ing. darila matej
DESCRIPTION
WPTTRANSCRIPT
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
ilinsk univerzita v iline Elektrotechnick fakulta
Katedra mechatroniky a elektroniky
28260620142003
NVRH TOPOLGIE VPS PRE BEZDRTOV PRENOS ELEKTRICKEJ ENERGIE S VKONOM DO
50W
2014
Bc. Matej Darila
-
ILINSK UNIVERZITA V ILINE ELEKTROTECHNICK FAKULTA
KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY
NVRH TOPOLGIE VPS PRE BEZDRTOV
PRENOS ELEKTRICKEJ ENERGIE S VKONOM DO 50W
DIPLOMOV PRCA
tudijn program: Vkonov elektronick systmy tudijn odbor: 5.2.9 Elektrotechnika koliace pracovisko: Elektrotechnick fakulta, Katedra mechatroniky a elektroniky kolite: doc. Ing. Michal Frivaldsk, PhD. Konzultant:
2014
Bc. Matej Darila
-
ZADANIE DIPLOMOVEJ PRCE
Meno: Bc. Matej DARILA
tudijn program: Vkonov elektronick systmy
Nzov diplomovej prce:
Nvrh topolgie VPS pre bezdrtov prenos elektrickej energie s vkonom do 50W
Pokyny pre vypracovanie diplomovej prce:
1. Analza sasnho stavu rieenia hlavnho obvodu systmu pre bezdrtov prenos energie
2. Voba optimlneho rieenia pre dosiahnutie zadanch parametrov z hadiska innosti a vzdialenosti prenosu
3. Nvrh a simulan overenie vysielacej a prijmacej asti systmu 4. Kontrukcia a experimentlne overenie navrhnutho systmu
Zoznam odbornej literatry: 1. Wireless Power Transfer Principles and Engineering Explorations, 2011
InTech, ISBN 978-953-307-874-8
2. Highly Resonant Wireless Power Transfer: Safe, Effcient and over Distance, Dr Morris Kesler, WiTricity Corporation, 2013
Predpokladan rozsah prce poet strn textu: max. 50
poet strn grafickch prloh: max. 15
kolite diplomovej prce: doc. Ing. Michal Frivaldsk, PhD. Dtum zadania diplomovej prce: 25.10.2013 Dtum odovzdania diplomovej prce: 13.5.2014
prof. Ing. Pavol pnik, PhD.
vedci katedry
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
I
Abstrakt
Tto prca sa zaober nvrhom topolgie VPS pre bezdrtov prenos elektrickej
energie. Proces vberu a nvrhu systmu je rozdelen do teoretickej a praktickej asti.
Teoretick rozbor bol vykonan na zklade pokynov pre vypracovanie diplomovej
prce a venoval sa najm pozadiu bezdrtovho prenosu zaloenho na princpe
magnetickej rezonancie.
V praktickej asti sa kldol draz na simulan model, v ktorom sa zisovalo
sprvanie systmu ako aj napov a prdov namhanie siastok. Odsimulovan
priebehy slili ako podklad pre experimentlne overenie navrhnutho systmu.
Na zklade simulanho modelu bola zostaven fyziklna vzorka, ktor bola
spene podroben meraniam.
-
II
ILINSK UNIVERZITA V ILINE, ELEKTROTECHNICK FAKULTA
KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY
ANOTAN ZZNAM DIPLOMOV PRCA
Meno a priezvisko: Matej Darila Akademick rok: 2013/2014
Nzov prce: Nvrh topolgie VPS pre bezdrtov prenos elektrickej energie
s vkonom do 50W
Poet strn: 58 Poet obrzkov: 27 Poet tabuliek:6
Poet grafov:10. Poet prloh: 0. Poet pou. lit.:13
Anotcia v slovenskom jazyku:
Bc. DARILA, Matej: Nvrh topolgie VPS pre bezdrtov prenos elektrickej energie s vkonom do 50W. [Diplomov prca]. ilinsk Univerzita v iline. Elektrotechnick fakulta; Katedra mechatroniky a elektroniky. Vedci diplomovej prce: doc. Ing. Michal Frivaldsk PhD., ilina, KME U, 2014.
Diplomov prca sa zaober nvrhom systmu na bezdrtov prenos elektrickej energie. Teoretick as prce je zameran na monosti bezdrtovho prenosu energie. V praktickej asti sa nachdza nvrh bezdrtovho systmu, ktor je podroben simulcim a meraniam navrhnutom zariaden.
Anotcia v anglickom jazyku:
Bc. DARILA, Matej: Design of Topology for Wireless Power Transfer system up to 50W .
[Diploma thesis]. University of Zilina v iline. Faculty of Eletrical Engineering; Department of
Mechatronics and Electronics. Thutor:: doc. Ing. Michal Frivaldsk PhD., Zilina, KME ZU, 2014.
Diploma thesis deals with design of system for wireless power transfer. The aim of theoretical part
is analysis of possibilities for wireless power transfer. Practical part consist of design system for
wireless power transfer, which is used as simulation model and built for measurements on physical
sample.
Kov slov:
Bezdrtov prenos elektrickej energie, rezonancia, simulcie, nvrh cievky
Vedci diplomovej prce: doc. Ing. Michal Frivaldsk PhD.
Konzultant:
Recenzent: __________________________
Dtum odovzdania prce: 13. mja 2014
-
III
Obsah
vod .............................................................................................................................. 1
1 Bezdrtov prenos elektrickej energie ....................................................... 2
1.1 Histria a sasnos ....................................................................................... 2 1.1.1 Nikola TESLA ............................................................................................... 2 1.1.2 William BROWN ........................................................................................... 3 1.1.3 Marin Soljai ................................................................................................ 3
1.2 Spsoby prenosu ............................................................................................ 3 1.2.1 Prenos laserom ............................................................................................... 5
1.2.2 Mikrovlnn prenos ......................................................................................... 5 1.2.3 Prenos elektrostatickou indukciou ................................................................. 5 1.2.4 Prenos elektromagnetickou indukciou ........................................................... 5
1.3 Typy vzby ..................................................................................................... 6 1.3.1 Indukn vzba .............................................................................................. 6 1.3.2 Vzba magnetickou rezonanciou ................................................................... 7
1.4 Pozadie bezdrtovho prenosu vkonu.......................................................... 8 1.4.1 Magnetick indukn tok .............................................................................. 8 1.4.2 Vlastn a vzjomn induknos ................................................................... 10 1.4.3 Model vzduchovho transformtora ............................................................ 12 1.4.4 Rezonancia ................................................................................................... 15 1.4.5 Faktor kvality Q ........................................................................................ 16 1.4.6 Cievka so vzduchovm jadrom .................................................................... 16
2 Analza a nvrh systmu ........................................................................... 22
2.1 Analza sasnho stavu rieenia hlavnho obvodu pre bezdrtov prenos elektrickej energie ...................................................................................................... 23 2.2 Analza systmu .......................................................................................... 24 2.2.1 Vkonov zosilova (DC/AC meni) ....................................................... 24 2.2.2 Kapacitne kompenzovan topolgie ............................................................ 26 2.2.3 Nvrh cievky ................................................................................................ 29
2.3 Nvrh systmu ............................................................................................. 32
3 Simulan model ........................................................................................ 37
3.1 Pspice simulcie ........................................................................................... 37 3.1.1 Frekvenn analza obvodu ......................................................................... 38 3.1.2 asovo zvisl analza obvodu ................................................................... 39
4 Experimentlne overenie Fyziklny model .......................................... 46
4.1 Kontrukcia fyziklneho modelu ................................................................. 46 4.1.1 Zdrojov as ............................................................................................... 46 4.1.2 Primrna/sekundrna kompenzan kapacita .............................................. 47 4.1.3 Vysielacia/prijmacia cievka ........................................................................ 48 4.1.4 Vstupn usmerova a za ..................................................................... 49
-
IV
4.2 Meranie na fyziklnom modeli .................................................................... 49 4.3 Vyhodnotenie merania ................................................................................. 55
5 Odporania pre budcu prcu ............................................................... 56
Zver ........................................................................................................................... 57
-
V
Zoznam obrzkov, grafov a tabuliek
Obr. 1.1: Vzjomn vzdialenos v zvislosti od vlnovej dky ..................................... 4
Obr. 1.2: Elektromagnetick indukn systm .............................................................. 6
Obr. 1.3: Elektromagnetick rezonann systm .......................................................... 7
Obr. 1.4: Magnetick tok prdovou slukou ............................................................... 10
Obr. 1.5: Vzjomn magnetick vzba dvoch uzavretch sluiek .............................. 11
Obr. 1.6: Obvodov diagram modelu vzjomnej induknosti ..................................... 14
Obr. 1.7: Nhradn schma vzduchovho transformtora ........................................... 14
Obr. 1.8: Prklad rezontora ......................................................................................... 15
Obr. 1.9: Tvary cievok - a) pirlov cievka, b) valcov cievka, c) kueov cievka . 17
Obr. 2.1: Zkladn princp rezonannho systmu na bezdrtov prenos energie ..... 22
Obr. 2.2: Spsob napjania systmu pre bezdrtov prenos energie .......................... 24
Obr. 2.3: Zkladn topolgie pre bezdrtov prenos................................................... 26
Obr. 2.4: Nrt a rozmery cievky ................................................................................. 30
Obr. 2.5: Blokov diagram systmu pre bezdrtov prenos energie ........................... 33
Obr. 2.6: Vvojov diagram nvrhu ............................................................................ 33
Obr. 3.1: Nhradn schma simulanho modelu systmu pre bezdrtov prenos ..... 37
Obr. 3.2: Nhradn schma zapojenia systmu pre frekvenn analzu ..................... 38
Obr. 3.3: Napov prenosov charakteristika systmu .............................................. 39
Obr. 3.4: asov priebeh naptiaUds a prdu Idtranzistora T1 pre vzdialenos 5cm ... 42
Obr. 3.5: asov priebeh naptia na vysielacej na rezonannch prvkoch vysielacej strany pre 5 cm ..................................................................................................... 42
Obr. 3.6: asov priebeh naptia na vysielacej na rezonannch prvkoch vysielacej strany pre 5 cm ..................................................................................................... 42
Obr. 3.7: Priebeh naptia a prdu na zai bez pouitia usmerovacieho mostka pre 5cm ........................................................................................................................ 43
Obr. 3.8: asov priebeh naptia a prdu tranzistora T1 pre vzdialenos 5cm kontantn Uout a Iout ZVS ................................................................................... 45
Obr. 3.9:asov priebeh naptia a prdu tranzistora T1 pre vzdialenos 5cm kontantn Uout a Iout ZCS ............................................................................... 45
Obr. 4.1: Pohad na sriovo-paraleln zapojenie kondenztorov - 33nF .................... 47
Obr. 4.2: Pohad na skontruovan cievku .................................................................. 48
Obr. 4.3: Porovnanie asovho priebehu naptia a prdu na spnacom tranzistore, vavo simulan model, vpravo daje z osciloskopu - Uin=70V, fsw=291kHz - 5cm ........................................................................................................................ 53
-
VI
Graf 1-1: Hbka vniku v zvislosti od frekvencie pre rzne materily ........................ 19
Graf 3-1: Zvislos innosti od vzdialenosti pre kontantn frekvenciu ................... 40
Graf 3-2:Zvislosvstupnho naptia od vzdialenosti pre kontantn frekvenciu .... 41
Graf 3-3:Zvislos innosti od vzdialenosti pre kontantn Uout a Iout ...................... 43
Graf 3-4: Zvislos zmeny fsw od vzdialenosti pre kontantn Uout a Iout .................... 44
Graf 4-1: Naptie a prd na zai - 5cm .................................................................... 50
Graf 4-2: Naptie a prd na zai - 10cm .................................................................. 51
Graf 4-3: Naptie a prd na zai - 15cm .................................................................. 52
Graf 4-4: Naptie a prd na zai - 20cm .................................................................. 53
Graf 4-5: Priebeh naptia a prdu rezonannch prvkov na vysielacej strane - Uin=70V, fsw=291kHz - 5cm ................................................................................. 54
Tab. 1-1: Proximity faktor ........................................................................................... 20
Tab. 2-1: Vstupn/vstupn parametre ........................................................................ 33
Tab. 2-2: Vypotan parametre navrhnutej cievky ..................................................... 34
Tab. 2-3: Vzjomn induknos dvoch symetrickch cievok ..................................... 35
Tab. 3-1: Vsledky simulcie pre kontantn frekvenciu Av=1 ............................... 40
Tab. 3-2: Vsledky simulcie pre kontantn Uout a I out .......................................... 43
-
VII
Zoznam skratiek
Skratka Anglick vznam Slovensk vznam
VPS Power semiconductor system Vkonov polovodiov systm
RFID Radio frequency IDentification Rdio frekvenn identifiktor
MIT Massachusetts Institute of
Technology
Massachusettsk technick univerzita
NASA National Aeronautics and Space
Administration
Nrodn rad pre letectvo a vesmr
DC Direct current Jednosmern prd
AC Alternating current Striedav prd
ZVS Zero voltage switching Spnanie v nule naptia
ZCS Zero current switching Spnanie v nule prdu
-
VIII
Poakovanie
akujem Doc. Ing. Michalovi Frivladskmu, vedcemu diplomovej prce za jeho
odborn vedenie, uiton rady, podnety a najm za jeho as, ktor mi venoval pri
vypracovan diplomovej prce.
..........................
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
1
VOD
Bezdrtov prenos elektrickej energie je vzia, ktor koluje v hlavch vynlezcov
u vye 100 rokov.
Objasnenm javu magnetickej rezonancie sa otvorili dvere rieenia problmu
innosti prenosu elektrickej energie v blzkom poli. Vaka tomuto javu je mon
vysok kapacita prenesenej energie pri vysokej innosti. Vsledkom je perspektvne
rieenie pre mnoh aplikcie ako naprklad spotrebn elektronika, automotvne
systmy, zdravotncke zariadenia a mnoh alie.
Cieom diplomovej prce je nvrh topolgie VPS pre bezdrtov prenos
elektrickej energie s vkonom do 50W s ohadom na vzdialenos a innos prenosu.
spenej realizcii prce m pomc analza sasnho stavu rieenia hlavnho
obvodu systmu pre bezdrtov prenos. Z tejto analzy vychdza voba optimlneho
nvrhu pre dosiahnutie zadanch parametrov, simulcie navrhnutho systmu a jeho
kontrukcia.
Prv kapitola diplomovej prce sa venuje pozadiu bezdrtovho prenosu - histrii
vvoja bezdrtovho prenosu, rznym spsobom prenosu, fyziklnemu pozadiu
bezdrtovho prenosu a vysvetleniu niektorch dleitch javov a parametrov, ktor
vplvaj na prenos.
Druh kapitola je rozdelen na dve asti. Prv sa venuje analze a sasnmu stavu
rieenia systmu pre bezdrtov prenos elektrickej energie. Druh as kapitoly
opisuje nvrh hlavnho obvodu pre bezdrtov prenos.
V tretej kapitole diplomovej prce je na zklade predolho nvrhu zostaven
simulan model, ktor opisuje sprvanie sa systmu.
V tvrtej kapitole tejto prce je uskutonen experimentlne overenie navrhnutho
rieenia, ktorho cieom bol inn prenos elektrickej energie zo zdroja do zae bez
pouitia vodiov.
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
2
1 BEZDRTOV PRENOS ELEKTRICKEJ ENERGIE
1.1 HISTRIA A SASNOS
Histria bezdrtovho prenosu siaha do 19. storoia, kedy zaali by objasnen
fyziklne javy a boli predstaven prv vynlezy, ktor umoovali prenos elektrickej
energie bez pouitia fyzickho spojenia. Medzi najznmejie a najdleitejie objavy
patria Amprov zkon, Faradayov zkon, Maxwellove rovnice. Odvtedy vynlezcovia
a fyzici hadali monos, ako energiu prena bezdrtovo. K dleitm objavom 19.
storoia patria: prv elektrick transformtor (nazvan indukn cievka), prv
rdiov prijmae a najm prv Teslove spen pokusy o bezdrtov prenos. V 20.
storo boli prelomov pokusy o prenos energie pomocou mikrovlnnho iarenia, ale
najm prv RFID systmy, ktor sa stali vemi rozren a ich vvoj sa stle
pokrauje. Avak momentlne najv pokrok v tejto oblasti priiel v roku 2007,
kedy tm vedcov z MIT veden Prof. Marinom Soljaiom prezentoval prenos
pomocou elektromagnetickej rezonancie na stredn vzdialenos. Sasn stav spova
v mnostve experimentlnych prc univerzitnch tmov a firiem zaoberajcich sa
elektronikou.
1.1.1 Nikola TESLA
Fyzik, vynlezca a vizionr srbskho pvodu. Poloil zklad mnohch systmov,
ktor dnes kadodenne vyuvame. Je otcom striedavho prdu a taktie nosite
mylienky bezdrtovho prenosu. Jeho vzie boli revolun, avak nie vetky sa mu
podarilo naplni najm pre nedostatok finannch prostriedkov. V roku 1893
demontroval rozsvietenie vkuovej iarovky bez pouitia vodiov. Nsledne sa mu
v roku 1899 podarilo v Colorado Springs uskutoni pokus, kde rozsvietil 200
haviacich lmp vo vzdialenosti 40 km. Jeho prenos bol zaloen na
vysokonapovom a vysokofrekvennom elektrostatickom prenose energie.
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
3
1.1.2 William BROWN
Americk ininier elektrotechniky, ale najm priekopnk mikrovlnnho
vkonovho prenosu. V roku 1961 publikoval monos vyuitia mikrovn na prenos
energie a v roku 1964 demontroval tento typ prenosu na helikoptre, ktor bola
napjan mikrovlnnm lom.
1.1.3 Marin Soljai
Narodil sa v Zhrebe, odkia po skonen gymnzia odiiel tudova fyziku
a elektrotechniku do USA, kde zskal profesorsk titul. So svojm tmom v roku 2007
demontroval prenos elektrickej energie na vzdialenos 2 metrov za vyuitia
magnetickej rezonancie. Ako za bola pouit 60W iarovka a innos prenosu
bola 40%. Taktie je spoluzakladate Witricitycorp., ktor sa zaober bezdrtovm
prenosom elektrickej energie.
1.2 SPSOBY PRENOSU
Systm bezdrtovho prenosu mono rozdeli do niekokch typov, ktor sa lia
apektmi nazerania na systm, a faktormi, ktor do procesu vstupuj.
Kad zdroj elektromagnetickho poa produkuje elektromagnetick vlny vo
svojom okol. Ich interakciu medzi vysielaom a prijmaom z pohadu vzjomnej
vzdialenosti mono rozdeli nasledovne:
1. blzke pole;
2. stredn pole;
3. vzdialen pole.
Hranice tchto pol s zvyajne opsan poda vlnovej dky zdroja danho
elektromagnetickho poa. Pre blzke pole sa uplatuje interval (0;1) nsobok vlnovej
dky, pre stredn pole nsobok vlnovej dky, pre vzdialen pole (2;)
nsobok vlnovej dky. (Umenei, 2011, str.1)
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
4
Obr. 1.1: Vzjomn vzdialenos v zvislosti od vlnovej dky
Poda typu, akm je vytvoren spojenie, mono systm rozdeli nasledovne:
Bezdrtov prenos
Elektromagnetickou
radiciou
(vzdialen pole)
Mikrovlnn prenos
Prenos laserom
Elektromagnetickou
indukciou
(blzke pole)
Elektrostatickou indukciou
Elektromagnetickou indukciou
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
5
1.2.1 Prenos laserom
Spojenie je vytvoren koherentnm svetelnm lom, ktor je schopn prena
energiu na vek vzdialenos. Princp prenosu je zaloen na point-to-point spojen,
kde l dopad na fotovoltaick lnok, ktor premiea sveteln energiu na
elektrick. Jeho nevhodou je vak nzky prenan vkon a v ceste la nesmie by
iadna prekka. Na vvoji tejto technolgie prenosu sa podiea NASA a jej vyuitie
je najm na napjanie satelitov a bezpilotnch lietadiel.
1.2.2 Mikrovlnn prenos
Prenos je uskutoovan pomocou rdiovch vn malej vlnovej dky a, ako pri
laserovom prenose, mus by medzi vysielaom a prijmaom priame spojenie tzv.
point-to-point. Na prjem sa pouva rectenna (rectifyingantenna), ktor sli na
zmenu mikrovlnnej energie na jednosmern prd. innos prenosu me by aj na
vek vzdialenosti (desiatky km) vyia ako 90%. Nevhodou je nzky prenan
vkon a kodlivos mikrovn na udsk organizmus. Vyuitie technolgie je na
napjanie bezpilotnch lietadiel a inej techniky, ktor nie sme schopn napja inm
spsobom.
1.2.3 Prenos elektrostatickou indukciou
Tento typ prenosu je znmy aj pod nzvom kapacitn vzba. Princp spova vo
vytvoren elektrickho poa medzi elektrdami, ktor s od seba fyzicky vzdialen.
Bezdrtov prenos energie zabezpeuje vysokofrekvenn striedav napov zdroj,
ktor vytvra elektrick pole medzi elektrdami.
1.2.4 Prenos elektromagnetickou indukciou
Je to najstar znmy bezdrtov prenos energie a taktie dodnes najvyuvanej.
Princp spova vo vytvoren elektromagnetickho poa vysielacou cievkou, ktor je
napjan striedavm prdom. Pokia sa v tomto poli nachdza druh cievka, indukuje
sa na nej naptie mern vekosti tohto poa. Nevhodou je mal vzdialenos
prenosu.
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
6
1.3 TYPY VZBY
1.3.1 Indukn vzba
Pozostva z dvoch zvzbench cievok s odlinm potom zvitov. Ak je na jednej
cievke pripojen striedav naptie, na druhej cievke sa indukuje rozdielne s tou istou
frekvenciou. Vysok innos je dosiahnut vaka vzjomnej blzkosti tchto cievok
a najm vaka eleznmu jadru, ktor obmedzuje magnetick tok v rmci svojho
poa.
Na obrzku (Obr. 1.2) je znzornen jednoduch model elektromagnetickho
induknho systmu pozostvajceho z dvoch rznych indukci L1 a L2, ktor s
navzjom zvzben a maj vek vzjomn induknos M. Vysielacia cievka je
napjan napovm zdrojom u(t) a prdom i(t)=I1sin(t) tecim cez vodi
v ustlenom stave. Takmer cel striedav magnetick tok vytvoren tmto prdom sa
spja s prijmacou cievkou. Tto vzba toku je odvoden z prdu i1(t) a vzjomnej
induknosti cievok M ako . Pretoe rozdiel magnetickch tokov sa
rovn indukovanmu naptiu na cievke, na svorkch prijmacej cievky sa objav:
, (1.1)
kde up(t) je asov zmena naptia na prijmacej strane, je magnetick tok, M
vzjomn induknos a uhlov frekvencia.
Obr. 1.2: Elektromagnetick indukn systm
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
7
Vaka malej vzdialenosti cievok je splnen podmienka vysokej vzjomnej
induknosti, a tm je dosiahnut vysok innos prenosu. Avak, ak s cievky od
seba vzdialen a magnetick tok sa ri do okolia bez obmedzenia, len mal as tohto
toku prechdza prijmacou cievkou, o m za nsledok mal naindukovan naptie na
tejto cievke, a tm nzku innos. (Sugyama, 2012, s.96)
1.3.2 Vzba magnetickou rezonanciou
V prpade, e je pr cievok od seba vzdialen a ich vzjomn induknos je nzka,
na prijmacej cievke sa naindukuje nzke naptie s malou innosou. Poda vzahu
(1.1) si meme vimn, e mal hodnotu M mono vykompenzova zvenm
uhlovej frekvencie , alebo zvyovanm amplitdy I1 na vysielacej cievke.
Zvyovanie frekvencie vak nie je vhodn rieenie z dvoch hadsk. Prvm je
spsob vyuitia elektromagnetickho induknho systmu, ktor sa pouva najm
ako meni naptia pri danej frekvencii. Za druh, vysokofrekvenn systm m za
nsledok vznik elektromagnetickej radicie, ktor rozptyuje energiu do okolia a me
by kodliv pre udsk organizmus.
Magnetick rezonann systm vyuva na kompenzciu malho M medzi
cievkami zmenu amplitdy prdu I1 na vysielacej cievke. Tento princp mono
vysvetli poda obrzka (Obr. 1.3). Indukcia cievok L1 a L2 je pre zjednoduenie
nastaven na t ist hodnotu L a predpokladme, e vzjomn induknos M je mal.
Ku kadej cievke je pripojen kondenztor C. Vytvoren LC sluka sli na
dosiahnutie magnetickej rezonancie, m sa dosiahne vysok prd cievkou.
Obr. 1.3: Elektromagnetick rezonann systm
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
8
Rezonancia medzi tmito slukami sa objavuje ako tok. Pri danej rezonannej
frekvencii prd i1(t) vysielacej cievky generuje striedav magnetick pole, ktorho
as sa spja s prijmacou cievkou. Tou zana tiec opan prd i2(t), ktorho opan
siloiary sa spjaj vysielacou cievkou. as toku opanho smeru zniuje tok vo
vntri vysielacej cievky, a tm zmieruje jeho indukn reaktanciu. Zniovanm
reaktancie vysielacej cievky, ktor je napjan naptm u(t), prd touto cievkou i1(t)
narast, m vytvra v magnetick tok a cel proces zana od zaiatku. To sa
opakuje pokia systm neprde do ustlenho stavu, ktor zvis od impedancie oboch
LC sluiek. Pri dosiahnut res, ktor je dan
dosiahne impedancia LC
kadej LC sluky hodnotu 0. Tento bod je kritick, pretoe prd i1res(t) na vysielacej
cievke a prd i2res(t) na prijmacej cievke bude vemi vysok. Tento stav, kedy prdy
LC sluiek synchrnne diverguj pri rezonannej frekvencii, sa nazva magnetick
rezonancia, pretoe ich vzjomn prepojenie je vytvoren striedavm magnetickm
poom. Ak je v systme na obrzku (Obr. 1.3) dosiahnut magnetick rezonancia,
vek prd i1res(t) a i2res(t) vytvoria svorkov naptie, ktor je dan vzahom
, (1.2)
alebo
, (1.3)
kde up(t) je asovo premenn naptie na prijmacej strane, i1,2res je hodnota prdu
v stave rezonancie pre vysielaciu prijmaciu sluku v tomto porad, M je vzjomn
induknos a L,C s hodnoty induktora, kapacitora. (Sugyama, 2012, s.97)
1.4 POZADIE BEZDRTOVHO PRENOSU VKONU
1.4.1 Magnetick indukn tok
Elementrny magnetick tok je definovan ako skalrny sin vektora magnetickej
indukcie a vektora plochy . Magnetick indukn tok uritou plochou je
integrlom elementrneho magnetickho toku cez tto plochu
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
9
, (1.4)
kde je magnetick indukn tok, S je plocha, ktorou tento tok prechdza, a B je
magnetick indukcia.
Kee magnetick indukn iary vytvraj uzavret krivky a nemaj zaiatok ani
koniec, poet iar vstupujcich a vystupujcich do objemu ohranienho plochou S je
rovnak a magnetick indukn tok cez uzavret plochu je rovn nule.
(1.5)
Ak je cievka s plochou S v asovo premennom magnetickom poli s indukciou ,
tak ou bude prechdza magnetick indukn tok . Elektromotorick naptie sa
vak indukuje iba pri asovej zmene magnetickho poa, ktor prechdza cievkou.
Vekos elektromotorickho naptia sa vypota ako zporn asov derivcia
magnetickho induknho toku prechdzajceho cievkou:
, (1.6)
kde i je indukovan elektromotorick naptie.
Zmena magnetickho toku v ase me nasta z rznych dvodov, a to: a) vplyvom
magnetickej indukcie | |, b) uhlom medzi vektorom a vektorom plonho elementu
d , c) vekosou plochy zvitu. Vzah (1.6) je vyjadrenm Faradayovho zkona, ktor
mono slovne formulova nasledovne: Indukovan elektromotorick naptie vo
vodivom elektrickom obvode sa svojou vekosou rovn asovej zmene induknho
toku cez obvod a m smer dan Lenzovm zkonom. Nedostatkom tejto formulcie
je, e nepodva presnejiu informciu o vodivom elektrickom obvode a viae sa na
nevysloven Lenzov zkon: Indukovan prd v obvode svojm magnetickm
inkom psob proti zmene induknho toku, ktor ho vyvolala. (Kdelk, 2011,
s.252)
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
10
1.4.2 Vlastn a vzjomn induknos
1.4.2.1 Vlastn induknos
Ak cievkou, pozostvajcej z N zvitov, teie prd I meniaci sa v ase v protismere
hodinovch ruiiek, poda Faradayovho zkona bude indukovan naptie psobi
proti tejto zmene, ktor ho vyvolala. Indukovan prd bude prdi v smere
hodinovch ruiiek, ak dI/dt>0, a v protismere, ak dI/dt
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
11
, (1.9)
m via je induknos L, tm je menia zmena prdu.
1.4.2.2 Vzjomn induknos
Dleit jav je taktie vzjomn indukcia. Na obrzku (Obr. 1.5) s znzornen
dva obvody I a II, ktor s vo vzjomnej magnetickej vzbe. V obvode I psob zdroj
elektromagnetickho naptia , ktor vytvra prd I1 a nsledne indukn tok 1.
as tohto toku 21 tohto toku prenik obvodom II. Na ploche S druhho obvodu je
magnetick indukcia B1 dan integrciou poda Biotovho-Savartovho-Laplaceovho
zkona. Indukn tok 21, ktor prenik plochou S obvodu II je potom
(
) , (1.10)
Rovnak vahu mono poui pre obvod II.
(
) , (1.11)
Vznam symbolov je mon vyta z obrzku (Obr. 1.5).
Obr. 1.5: Vzjomn magnetick vzba dvoch uzavretch sluiek
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
12
Ak ozname
, (1.12)
, (1.13)
potom pre magnetick tok dostvame
,
(1.14)
, (1.15)
Koeficienty L12=L21=M nazvame koeficienty vzjomnej induknosti a statick
definin vzah je nasledovn:
. (1.16)
Z neho vyplva, e dva obvody s magneticky zviazan vtedy, ak prd teci
obvodom I je schopn vytvori magnetick indukn tok v obvode II. Pokia je prd
I1 asovo premenn a obvod II je otvoren, potom sa v om indukuje naptie
, (1.17)
(Tirpk, 2004, s. 314)
1.4.3 Model vzduchovho transformtora
Z predolch vzahov vieme, e striedav magnetick tok zapriuje indukovan
elektromotorick naptie
. (1.18)
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
13
Zporn znamienko v tomto vzahu bolo kompenzovan zmenou smeru vinutia
druhej cievky. Prechod prdu I1 cez cievku 1 zaprin indukovan naptie U2 na
cievke 2. Ak je obvod cievky 2 uzavret zane tmto obvodom tiec prd I2, o
zaprin vznik magnetickej indukcie B2 a magnetickho toku v jej okol. Tento tok
bude ma opan smer ako magnetick tok prvej cievky. Pouitm superpozcie bude
celkov tok cievky 2 vyjadren ako kombincia vlastnho toku 22 a vzjomnho
toku 12.
. (1.19)
as toku vytvorenho prdom druhej cievky sa spoj s cievkou 1 a jej celkov tok
je definovan tak isto
. (1.20)
Vyjadren pomocou induknosti:
, (1.21)
. (1.22)
Pouitm Faradayovho zkona na celkov tok kadej cievky za predpokladu, e
induknos je asovo nemenn vedie k vzahu medzi vstupnm naptm a prdom
k vstupnmu naptiu a prdu.
, (1.23)
(1.24)
Ak s vetky prdy snusov a v ustlenom stave, potom tieto rovnice mono
napsa vo fzorovej forme pre relny obvod poda obrzka (Obr. 1.6):
, (1.25)
(1.26)
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
14
Vyjadrenm tchto rovnc je obvodov diagram vzjomnej induknosti, z ktorho
vychdza nhradn schma vzduchovho transformtora (Obr. 1.7).
Obr. 1.6: Obvodov diagram modelu vzjomnej induknosti
Obr. 1.7: Nhradn schma vzduchovho transformtora
Pripojenm zaovho odporu RL k cievke 2 sa vytvor uzavret obvod.
, (1.27)
Prd cievkou 2 je dan pomerom indukovanho naptia k celkovej impedancii
sekundrnej strany
, (1.28)
kde Z2 je celkov impedancia sekundrnej strany. Pridanm rovnice (1.28) do
rovnice (1.25) dostaneme:
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
15
Z pohadu cievky 1 sa cievka 2 jav ako transformovan impedancia sekundrnej
strany ZS a je dan vzahom
(Cederlof, 2012, s.7) (Wang, 2005)
1.4.4 Rezonancia
Rezonancia je jav, ktor sa okolo ns objavuje v mnohch formch. Veobecne
rezonancia zaha oscilujcu energiu medzi dvoma systmami. Nzornm prkladom
je mechanick kyvadlo, v ktorom energia osciluje medzi potencilnou a kinetickou
formou. Pokia je systm v rezonancii, je mon dosiahnu vek akumulovan
energiu aj pri slabom buden systmu.
Sprvanie sa rezonannho systmu me by vyjadren dvoma zkladnmi
parametrami, a to rezonannou frekvenciou 0 a jeho vlastnm stratovm initeom .
Pomer tchto parametrov definuje faktor kvality rezontora Q (Q= 0/2) a vyjadruje,
ako rezonann obvod vyuva svoju energiu.
Obr. 1.8: Prklad rezontora
Elektromagnetick rezonancia vznik, pokia frekvencia budiacich kmitov je
zhodn s vlastnou frekvenciou osciltora. Tto frekvencia sa nazva rezonann.
V obvode to znamen, e energia osciluje medzi induktorom (energia uloen
v magnetickom poli), kapacitorom (energia uloen v elektrostatickom poli) a je
rozptlen v odpore. Rezonann frekvenciu mono vyjadri Thomsonovm vzahom
, (1.29)
C
L
R
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
16
kde 0 je uhlov frekvencia, f0 je rezonann frekvencia L a C s hodnoty
rezonannch prvkov obvodu. (Kesler, 2013, s.15)
1.4.5 Faktor kvality Q
inite kvality rezonannho obvodu je definovan ako pomer naptia na
induktore (alebo na kapacitore) a vekos naptia na rezistore (alebo vekos
napjacieho naptia). Vyjadrenie tohto parametra vychdza z parametrov obvodu:
, (1.30)
kde UL.R.Cr je naptie na danom prvku v stave rezonancie (index L pre cievku, C pre
kondenztor, R pre odpor), U je napjacie naptie, L, R a C s hodnoty prvkov
obvodu.
Vo vysoko rezonannch systmoch na bezdrtov prenos energie je potrebn
dosiahnu vysok hodnoty Q, aby bolo mon dosiahnu o najvyiu innos.
Elektromagnetick rezontory s vysokm initeom kvality Q s tvoren prvkami,
ktor maj o najniie absorbn straty (ohmick straty), mal radian straty
a relatvne zke psmo rezonannch frekvenci. Taktie treba bra do vahy pri
nvrhu vplyv okolitch objektov (systmov). (Kesler, 2013, s.15)
1.4.6 Cievka so vzduchovm jadrom
Cievka so vzduchovm jadrom je tak cievka, ktorej jadro nie je tvoren
z feromagnetickho materilu. Tento typ cievky me by navinut na kostrike
vyrobenej z neferomagnetickho materilu (plast, bakelit, keramika at.), alebo jej
kostru tvor samotn vodi bez pouitia podpery. Vyhotovenie je najastejie v troch
prevedeniach, a to:
a) pirlov cievka (Obr. 1.9a)
b) jednovrstvov vzduchov cievka (Obr. 1.9b)
c) kueov cievka (Obr. 1.9c)
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
17
Obr. 1.9: Tvary cievok - a) pirlov cievka, b) valcov cievka, c) kueov cievka
Vhody cievky so vzduchovm jadrom - Kee tento typ cievky neobsahuje
feromagnetick jadro, nevykazuje iadne straty v eleze. Pri zvyovan frekvencie je
tto jej vhoda vemi dleit, pretoe vaka tomu je dosiahnut lep faktor kvality,
lepia innos, lepia manipulcia a menie skreslenie. Taktie sa vzduchov cievka
vyuva pre frekvencie do 1 GHz, zatia o cievky s feromagnetickm jadrom s
vemi stratov v oblasti MHz.
Nevhody cievky so vzduchovm jadrom - Bez jadra s vysokou permeabilitou je
potrebn ma vek poet zvitov k dosiahnutiu vyej induknosti. Viac zvitov sa
prejav vo vekosti cievky, niej vlastnej rezonancii spsobenej medzizvitovou
kapacitou a vymi stratami vo vodii. alou nevhodou je neiaduce
elektromagnetick vyarovanie do okolia.
(Terje, 2008)
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
18
1.4.6.1 Odpor cievky
Pokia je vodi napjan jednosmernm prdom, vo vodii vznikaj minimlne
straty, pretoe ten je prenan celm prierezom vodia. Rozdielny prpad nastva,
pokia je vodi napjan vysokofrekvennm prdom. Prechod tohto prdu je
obmedzen vplyvom skinefektu, ktor zvyuje efektvnu rezistanciu vodia. Vaka
tomu sa striedav odpor stva najdleitejm parametrom, ktor ovplyvuje kvalitu
cievky Q. Sklad zo tyroch komponentov: jednosmern odpor, vplyv skinefektu,
vplyv proximity efektu a radian odpor
, (1.31)
kde Rac je hodnota odporu pre striedav prd, Rdc hodnota odporu pre jednosmern
prd, je inite vplyvu skinefektu, je inite vplyvu proximity efektu, Rr hodnota
radianho odporu.
Jednosmern odpor Rdc je dan dkou vodia, mernou rezistivitou vodia a jeho
prierezom. Vzorec na jeho vpoet je nasledovn:
, (1.32)
kde je mern odpor materilu, l je dka vodia, S je prierez vodia.
Vplyv skinefektu je frekvenne zvisl as odporu cievky. Vrazne sa prejavuje
najm pri vysokch frekvencich a m za nsledok nerovnomern rozloenie prdu
teceho vodiom. Ten nie je rovnomerne rozloen po celom priereze vodia, ale
prdi najm po okraji vodia. Dleitm parametrom je hbka vniku skinov hbka
(skin depth). Je to hbka, s ktorou prdov hustota a sasne elektrick aj magnetick
pole exponencilne klesaj do vntra materilu a je dan vzahom (1.33). Z tejto
hodnoty sa dopota hodnota poda vzahu, ktor uruje vplyv skinefektu na odpor
vodia.
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
19
, (1.33)
(1.34)
kde i je hbka vniku, je mern odpor materilu vodia, f je frekvencia, 0 -
permeabilita vkua, r - relatvna permeablita ( vinou ~ 1)
Graf 1-1: Hbka vniku v zvislosti od frekvencie pre rzne materily
Proximity efekt - alebo jav blzkosti - sa uplatuje, pokia vodiom cievky
prechdza striedav prd, ktor v jeho okol vytvra magnetick pole. Kee v cievke
s jednotliv zvity vo vzjomnej blzkosti, polia generovan vo vodii sa ovplyvuj,
o m za nsledok dodaton straty. Proximity efekt nie je jednoduch vyjadri
pomocou vzahov, preto jeho hodnotu vyberme z tabuky (Tab. 1-1) na zklade
rozmerov cievky.
0,00001
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
1 10 100 1000 10000 100000 1000000
i [
log
m]
f [log Hz]
i=f(f)
Me
Striebro
Hlink
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
20
Tab. 1-1: Proximity faktor
p/d 1 1,111 1,25 1,43 1,66 2 2,5 3,33 5 10
h/D
0 5,31 3,73 2,74 2,12 1,74 1,44 1,2 1,16 1,07 1,02
0,2 5,45 3,84 2,83 2,2 1,77 1,48 1,29 1,19 1,08 1,02
0,4 5,65 3,99 2,97 2,28 1,83 1,54 1,33 1,21 1,08 1,03
0,6 5,8 4,11 3,1 2,38 1,89 1,6 1,38 1,22 1,1 1,03
0,8 5,8 4,17 3,2 2,44 1,92 1,64 1,42 1,23 1,1 1,03
1 5,55 4,1 3,17 2,47 1,94 1,67 1,45 1,24 1,1 1,03
2 4,1 3,36 2,74 2,32 1,98 1,74 1,5 1,28 1,13 1,04
4 3,54 3,05 2,6 2,27 2,01 1,78 1,54 1,32 1,15 1,04
6 3,31 2,92 2,6 2,29 2,03 1,8 1,56 1,34 1,16 1,04
8 3,2 2,9 2,62 2,34 2,08 1,81 1,57 1,34 1,16 1,04
10 3,32 2,93 2,65 2,27 2,1 1,83 1,58 1,35 1,17 1,04
3,41 3,11 2,815 2,51 2,22 1,93 1,65 1,395 1,19 1,05
kde h je dka cievky, D je priemer cievky, p je vzdialenos medzi jednotlivmi
zvitmi, d je priemer vodia.
Radian odpor Rr tento typ odporu vzrast, pokia truktra cievky vyaruje
elektromagnetick energiu ako antna. Radian odpor nie je striktne mierou straty
v cievke, ale je analogick k charakteristickej impedancii Z0 prenosovej linky. Jeho
hodnota je vak mal a takmer zanedbaten.
[
(
)
(
) ], (1.35)
kde 0 - permeabilita vkua, 0 - permitivita vkua, N - poet zvitov, c - rchlos,
r je polomer cievky, h je dka cievky, c je rchlos svetla.
(Tirpk, 2004,s.520) (Kurs, 2007) (Bodrov, 2012, s.42)
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
21
1.4.6.2 Medzizvitov kapacita
V roku 1947 R.G. Medhurst po mnohch experimentoch odvodil semiempirick
vzorec, ktorm je mon uri vlastn kapacitu jednovrstvovej cievky:
( (
)) ( (
) ), (1.36)
(
) (
)
(
) , (1.37)
kde rx je relatvna permitivita vonkajka cievky a ri je permitivita vo vntri cievky, h
je dka cievky, D je priemer cievky, N poet zvitov cievky.
(Bodrov, 2012, s.42)
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
22
2 ANALZA A NVRH SYSTMU
Predchdzajca kapitola sa venovala historickej asti vvoja bezdrtovho prenosu
a najm monm spsobom bezdrtovho prenosu elektrickej energie. Taktie sme sa
v nej venovali javom vplvajcim na prenos a vysvetlili sme niektor dleit
parametre, ktor vyuijeme pri analze a nvrhu systmu.
Vzhadom na rzne typy bezdrtovho prenosu, sa technolgia vyuvajca
magnetick rezonanciu jav ako najvhodnej spsob na dosiahnutie poadovanej
innosti pre pouitie v blzkom poli. Pouitm rezonannho obvodu v prijmai
a vysielai nm umouje najvyiu prenan kapacitu pri o najvyej monej
vzdialenosti. Pre tento typ prenosu je dleit navrhn nzkostratov cievky a
provacie obvody. Splnenm danch podmienok pri nvrhu meme dosiahnu o
najlepie parametre prenosu.
Obr. 2.1: Zkladn princp rezonannho systmu na bezdrtov prenos energie
Nvrh topolgie vychdza z principilnej schmy pre rezonann bezdrtov systm
na prenos elektrickej energie (Obr. 2.1). Obvod je napjan striedavm zdrojom,
kapacitor vysielacej a prijmacej asti sli na doladenie rezonannej frekvencie.
Vysielacia a prijmacia cievka sli k vytvoreniu magnetickej vzby. K prijmacej
strane je pripojen zaa.
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
23
2.1 ANALZA SASNHO STAVU RIEENIA HLAVNHO
OBVODU PRE BEZDRTOV PRENOS ELEKTRICKEJ
ENERGIE
Ako bolo spomenut v vodnej kapitole tejto prce o bezdrtov prenos elektrickej
energie sa udstvo pokalo u pred viac ako sto rokmi. Avak na dlh as priiel
tlm v rieen tejto problematiky a navrhnut rieenia neboli vhodn pre uplatnenie
v praxi. Prelom priiel v roku 2007, kedy bol objasnen jav magnetickej rezonancie,
ktor umonil inn prenos pre blzke pole.
Dnes meme tdie rozdeli na dva smery, ktormi sa uberaj:
experimentlne zameran na zvyovanie vzdialenosti prenosu a innosti
systmu;
vskumn prce venujce sa implementcii bezdrtovho systmu do
relnych aplikci.
Sasn stav rieenia hlavnho obvodu systmu pre bezdrtov prenos elektrickej
energie vychdza z rovnakch podmienok. Hlavnm kritriom je dosiahnutie
rezonancie vysielacej a prijmacej strany. Z tohto dvodu je nutn, aby obvod
obsahoval prvky L a C. Najastejm a momentlne najviac presadzovanm rieenm
je pouitie kombincie tchto prvkov v ich typickej kombincii (Obr. 2.3). Avak
prichdzaj tdie zaloen na rznych typoch meniov ako s LLC, LCLC a pod.,
kedy s LC prvky doplnen o alie frekvenne zvisl prvky, ktor zaisuj rzne
reimy innosti obvodu.
Pri nvrhu systmu sa kladie draz na vber rezonannch prvkov, a to najm na
nvrh vysielacej/prijmacej cievky. Dleit s vetky jej parametre: induknos, typ,
rozmery, AC charakteristiky. Nemono zabudn, e dleit lohu zohrva aj typ
a vekos rezonannho kapacitora.
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
24
2.2 ANALZA SYSTMU
2.2.1 Vkonov zosilova (DC/AC meni)
Existuj dva typy napjania systmov pre bezdrtov prenos priame a nepriame
napjanie (Obr. 2.2).
Obr. 2.2: Spsob napjania systmu pre bezdrtov prenos energie
Pri nepriamom napjan je vysielacia a prijmacia cievka oddelen od zdroja
a zae pre dosiahnutie vieho faktoru kvality Q na vysielacej a prijmacej asti
m je mon dosiahnu viu vzdialenos prenosu. Cievky L1 a L2 slia ako
vzobn cievky, ktor transformuj impedanciu zdroja a zae. Dosiahnutm
vyieho faktoru kvality Q je mon zvi prenan vzdialenos, avak tieto
systmy s viac citliv na nvrh parametrov ako s induknos a rezonann
frekvencia.
Priamy typ napjania u z nzvu vyjadruje, e zdroj je priamo pripojen
k vysielacej asti. Vber tohto typu napjania je viac vhodn pre praktick aplikcie
z dvodu jednoduchosti nvrhu, monosti prispsobenia, regulcie ako aj nzkych
nkladov. Jeho nevhoda je zniovanie faktoru kvality Q.
Pred vberom vkonovho zosilovaa je potrebn zadefinovanie vstupnch
a vstupnch parametrov ako napjacie naptie, vkon na zai ako aj aplikciu, na
ktor sa systm vyuva. Toto vetko m vplyv na vber topolgie.
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
25
(Kim, 2013, s.1334)
2.2.1.1 Spnan meni
Kee RF zosilovae nemaj dostaton innos premeny energie, na napjanie
sa pouvaj zosilovae na bze spnanch meniov. Pre vkonov prenos je
obmedzen vber na zosilovae triedy D, triedy E a F a triedy S. Nevhodou triedy
E a F je, e spna mus by dimenzovan na blokovanie plnho naptia na cievke.
Trieda S vyaduje na riadenie vek rku psma, o niektor frekvenn psma
(ISM) nedovouj. Najvhodnejie je vyuitie zosilovaa triedy D, ktor treba
dimenzova na naptie zdroja a vhodn je jeho innos pri vstupnej kontantnej
frekvencii. (Rooij, 2013, s.2)
2.2.1.2 Riadenie a vstupn regulcia
Pri menioch sa vyuvaj dve metdy riadenia a to
1) Kontantn naptie - variabiln frekvencia
2) Kontantn frekvencia variabiln naptie
Kontantn naptie- variabiln frekvencia
Je to najastejia metda riadenia vstupnho naptia (vkonu). Zmenou
frekvencie sa men zosilnenie m sa zaru zmena vstupnho naptia. K tomuto typu
riadenia je potrebn sptn vzba, ktor mus by realizovan taktie bezdrtovo na
zklade komunikanch protokolov a tandardov Nevhodou tohto typu riadenia je,
e riadenie a sptn vzba prechdza inm elektromagnetickm poom o me
spsobova ruenie. Taktie pri zmene riadiacej frekvencie nepracujeme pri
maximlnom zosilnen, o zniuje vstupn innos systmu.
Kontantn frekvencia variabiln naptie
Tento typ riadenia si vyaduje na vstupnej strane prdavn DC/DC meni, ktor
napja za. Taktie tento vstupn meni potrebuje vlastn riadenie na regulciu
vstupnho naptia (vkonu). Avak tento typ riadenia je innej ako
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
26
predchdzajci spomenut typ variabilnej frekvencie.
(Rooij, 2013, s.2)
2.2.2 Kapacitne kompenzovan topolgie
Kompenzan kapacitor sa pouva v bezdrtovch vkonovch transformtoroch
k zveniu innosti a schopnosti systmu prena vkon. Kapacitn kompenzcia je
pouit na primrnej aj sekundrnej strane transformtora. Kompenzcia na prijmacej
strane zaisuje prenos vkonu, zatia o kompenzcia na strane vysielaa je pouit
k dosiahnutiu jednotkovho innka v zdrojovej asti.
Rozoznvame tyri zkladn topolgie, kde kad je pomenovan poda toho, kde
sa nachdza kompenzan kapacitor. Topolgie s na znzornen na obrzku (Obr.
2.1) a rozdelujeme ich nasledovne :
a) sriovo-sriov zapojenie (SS)
b) sriovo-paraleln zapojenie (SP)
c) paralelne-sriov zapojenie (PS)
d) paralelne-paraleln zapojenie (PP)
Obr. 2.3: Zkladn topolgie pre bezdrtov prenos
Pre zvenie vkonovho prenosu je nevyhnutn aby systm pracoval na
sekundrnej rezonannej frekvencii 0. Pokia je dosiahnut tto frekvencia,
induknos sekundrneho vinutia je plne kompenzovan sekundrnym
kompenzanm kapacitorom a preto impedancia sekundrnej strany z pohadu
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
27
primrnej strany je isto odporov. Potom pre vetky topolgie plat, e hodnota
kompenzanho kapacitora C2 je dan
, (2.1)
Primrny kompenzan kapacitor pre vetky topolgie volme tak, aby impedancia
obvodu zo strany zdroja mala isto odporov charakter aby sa zaistilo, e
vysokofrekvenn meni, ktor sli ako zdroj bude ma vstupnnaptie aj prd s vo
fze. Poda vyie spomenutej podmienky mono odvodi vekos kompenzanho
kapacitora, innos zapojenia, maximlnu innos a taktie faktor kvality
primrneho a sekundrneho obvodu.
SS zapojenie
, (2.2)
SP zapojenie
, (2.3)
PS zapojenie
, (2.4)
PP zapojenie
(
)
( )
, (2.5)
Kde L1 L2 je vysielacia (primrna) prijmacia (sekundrna) induknos v danom
porad, C1 kompenzan kapacitor vysielacej (primrnej) strany, C2 kompenzan
kapacitor prijmacej (sekundrnej) strany RL je za M vzjomn induknos
Vpoet innosti pre dan topologie meme po odvoden napsa
SS a PS topolgia
(
),
(2.6)
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
28
SP a PP topolgia
(
)
,
(2.7)
Pri splnenej podmienke meme maximlnu innos vypota ako
SS a PS topolgia
, (2.8)
SP a PP topolgia
, (2.9)
Kde pre dan rovnice plat R1,2 je odpor vysielacej (primrnej) prijmacej
(sekundrnej) strany v tomto porad , L1,2 je induknos vysielacej (primrnej)
prijmacej (sekundrnej) strany v tomto porad, M je vzjomn induknos, uhlov
frekvencia a je innos.
Faktor kvality pre jednotliv strany obvodu mono vyjadri nasledovne:
SS a PS topolgia
, (2.10)
SP a PP topolgia
, (2.11)
Vber primrnej a sekundrnej kompenzanej topolgie je hlavne orientovan na
oblas aplikcie danho systmu. Srovo kompenzovan sekundrna strana dodva
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
29
stabiln naptie zatia o paralelne kompenzovan dodva stabiln prd. Sriovo
kompenzovan primrna strana je odporan pre obmedzenie primrneho naptia.
Paralelne kompenzovan primrna strana sa vyuva pre dosiahnutie vysokho
primrneho prdu. Taktie vber topolgie m zsadn vplyv na sprvny vber
primrnej kapacity. Pretoe sriovo kompenzovan sekundrna strana nevykazuje
iadnu reaktanciu, primrny kompenzan kapacitor nie je zvisl od vzjomnej
induknosti ani od zae. Kee paralelne kompenzovan sekundrna strana odra
zaovo-nezvisl kapacitn reaktanciu pri rezonannej frekvencii, vekos sriovej
primrnej kapacity zvis od magnetickej vzby, ale nie od zae. Pretoe odrazov
impedancia obsahuje relnu zloku reprezentujcu za, paralelne kompenzovan
primrna strana je zvisl od magnetickej vzby, ale aj od zae.
Kad z topolgi m svoje vhody a nevhody. Z teoretickho hadiska je
najvhodnejia SS topolgia, ktor m dve hlavn vhody. Prv vhoda je, e
odrazov impedancia sekundrnej strany na primrnu m isto relnu as
a neobsahuje iadny reaktvny komponent. Druhou vhodou je, e primrny
kompenzan kapacitor je nezvisl od vzjomnej induknosti a zae a je zvisl
jedine od vekosti primrnej a sekundrnej induknosti a sekundrneho
kompenzanho kapacitora.
(Chopra, 2011) (Wang, 2005, s.1310)
2.2.3 Nvrh cievky
Nvrh cievky je jednm z najdleitejch faktorov pri nvrhu systmu pre
bezdrtov prenos. Od parametrov vysielacej/prijmacej cievky sa odvjaj dleit
parametre ako s faktor kvality Q a vzjomn induknos, ktor uruj maximlnu
mon innos prenosu, maximlnu vzdialenos prenosu a taktie aj prenan
kapacitu prenosu.
2.2.3.1 Vpoet induknosti
Vpoet induknosti normlne zana na takzvanom istom induktore, kedy
predpokladme e solenoide vytvoren z nekonene tenkho vodia bez medzery
medzi vodimi (zvity s elektricky izolovan). Hlavnou charakteristikou tejto cievky
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
30
je e pri nzkych frekvencich vyaruje rovnomern magnetick pole po celej dke.
Pokia s tieto podmienky splnen meme napsa
, (2.12)
Kde je relatvna permeabilita vkua, D je priemer cievky, N je poet zvitov a h
je dka cievky.
ist induktor je teoretick model ale meme ho poui po miernej modifikcii.
T mono rozdeli od dvoch ast a to frekvenne zvisl a frekvenne nezvisl.
Obr. 2.4: Nrt a rozmery cievky
Frekvenne nezvisl modifikcia
KoeficientkL popisuje nerovnomernos pola a je vyjadren ako
(
( (
)
)( (
) (
) )
(
)
(
) (
) (
) ),
(2.13)
Potom mono napsa
, (2.14)
Pre relne cievky je potrebn ete zahrn koeficient ks ,ktor zohaduje kruhov
prierez vodia a koeficient km pre vzjomn induknos medzi zvitmi.
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
31
(
), (2.15)
(2.16)
(2.17)
Frekvenne zvisl modifikcia
Ako u vieme pri vysokch frekvencich treba bra do vahy alie dva parazitn
prvky a to skinefekt a proximity efekt. Pre vpoet indukcie cievky potom zasahuje
takzvan vntorn indukcia, ktor je imaginrna protihodnota skinefektu a rapdne
kles pri rastcej frekvencii a je priamomern dke vodia. Efekt vntornej
induknosti je vak mon poui len pre krtke cievky.
(
{ [
]
})
, (2.18)
Kde 0 je permeabilita vkua , i hbka vniku a- polomer vodia, l celkov dka
vodia cievky.
, (2.19)
, (2.20)
, (2.21)
Konen vzorec pre vpoet induknosti cievky so vetkmi korekciami je
nasledovn:
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
32
, (2.22)
Kde Ls induknos istho induktora, permeabilita vkua, n poet zvitov, ks km
koren faktory, Li vntorn induknos cievky.
(Bodrov,2012,s.39) (Stroobandt, 2009)
2.2.3.2 Litzwire
Vo vysokofrekvennch systmoch sa na potlaenie negatvneho vplyvu
frekvenne zvislej asti odporu vodia cievky pouva tzv. litzwire
vysokofrekvenn lanko. Jeho lohou je potlaenie skinefektu a proximity efektu.
Vysokofrekvenn lanko je tvoren spletenm tenkch izolovanch vodiov, ktorch
odporan priemer je:
, (2.23)
Kde d je priemer vodia a je hbka vniku
Litzwire je vhodn poui len pre frekvencie od 50kHz do 3MHz.
2.2.3.3 Vpoet vzjomnej induknosti
V prpade, e dve cievky maj rovnak polomer, rovnak poet zvitov a s
uloen v tej istej osy, mono ich vzjomn induknos uri nasledovne:
( )
,
(2.24)
(Sugiyma, 2012, s.113)
2.3 NVRH SYSTMU
Na zklade zjednoduenia nvrhu, analzy a nslednej vroby zariadenia pre
bezdrtov prenos sme navrhli blokov diagram (Obr. 2.5), ktor popisuje hlavn
prvky tohto systmu.
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
33
Obr. 2.5: Blokov diagram systmu pre bezdrtov prenos energie
Zdroj jednosmernho naptia napja vkonov zosilova (DC/AC), ktor vytvra
obdnikov naptie. Toto naptie vytvra striedav magnetick pole vo vysielacom
rezonannom obvode. Prijmac rezonann obvod je naladen na rovnak
rezonann frekvenciu ako je frekvencia zdroja. Magnetick energia indukuje
snusov naptie na prijmacej strane. Toto striedav naptie je nsledne usmernen
v didovom usmerovai a jednosmern naptie priveden na za.
Obr. 2.6: Vvojov diagram nvrhu
Zvolen vstupn/vstupn parametre
Tab. 2-1: Vstupn/vstupn parametre
Parameter Hodnota Jednotka
Uin 100 [V]
Uout 20 [V]
Iout 2,5 [A]
Pout 50 [W]
fsw 293 [kHz]
RL 8 []
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
34
Parametre cievky
Modelov vpoet cievky sa nachdza v prlohe. Taktie s tam doplujce
vpoty ktor sme v prci neuvdzali. Oznaenie rozmerov je na obrzku (Obr. 2.4)
a taktie vysvetlenie nvrhu je v podkapitole 3.2.3 Nvrh cievky.
Tab. 2-2: Vypotan parametre navrhnutej cievky
Parameter Hodnota Jednotka Popis
D 185 [mm] Priemer vzduchovej cievky
l 60 [mm] Dka cievky
a 1,5 [mm] Priemer vodia
N 6 [-] Poet zvitov
f 300 [kHz] Frekvencia pouit pri nvrhu
p 10 [mm] Rozostup zvitov
1.06 [-] Proximity faktor
kL 0,422 [-] Korekn faktor nerovnomernosti pola
ks -1.340 [-] Korekn faktor vlastnej indukcie kruhovho vodia
km 0,233 [-] Korekn faktor vzjomnej induknosti kruhovho vodia
l 3486 [mm] Fyzick dka vodia
dmin 0,36 [mm] Odporan minimlna vekos lanka vodia
NLW 32 [-] Poet vodiov pre litz-wire. dvodia=0,18
i 120 [m] Hbka vniku pre navrhnut frekvenciu
L 9,34 [H] Frekvencia vypotan pri nvrhu
R 0,062 [] Efektvny sriov AC odpor
C 1020 [pF] Parazitn kapacita
Q 174 [-] Faktor kvality pre navrhnut frekvenciu
frez 22,652 [MHz] Vlastn rezonann frekvencia cievky
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
35
Vpoet vzjomnej induknosti
Ako u bolo spomenut na vzjomn induknos dvoch cievok vychdza z ich
tvaru a rozmerov. Pre vpoet sme pouili vzah (2.24).Aby sme mohli dan vzah
poui vychdzali z predpokladu, e cievky maj rovnak os smernosti a nie s
vzjomne pootoen.
Tab. 2-3: Vzjomn induknos dvoch symetrickch cievok
Vzdialenos [cm] 5 10 15 20 25
M [H] 3,440 1,465 0,726 0,398 0,237
k [-] 0,368 0,157 0,078 0,043 0,025
, (2.25)
Kde M je vzjomn induknos, L1,2 je induknos vysielacej prijmacej cievky
v tomto porad, k je koeficient vzby.
Vpoet parametrov a prvkov obvodu
Z teoretickho rozboru analzy sme vybrali ako vhodn testovaciu topolgiu so
sriovo sriovm zapojenm kompenzanho kapacitora. Vber topolgie nm uruje
alie vpoty prvkov a parametrov obvodu.
Pre vpoet transformanho pomeru sme pouili nasledovn vzah
|
, (2.26)
Kde AV je zosilnenie
Z vpotu vyplva, e transforman pomer medzi primrnou a sekundrnou
cievkou by mal by pre nami zvolen parametre 2,5. Pre zjednoduenie nvrhu sme
vak zvolili transforman pomer rovn 1 a poadovan vstupn naptie sme dostali
frekvennm riadenm. Taktie je toto rieenie vhodn z hadiska kontrukcie cievky
a alieho nvrhu systmu.
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
36
Hodnota kompenzanej kapacity sekundrnej strany:
Hodnota kompenzanej kapacity primrnej strany:
Zaokrhlenie kapacity je preveden na najbliiu vyiu vrobn radu.
Vypotan innos je pre vybran topolgiu a vzdialenos 5 cm.
(
)
(
( ) )
.
Kee je splnen podmienka >>310904 meme vzah pre innos zjednodui
a maximlna innos je:
Faktor kvality vysielacej (primrnej) a prijmacej (sekundrnej strany)
Vypotan hodnoty s smerodajn avak ich hodnoty s len teoretick. Hlavn
dvod je, e vo vpote sme potali iba s odporom cievok. Odpor vodiov, odpor
kondenztorov a vplyv ruivch elementov sme zanedbali.
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
37
3 SIMULAN MODEL
Overenie navrhnutho systmu pomocou simulanch programov je jedna
z najdleitejch ast vvojovej fzy. Simulan programy nm poskytuj takmer
relny obraz sprvania sa navrhnutch komponentov. Ich vber je potrebn
prispsobi aplikanej oblasti a poadovanm vstupom. Pre n navrhnut systm
sme vychdzali zo simulci sprvania sa elektronickch komponentov v programe
OrCad.
3.1 PSPICE SIMULCIE
Poda nami zvolenej topolgie sme zostavili schmu (Obr. 3.1). Parametre
siastok sme dostali poda vyie uvedench vpotov. Tranzistory a didy sme
vybrali ako relne modely siastok z kninice. Niektor parazity jednotlivch prvkov
sme pri simulcich zanedbvali. Ako zdroj jednosmernho naptia a genertor
obdnikovho naptia boli pouit idelne zdroje z kninice. Na simulciu vzjomnej
induknosti sme pouili nhradn schmu vzduchovho transformtora. Pre monos
porovnania a overenia sme vykonali kontrolu, kde sme namiesto nhradnej schmy
transformtora pouili blok modelujci magnetick vzbu - K_linear.
Obr. 3.1: Nhradn schma simulanho modelu systmu pre bezdrtov prenos
C1
220u
0 00
0
0
-+
+
-
E1
E
-+
+
-
E2
E
0
0
Rg1
4.7
Rg2
4.7
T1IRF840
T2IRF840
L1
9.34u-{R}
M {R}
L3
9.34u-{R}
C2
33n
C1
33n
RL
8
R2
1m
R1
1m Cout
70u
STPS10H100CT
D2
A1
A2
K
STPS10H100CT
D1
A1
A2
K
STPS10H100CT
D3
A1
A2
K
STPS10H100CT
D4
A1
A2
K
V5
TD = {PER/2}
TF = 9nPW = {PER/2-100n}PER = {PER}
V1 = -5
TR = 21n
V2 = 15
V4
TD = 0
TF = 9nPW = {PER/2-100n}PER = {PER}
V1 = -5
TR = 21n
V2 = 15
PARAMETERS:
PER = 3.447u
R = 3.4396u
Z = 8
V1
100
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
38
Hodnoty v simulanom modely (Obr. 3.1):
Cin= 220F L1= 9,34-P R1,2=0,1
C1= 33nF L2=9,34-P RG1,2=4,7
C2= 33nF M=P RL=8
Cout=70F
T1,2=IRF840
D1,2.3,4=STPS10H100CT
Hodnoty vzjomnej induknosti M s pouit z tabuky pre vzjomn induknos
dvoch cievok (Tab. 2-3). V simulcich s oznaen ako parameter P.
3.1.1 Frekvenn analza obvodu
Ako prv typ analzy sme pouili frekvenn analzu obvodu pre urenie
zosilnenia systmu. V simulcii sme pouili zjednoduen nhradn schmu (Obr.
3.2). Zdrojov as z predchdzajceho zapojenia sme nahradili sriovm zapojenm
zdroja Vac s amplitdou 1V a bloku Vstim. Simulcia vzjomnej induknosti je
taktie rieen pomocou modelu nhradnej schmy vzduchovho transformtora. Na
vstupn svorky je priamo pripojen za, vstupn usmerova sme zanedbali.
Obr. 3.2: Nhradn schma zapojenia systmu pre frekvenn analzu
R1
0.1
R2
0.1
L1
9.34u-{R}
L2
9.34u-{R}
L3
{R}
C1
33n
C2
33n
R3
8
0
PARAMETERS:
R = 17n
S
V2Implementation = SINE
V31
0Vdc
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
39
Vsledkom s frekvenn charakteristiky zosilnenia. Kee sme pouili
jednotkov amplitdu vsledn hodnoty meme povaova poda vzahu (3.1) pre
zosilnenie priamo ako vsledok zosilnenia.
(3.1)
Obr. 3.3: Napov prenosov charakteristika systmu
d = 5cm, 10cm, 15cm, 20cm, 25cm
Pre zobrazenie vetkch nami poadovanch hodnt sme pouili parametrick
simulciu, kde meniacim sa parametrom bola vzjomn induknos, t.j. vzdialenos
medzi vysielacou prijmacou asou. Z grafu vidme, e zosilnenie rovn 1 sa
nachdza pri rezonannej frekvencii, kde sa pretnaj vetky krivky zosilnenia. Tento
bod je idelny a systm v om teoreticky dosahuje maximlnu innos. Pohyb od
tohto bodu doava alebo doprava uruje innos spnacch prvkov spnanie v nule
prdu (ZCS) alebo spnanie v nule naptia (ZVS), a tm aj ich namhanie prdov,
napov namhanie. Taktie si meme vimn, e zvyujcou sa vzdialenosou sa
aj zniuje rka prenanho psma a systm je viac citliv na zmenu frekvencie.
3.1.2 asovo zvisl analza obvodu
V prechodovom type analzy je zobrazen amplitda AC signlu ako funkcia asu.
Pre simulciu sme pouili schmu poda obrzku (Obr. 3.1). Taktie jej vysvetlenie
njdeme na zaiatku tejto kapitoly. Pre 5 vzdialenost sme si vypotali vzjomn
induknos (Tab. 2-3), ktor sme pouili ako premenn parameter. Simulcie sme
F r e q u e n c y
1 0 0 K H z 1 2 0 K H z 1 4 0 K H z 1 6 0 K H z 1 8 0 K H z 2 0 0 K H z 2 2 0 K H z 2 4 0 K H z 2 6 0 K H z 2 8 0 K H z 3 0 0 K H z 3 2 0 K H z 3 4 0 K H z 3 6 0 K H z 3 8 0 K H z 4 0 0 K H zV ( R 3 : 2 )
0 V
2 . 0 V
4 . 0 V
6 . 0 V
d
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
40
rieili pre dva prpady. Prvm bolo meranie vstupnho naptia, prdu a innosti pri
rezonannej frekvencii. Druh simulcia bola zameran na zmenu frekvencie
a dosiahnutie kontantnch vstupnch parametrov Uout=20Va Iout=2,5A, aby sme
dosiahli poadovan vstupn vkon 50W. Pre jednu vybran hodnotu vzdialenosti
cievok (5cm) sme zobrazili priebehy napt a prdov na jednotlivch siastkach.
Ostatn hodnoty zskan zo simulcie s spracovan v tabuke a znzornen graficky.
Simulcie pre kontantn frekvenciu:
Tab. 3-1: Vsledky simulcie pre kontantn frekvenciu Av=1
Nhradn schma K_linear
Vzdialenos [cm] U[V] I[A] [%] U[V] I[A] [%]
5 42 4,84 80 46,7 5,5 83
10 33,6 3,95 56 34 4 56
15 27,8 3,26 26 30 3,5 26
20 19,5 2,35 10 18,5 2,1 9
25 12,8 1,42 3 10,8 1,25 3,5
Graf 3-1: Zvislos innosti od vzdialenosti pre kontantn frekvenciu
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
0 10 20 30
d [cm]
=f(d)
Nhradn schma
K_linear
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
41
Graf 3-2:Zvislosvstupnho naptia od vzdialenosti pre kontantn frekvenciu
Pre tento typ simulci sme si urili rezonann frekvenciu pomocou
Thomsonovho vzahu. Hodnota rezonannej frekvencie nm vyla 286 675Hz.
Z predchdzajcej simulcie a napovej prenosovej charakteristiky vieme, e
napov zosilnenie je vtedy rovn 1. Avak pracovn reim spnacch tranzistorov
v tomto bode nie je idelny a vhodn pracovn reim spnania v nule naptia (ZVS) je
v nadrezonannej frekvencii. Aby sme dosiahli najlepie vsledky, zvolili sme rozsah
od 286 kHz po 296kHz, ktor je blzky rezonannej frekvencii a pre 9 hodnt sme
vykonali parametrick simulciu, z ktorej sme urili najvhodnejiu frekvenciu
z hadiska innosti. T nm vyla 290kHz. Vsledn hodnoty, ktor nm vyli zo
simulci sme zapsali do tabuky a vsledok zobrazili v grafoch. Meme vidie, e
innos sa zvovanm vzdialenosti zsadne zniuje a taktie indukovan naptie na
prijmacej strane kles. Maximlna innos bola 83% pre simulan model
s pouitm bloku K_linear. Rozdiel medzi pouitm nhradnej schmy transformtora
a blokom K_linear je minimlny, preto meme vsledky povaova za sprvne. Pre
hodnotu 5 cm sme zobrazili priebeh naptia a prdu na jednotlivch siastkach.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 10 20 30
U [
V]
d [cm]
U=f(d)
Nhradn schma
K_linear
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
42
Obr. 3.4: asov priebeh naptiaUds a prdu Idtranzistora T1 pre vzdialenos 5cm
Obr. 3.5: asov priebeh naptia na vysielacej na rezonannch prvkoch vysielacej strany pre 5 cm
Obr. 3.6: asov priebeh naptia na vysielacej na rezonannch prvkoch vysielacej strany pre 5 cm
T i m e
1 . 7 5 0 m s 1 . 7 5 1 m s 1 . 7 5 2 m s 1 . 7 5 3 m s 1 . 7 5 4 m s 1 . 7 5 5 m s 1 . 7 5 6 m s 1 . 7 5 7 m s 1 . 7 5 8 m s 1 . 7 5 9 m s 1 . 7 6 0 m sV ( M 1 : D , M 1 : S ) I ( M 1 : D )
- 4 0
0
4 0
8 0
1 2 0
T i m e
1 . 7 5 0 m s 1 . 7 5 1 m s 1 . 7 5 2 m s 1 . 7 5 3 m s 1 . 7 5 4 m s 1 . 7 5 5 m s 1 . 7 5 6 m s 1 . 7 5 7 m s 1 . 7 5 8 m s 1 . 7 5 9 m s 1 . 7 6 0 m sV ( C 1 2 : 1 , C 1 2 : 2 ) V ( L 1 : 1 , L 1 : 2 )
- 2 0 0 V
0 V
2 0 0 V
T i m e
1 . 7 5 0 m s 1 . 7 5 1 m s 1 . 7 5 2 m s 1 . 7 5 3 m s 1 . 7 5 4 m s 1 . 7 5 5 m s 1 . 7 5 6 m s 1 . 7 5 7 m s 1 . 7 5 8 m s 1 . 7 5 9 m s 1 . 7 6 0 m sV ( L 3 : 1 , L 3 : 2 ) V ( C 2 2 : 1 , C 2 2 : 2 )
- 2 0 0 V
0 V
2 0 0 V
U[V]
I [A]
UdsId
U[V]
UCUL
UCUL
U[V]
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
43
Obr. 3.7: Priebeh naptia a prdu na zai bez pouitia usmerovacieho mostka pre 5cm
Simulcia pre poadovan parametre Uout a Iout frekvenn riadenie
Tab. 3-2: Vsledky simulcie pre kontantn Uout a I out
ZVS ZCS
Vzdialenos [cm] [%] fsw [Hz] [%] fsw [Hz]
5 73 323625 30,5 196078
10 53 305810 26 229357
15 26 294117 11,5 251889
20 8,7 289885 5,2 265252
25 3 287356 2,5 277777
Graf 3-3:Zvislos innosti od vzdialenosti pre kontantn Uout a Iout
T i m e
1 . 7 5 0 m s 1 . 7 5 1 m s 1 . 7 5 2 m s 1 . 7 5 3 m s 1 . 7 5 4 m s 1 . 7 5 5 m s 1 . 7 5 6 m s 1 . 7 5 7 m s 1 . 7 5 8 m s 1 . 7 5 9 m s 1 . 7 6 0 m sV ( C 1 0 : 2 , 0 ) - I ( R 1 7 )
- 6 0
- 4 0
- 2 0
- 0
2 0
4 0
6 0
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
0 5 10 15 20 25 30
d [cm]
=f(d)
ZVS
ZCS
U[V]
I [A]
UZIZ
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
44
Graf 3-4: Zvislos zmeny fsw od vzdialenosti pre kontantn Uout a Iout
V druhej srii simulci sme sa zamerali na frekvenn riadenie pre dosiahnutie
stanovench vstupnch parametrov Uout = 20V a Iout = 2,5A. Kee transforman
pomer cievok bol 1:1, zmenu vstupnho naptia a prdu sme zabezpeili zmenou
spnacej frekvencie. Poda frekvennch charakteristk zosilnenia (Obr. 3.3) je vidie,
e tto zmenu je mon dosiahnu zvenm, ako aj znenm, spnacej frekvencie od
rezonannej. Posunom spnacej frekvencie sa taktie men reim spnania tranzistorov.
Z grafu (Graf 3-3) vidme, e spnanie v nule naptia (ZVS) je z hadiska innosti
vhodnejie ako spnanie v nule prdu. Toto porovnanie nm potvrdzuj aj priebehy
naptia a prdu na spnacom tranzistore (Obr. 3.8)(Obr. 3.9). Pri stanoven spnacej
frekvencie pre dosiahnutie poadovanch parametrov sme pouili frekvenn
charakteristiky zosilnenia (Obr. 3.3). Z nameranch hodnt sa potvrdzuje, e pri
vej vzdialenosti je systm viac citliv na zmenu frekvencie. Z grafu zvislosti
frekvencie od vzdialenosti (Graf 3-4) vidme, e zvyovanm sa vzdialenosti je
potrebn sa pribliova sa rezonannej frekvencii k dosiahnutiu dostatonho
zosilnenia. To plat pre oba reimy innosti spnania tranzistorov a taktie sa to
zhoduje s frekvennmi charakteristikami zosilnenia.
170,00
190,00
210,00
230,00
250,00
270,00
290,00
310,00
330,00
350,00
0 5 10 15 20 25 30
f [k
Hz]
d [cm]
f=f(d)
ZVS
ZCS
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
45
Obr. 3.8: asov priebeh naptia a prdu tranzistora T1 pre vzdialenos 5cm kontantn Uout a Iout ZVS
Obr. 3.9:asov priebeh naptia a prdu tranzistora T1 pre vzdialenos 5cm kontantn Uout a Iout ZCS
T i m e
1 . 7 5 0 m s 1 . 7 5 1 m s 1 . 7 5 2 m s 1 . 7 5 3 m s 1 . 7 5 4 m s 1 . 7 5 5 m s 1 . 7 5 6 m s 1 . 7 5 7 m s 1 . 7 5 8 m s 1 . 7 5 9 m s 1 . 7 6 0 m sV ( M 1 : D , M 1 : S ) I ( M 1 : D )
- 2 0
0
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
1 2 0
T i m e
1 . 7 5 0 m s 1 . 7 5 1 m s 1 . 7 5 2 m s 1 . 7 5 3 m s 1 . 7 5 4 m s 1 . 7 5 5 m s 1 . 7 5 6 m s 1 . 7 5 7 m s 1 . 7 5 8 m s 1 . 7 5 9 m s 1 . 7 6 0 m sV ( M 1 : D , M 1 : S ) I ( M 1 : D )
- 2 0
0
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
1 2 0
UdsId
UdsId
U[V]
I [A]
U[V]
I [A]
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
46
4 EXPERIMENTLNE OVERENIE FYZIKLNY MODEL
Na zklade teoretickch a simulanch analz z predolch kapitol sme zostavili
fyziklny model na overenie sprvnosti navrhnutho rieenia. Nvrh fyziklneho
modelu vychdzal z niekokch ast:
vber topolgie z teoretickch podkladov;
vber vhodnho typu napjania obvodu;
vber vhodnch spnacch tranzistorov;
vber kondenztorov poda zadanch parametrov (kapacita, napov
odolnos);
kontrukcia navrhnutej cievky;
nvrh zae.
Kee ilo o experimentlne zapojenie, nebola zostaven iadna pevn doska
plonho spoja pre dan rieenie. Spjanie jednotlivch ast blokov bolo realizovan
pomocou prepojovacch kblov a svoriek.
4.1 KONTRUKCIA FYZIKLNEHO MODELU
Fyziklny model systmu pre bezdrtov prenos bol vytvoren na zklade
teoretickch a simulanch analz. Cel systm je rozdelen poda blokovej schmy
(Obr. 2.5), ktor sme zostavili pri teoretickom nvrhu systmu.
4.1.1 Zdrojov as
Podobne ako v simulanom modeli je DC/AC meni polomostov zapojenie
tranzistorov. Pre tento el sme pouili zapojenie na univerzlnom prpravku pre
polomostov zapojenie. Pre spnanie sa pouili tranzistory typu FDPF17N60NT. Ich
vber sme zvolili zo simulanch analz, z ktorch vidme, e prd tranzistorom Id u
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
47
pri nich vzdialenostiach 8A a zvyujcou sa vzdialenosou rastie. Taktie je
vhodn pre vekos maximlneho znesitenho naptia Uds.
Zkladn parametre:
Id=17A
Uds=600V
Rds(on)=340m
Vstupn jednosmern naptie nm zabezpeil jednosmern systmov zdroj
Agilnet Technologies N5771A 300V/5A/1500W.
4.1.2 Primrna/sekundrna kompenzan kapacita
Pre systmy, ktor pracuj pri vysokch spnacch frekvencich, a pre systmy
vyadujce vy faktor kvality Q sa pouvaj kondenztory s nzkou hodnotou ESR.
Tto poadovan vlastnos maj kondenztory typu MKP a MKT.
U pri nvrhu sme uvaovali s vrobnou radou kondenztorov. Tak isto ako
v simulcich aj vo experimentlnom fyzickom modeli sme pouili hodnotu 33nF pre
vysielaciu aj prijmaciu stranu. Pre znenie napovho a prdovho zaaenia sme
kondenztor vysielacej(primrnej) strany zostavili zo sriovo paralelnho zapojenia
kondenztorov (Obr. 4.1).
Obr. 4.1: Pohad na sriovo-paraleln zapojenie kondenztorov - 33nF
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
48
4.1.3 Vysielacia/prijmacia cievka
Nvrhu cievky sa venuje podkapitola 3.2.3. Nvrh cievky. Pre n systm sme
vyrobili dve rovnak cievky, ktorch rozmery njdeme taktie v podkapitole 3.3
Nvrh systmu. Vodi cievky je tvoren spletenm 32 tenkch izolovanch vodiov,
ktorch priemer je 0,18 mm. Ako kostru cievky sme pouili nevodiv materil
(extrudovan polystyrn). Vypotan hodnota induknosti pri nvrhu cievky pri
nvrhovej frekvencii 100kHz bola L=9,34H a jej faktor kvality Q=94,7. Na overenie
nvrhu sme pouili RLC meter, ktorm namerali nasledovn parametre pri hodnote
100kHz. L1=9,57H, Q1=69 a L2=9,12H, Q2=59. Vsledn hodnoty s ovplyvnen
najm niektormi kontruknmi prvkami, napr. dkou prvodov, sklonom
jednotlivch zvitov, ako aj tm, e vsledn cievka nie je dokonal kruh. Avak n
cie sme splnili a rozdiel medzi vypotanou a nameranou hodnotou induknosti je
v norme.
Obr. 4.2: Pohad na skontruovan cievku
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
49
4.1.4 Vstupn usmerova a za
Vstupn usmerova bol zostaven z didovho mostkovho zapojenia. Kee
sme pracovali pri vych frekvencich, usmerova bol tvoren Schottkyho diodamy
typu STPS10H100CT, ktor s vhodn pre aplikcie v spnanch zdrojoch a DC/DC
menioch.
Pouit za bola isto odporovho charakteru tvoren tyrmi bezinduknmi
rezistormi zapojenmi paralelne a jej vsledn hodnota bola 8,25.
4.2 MERANIE NA FYZIKLNOM MODELI
Zostaven fyziklny model pre bezdrtov prenos elektrickej energie sme
podrobili meraniam. asov priebehy sme zaznamenvali na osciloskope Tektronix
TDS 3024B, ktor umouje uloenie nasnmanch priebehov v dtovom sbore. Na
snmanie asovch priebehov naptia a prdu na zai sme pouili prdov sondu
Tektronix TCP A306 a diferencilnu napov sondu HAMEG HZ100. Vsledn
priebehy sme spracovali v tabukovom editore a graficky znzornili. Vsledn
nameran hodnoty naptia a prdu na zai sme pre grafick znzornenie orezali na
jednu peridu. Pre kolsavos a vek mnostvo dajov sme vsledn graf preloili
trendovou iarou vytvorenou polynmom 6. stupa. Jej rovnica je znzornen pod
grafom, kde yU,I rovnica pre naptie, prd v tomto porad. Pre kad meranie sme
nsledne vypotali vstupn, vstupn vkon a innos. Vzorov vpoet sa
nachdza pri meran pre vzdialenos medzi cievkami 5cm.
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
50
Meranie 5cm
Graf 4-1: Naptie a prd na zai - 5cm
Uin= 99,9V Iin=0,68A Pin= 67,93W
UMout= 27,92V IMout=3,43A T=3,4388s
=0
, (4.1)
, (4.2)
yU = 2E+35x6 - 3E+30x5 - 5E+24x4 + 2E+19x3 + 2E+13x2 -
4E+07x - 13,274 yI = 1E+34x
6 - 4E+29x5 - 6E+23x4 + 3E+18x3 + 3E+12x2 - 5E+06x - 1,5075
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
-30
-20
-10
0
10
20
30
-2,50E-06 -1,50E-06 -5,00E-07 5,00E-07 1,50E-06 2,50E-06
I [A
]
U [
V]
t [s]
U,I=f(t)
Polynomick (Naptie)
Polynomick (Prd)
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
51
Meranie 10cm
Graf 4-2: Naptie a prd na zai - 10cm
Uin= 99,9V Iin=0,64A Pin= 63,94W
UMout= 14,74V IMout=1,83A T=3,43s
Pout=13,49W =0,21
yI = 5E+35x6 - 7E+29x5 - 4E+24x4 + 1E+19x3 + 1E+13x2 -
2E+07x - 7,2728
yU = 4E+33x6 - 2E+29x5 - 3E+23x4 + 2E+18x3 + 1E+12x2 -
3E+06x - 0,7573
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
-15
-10
-5
0
5
10
15
-2,50E-06 -1,50E-06 -5,00E-07 5,00E-07 1,50E-06 2,50E-06
I [A
]
U[V
]
t [s]
U,I=f(t)
Polynomick (Naptie)
Polynomick (Prd)
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
52
Meranie 15cm
Graf 4-3: Naptie a prd na zai - 15cm
Uin= 99,9V Iin=0,63A Pin= 62,94W
UMout= 8,04V IMout=1,05A T=3,43s
Pout=4,22W =0,08
yU = 5E+34x6 - 9E+29x5 - 2E+24x4 + 7E+18x3 + 6E+12x2 -
1E+07x - 3,5307
yI = 1E+33x6 - 1E+29x5 - 2E+23x4 + 9E+17x3 + 7E+11x2 -
2E+06x - 0,3897
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
-2,50E-06 -1,50E-06 -5,00E-07 5,00E-07 1,50E-06 2,50E-06
I [A
]
U [
V]
t [s]
U,I=f(t)
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
53
Meranie 20cm
Graf 4-4: Naptie a prd na zai - 20cm
Uin= 99,9V Iin=0,63A Pin= 62,94W
UMout= 4,8V IMout=0,63A T=3,43s
Pout=1,51W =0,02
Priebeh naptia a prdu na spnacom tranzistore T1 pre vzdialenos 5 cm a
Uin=70V
Obr. 4.3: Porovnanie asovho priebehu naptia a prdu na spnacom tranzistore, vavo simulan model, vpravo daje z osciloskopu - Uin=70V, fsw=291kHz - 5cm
yU = 1E+35x6 - 3E+29x5 - 1E+24x4 + 3E+18x3 + 4E+12x2 -
7E+06x - 2,3863
yI = -2E+33x6 - 8E+28x5 - 9E+22x4 + 5E+17x3 + 4E+11x2 -
978096x - 0,2435
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
-2,50E-06 -1,50E-06 -5,00E-07 5,00E-07 1,50E-06 2,50E-06
I [A
]
U [
V]
t [s]
U,I=f(t)
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
54
Porovnanie asovho priebehu naptia a prdu (Obr. 4.3) v simulanom modeli
a fyziklnom prvku nm potvrdzuje predpokladan sprvanie sa spnacieho prvku.
asov priebeh nameran osciloskopom je mierne zvlnen a jeho amplitda prdu je
via oproti amplitde prdu zskanho zo simulanho modelu via asi o 15%.
Tto odchlka je spsoben rozdielmi medzi hodnotami siastok v simulcii
a fyziklnom modeli. Taktie m na tto odchlku vplyv vzjomnej induknosti.
Vsledok nm potvrdzuje sprvnos simulcie.
Priebeh naptia a prdu na rezonannch prvkoch vysielacej strany pre
vzdialenos 5cm a Uin=70V
Graf 4-5: Priebeh naptia a prdu rezonannch prvkov na vysielacej strane - Uin=70V, fsw=291kHz - 5cm
asov priebeh naptia na cievke a kondenztore vysielacej strany nm ukazuje
sprvanie sa obvodu v stave rezonancie. Ako aj v teoretickch predpokladoch, naptie
na cievke je v protifze ku naptiu na kondenztore Tieto naptia maj v stave
rezonancie rovnak amplitdu. Kee pracujeme v nadrezonannej frekvencii,
-30
-20
-10
0
10
20
30
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
-6,00E-06 -4,00E-06 -2,00E-06 0,00E+00 2,00E-06 4,00E-06 6,00E-06
I [A
]
U [
V]
t [s]
U,I=f(t)
Naptie na cievke - UL
Naptie na kondenztore - UC
Prd na cievke - IL
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
55
maximlna amplitda naptia na kondenztore je niia oproti maximlnej amplitde
naptia na cievke o 20V.
4.3 VYHODNOTENIE MERANIA
Podkladom pre fyziklny model bola simulan analza obvodu, s ktorou sme
porovnvali vsledky. Pri prprave na meranie a laden obvodu na rezonann
frekvenciu zmenou doby spnania tranzitorov sme si potvrdili, e pri vej vzjomnej
vzdialenosti cievok je systm citlivej na zmenu frekvencie, o zodpoved
frekvennej analze systmu. Hlavnm cieom bolo dosiahnu prenan vkon 50W
s ohadom na innos prenosu. Tento cie sme splnili a maximlny meran
prenan vkon bol 47,88W s innosou 70,5%. V simulanom modeli bola
innos pri vzdialenosti 5cm 80% (83% pre blok K_linear). Sprvanie sa siastok
obvodu simulanho a fyziklneho modelu bolo takmer identick, o meme vidie
na vslednch priebehoch. Oproti simulanmu modelu sme predpokladali v
prenan vkon. Prinu tohto rozdielu nie je mon jednoznan uri a bolo by
potrebn venova jej ovea viu pozornos. Z teoretickch poznatkov a empirickch
zisten, ktor sme nadobudli rieenm prce, me ma na to vplyv tvar, vekos,
faktor kvality vysielacej prijmacej cievky (tto vlastnos OrCad Capture zanedbva),
vplyv parazitnch prvkov jednotlivch siastok, vplyv vlastnho ruenia
vyarovanm vysielacej prijmacej cievky (potreba tienenia), ako aj poiaton
prdov obmedzenie zdroja, kedy sa akumulan prvky snaia nabra energiu.
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
56
5 ODPORANIA PRE BUDCU PRCU
Poas rieenia prce sme prili na viacer poznatky, ktor mu by ako
odporania pre pokraovanie tejto prce, alebo pre alie projekty:
Rozdelenie systmu na menie asti a nvrh riei v tme.
Vyetrenie vyarovania jednotlivch tvarov cievok pomocou programov,
ktor simuluj fyziklne deje pomocou metdy konench prvkov,
naprklad ComsolMultiphysics, EMCoSAntennaVLab SV a pod.
V nadvznosti na predchdzajci bod vyetrenie vplyvu na udsk
organizmus.
Nvrh vhodnej zdrojovej asti, riadenia, ochrany obvodov a vstupnho
menia.
-
ilinsk univerzita v iline, Elektrotechnick fakulta, KME
Diplomov prca
57
ZVER
Nvrh systmov pre bezdrtov prenos je v sasnosti perspektvna oblas vvoja
a vskumu vzhadom na irok klu aplikci, kde je mon tto technolgiu vyui.
Pre nvrh a kontrukciu systmu dnes ete neexistuje striktn postup pre dosiahnutie
poadovanch vslednch parametrov, preto je rieenie danej problematiky
nejednotn, avak vychdza z javu magnetickej rezonancie.
V diplomovej prci sme si stanovili cie navrhn topolgiu VPS pre bezdrtov
prenos elektrickej energie s vkonom do 50W. V procese rieenia sme si prcu
rozdelili na tri asti teoretick teoreticko-praktick a praktick. V nich sme sa
zamerali na jednotliv dleit analzy nvrhu.
V teoretickej asti sme zali do histrie bezdrtovho prenosu a opsali sme
jednotliv monosti bezdrtovho prenosu elektrickej energie. Z tohto prvotnho
teoretickho rozboru sme sa rozhodli pre prenos elektromagnetickou rezonanciou.
Pokraovanm teoretickho rozboru bolo vysvetlenie dleitch faktorov, ktor
vstupuj do tohto typu prenosu, a ktor ho ovplyvuj.
Teoreticko praktick as slila na sumarizciu monch rieen a vber vhodnej
topolgie systmu pre bezdrtov prenos. Z praktickej asti sme v nej zostavili
blokov schmu obvodu, spravili nvrh systmu a vykonali nvrh cievky.
V praktickej asti diplomovej prce sme najskr zostavili simulan model, ktor
nm slil na predikciu chovania sa navrhnutho systmu. Taktie nm poskytol
vsledky, ktor sme nsledne porovnvali s meraniami na f