transformatorowe systemy bezprzewodowego przesyłu energii bpe

Transkrypt

Artur MORADEWICZ
TRANSFORMATOROWE SYSTEMY
BEZPRZEWODOWEGO PRZESYŁU ENERGII BPE
– STUDIA SYMULACYJNE
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono system bezprzewodowego przesyłu energii BPE wykorzystujący sprzężenie elektromagnetyczne, zbudowany na transformatorze z rozdzielonym rdzeniem. Omówiony został model matematyczny transformatora na rdzeniu typu pot, umożliwiający oszacowanie wartości współczynnika
sprzężenia uzwojeń transformatora i ich indukcyjności. Przedstawiono model matematyczny łączący stronę wtórną i pierwotną bezprzewodowego systemu przesyłu energii dla wybranych koncepcji kompensacji indukcyjności rozproszenia. Przedstawione zostały wyniki
badań symulacyjnych.
Słowa kluczowe: bezprzewodowe przesyłanie energii, przekształtniki
rezonansowe
1. WSTĘP
Układy bezprzewodowego przesyłu energii (BPE) są aktualnie przedmiotem badań i rozwoju w wielu ośrodkach naukowych. Rozwój nowych technologii przesyłu informacji takich jak GSM, IrDA, Bluetooth umożliwiających
mgr inż. Artur MORADEWICZ,
e-mail: [email protected]
Zakład Elektrycznych Napędów Obrabiarkowych
Instytut Elektrotechniki
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 226, 2006
150
A. Moradewicz
bezprzewodowe sterowanie różnego rodzaju urządzeń, pozwala i wywiera
nacisk na udoskonalanie i opracowywanie nowych technologii bezprzewodowego przesyłu energii. Technologie BPE nie tylko podnoszą funkcjonalność,
wygodę zasilania i mobilność użytkowania pracujących urządzeń, lecz w niektórych rozwiązaniach mogą okazać się niezastąpione.
Konwencjonalne sposoby przyłączania elektrycznych urządzeń domowych czy też przemysłowych, do źródła zasilania, bazują na układzie typu wtyk
– gniazdo. Sposób ten ze względu na swą prostotę znakomicie sprawdza się
w warunkach normalnych, lecz w trudnych warunkach środowiskowych koniecznym jest stosowanie specjalistycznych sprzęgów łączących:
• zagrożenie wybuchem (kopalnie, laboratoria chemiczne),
• praca urządzenia pod wodą lub w dużej wilgotności,
• umożliwienie dodatkowego stopnia swobody ruchu częściom wtórnym,
• zasilanie wszczepianych/wszczepionych implantów (medycyna), bez
konieczności ingerencji przez ciało pacjenta,
• ładowanie baterii telefonów lub pojazdów elektrycznych,
• zasilanie czujników w robotach przemysłowych.
Dobrym przykładem mogą być wieloosiowe roboty na liniach montażowych (elektronika, motoryzacja), które wymagają często doprowadzenia energii
elektrycznej poprzez jedną lub więcej części ruchomych. Stosowane przewody
zasilające montowane są w ten sposób, aby ramię robota miało jak największą
swobodę ruchu. W praktyce jednak rzadko bywa tak, by ramie (manipulator)
mogło obracać się więcej niż 3600, ze względu na możliwość zerwania lub przecięcia przewodów zasilających.
W stosowanych obecnie rozwiązaniach bezprzewodowego przesyłu
energii wykorzystuje się głównie sprzęganie indukcyjne (rys. 1). Zjawisko to bazuje na podstawowych zasadach elektromagnetyzmu odkrytych przez Ampera
i Faraday’a, wykorzystując zmienne pole elektromagnetyczne wokół przewodnika z prądem do przesyłu energii z uzwojenia pierwotnego do wtórnego. Typowymi przykładami zastosowań tego zjawiska są: silniki indukcyjne i transformatory. Urządzenia te są dobrze znane i cechują się wysokim współczynnikiem
sprzężenia pomiędzy uzwojeniami strony pierwotnej i wtórnej. Indukcyjne systemy bezprzewodowego przesyłu energii budowane są na bazie transformatorów
specjalnej konstrukcji.
W transformatorach BPE uzwojenie wtórne nie jest związane mechanicznie z uzwojeniem pierwotnym. Energia przenoszona jest poprzez szczelinę
powietrzną lub inne medium (woda, ropa, gaz, …) między rdzeniami, a rozwiązaniach bez rdzenia / rdzeni tylko między uzwojeniami strony pierwotnej i wtórnej.
Transformatorowe systemy bezprzewodowego przesyłu energii BPE ...
151
Rys. 1. Struktura bezprzewodowego systemu przesyłu energii, bazująca na sprzężeniu indukcyjnym
W zależności od konstrukcji transformatora użytego w systemie BPE
(rys. 2), jego charakterystyka może znacznie odbiegać od charakterystyki transformatorów w konwencjonalnym wykonaniu, które cechują się na ogół bardzo
dobrym (bliskim jedności) współczynnikiem sprzężenia pomiędzy uzwojeniami.
Duża indukcyjność magnesowania charakterystyczna dla transformatorów konwencjonalnych jest znacznie zmniejszona w transformatorach BPE gdzie uzwojenia nawinięte są na oddzielne rdzenie i zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości między rdzeniami. Tak, więc szczelina pomiędzy rdzeniami magnetycznymi powoduje znaczny wzrost prądu magnesującego a to jest przyczyną
większych strat przewodzenia oraz generowania zakłóceń elektromagnetycznych EMC. Ponadto wzrost odległości pomiędzy rdzeniami obniża współczynnik
sprzężenia uzwojeń strony pierwotnej i wtórnej, układ taki może pracować jak
induktor ze wsadem magnetycznym (grzejnictwo indukcyjne). Powyższe niedogodności związane z transformatorami w systemach BPE wymagają, więc zastosowania dodatkowych zabezpieczeń, doboru sterowania i układów, które poprawiłyby sprawność i wyeliminowały lub złagodziły występujące zjawiska niepożądane. Optymalnym rozwiązaniem w tym procesie przesyłu energii jest zaprojektowanie układu rezonansowego, dzięki któremu w systemie BPE można
uzyskać:
• poprawę współczynnika sprzężenia uzwojeń transformatora,
• zminimalizowany poziom zakłóceń elektromagnetycznych,
• zwiększenie częstotliwości pracy przekształtnika zasilającego układ
a tym samym zwiększenie gęstości przesyłanej energii i zmniejszenie
gabarytów transformatora,
• możliwość zastosowania techniki miękkiej komutacji zaworów przekształtnika zasilającego (zminimalizowanie lub eliminacja strat komutacyjnych).
152
A. Moradewicz
2. MODELOWANIE SYSTEMU BPE
Przedstawiony układ na rys. 2 wykorzystując sprzężenie indukcyjne
umożliwia bezprzewodowe zasilanie urządzeń elektrycznych poprzez transformator z rozdzielonym rdzeniem magnetycznym (rys. 3). Transformator ten zbudowany jest z dwóch niezależnych, ruchomych względem siebie rdzeni. Szczelina powietrzna pomiędzy rdzeniami może zmieniać swą wielkość od 0 do
wartości lgmax, ograniczonej przez minimalną wartość współczynnika sprzężenia uzwojeń k. W układach konwencjonalnych, w których transformatory
używane są w celu zapewnienia izolacji galwanicznej między siecią a odbiornikiem lub też w celu dopasowania prądowo − napięciowego, problem rozproszenia strumienia magnetycznego właściwie nie występuje, ponieważ cały
strumień zamyka się w rdzeniu transformatora. Szczelina powietrzna, która
w przedstawionym systemie zapewnia bezprzewodowość / bezstykowość zasilania odbiorników znajdujących się po stronie wtórnej transformatora, powoduje
jednocześnie znaczące obniżenie sprawności i wartości przesyłanej energii ze
strony pierwotnej na wtórną, ponieważ strumień rozproszenia wzrasta, a to
powoduje wzrost indukcyjności rozproszenia uzwojeń transformatora.
Rys. 2. System bezprzewodowego przesyłu energii
153
Kompensację indukcyjności rozproszenia, a tym samym znaczne zwiększenie wartości przesyłanej energii można uzyskać poprzez zapewnienie pracy
układu w warunkach rezonansowych. W tym celu należy zaprojektować układ
rezonansowy (dobór elementów L-C) dla wymaganej częstotliwości rezonansowej pracy oraz zapewnić odpowiednie sterowanie przekształtnika zasilającego
układ, wymuszające pracę z częstotliwością rezonansową.
Praca przedstawionego układu w rezonansie ma kolejną zaletę, umożliwia przełączanie łączników przekształtnika bez strat komutacyjnych, ponieważ
zawory przekształtnika przełączane są przy zerowej wartości napięcia lub prądu. Wpływa to, więc na ogólny wzrost sprawności systemu.
Ferryt
Przyłączenie
uzwojenia 1
Ferryt
Uzwojenie 2
Ferryt
Szczelina
powietrzna
Przyłączenie
uzwojenia
b)
Uzwojenie 1
a)
Przyłączenie
uzwojenia 2
Rys. 3. Transformator obrotowy na rdzeniu typu POT
2.1. Transformator
W pracy przedstawiona jest analiza systemu BPE z transformatorem
obrotowym (rys. 3 i 5). W celu dokonania analizy i określenia kryterii doboru
układu rezonansowego dla przedstawionego systemu bezprzewodowego przesyłu energii, powyższy model transformatora obrotowego z rozdzielonym rdzeniem należy sprowadzić do schematu zastępczego, który przy pominięciu rezystancji uzwojeń strony pierwotnej i wtórnej R1 = R2 = 0 można przedstawić
w postaci modelu typu T jak na rys. 4.
154
A. Moradewicz
L1
Uzwojenie strony
pierwotnej
L2
M
Uzwojenie strony
wtórnej
Rys. 4. Model typu T transformatora
Oz nacze nia :
L1, L2 – indukcyjność rozproszenia uzwojeń transformatora strony pierwotnej i wtórnej,
M – indukcyjność wzajemna uzwojeń.
Rr12
Rr23
Rr34
Rp12
Rp23
Rr12
Rp23
Rp34
Rr23
Rr34
Rys. 5. Transformator obrotowy na rdzeniu typu pot przekrój poprzeczny oraz reluktancyjny schemat zastępczy. a) przekrój poprzeczny, b) reluktancyjny model zastępczy
W celu wyznaczenia indukcyjności uzwojeń transformatora oraz określenia współczynnika sprzężenia pomiędzy nimi, transformator na rdzeniu typu
POT przedstawiony jest w postaci reluktancji (rys. 5).
R=
l
μ⋅A
gdzie:
l – długość drogi przepływu strumienia magnetycznego,
μ – przenikalność magnetyczna,
A – przekrój poprzeczny drogi przepływu strumienia magnetycznego.
(1)
155
Korzystając ze wzoru (1) i oznaczeń z rys. 5a) można napisać równania
opisujące wartości poszczególnych reluktancji składowych schematu z rys. 5b):
Rr12 =
h
μ r ⋅ π ⋅ (r2 2 − r12 )
(2)
Rr 34 =
h
μ r ⋅ π ⋅ (r4 2 − r3 2 )
(3)
W celu wyznaczenia reluktancji rdzenia oznaczonej jako Rr 23 należy wyznaczyć pole poprzecznego przekroju drogi przepływu strumienia magnetycznego na tym odcinku:
r3
A=
∫ 2 ⋅ π ⋅ a ⋅ rdr
r2
Rr 23 =
r3 − r2
= π ⋅ a ⋅ (r3 + r2 )
r3 − r2
μ r ⋅ π ⋅ a ⋅ (r3 + r2 )
(4)
(5)
Podobnie jak Rr 23 , wyznaczana jest reluktancja przepływu strumienia na
odcinku (r3 - r2) w powietrzu:
R p 23 =
r3 − r2
μ 0 ⋅ π ⋅ (h − a ) ⋅ (r3 + r2 )
(6)
Na podstawie równań (2 − 6) i schematu rys. 5b) reluktancja wypadkowa
rdzenia wynosi:
Rr = Rr1 = Rr 2 =
R p 23 ⋅ ( Rr12 + Rr 34 + Rr 23 )
R p 23 + Rr12 + Rr 34 + Rr 23
(7)
Reluktancja szczeliny powietrznej pomiędzy rdzeniami wynosi:
R p = R p12 + R p 34
(8)
156
A. Moradewicz
gdzie:
R p12 =
R p 34 =
lg
μ 0 ⋅ π ⋅ (r2 2 − r12 )
(9)
lg
(10)
μ 0 ⋅ π ⋅ (r4 − r3 )
2
2
Współczynnik sprzężenia pomiędzy stroną pierwotną i wtórną transformatora przedstawić można jako zależność następujących reluktancji:
k=
R p 23
(11)
R p 23 + R p12 + R p 34
oraz jako zależność między indukcyjnościami własnymi i indukcyjnością wzajemną uzwojeń transformatora:
k=
M
M
=
L
L1 ⋅ L2
(12)
Zakładając jednakową liczbę uzwojeń n1 = n2 Æ L1 = L2 schemat z rys. 4
przedstawić można w postaci jak na rys. 6 poniżej, a parametry tego schematu
wyznaczyć z równań (11 − 13)
a)
b)
(1-k)*L
Uzwojenie strony
pierwotnej
(1-k)*L
k*L
Uzwojenie strony
wtórnej
Rys. 6. Model transformatora
L=
n1 ⋅ n2
n2
=
∑ R 2 ⋅ Rr + R p
157
(13)
gdzie:
L – indukcyjność własna uzwojeń transformatora,
n1 – liczba zwoi uzwojenia pierwotnego,
n2 – liczba zwoi uzwojenia wtórnego.
Powyższe rozważania wskazują, że wartość indukcyjności własnej i wzajemnej transformatora w indukcyjnym systemie bezprzewodowego przesyłu
energii zależą od takich parametrów jak: odległość między rdzeniami (szczelina
powietrzna), wymiarów oraz przenikalności magnetycznej materiału rdzeni i liczby zwojów po stronie pierwotnej i wtórnej transformatora. Jednak decydujące
znaczenie ma przekrój poprzeczny drogi przepływu strumienia oraz długość
jego ścieżki.
3. KOMPENSACJA INDUKCYJNOŚCI ROZPROSZENIA
UZWOJEŃ TRANSFORMATORA
Koncepcja kompensacji indukcyjności rozproszenia, przez wprowadzanie
do obwodu pojemności, jest od dawna stosowana w energetycznych urządzeniach przesyłu energii: kompensacja linii długiej czy też korekcja współczynnika
mocy. Dzięki zastosowaniu kompensacji w systemach BPE, w których indukcyjność rozproszenia może być większa od indukcyjności wzajemnej uzwojeń,
uzyskać można znaczne zmniejszenie impedancji układu.
Rys. 7. System bezprzewodowego przesyłu energii, bez kompensacji indukcyjności rozproszenia uzwojeń transformatora
Wpływ parametrów obwodu rezonansowego oraz wybór sposobu kompensacji, wymaga zbudowania modelu matematycznego, który łączyłby stronę
158
A. Moradewicz
pierwotną i wtórną systemu. W celu uproszczenia analizy i budowy modelu,
układ zasilany po stronie wtórnej transformatora, którym w układzie rzeczywistym może być przekształtnik z filtrem wyjściowym i obciążeniem indukcyjnym
lub pojemnościowym, przedstawiony jest w postaci rezystancji Ro (rys. 8).
Przy powyższych założeniach upraszczających model matematyczny takiego układu można przedstawić następująco:
⎪⎧U 1 = Z1 ⋅ I1 − Z M ⋅ I 2
⎨
⎪⎩0 = Z 2 ⋅ I 2 − Z M ⋅ I1
(14)
Impedancja strony wtórnej w zależności od wybranej metody kompensacji wynosi:
• kompensacja szeregowa strony wtórnej:
⎧
1
+ Ro
Z 2 = ⎨ jω ⋅ (1 − k ) ⋅ L +
jω ⋅ C 2
⎩
(15)
• kompensacja równoległa strony wtórnej:
⎧
⎪⎪
1
Z 2 = ⎨ jω ⋅ (1 − k ) ⋅ L +
1
⎪
jω ⋅ C 2 +
⎪⎩
Ro
(16)
Wartość impedancji strony wtórnej sprowadzona na stronę pierwotną na
podstawie układu równań (14) wynosi:
Z =
'
2
Z M2
Z2
(17)
uwzględniając to, że Z M = jω ⋅ k ⋅ L , wyrażenie na wartość impedancji strony
wtórnej sprowadzonej na stronę pierwotną przyjmuje następującą postać:
159
• dla kompensacji szeregowej strony wtórnej
⎧
ω 4 ⋅ C22 ⋅ k 2 ⋅ L2 ⋅ Ro
⎪ 2
2
2
2
2
⎪ (ω ⋅ C2 ⋅ L ⋅ (1 − k ) − 1) + ω ⋅ C2 ⋅ Ro
'
Z2 = ⎨
3
2
2
2
⎪ ω ⋅ C2 ⋅ k ⋅ L ⋅ (ω ⋅ C2 ⋅ L ⋅ (1 − k ) − 1)
j
−
⎪
(ω 2 ⋅ C2 ⋅ L ⋅ (1 − k ) − 1) 2 + ω 2 ⋅ C22 ⋅ Ro2
⎩
(18)
• oraz dla kompensacji równoległej strony wtórnej
⎧
ω 2 ⋅ k 2 ⋅ L2 ⋅ Ro
⎪
⎪⎪ Ro2 ⋅ (ω 2 ⋅ C2 ⋅ L ⋅ (1 − k ) − 1) 2 + ω 2 ⋅ L2 ⋅ (1 − k ) 2
Z 2' = ⎨
⎪ ω 3 ⋅ k 2 ⋅ L2 ⋅ (C2 ⋅ Ro2 ⋅ (ω 2 ⋅ C2 ⋅ L ⋅ (1 − k ) − 1) + L ⋅ (1 − k ))
⎪− j
Ro2 ⋅ (ω 2 ⋅ C2 ⋅ L ⋅ (1 − k ) − 1) 2 + ω 2 ⋅ L2 ⋅ (1 − k ) 2
⎪⎩
(19)
Poniżej przedstawiono wyniki symulacji wykonane w programie OrCad 10.0 −
– PSpice przy następujących założeniach:
• do obciążenia przesyłana będzie moc na poziomie 3 kW,
• przekształtnik zasilający układ przedstawiony jako sterowane źródło
napięcia prostokątnego o zadanej amplitudzie,
• częstotliwość rezonansowa układu 100 kHz,
• w celu ograniczenia strat komutacyjnych zmiana znaku tego napięcia
następuje w chwili przejścia przez zero prądu strony pierwotnej,
• model symulacyjny zbudowany jest z elementów idealnych.
3.1. Kondensator rezonansowy dołączony
do strony pierwotnej transformatora
Rys. 8. System bezprzewodowego przesyłu energii z kondensatorem rezonansowym po stronie pierwotnej
160
A. Moradewicz
150
100
U_obc
u1
50
0
-50
u2
-100
-150
V(zas)
V(D1:1,N113219)
V(Robc:1,Robc:2)
0
i1
40
i_obc
20
0
i2
-20
SEL>>
19.970ms
I(L1)
0
19.975ms
-I(L2)
I(Robc)
19.980ms
19.985ms
19.990ms
19.995ms
20.000ms
Time
Rys. 9. Przebiegi: napięcia zasilającego U1, napięcia na uzwojeniu wtórnym U2 oraz
napięcia na obciążeniu Uo (u góry), prądu strony pierwotnej i1 i wtórnej i2 oraz prądu
obciążenia iobc (u dołu). Zmiana znaku napięcia zasilającego następuje w chwili przejścia
przez „zero” prądu pierwotnego f = fr.
Parametry układu symulacyjnego:
C1r = 21.13 nF; L = 0.3 mH; k = 0.8; Co = 1 mF; Ro = 5 Ω
150
100
U_obc
u1
50
0
u2
-50
-100
-150
V(zas)
V(D1:1,N113219)
V(Robc:1,Robc:2)
0
i1
40
i_obc
20
0
i2
-20
SEL>>
19.970ms
I(L1)
0
19.975ms
-I(L2)
I(Robc)
19.980ms
19.985ms
19.990ms
19.995ms
20.000ms
Time
161
300
U_obc
200
u1
100
0
-100
u2
-200
-300
V(zas)
V(D1:1,N113219)
40
V(Robc:1,Robc:2)
0
i1
20
i2
0
i_obc
-20
SEL>>
19.970ms
I(L1)
19.975ms
-I(L2)
I(Robc)
0
19.980ms
19.985ms
19.990ms
19.995ms
20.000ms
Time
C1r = 126.78 nF; L = 0.05 mH; k = 0.8; Co = 1 mF; Ro = 1 k Ω
150
u1
100
U_obc
50
0
u2
-50
-100
-150
V(zas2)
V(D1:1,N113219)
40
20
V(Robc:1,Robc:2)
0
i1
i_obc
0
i2
-20
SEL>>
19.970ms
I(L1)
0
19.975ms
-I(L2)
I(Robc)
19.980ms
19.985ms
19.990ms
19.995ms
20.000ms
Time
obciążenia iobc (u dołu). Zmiana znaku napięcia zasilającego następuje po przejściu prądu
pierwotnego przez „zero” f < fr.
162
A. Moradewicz
150
U_obc
100
u1
50
0
-50
u2
-100
-150
V(zas2)
V(D1:1,N113219)
V(Robc:1,Robc:2)
0
i1
40
i_obc
20
0
-20
i2
SEL>>
19.970ms
I(L1)
0
19.975ms
-I(L2)
I(Robc)
19.980ms
19.985ms
19.990ms
19.995ms
20.000ms
Time
obciążenia iobc (u dołu). Zmiana znaku napięcia zasilającego następuje przed przejściem
prądu pierwotnego przez „zero” f > fr.
3.2. Kondensator rezonansowy dołączony
do strony pierwotnej i wtórnej transformatora
• Kompensacja szeregowo – szeregowa
DC
Cr2
L
AC
L
Co
obciążenie
Cr1
Ro
Rys. 15. System bezprzewodowego przesyłu energii z kondensatorami rezonansowymi po stronie pierwotnej i wtórnej
163
150
U_obc
100
50
0
-50
u1
-100
u2
-150
V(zas)
V(D1:1,N113219)
V(Robc:1,Robc:2)
0
i1
40
i_obc
20
0
i2
-20
SEL>>
19.970ms
I(L1)
19.975ms
-I(L2)
I(Robc)
0
19.980ms
19.985ms
19.990ms
19.995ms
20.000ms
Time
Rys. 16. Przebiegi: napięcia zasilającego U1, napięcia wejściowego mostka diodowego U2
oraz napięcia na obciążeniu Uo (u góry), prądu strony pierwotnej i1 i wtórnej i2 oraz prądu
C1r = 21.13 nF; C2r = 63.39 nF; L = 0.3 mH; k = 0.8; Co = 1 mF; Ro = 5 Ω
200
U_obc
150
100
50
0
-50
u1
-100
-150
u2
-200
V(zas)
V(D1:1,N113219)
V(Robc:1,Robc:2)
0
4.0
i1
2.0
i2
i_obc
0
-2.0
SEL>>
19.970ms
I(L1)
0
19.975ms
-I(L2)
I(Robc)
19.980ms
19.985ms
19.990ms
19.995ms
20.000ms
Time
Rys.17. Przebiegi: napięcia zasilającego U1, napięcia wejściowego mostka diodowego U2
C1r = 21.13 nF; C2r = 63.39 nF; L = 0.3 mH; k = 0.8; Co =1 mF; Ro = 1 kΩ
164
A. Moradewicz
100
u1
50
U_obc
0
u2
-50
-100
V(zas2)
V(D1:1,N113219)
V(Robc:1,Robc:2)
0
3.0
i1
i_obc
2.0
1.0
0
-1.0
i2
SEL>>
-3.0
19.970ms
I(L1)
0
19.975ms
-I(L2)
I(Robc)
19.980ms
19.985ms
19.990ms
19.995ms
20.000ms
Time
100
u1
50
U_obc
0
-50
u2
-100
V(zas2)
V(D1:1,N113219)
V(Robc:1,Robc:2)
0
i1
10
i_obc
5
0
-5
i2
SEL>>
-13
19.970ms
I(L1)
0
19.975ms
-I(L2)
I(Robc)
19.980ms
19.985ms
19.990ms
19.995ms
20.000ms
Time
165
• Kompensacja szeregowo – równoległa
Rys. 20. System bezprzewodowego przesyłu energii z kondensatorami rezonansowymi po stronie pierwotnej i wtórnej.
Kompensacja szeregowo – równoległa
150
U_obc
100
u1
u2
50
0
-50
-100
-150
V(zas)
V(D1:1,N113219)
V(Robc:1,Robc:2)
0
60
i1
40
i_obc
20
0
-20
i2
SEL>>
-65
19.970ms
I(L1)
0
19.975ms
-I(L2)
I(Robc)
19.980ms
19.985ms
19.990ms
19.995ms
20.000ms
Time
166
A. Moradewicz
100
u1
50
U_obc
0
u2
-50
SEL>>
V(zas2)
V(D1:1,N113219)
V(Robc:1,Robc:2)
0
6.0
i1
4.0
i_obc
2.0
0
-2.0
i2
-4.0
-6.0
19.970ms
I(L1)
19.975ms
-I(L2)
I(Robc)
0
19.980ms
19.985ms
19.990ms
19.995ms
20.000ms
Time
C1r = 21.13 nF; C2r = 63.39 nF; L = 0.3 mH; k = 0.8; Co = 1mF; Ro = 5 Ω
100
u1
U_obc
50
0
-50
u2
-100
V(zas2)
V(D1:1,N113219)
20
V(Robc:1,Robc:2)
0
i1
i_obc
10
0
-10
i2
SEL>>
19.970ms
I(L1)
0
19.975ms
-I(L2)
I(Robc)
19.980ms
19.985ms
19.990ms
19.995ms
20.000ms
Time
167
4. ZAKOŃCZENIE
W artykule przedstawione zostały wybrane wyniki badań symulacyjnych
układu BPE, dla trzech spośród dziewięciu możliwych głównych kombinacji
kompensacji indukcyjności rozproszenia: kompensację szeregową z kondensatorem po stronie pierwotnej transformatora, kompensację szeregowo – szeregową z kondensatorami rezonansowymi po obu stronach transformatora oraz
kompensację szeregowo – równoległą. Istnieją również inne kombinacje realizacji systemów BPE, jednakże w pracy założono, że przekształtnik zasilający to
falownik napięcia, pracujący w warunkach ZCS (ang. zero current switching).
Eliminuje to możliwość zastosowań układów z kondensatorem przyłączonym
równolegle do strony pierwotnej. Na podstawie przedstawionych wyników można zauważyć, jak duża jest wrażliwość systemu BPE przy pracy z częstotliwością inną niż założona częstotliwość rezonansowa. Związane jest to ze znacznym wzrostem impedancji systemu i obniżeniem wartości przenoszonej mocy.
Zmniejszenie wartości impedancji falowej układu w stosunku do rezystancji
obciążenia ma niekorzystny wpływ na przesył energii w systemie, powodując
zwiększenie przesunięcia fazowego napięcia i prądu strony wtórnej względem
przebiegów po stronie pierwotnej transformatora. Powoduje to wzrost prądu
magnesującego tym samym zwiększenie strat przewodzenia oraz generowanie
zakłóceń elektromagnetycznych.
LITERATURA
1. Hirai J., T. W. Kim, Kawamura A.: Study on intelligent battery charging using inductive
transmission of power and information. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS
vol. 15, no. 2, march 2000.
2. Piróg S., Stala R., Gąsiorek S.: Bezstykowe zasilanie ruchomych, separowanych
odbiorników energii elektrycznej, Przegląd Elektrotechniczny R. LXXIX 5/2003
3. A. Moradewicz: Problemy realizacji układów zasilania bezprzewodowego – Seminarium
Naukowe, Instytut Elektrotechniki 2003
4. Ch. S. Wang, G. A. Covic, O. H. Stielau : Power transfer capability and bifurcation
phenomena of loosely coupled inductive power transfer systems. IEEE TRANSACTIONS
ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, vol. 51, no. 1, February 2004
Rękopis dostarczono, dnia 23.11.2004 r.
Opiniował: prof. dr hab. inż. Marian P. Kaźmierkowski
168
A. Moradewicz
SIMULATION STUDY OF WIRELESS ENERGY
TRANSMISSION SYSTEMS
Artur MORADEWICZ
ABSTRACT
This paper describes the theoretical analysis of
wireless energy transmission system, build on the two halves pot
cores transformer where any halve have own windings. The rotatable
pot core transformer can work like slip rings to ensure minimum
reluctance for the magnetic flux path and increasing the coupling
coefficient between the primary and secondary side, in this case the
system can be named as wireless energy transmission system.
Compensation the leakage inductance is realized through adding the
resonant capacitance to the primary and secondary windings of the
transformer. The basic topologies for primary and secondary
compensations are presented and compared. To consider the
problem of selections resonant circuit and its parameters and achieve
the maximum power delivered to the load with minimum VA rating of
the power supply, the mathematical model combined the primary and
secondary side is developed and the total impedance seen by the
power supply is described.
Mgr inż. Artur Moradewicz urodził się w 1976 r.
w Rejowcu Fabrycznym. W 2001 roku ukończył studia na Wydziale Elektrycznym Politechniki Lubelskiej uzyskując dyplom
mgr inż. elektryka ze specjalnością automatyka napędu elektrycznego. Od sierpnia 2001 roku pracuje w Instytucie Elektrotechniki w Zakładzie Elektrycznych Napędów Obrabiarkowych.
Zajmuje się projektowaniem i budową układów sterowania i zasilania dla napędów elektrycznych i energoelektronicznych układów przekształtnikowych.

transformatorowe systemy bezprzewodowego przesyłu energii bpe

Transkrypt

Podobne dokumenty

Ćwiczenie 11 - WIM UTP - Uniwersytet Technologiczno

str. 1

Symulacja instalacji 3kW z kredytem (kliknij sprawdź)

Instrukcja obsługi

Rozwiązać podaną ramę (wykresy M Q N ) HB 30 3 20 20 C 20 3 x

zał.13-rys.nr.19-przykład oprawy lampy