Download - Ing. Darila Matej

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


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 4-5: 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.

..........................


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.


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.


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)


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


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.


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


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


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


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)


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


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


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)


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)


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:


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


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)


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)


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.


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


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)


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)


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.


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.


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.


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


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


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)


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


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


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.


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:


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.


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 []


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


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.


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.


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


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


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


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


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


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]


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


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


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


- 2 0

0

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

1 2 0

T i m e


- 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]


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


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


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


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.


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)


Diplomov prca

51

Meranie 10cm


Uin= 99,9V Iin=0,64A Pin= 63,94W


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)


Diplomov prca

52

Meranie 15cm


Uin= 99,9V Iin=0,63A Pin= 62,94W


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)


Diplomov prca

53

Meranie 20cm


Uin= 99,9V Iin=0,63A Pin= 62,94W


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)


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


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.


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.


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

Download - Ing. Darila Matej

Top Related