creștere a potențialului în conductor.

3.3 Sistemul de încărcare a acumulatorului cardiac

O altă realizare practică este sistemul de încărcare a acumulatorului cardiac. Un stimulator de inimă (pacemaker) este un dispozitiv medical de dimensiuni mici (3-4 cm) care emite impulsuri electrice, transmise prin intermediul unor electrozi care sunt în contact cu inima pentru a regla bătăile inimii. Implantarea unui stimulator cardiac se face prin intervenția chirurgicală sub anestezie locală, unde stimulatorul cardiac este îngropat într-un loc special pregătit, între pielea pieptului și mușchiul pectoral. Pentru puterea circuitelor electronice ale acestui stimulator cardiac, acesta este echipat cu litiu de baterii care asigură o funcționare lină timp de mai mulți ani (5-7 ani).

Figura 3.10 Plasarea bobinei receptoare și generatoare în sistemul cardiac.

În figura de mai jos este prezentată o diagramă bloc a unei rețele inductive fără fir al sistemului cardiac.

Sistemul este construit dintr-o bobină exterioară și una interioară. Exterior bobina este furnizată de o sursă externă de AC. Bobina internă preia puterea inductivă transmisă de bobina externă și adaptează la nevoile impuse de implanturile electronice. Sistemul prezentat este un tip de rezonator serie-paralel. Elementul exterior este compus dintr-un inductor (bobina exterioară) și un condensator conectat în serie . Elementul interior (montat în organism cu stimulatorul cardiac) este alcătuit dintr-o bobină și un condensator montat în paralel .

Figura 3.11 Schema bloc a unui sistem inductiv fără fir al stimulatorului cardiac.

Capitolul 4. Simulări și realizări practice

4.1SimulariPsim sau Matlab

Tensiunea de intrare /ieșire

Curentul de intrare /ieșire

4.2. Realizări practice

Lucrarea își propune să prezinte modul de transmisie a puterii prin aer (wireless) de mici dimensiuni. Această tehnologie este din ce în ce mai folosită în ultimul timp, fiind utilizată chiar și în smartphone-uri. Modulul este gândit să furnizeze o tensiune de ieșire fixă, stabilizată la 5V, putând furniza un curent maxim de 500mA, în functie de distanța dintre bobine(1mm – 20mm).

Caracteristici tehnice:

Tensiune de alimentare modul transmisie: 5V – 12V DC;

Curent intrare: in funcție de curentul consumat pe ieșire;

Tensiune de ieșire: 5V;

Curent maxim ieșire: 500mA;

Distanță de transmisie între bobine: 1mm – 20mm;

Randament: aproximativ 40%.

Grosime bobină: 1.8 mm.

Dimensiuni modul transmisie: 17 x 12 x 4 mm.

Diametru bobină: 40 mm.

Modulul este alcătuit din două bobine:

-o bobină transmițătoare (T) care la capăt are un integrat XKT-412, XKT-335.

-și o bobină receptoare (R) cu un integrat T3168.

Figura Elementele componente ale modului.

Bobina este un  dispozitiv electric pasiv, care are două terminale (capete) și este folosit în circuitele electrice pentru a înmagazina energie în câmp magnetic sau pentru detecția câmpurilor magnetice.

Cele două bobine sunt fabricate din cupru emailat, deoarece este un bun conducător electric și un bun izolator.

Macheta este alimentată de un adaptor de 5V care transformă AC/DC , dar modulul ne permite și unul de 12V.

Figura Încărcător 5V

Adaptorul are tensiunea de intrare U=100-240V AC și frecventa de 50-60Hz, iar tensiunea de ieșire U=5V DC, curentul maxim 2000mA.

Figura Modulul de transfer wireless.

Ledul are o rezistență legată în serie pentru protecția ledului R=200.

Becul are o tesiune U=6V și o rezistență R=8KΩ.Aceste consumatoare sunt legate în paralel

Rigla este să măsoare distanța între cele doua bobine.

Figura Schema electrică a transmițătorului.

Figura Schema electrică a receptorului.

Pentru a arăta influența distanței dintre bobine sau pentru a determina amplitudinea și frecvența dintre intrare/ieșire a bobinelor. Vom folosi un osciloscop HM303-6 –analog.

Figura 3.1 Aparat osciloscop HM303-6 –analog.

În figura de mai jos se poate vizualiza cum a fost setat oscilatorul:

-Vom selecta canalul 1 pentru bobina emițătoare/intrare (legat la bornele A și B) și canalul 2 pentru bobina receptoare/ieșire (legat la bornele E-F, respectiv E-G) pentru a vizualiza amplitudinea și frecvența de lucru.

Figura 3.2 Alegerea canalelor pentru bobine.

În bobina primară vom avea un curent electric introdus care va fi oscilatoriu, tot așa va fi și câmpul magnetic generat.

Mișcarea oscilatorie este mișcarea unui sistem care se repetă periodic în timp și care se face simetric față de o poziție de echilibru. Corpul care efectuează o mișcare oscilatorie se numește oscilator. Pentru această mișcare avem următoarele caracteristici :

Perioada (T) este timpul în care se efectuează o oscilație completă, adică timpul scurs între două treceri consecutive ale oscilatorului prin aceeași poziție și în același sens. Perioada se masoară în secunde (s).

Frecvența (f) este numărul de oscilații complete efectuate în unitatea de timp. Frecvența se măsoară în ( = Hz) (hertz).

Amplitudinea

Frecvența de lucru va fi determinată din formula :

[Hz]

Perioada noastră este :

T=16 .

Din care rezultă frecvența f= 62.5 KHz.

Figura 3.4 Montajul legat la osciloscop.

4.2.1 Determinarea amplitudini de intrare/ieșire pentru consumatorul bec

Făcând unele măsurători pentru consumatorul bec, vom obține tabelul de mai jos:

Tabel Amplitudinea de intrare/ieșire în funcție de distanță pentru bec.

Pentru bobina emițătoare amplitudinea maximă este de A= 28V, iar în ceea ce privește amplitudinea la bornele bobinei receptoare este A= 19V. Vom varia distanța dintre emițător și receptor pentru a afla unde se produce cuplajul cel mai bun și care este influența distanței asupra amplitudini. Distanța de transmisie între bobine este de la 1mm – la 35mm.

Dacă la început amplitudinea bobinei emițătoare este variabilă pentru d=0mm, d=5mm, odată cu schimbarea distanței aceasta se stabilizează. Pentru bobina receptoare amplitudinea scade odată cu variația distanței.

d=0mm

Figura 3.5 Amplitudinea receptorului și emițătorului în funcție de distanța de 0mm pentru bec.

d=10mm

Figura 3.6 Amplitudinea receptorului și emițătorului în funcție de distanța de 10mm pentru bec.

d=15mm

Figura 3.7 Amplitudinea receptorului și emițătorului în funcție de distanța de 15mm pentru bec .

d=20mm

Figura 3.8 Amplitudinea receptorului și emițătorului în funcție de distanța de 20mm pentru bec .

d=25mm

Figura 3.9 Amplitudinea receptorului și emițătorului în funcție de distanța de 25mm pentru bec .

d=30mm

Figura 3.10 Amplitudinea receptorului și emițătorului în funcție de distanța de 30mm pentru bec.

d=35mm

Figura 3.11 Amplitudinea receptorului și emițătorului în funcție de distanța de 35mm pentru bec

.

4.2.2 Determinarea amplitudini de intrare/ieșire pentru consumatorul led.

Făcând unele măsurători pentru consumatorul led, vom obține tabelul de mai jos:

Tabel Amplitudinea de intrare/ieșire în funcție de distanță pentru led.

La distanța d=0mm amplitudinea bobinei emițătoare este egală amplitudinea la bornele bobinei receptoare A=24V. La d=6mm are loc transferul maxim deoarece se atinge amplitudinea maximă.

d=0mm

Figura 3.12 Amplitudinea receptorului și emițătorului în funcție de distanța de 0mm pentru led.

d=6mm

Figura 3.13 Amplitudinea receptorului și emițătorului în funcție de distanța de 6mm pentru led.

d=10mm

Figura 3.14 Amplitudinea receptorului și emițătorului în funcție de distanța de 10mm pentru led.

d=15mm

Figura 3.15 Amplitudinea receptorului și emițătorului în funcție de distanța de 15mm pentru led.

d=30mm

Figura 3.16 Amplitudinea receptorului și emițătorului în funcție de distanța de 30mm pentru led.

Concluzie :

Se poate observa că atât la bec cât și la led distanța influențează amplitudinea .

Cu cât mărim distanța de transmisie dintre bobina emițătoare și cea receptoare amplitudinea va scădea. Uitând-ne atent putem observa care este amplitudinea maximă și la ce distanță se produce aceasta. În timpul oricărei conversii de energie va exista pierderi. Amplitudinea de intrare s-a măsurat între bornele emițătorului A-B, iar amplitudinea de ieșire între bornele receptorului C-D.

4.2.3 Determinarea tensiuni și curentului pentru cei doi consumatori.

Măsurătorile se fac în funcție de distanță pentru a determina tensiunea de ieșire U[V] și curentul I[mA].

Pentru a determina curentul I[mA] becului/ ledului, am folosit un ampermetru legat în serie la bornele E-G, respectiv E-F al receptorului, iar voltmetru la plusul („+”) și minusul („-”) receptorului legat in paralel.

Schema

4.2.3.1 Determinarea tensiuni și curentului pentru cei doi consumatori cu tensiunea de intrare 5 V

Tabel Determinarea tensiuni și curentului în funcție de distanță pentru bec la 5V.

Tabel Determinarea tensiuni și curentului în funcție de distanță pentru led la 5V.

4.2.3.2 Determinarea tensiuni și curentului pentru cei doi consumatori cu tensiunea de intrare 12V

Am măsurat și pentru = 12V DC (pentru că modulul ne permite acest lucru , tensiunea de alimentare al modului de transmisie este : 5V – 12V DC) . Se vede mai bine cum variază U și I.

Tabel Determinarea tensiuni și curentului în funcție de distanță pentru bec la 12V.

Tabel Determinarea tensiuni și curentului în funcție de distanță pentru led la 12V.

La bec tensiunea scade mai repede ca la led pentru că avem o sarcină mai mare. Ledul are o putere de consum mai mică.

Caracteristicile becului:

U= 6 V;

R= 8 KΩ

De pus si calculat puterea pentru fiecare consumator in functie de distanta(de calculat in tabel)

UI=P

Capitolul 5. Concluzii

Lucrarea cuprinde o analiză teoretică a sistemelor de transfer al energiei în câmp

apropiat. Se prezintă principiile transferului de energie prin cuplaj capacitiv, respectiv inductiv din

punct de vedere al nivelului de putere transferată sarcinii și al randamentului de transfer.

Sunt prezentate aplicațiile practice cele mai importante al sistemelor de transfer inductiv pentru

încărcarea bateriilor de acumulatoare al vehicule electrice, studiul cercetători de la MIT,care făcut un progres imens în această direcție. Reușind astfel să alimenteze, prin aer, un bec de 60 wati (W), la câțiva metri distanță cu un randament de 40%.

Cuplajul prin rezonanță magnetică implică condiția ca sistemele cuplate să funcționeze la frecvența lor de rezonanță. Principiul, pe care metoda se bazează, este acela că obiectele rezonante schimbă eficient putere, în timp ce obiectele nerezonante interacționează slab. Pentru un transfer optim de energie de la bobina emițător la bobina receptor, aceste bobine cuplate magnetic trebuie să funcționeze la aceeași frecvență de rezonanță (de unde și denumirea acestor bobine – rezonatoare cuplate magnetic).

Bibliografie

[1] Constantinescu Luminița Mirela, Note de curs-Teoria circuitelor electrice, Universitatea din Pitești, FECC.

2 [web1] http://www.acero.ro/ASTR_2014.pdf – accesat în 19 februarie

3[web2] http://scss.elth.pub.ro/scss%202011/L5.pdf -accesat în 20 martie

[web3] http://www.stiinta.club/504/un-bec-alimentat-cu-energie-electrica-transmisa-prin-aer-luminat-pentru-prima-oara/#respond-accesat în 04 iulie

[1] Suqi Liu, Jianping Tan, Xue Wen, Representation of Interference Mechanism in Wireless Power Transfer System via Coupled Magnetic Resonances, în International Journal of Electronics,15-feb-2017,pp.2-3.