Передача энергии воздушным трансформатором: Электронный научный архив ТПУ: Invalid Identifier

Беспроводная передача энергии через магнитно-связанные индуктивные катушки / Хабр

Введение

Думаю, что многие из читателей видели хотя бы один ролик на популярных видеосервисах, где электричество передается через пустое пространство при помощи индуктивных катушек.

В этой статье мы хотим обратиться к первоосновам процесса беспроводной передачи энергии с помощью магнитного поля. Начав с рассмотрения простейшей индуктивной катушки, и вычисления ее индуктивности, мы постепенно перейдем к теории электрических цепей, в рамках которой, будет показан и обоснован способ передачи максимальной мощности при прочих равных условиях. Итак, начнем.

Магнитное поле одиночного витка с током

Рассмотрим магнитное поле одиночного витка с током. Найдем магнитное поле витка в любой точке пространства. Почему необходимо подобное рассмотрение? Потому что почти во всех книгах, по крайней мере в тех, которые удалось отыскать автору статьи, решение данной задачи ограничивается нахождением лишь одной компоненты магнитного поля и лишь вдоль оси витка — , в то время как мы отыщем закон для магнитного поля во всем пространстве.

Иллюстрация к закону Био-Савара-Лапласа

Для нахождения магнитного поля, воспользуемся законом Био-Савара-Лапласа (смотри Википедия — Закон Био-Савара-Лапласа). На рисунке видно, что центр системы координат совпадает с центром витка. Контур окружности витка обозначен как , а радиус окружности — как .По витку течет ток . — это переменная-радиус-вектор из начала координат в произвольную точку витка. — это радиус-вектор в точку наблюдения. Еще нам понадобится полярный угол — угол между радиус-вектором и осью . Расстояние от оси витка до точки наблюдения обозначим за . И наконец, — элементарное приращение радиус-вектора .

Согласно закону Био-Савара-Лапласа, элемент контура с током создает элементарный вклад в магнитное поле, который дается формулой

Теперь остановимся подробнее на переменных и выражениях, входящих в формулу. С учетом аксиальной симметрии задачи можем записать

Для того чтобы найти результирующее магнитное поле, нужно проинтегрировать по всему контуру витка, то есть

После подстановки всех выражений и некоторых тождественных преобразований получаем выражения для аксиальной и радиальной компоненты магнитного поля соответственно

Для нахождения абсолютного значения магнитного поля необходимо просуммировать компоненты по теореме Пифагора .

Продемонстрируем полученное решение на примере витка радиуса (м) и (А).

Амплитуда аксиальной компоненты магнитного поля

Амплитуда радиальной компоненты магнитного поля

Абсолютная амплитуда магнитного поля

Заметим, что для витка произвольной формы, на больших расстояниях , т.е. много больше характерного размера витка, поведение магнитного поля будет стремиться к найденному решению.

Подсказка…

Для подобных вычислений и построения графиков удобно использовать MathCad 15

Катушка индуктивности. Магнитно-связанные катушки

Теперь, когда мы знаем решение для магнитного поля одного витка, можем найти индуктивность катушки, состоящей из витков. По определению индуктивность — это коэффициент пропорциональности между током в витке и магнитным потоком через площадь сечения витка. Мы пользуемся здесь идеальной моделью катушки, которая безразмерна по направлению своей оси симметрии.

Конечно же, на практике такого не бывает. Однако, как приближенные, полученные формулы будут достаточно хороши. Хотя катушки и считаются безразмерными вдоль , необходимо задаться ненулевым радиусом сечения провода. Обозначим его , и пример равным (мм). Иначе при интегрировании магнитного потока подынтегральное выражение обратится в бесконечность.

Индуктивно связанные катушки

На рисунке изображены две магнитно связанные катушки. Пусть первая катушка имеет радиус и содержит витков, а вторая — и соответственно. Тогда для нахождения собственных индуктивностей необходимо вычислить магнитный поток каждой катушки через свое собственное сечение.

Поскольку в катушке много витков, найдем величину, называемую потокосцепление, дважды умножив на количество витков

По определению, индуктивность это коэффициент пропорциональности в формуле . Таким образом, получим собственные индуктивности катушек

Пусть центры катушек разделены расстоянием , лежат на одной оси, и их плоскости витков сориентированы параллельно. Для нахождения взаимной индуктивности, нужно вычислить потокосцепление, образуемое одной катушкой через сечение другой, то есть

Тогда взаимная индуктивность катушек дается выражением

Насколько известно автору, такие интегралы можно взять только численно.
Заметим, что как правило и . Коэффициентом связи катушек называется величина

Исследуем зависимость коэффициента связи катушек от расстояния. Для этого рассмотрим две одинаковые катушки с радиусом витков (м) и количеством витков . При этом собственная индуктивность каждой из катушек составит (мГн).

Коэффициент связи катушек от расстояния между ними

График не изменится, если одинаково изменить число витков в обеих катушках, либо одинаково изменить радиус обеих катушек. Коэффициент связи удобно выражать в процентах. Из графика видно, что даже при расстоянии между катушками в 1 (мм) коэффицент связи меньше 100%.

Коэффициент падает до 10% на расстоянии порядка 60 (мм), и до 1% на 250 (мм).

Беспроводная передача энергии

Итак, нам известны индуктивности и коэффициент связи. Теперь воспользуемся теорией электрических цепей переменного тока для поиска оптимальных параметров, при которых передаваемая мощность оказалась бы максимальной. Для понимания этого параграфа читатель должен быть знаком с понятием электрического импеданса, а также с законами Кирхгофа и законом Ома. Как известно из теории цепей, две индуктивно-связанные катушки образуют воздушный трансформатор. Для анализа трансформаторов удобна Т-образная схема замещения.

Воздушный трансформатор и его эквивалентная схема

Передающую катушку слева будем условно называть «трасмиттер», а принимающую катушку справа — «ресивер». Между катушками коэффициент связи . На стороне ресивера находится потребитель, представленный нагрузкой . Нагрузка в общем случае может быть комплексной.

Входное напряжение на стороне трансмиттера , а входной ток — . Напряжение, передаваемое на ресивер — , и передаваемый ток . Полный импеданс на стороне трансмиттера обозначим как , а полный импеданс на стороне ресивера .

Предполагается, что на вход схемы подается синусоидальное напряжение .

Обозначим — сопротивления и индуктивности катушек (две собственные и одна взаимная) соответственно. Тогда, согласно теории трансформатора

С другой стороны, согласно нашим обозначениям

где — полные

активные

сопротивления на стороне трансмиттера и ресивера соответственно, и — полные

реактивные

сопротивления.

Импеданс связи равен .

Найдем входной ток цепи

где знак обозначает параллельное соединение сопротивлений. Тогда напряжение, переданное на ресивер

И наведенный ток

Можем найти комплексную мощность, переданную в ресивер

Таким образом имеем выражение для комплексной мощности

Выражение для

активной

компоненты мощности

Выражение для

реактивной

компоненты мощности

В большинстве практических задач требуется передать максимальную активную мощность, поэтому

Либо, что то же самое

Для удобства введем функцию

и исследуем ее на наличие экстремумов

Откуда получаем систему из двух уравнений

Эта система имеет пять решений, два из которых нефизичны, так как приводят к мнимым значениям величин, которым полагается быть действительными.

Три других

физических

решения приведены ниже вместе с соответствующими формулами для мощности

Решение 1

Мощность

Решение 2 и 3

Мощность для решений 2 и 3

Решение 2 и 3 нужно использовать, когда реактивное сопротивление связи достаточно велико

Когда же это не так, нужно использовать решение 1. Чаще всего в реальных ситуациях окажется мало, поэтому рассмотрим решение 1 несколько подробнее.
Решение 1: . И соответствующая ему активная мощность дается формулой

Из формулы мощности видно, что мощность зависит от реактивного сопротивления связи , а значит и от частоты передачи , и от геометрии взаимного расположения катушек, которая учитывается коэффициентом связи .

Как заметили внимательные читатели, зависимость — нелинейная. Функция достигает максимума при .

Исследование формулы мощности на экстремумы

Максимальная активная мощность при равна

Таким образом, вышеозначенная формула представляет

абсолютный теоретический предел

переданной активной мощности при любых условиях. При этом для реактивной мощности, переданной в ресивер, имеем

Численное моделирование

Продемонстрировать работу всей вышеизложенной теории можно, выполнив симуляцию SPICE модели нашего устройства из двух связанных катушек.

SPICE модель двух индуктивно-связанных катушек

Симуляция выполнена для коэффициента связи %, что соответствует 25 см удаления между катушками. Параметры катушек те же, что и в предыдущем параграфе, принятые для построения графика .

Получается, что реактивные сопротивления каждой из катушек необходимо скомпенсировать конденсаторами и . То есть настроить каждый из контуров (передающий и принимающий) в резонанс на заданной частоте. Если предположить, что величина нагрузки действительная, то величины емкостей могут быть найдены из формул

Ниже приведены два графика для переданного напряжения и переданной мощности во времени на частоте (кГц).

Переданное напряжение

Переданная мощность

Из рисунков видно, что на расстоянии 25 (см) переданное напряжение оказалось приблизительно в 2.5 меньше входного, а переданная пиковая мощность — приблизительно в 4 раза меньше мощности, потребляемой от входа, что согласуется с полученными формулами.

В заключении опишем, какие меры можно предпринять для увеличения передаваемой мощности:

1. увеличить количество витков в катушках
2. увеличить радиус витков
3. увеличить частоту передачи
4. уменьшить расстояние между катушками
5. ввести магнитный сердечник, принадлежащий обеим катушкам (замкнутый либо открытый)
6. ввести незамкнутый магнитный сердечник, принадлежащий лишь катушке-ресиверу

Пожалуй, написание этой статьи накладывает на автора обязательство изготовить и протестировать такую систему из двух катушек в лабораторных условиях, но это уже совсем другая история. Благодарю за внимание.

Литература

1. Сивухин, Д. В. «Общий курс физики. Т. 3: Электричество и магнетизм.» (1990).
2. Бессонов, Лев Алексеевич. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. Общество с ограниченной ответственностью Издательство ЮРАЙТ, 2012.
3. Лаврентьев, М. А., and Б. В. Шабат. «Теория функций комплексной переменной.» (1972).

популярные способы и альтернативные варианты

Электричество не относится к накопительным ресурсам. На сегодняшний день нет эффективных технологий, позволяющих аккумулировать энергию, выработанную генераторами, поэтому передача электроэнергии потребителям относится к актуальным задачам. В стоимость ресурса входят затраты на его производство, потери при транспортировке и расходы на монтаж и обслуживание ЛЭП. При этом от схемы передачи напрямую зависит эффективность системы электроснабжения.

Высокое напряжение, как способ уменьшения потерь

Несмотря на то, что во внутренних сетях большинства потребителей, как правило, 220/380 В, электроэнергия передается к ним по высоковольтным магистралям и понижается на трансформаторных подстанциях. Для такой схемы работы есть весомые основания, дело в том, что наибольшая доля потерь приходится на нагрев проводов.

Мощность потерь описывает следующая формула: Q = I² * R_л ,

где I – сила тока, проходящего через магистраль, R_Л – ее сопротивление.

Исходя из приведенной формулы можно заключить, что снизить затраты можно путем уменьшения сопротивления в ЛЭП или понизив силу тока. В первом случае потребуется увеличивать сечения провода, это недопустимо, поскольку приведет к существенному удорожанию электропередающих магистралей. Выбрав второй вариант, понадобится увеличить напряжение, то есть, внедрение высоковольтных ЛЭП приводит к снижению потерь мощности.

Классификация линий электропередач

В энергетике принято разделять ЛЭП на виды в зависимости от следующих показателей:

1. Конструктивные особенности линий, осуществляющих передачу электроэнергии. В зависимости от исполнения они могут быть двух видов:

• Воздушными. Передача электричества осуществляется с использованием проводов, которые подвешиваются на опоры. Воздушные линии электропередач
• Кабельными. Такой способ монтажа подразумевает укладку кабельных линий непосредственно в грунт или в специально предназначенные для этой цели инженерные системы. Обустройство блочной кабельной канализации

2. Вольтаж. В зависимости от величины напряжения ЛЭП принято классифицировать на следующие виды:

• Низковольтные, к таковым относятся все ВЛ с напряжением не более 1-го кВ.
• Средние – от 1-го до 35-ти кВ.
• Высоковольтные – 110,0-220,0 кВ.
• Сверхвысоковольтные – 330,0-750,0 кВ.
• Ультравысоковольтные — более 750-ти кВ. Ультравысоковольтная ЛЭП Экибастуз-Кокчетав 1150 кВ

3. Разделение по типу тока при передаче электричества, он может быть переменным и постоянным. Первый вариант более распространен, поскольку электростанции, как правило, оборудованы генераторами переменного тока. Но для уменьшения нагрузочных потерь энергии, особенно на большой дальности передачи, более эффективен второй вариант. Как организованы схемы передачи электричества в обоих случаях, а также преимущества каждого из них, будет рассказано ниже.
4. Классификация в зависимости от назначения. Для этой цели приняты следующие категории:

• Линии от 500,0 кВ для сверхдальних расстояний. Такие ВЛ связывают между собой отдельные энергетические системы.
• ЛЭП магистрального назначения (220,0-330,0 кВ). При помощи таких линий осуществляется передача электричества, вырабатываемого на мощных ГЭС, тепловых и атомных электростанциях, а также их объединения в единую энергосистему.
• ЛЭП 35-150 кВ относятся к распределительным. Они служат для снабжения электроэнергией крупных промышленных площадок, подключения районных распределительных пунктов и т.д.
• ЛЭП с напряжением до 20,0 кВ, служат для подключения групп потребителей к электрической сети.

Способы передачи электроэнергии

Осуществить передачу электроэнергии можно двумя способами:

• Методом прямой передачи.
• Преобразуя электричество в другой вид энергии.

В первом случае электроэнергия передается по проводникам, в качестве которых выступает провод или токопроводящая среда. В воздушных и кабельных ЛЭП применяется именно этот метод передачи. Преобразование электричества в другой вид энергии открывает перспективы беспроводного снабжения потребителей. Это позволит отказаться от линий электропередач и, соответственно, от расходов, связанных с их монтажом и обслуживанием. Ниже представлены перспективные беспроводные технологии, над совершенствованием которых ведутся работы.

Технологии беспроводной передачи электричества

К сожалению, на текущий момент возможности транспортировки электричества беспроводным способом сильно ограничены, поэтому об эффективной альтернативе методу прямой передачи говорить пока рано. Исследовательские работы в этом направлении позволяют надеяться, что в ближайшее время решение будет найдено.

Схема передачи электроэнергии от электростанции до потребителя

Ниже на рисунке представлены типовые схемы, из которых первые две относятся к разомкнутому виду, остальные — к замкнутому. Разница между ними заключается в том, что разомкнутые конфигурации не являются резервированными, то есть, не имеют резервных линий, которые можно задействовать при критическом увеличении электрической нагрузки.

Пример наиболее распространенных конфигураций ЛЭП

Обозначения:

1. Радиальная схема, на одном конце линии находится электростанция производящая энергию, на втором — потребитель или распределительное устройство.
2. Магистральный вариант радиальной схемы, отличие от предыдущего варианта заключается в наличии отводов между начальным и конечным пунктами передачи.
3. Магистральная схема с питанием на обоих концах ЛЭП.
4. Кольцевой тип конфигурации.
5. Магистраль с резервной линией (двойная магистраль).
6. Сложнозамкнутый вариант конфигурации. Подобные схемы применяются при подключении ответственных потребителей.

Теперь рассмотрим более подробно радиальную схему для передачи вырабатываемой электроэнергии по ЛЕП переменного и постоянного тока.

Рис. 6. Схемы передачи электроэнергии к потребителям при использовании ЛЭП с переменным (А) и постоянным (В) током

Обозначения:

1. Генератор, где вырабатывается я электроэнергия с синусоидальной характеристикой.
2. Подстанция с повышающим трехфазным трансформатором.
3. Подстанция с трансформатором, понижающим напряжение трехфазного переменного тока.
4. Отвод для передачи электироэнергии распределительному устройству.
5. Выпрямитель, то есть устройство преобразующее трехфазный переменный ток в постоянный.
6. Инверторный блок, его задача сформировать из постоянного напряжение синусоидальное.

Как видно из схемы (А), с источника энергии электричество подается на повышающий трансформатор, затем при помощи воздушных линий электропередач производится транспортировка электроэнергии на значительные расстояния. В конечной точке линия подключается к понижающему трансформатору и от него идет к распределителю.

Метод передачи электроэнергии в виде постоянного тока ( В на рис. 6) от предыдущей схемы отличается наличием двух преобразовательных блоков (5 и 6).

Закрывая тему раздела, для наглядности приведем упрощенный вариант схемы городской сети.

Наглядный пример структурной схемы электроснабжения

Обозначения:

1. Электростанция, где электроэнергия производится.
2. Подстанция, повышающая напряжение, чтобы обеспечить высокую эффективность передачи электроэнергии на значительные расстояния.
3. ЛЭП с высоким напряжением (35,0-750,0 кВ).
4. Подстанция с понижающими функциями (на выходе 6,0-10,0 кВ).
5. Пункт распределения электроэнергии.
6. Питающие кабельные линии.
7. Центральная подстанция на промышленном объекте, служит для понижения напряжения до 0,40 кВ.
8. Радиальные или магистральные кабельные линии.
9. Вводный щит в цеховом помещении.
10. Районная распределительная подстанция.
11. Кабельная радиальная или магистральная линия.
12. Подстанция, понижающая напряжение до 0,40 кВ.
13. Вводный щит жилого дома, для подключения внутренней электрической сети.

Передача электроэнергии на дальние расстояния

Основная проблема, связанная с такой задачей – рост потерь с увеличением протяженности ЛЭП. Как уже упоминалось выше, для снижения энергозатрат на передачу электричества уменьшают силу тока путем увеличения напряжения. К сожалению, такой вариант решения порождает новые проблемы, одна из которых коронные разряды.

С точки зрения экономической целесообразности потери в ВЛ не должны превышать 10%. Ниже представлена таблица, в которой приводится максимальная протяженность линий, отвечающих условиям рентабельности.

Таблица 1. Максимальная протяженность ЛЭП с учетом рентабельности (не более 10% потерь)

Напряжение ВЛ (кВ)	Протяженность (км)
0,40	1,0
10,0	25,0
35,0	100,0
110,0	300,0
220,0	700,0
500,0	2300,0
1150,0*	4500,0*

* — на текущий момент ультравысоковольтная ВЛ переведена на работу с напряжением в половину от номинального (500,0 кВ).

Постоянный ток в качестве альтернативы

В качестве альтернативы электропередачи переменного тока на большое расстояние можно рассматривать ВЛ с постоянным напряжением. Такие ЛЭП обладают следующими преимуществами:

• Протяженность ВЛ не влияет на мощность, при этом ее максимальное значение существенно выше, чем у ЛЭП с переменным напряжением. То есть при увеличении потребления электроэнергии (до определенного предела) можно обойтись без модернизации.
• Статическую устойчивость можно не принимать во внимание.
• Нет необходимости синхронизировать по частоте связанные энергосистемы.
• Можно организовать передачу электроэнергии по двухпроводной или однопроводной линии, что существенно упрощает конструкцию.
• Меньшее влияние электромагнитных волн на средства связи.
• Практически отсутствует генерация реактивной мощности.

Несмотря на перечисленные способности ЛЭП постоянного тока, такие линии не получили широкого распространения. В первую очередь это связано с высокой стоимостью оборудования, необходимого для преобразования синусоидального напряжения в постоянное. Генераторы постоянного тока практически не применяются, за исключением электростанций на солнечных батареях.

С инверсией (процесс  полностью противоположный выпрямлению) также не все просто, необходимо допиться качественных синусоидальных характеристик, что существенно увеличивает стоимость оборудования. Помимо этого следует учитывать проблемы с организацией отбора мощности и низкую рентабельность при протяженности ВЛ менее 1000-1500 км.

Кратко о свехпроводимости.

Сопротивление проводов можно существенно снизить, охладив их до сверхнизких температур. Это позволило бы вывести эффективность передачи электроэнергии на качественно новый уровень и увеличить протяженность линий для использования электроэнергии на большом удалении от места ее производства. К сожалению, доступные на сегодняшний день технологии не могут позволить использования сверхпроводимости для этих целей ввиду экономической нецелесообразности.

Список использованной литературы

• Герасименко А.А. Федин И.Т. «Передача и распределение электрической энергии» 2008
• Веникова В.А. «Электрические системы. Режимы работы электрических систем и сетей» 1998
• Дубинский, Г. Н. «Наладка устройств электроснабжения напряжением выше 1000В»  2014
• А. Куско, М. Томпсон «Сети электроснабжения. Методы и средства обеспечения качества энергии» 2012

Power Hungry: прототипирование трансформаторов сверхвысокого напряжения

Национальная электрическая сеть — это не то, о чем большинство из нас думает очень часто, за исключением, возможно, таких событий, как печально известное отключение электроэнергии в 2003 году на северо-востоке. Это событие затронуло около 55 миллионов человек в США и Канаде, некоторые из которых на несколько дней остались без света, телефона, транспорта, банковских услуг, канализации и воды. Причиной оказались жаркие летние температуры и наша жажда большей мощности для кондиционирования воздуха, из-за чего электростанция в Огайо отключилась, что вызвало нагрузку на воздушные линии электропередачи. Затем эти линии перегревались, расширялись и провисали, соприкасаясь с заросшими деревьями. В течение нескольких минут строка за строкой терпела неудачу. Возникший каскадный эффект в конечном итоге привел к остановке более 100 электростанций.

Министерство внутренней безопасности (DHS) при поддержке электроэнергетики и Министерства энергетики (DOE) хочет быть готовым к любому потенциальному крупномасштабному отключению электроэнергии, которое может повлиять на трансформаторы сверхвысокого напряжения (СВН). Электрическая сеть США состоит из трех основных компонентов: генерация (выработка электроэнергии), передача (транспортировка электроэнергии на большие расстояния) и распределение (более короткие расстояния, соединяющие электроэнергию с потребителем/конечным пользователем). Электрическая сеть сложная, с большим количеством точек подключения, чем даже несколько лет назад. В США есть 80 000 миль линий электропередачи сверхвысокого напряжения (СВН), составляющих магистральную сеть электропередачи, которая обеспечивает транспортировку электроэнергии на большие расстояния для нашей страны. Трансформаторы сверхвысокого напряжения являются важными элементами оборудования в сети электропередачи. 9Через высоковольтный трансформатор в какой-то момент проходит 0% потребляемой мощности. Если эти трансформаторы выходят из строя, особенно в большом количестве, в этом кроется очень большая проблема.

Трансформаторы сверхвысокого напряжения имеют огромные размеры, весят сотни тонн, что затрудняет их транспортировку – в некоторых случаях необходимо использовать специализированные железнодорожные вагоны (их количество ограничено). Многие из трансформаторов сверхвысокого напряжения, установленных в США, приближаются к концу своего расчетного срока службы (примерно 30-40 лет) или уже превышают его, что повышает их уязвимость к отказам. Несмотря на то, что в отрасли имеется ограниченное количество запасных частей, возможность быстрой и быстрой замены нескольких трансформаторов одновременно все еще остается проблемой. Из-за этих проблем потребность в аварийной замене трансформаторов сверхвысокого напряжения была определена в качестве главного приоритета в энергетическом секторе.

Сара Махмуд, руководитель программы Департамента науки и технологий DHS (S&T), решает эти проблемы в рамках программы S&T «Recovery Transformer (RecX)» . Она наблюдает за проектированием и разработкой прототипа быстродействующего сверхвысокого трансформатора, эксплуатационные испытания которого запланированы на март 2012 г. , поставка, установка и ввод в эксплуатацию прототипа RecX в течение нескольких дней, а не недель или месяцев, как в случае с традиционными трансформаторами сверхвысокого напряжения». говорит Махмуд.

Прототип RecX имеет модульную конструкцию, он меньше и легче традиционного трансформатора, что упрощает его транспортировку и более быструю установку, а также ускоряет восстановление в случае чрезвычайной ситуации.

Многие события могут вызвать такие катастрофические сбои: терроризм, конечно, но также и такие неизбежные события, как стихийные бедствия: ураганы и торнадо, и даже вспышки солнечной плазмы, нарушающие магнитное поле Земли.

RecX строится подрядчиком Исследовательского института электроэнергетики (EPRI), группой ABB из Сент-Луиса, штат Миссури, и, когда он будет завершен, будет загружен на серию тягачей с прицепами и отправлен в Техас. Там он будет установлен и введен в эксплуатацию в сети CenterPoint Energy за пределами Хьюстона. «Мы очень рады предстоящей пилотной демонстрации и возможности проверить нашу концепцию и дизайн», — говорит Махмуд.

Чтобы запросить дополнительную информацию об этой истории, отправьте электронное письмо по адресу [email protected].

Высокочастотная беспроводная передача энергии с помощью резонансной индуктивной связи

Введение:

Беспроводная передача энергии — это передача электроэнергии от источника питания к электрической нагрузке без использования дискретных искусственных проводников. Причиной перехода на беспроводную систему передачи энергии является обеспечение надежной передачи энергии при низких затратах и ​​сделать жизнь более комфортной. Эта беспроводная система передачи энергии полностью экологична и эффективна. Только представьте себе будущее с беспроводным питанием, в котором не будет необходимости в силовых кабелях и не будет необходимости подключать электрические устройства к электрическим розеткам для зарядки, что приведет к глубоким изменениям в обществе. Основная технология, используемая в системе беспроводной передачи энергии, Индуктивная связь через магнитные поля . Схема компенсации импеданса также используется для достижения максимальной передачи мощности. Технология сердечника аналогична используемой в трансформаторах, за исключением того, что первичная и вторичная обмотки физически разделены и настроены на резонанс для увеличения их магнитной связи. Это магнитное поле, создаваемое первичной катушкой, устроено таким образом, чтобы энергично взаимодействовать с согласованной вторичной обмоткой, к которой подключена нагрузка.

В последние дни глобальный сценарий сильно изменился, и в каждой области, особенно в области электротехники, наблюдается огромное развитие. Если мы не объединим наши инновационные идеи по развитию новых энергетических технологий, мы можем столкнуться с тенденцией к снижению в развитии энергетического сектора. Беспроводная передача электроэнергии может быть отличной альтернативой передаче электроэнергии. Это замечательное открытие беспроводного питания и его основных технологий даже в современной системе основано на вкладе доктора Николы Теслы в области всех беспроводных систем. Это показывает нам, что он действительно «Отец беспроводных систем». Самая известная башня Уорденклиф в Колорадо-Спрингс (башня Тесла), также называемая «увеличительным беспроводным передатчиком», была спроектирована и построена доктором Николой Теслой, которая использовала ионосферу для передачи электроэнергии по всей земле. Колорадо-Спрингс был широко известен своими геомагнитными активациями, где доктор Никола Тесла построил свою лабораторию, в центре лаборатории он построил массивный трансформатор, первичная часть которого была заземлена, а другой конец был поднят на большую высоту. Этот трансформатор производил напряжение в несколько миллионов вольт с частотой 150 тысяч герц, что создавало искусственную молнию длиной 40 метров. Каркас башни имел длину 57 м со стальным валом, уходящим в землю, а на вершине огромной башни была установлена ​​огромная медная полусфера, которая работала как мощный усилительный передатчик. С помощью этого доктор Никола Тесла смог зажечь 200 электрических лампочек в радиусе 25 миль от башни. Основная технология, которую он использовал, была «Токи, передаваемые высокочастотной энергией стоячих волн». С помощью этой технологии мощность будет передаваться на большие расстояния с незначительными потерями. Но это был несчастный случай, что люди века не были в состоянии признать его великолепную работу. Он известен как «ученый, опередивший свое время». В противном случае мы, возможно, передавали бы электричество по беспроводной связи и превратили бы нашу мать-Землю в чудесный саман, наполненный электричеством. На рисунке 1 показана башня Тесла, а на рисунке 2 — изображение Николы Теслы.

Постановка проблемы:

Сегодня средний человек использует разные шнуры для зарядки для каждого своего устройства. Это может быть громоздким, создавать ограничения по пространству и быть не совсем эстетичным. Представьте себе будущее, в котором возможно беспроводное питание, в котором устройства можно заряжать без шнуров, освобождая нас от этих вездесущих проводов.

Блок-схема беспроводной передачи энергии:

Система беспроводной передачи энергии состоит из источника питания, который представляет собой высокоскоростную коммутационную схему для генерации высокочастотных сигналов, первичной сети компенсации импеданса и первичной катушки с магнитной связью; все эти компоненты вместе образуют схему передатчика. Схема приемника состоит из вторичной катушки с магнитной связью, вторичной сети компенсации импеданса, высокочастотного выпрямителя, регулятора напряжения и нагрузки постоянного тока.

Высокоскоростная коммутационная схема представляет собой высокочастотный резонансный инвертор, состоящий из мощных полевых МОП-транзисторов и схем запуска затвора. Мощный МОП-транзистор представляет собой полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника (МОП-транзистор), предназначенный для работы со значительными уровнями мощности и способный работать на высоких частотах в диапазоне сотен килогерц. С развитием силовой электроники появился новый мощный полевой МОП-транзистор (SiC MOSFET), который может работать на частотах до мегагерц и используется для высокочастотных коммутационных приложений. Сеть согласования импеданса играет важную роль в системе беспроводной передачи энергии. Сеть согласования импеданса снижает номинальную мощность в ВА (вольт-ампер) источника питания за счет минимизации реактивного сопротивления входного импеданса и повышения эффективности передачи энергии за счет использования резонанса магнитного поля. Изменяющееся во времени магнитное поле создается первичной катушкой и передается на вторичную катушку. Высокочастотный выпрямитель используется для преобразования высокочастотной мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Есть две потери, связанные с диодами в высокочастотном выпрямителе; потери из-за прямой проводимости диодов и высокочастотные потери в зависимости от времени переключения диодов. Эти потери действуют как время обратного восстановления диодов. Для устранения этих потерь в схеме выпрямителя вместо обычных диодов 1N4007 используются диоды Шоттки или сверхбыстродействующие диоды. Регулятор напряжения используется для стабилизации и управления уровнем постоянного напряжения в соответствии с требуемым напряжением нагрузки.

Применение беспроводных технологий питания:

Беспроводная передача энергии используется для питания электрических устройств в случае, когда соединительные провода неудобны или опасны. Беспроводное электричество может исключить частое подключение устройств к электрическим розеткам и обеспечить эффективный способ передачи энергии к движущимся частям, где электричество не может быть достигнуто по проводам. Беспроводное электричество находит свое применение везде, где мы используем электрические нагрузки, такие как мобильные телефоны, ноутбуки, электромобили и все другие бытовые электроприборы. Он также может вывести на дороги все больше и больше электрических транспортных средств, подключив их к беспроводному электричеству. Эта технология может обеспечить удобное безопасное и гибкое средство для зарядки электроприборов.

Беспроводная передача энергии в электромобилях может привести к серьезным изменениям в системе зарядки. Электромобилям нужны кабели и зарядка от розеток, но физическая зарядка от розеток и кабели могут стать хлопотами и беспорядком. В системе, в которой мы должны физически подключать зарядные устройства, есть ряд случаев, когда владельцы часто могут забыть зарядить транспортные средства. Для стационарных приложений, таких как зарядка электромобилей от сети дома, технология беспроводной передачи добавляет удобный фактор по сравнению с фактическим подключением к сети. Это означает, что автомобиль будет полностью заряжен каждое утро. За счет перенастройки трансформатора и изменения резонансной частоты энергия передается в аккумулятор с меньшими потерями энергии. Достаточная для аккумулятора мощность может передаваться из первичной во вторичную цепь без значительных потерь энергии. Затем электрическая мощность передается на батарею, которая электрически соединена со вторичной цепью через трансформатор с воздушным сердечником.

Динамическая зарядка простыми словами означает зарядку электромобилей даже при движении по дорогам с электрооборудованием. В крупных городах динамическая зарядка оказывает еще большее влияние, используя существующую инфраструктуру, поскольку транспортные средства движутся по загруженным автомагистралям, беспроводная зарядка также может происходить во время движения транспортного средства. Передающая пластина, находящаяся под дорогой, будет включена только тогда, когда транспортное средство проедет над пластиной (автомобили с принимающей пластиной входят в зону передающей пластины, которую она включает).