Metoda de inducție electromagnetică în transferul de energie wireless

O metodă de transmitere a energiei electrice la distanță fără utilizarea unui mediu conductiv se numește transmisie wireless a energiei electrice. Până în 2011, s-au efectuat mai multe experimente de succes în gama de microunde cu capacități de câteva zeci de kilowati, în timp ce eficiența a fost de aproximativ 40%.

Acest lucru s-a întâmplat prima dată în 1975 în California și a doua oară în 1997 pe Insula Reunion. Cea mai lungă distanță a fost de aproximativ un kilometru, a fost realizat un experiment pentru a studia posibilitățile de economisire a energiei unui sat fără a utiliza un cablu tradițional.

Tehnologic, principiile transmisiei de energie electrică pe distanță includ, în funcție de distanța de transmisie, următoarele. La distanțe scurte la puteri mici - metode de inducție și rezonanță, cum ar fi în etichetele RFID și cartele inteligente. La distanțe mari și la puteri mari - metoda radiației electromagnetice direcționale în intervalul de la UV la microunde.

Să aruncăm o privire mai atentă la metoda de inducție. Transmiterea wireless a energiei prin inducție electromagnetică implică utilizarea câmpului electromagnetic aproape la distanțe proporționale cu 17% din lungimea de undă. Concluzia este că energia câmpului apropiat nu radiază în sine, există doar radiații mici și pierderi rezistive.

Inducția electrodinamică funcționează astfel. Când un curent electric alternativ trece prin înfășurarea primară, în jurul său există un câmp magnetic alternativ, care acționează simultan asupra înfășurării secundare, inducând un variabil EMF și, în consecință, un curent alternativ.

Pentru a obține o eficiență mai mare, poziția relativă a înfășurărilor primare și secundare ar trebui să fie suficient de aproape. Dacă, în condiții experimentale, înfășurarea secundară începe să se îndepărteze de primar, atunci partea câmpului magnetic care ajunge la înfășurarea secundară și traversarea virajelor sale va deveni mai mică.

Pe măsură ce înfășurarea secundară este îndepărtată, chiar și la o distanță mică, cuplajul de inducție între înfășurări va deveni în cele din urmă atât de mic încât cea mai mare parte a energiei transmise de câmpul magnetic va fi consumată extrem de ineficient și, în general, în zadar.

Un sistem similar este prezentat în forma sa cea mai simplă. într-un transformator electric clasic. La urma urmei, un transformator este cel mai simplu dispozitiv pentru transmisia de energie wireless, deoarece înfășurările sale primare și secundare nu sunt conectate galvanic între ele. Transferul de energie de la primar la secundar este implementat în el printr-un proces numit inducție reciprocă. Funcția principală a transformatorului este creșterea sau micșorarea tensiunii furnizate înfășurării primare.

În încărcătoarele fără contact pentru echipamente mobile, pentru periuțele de dinți electrice și în plitele de inducție, sunt implementate doar metode de inducție electrodinamică. Dezavantajul transferului de energie în acest fel este că acțiunea eficientă este foarte mică. Pentru a obține o eficiență adecvată, emițătorul și receptorul trebuie să fie amplasați foarte aproape unul de celălalt, aproape aproape de principiul că pot interacționa eficient între ei.

Pentru a crește eficiența metodei de inducție, este util să introducem fenomenul de rezonanță electrică într-un astfel de sistem, ceea ce va crește distanța de transmisie eficientă. Odată cu adăugarea unui circuit oscilator la circuitul rezonant, prin acțiunea sa mărește într-o oarecare măsură distanța de transmisie efectivă. Pentru ca rezonanța să apară, buclele emițătorului și ale receptorului trebuie să fie reglate la aceeași frecvență comună.

Performanța unui astfel de sistem poate fi îmbunătățită în continuare prin corectarea formei de undă a curentului de control, deviantându-l de la unul sinusoidal la unul de tranziție, fără sinusoidal, cu impulsuri.

Transferul de energie al impulsurilor este apoi efectuat în mai multe cicluri, iar puterea semnificativă poate fi transferată în astfel de condiții de la un circuit LC la altul și cu un coeficient de cuplare mai mic decât fără a utiliza circuite rezonante. Formele bobinelor nu se schimbă și, în orice caz, sunt spirale plane sau solenoide cu un singur strat cu condensatoare conectate la ele, necesare pentru a ajusta elementul receptor la frecvența de rezonanță a emițătorului.

În mod tradițional, inducția electrodinamică rezonantă este folosită în încărcătoarele de baterii fără fir ale dispozitivelor mobile, cum ar fi telefoanele mobile și implanturile medicale, precum și în vehiculele electrice. Dispozitivele de încărcare localizate utilizează selecția unei bobine de emițător specifice dintr-un set de înfășurări multistrat.

În acest caz, fenomenul de rezonanță funcționează atât în ​​circuitul panoului transmițător al încărcătorului, cât și în circuitul receptor al modulului de încărcare instalat pe dispozitivul de încărcare, astfel încât eficiența transmisiei și recepției de energie să fie maximizată. Tehnologia acestei configurații este universală și poate fi folosită pentru a încărca wireless diferite dispozitive echipate cu receptoare rezonante corespunzătoare.

Tehnica acestui plan este adoptată ca parte a standardului de încărcare wireless Qi. Acest standard oferă două opțiuni pentru transferul de energie: putere redusă - de la 0 la 5 wați și putere medie - până la 10 wați. Standardul a fost dezvoltat după 2008 de Wireless Power Consortium (WPC) pentru transferul de inducție de energie de până la 4 cm.

Echipamentele cu suport Qi includ un emițător cu o bobină plană (se află în spatele plăcii) conectat la o sursă de alimentare staționară și un receptor compatibil, care este instalat în interiorul dispozitivului de încărcare (de asemenea, sub forma unei bobine plate). PCând utilizați încărcătorul, dispozitivul conectat este plasat pe placa emițătorului. În acest caz, se aplică principiul inducției electromagnetice între aceste două bobine plate, ca într-un transformator.

Qi este folosit astăzi în unele dispozitive: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Device Yota. Scopul consorțiului este crearea unui standard unic pentru tehnologia de încărcare a inducției, pentru a face încărcătoarele wireless un atribut familiar al locurilor publice, cum ar fi cafenele, aeroporturi, arenele sportive etc.

Inducția electrodinamică cu rezonanță este, de asemenea, utilizată pentru alimentarea directă fără fir a dispozitivelor care nu au baterii în interior. Acestea includ etichete RFID și carduri inteligente fără contact. Se aplică un principiu similar pentru transferul de energie electrică. în transformatorul Tesla - de la circuitul primar - inductorul - la rezonatorul amplasat în interiorul său. Transformatorul Tesla în sine, la rândul său, servește, de asemenea, ca un emițător de energie fără fir, doar mai mult electrostatic decât electromagnetic.