Беспроводная передача электроэнергии – эксперименты с передающей и приемной антеннами

VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Беспроводная передача электроэнергии – эксперименты с передающей и приемной антеннами

Кислов К.А. 1
1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №1
Красавин Э.М. 1Касауров Ю.А. 2
1Муниципальное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №1
2МБУДО ЦДОД, г. Верхний Уфалей
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

С самого начала открытия электричества возникла проблема его передачи конечному потребителю. Развитие промышленного производства привело к резкому увеличению спроса на электроэнергию. Провода и столбы линий электрических передач стали неотъемлемым элементом пейзажей. Развитие современных средств связи и мобильных вычислительных устройств требует частой подзарядки их аккумуляторов. А наличие у каждой модели своего зарядного устройства очень отягощает процесс подзарядки и исключает возможность одновременного подключения нескольких электрических приборов. Сравнительно новая технология беспроводной зарядки – всего лишь одно из многочисленных направлений технологии беспроводной передачи электроэнергии.Беспроводная передача электричества на расстоянии известна с тех пор, как в1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Экспериментируя с магнитами, Фарадей ставил перед собой конкретную цель: добыть электричество с помощью магнетизма. Ученый воспринимал магниты как источник электроэнергии - и его опыты увенчались успехом. Фарадей доказал, что при изменении магнитного потока, проходящего через замкнутый контур, в последнем возникает электрический ток. Никола Тесла впервые предложил и продемонстрировал беспроводную передачу энергии в качестве альтернативы передачи и распределения электрических линий в 1899 году (Приложение лист I, рис. 1). Наиболее перспективным, в направлении беспроводной передачи электроэнергии, является индукционный способ. Профессор Джон Пендри из лондонского Имперского колледжа полагает, что подобные устройства вполне могли быть сделаны и 10, и 20 лет тому назад. В то же время он считает, что решающую роль сыграло появление в последнее время огромного количества переносных устройств, нуждающихся в постоянной подпитке энергией: «Провод зарядного устройства стал последним звеном в беспроводной цепи, от которого надо избавиться».На данный момент существует несколько стандартов, которые уже действуют и позволяют производителям выпускать готовые решения. Например, глобальный международный стандарт Qi, разработанный Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC) направлен, прежде всего, на бытовое использование беспроводных зарядных устройств. Беспроводные системы зарядки можно использовать и для зарядки аккумуляторов электромобилей. В этом случае необходимо обеспечить эффективную передачу мощности более 3 кВт на расстояние 10–20 см. Для выполнения зарядки индукционным способом достаточно установить автомобиль над передатчиком, и процесс зарядки начнется автоматически. Ожидается, что использование беспроводной зарядки будет способствовать росту популярности таких транспортных средств. В качестве источника энергии для светодиодного освещения в помещении, также можно использовать беспроводные системы передачи электроэнергии. В этом случае перед дизайнерами светодиодного освещения открываются широкие возможности реализации новых решений для подвесных светильников, которые, как может показаться, «парят» в воздухе. В таком случае для единичных светильников достаточно передавать мощность около 10 Вт. Одно из важнейших преимуществ беспроводной технологии – применение во взрывоопасных средах, так как из-за отсутствия разъемов питания исключается возможность взрыва от искры, которая может возникнуть при подключении или отключении зарядного устройства. Таким образом, сферы использования технологий беспроводной передачи энергии, достаточно разнообразны и сдерживает внедрение этих технологий лишь одна проблема, небольшие расстояния передачи энергии, и незначительные мощности. Решение этой проблемы позволит перейти на новый уровень конструирования электротехнических изделий и в целом изменит многие технологии производства.

Цель и задачи работы

В современное время развивается направление конструирования беспроводных зарядных устройств малой мощности для зарядки мобильной техники. Основной принцип работы индуктивной зарядки весьма прост и основывается на электромагнитной индукции. В отличие от классических зарядных устройств, их беспроводные аналоги вместо медного проводника используют дополнительный блок преобразования, аналогичный обычному трансформатору, что приводит к некоторому снижению эффективности КПД этого блока. По данным разных производителей КПД, колеблется от 50% до 90%. Wireless Power Consortium называет промежуточную цифру – 70%. Индуктивное зарядное устройство рассчитано на возможность одновременного «подключения» нескольких аппаратов. В отличие от традиционных зарядных устройств, соответственно для этого не понадобятся дополнительные розетки. Ну, а с точки зрения эстетики отсутствие лишних проводов всегда было большим плюсом. Однако в этих исследованиях существуют и значительные проблемы, такие как съём индукционной энергии значительной мощности. Двухлетние разработки и исследования возможностей беспроводной передачи энергии, показали, что осуществить передачу энергии без проводов на небольшие расстояния достаточно просто. Было изготовлено несколько устройств, позволяющих успешно осуществлять беспроводную зарядку аккумуляторов на малых расстояниях между передающей и приёмной катушками. КПД передачи энергии, в наших устройствах не превышал 50%. Изучив значительный объём литературы и интернет – источников, мы пришли к выводу, что существуют реальные возможности увеличения расстояния передачи энергии с помощью совершенствования приёмопередающих антенн, повышение мощности и КПД приёмопередающих устройств, при их согласовании и настройке в резонанс.

Целью новой работы является: исследование возможностей увеличения расстояния беспроводной передачи электроэнергии за счёт резонансного согласования приёмной и передающей катушек с сохранением эффективных показателей мощности.

Цель предполагала решение следующих задач:

Знакомство с литературными и интернет источниками по вопросам индукционной передачи электроэнергии.

Анализ характеристик прошлогодних разработок беспроводных зарядных станций.

Изучение принципов работы высокочастотных индукционных инверторов высокой мощности.

Изготовление и проверка характеристик инверторных устройств, для беспроводного питания энергопотребителей.

Изучение принципов расчёта и согласования приёмной и передающей катушек.

Проведение экспериментальных работ по увеличению расстояния передачи энергии индукционным способом, с помощью инвертора и согласованных в резонанс катушек.

Технология беспроводной передачи энергии [1-9]

Возможные варианты технологии беспроводной передачи электроэнергии, используемые для питания электроприборов и зарядки аккумуляторов, достаточно разнообразны (Приложение лист I, рис. 2). Первая группа способов (дальняя зона) относится к электромагнитному излучению. Электромагнитные волны окружают нас повсюду. Они излучаются множеством радиочастотных передатчиков, телебашнями, антеннами сотовой связи, промышленным оборудованием. Но возможности использования этой энергии ограничены её малой мощностью. Для человечества это является спасением, поскольку мощное электромагнитное излучение губительно для всего живого. Таким образом, наиболее приемлемым вариантом беспроводной передачи энергии является вторая группа методов, основанных на явлении электромагнитной индукции. Как известно, область распространения электромагнитного поля разделяется на две основные зоны в зависимости от расстояния от источника излучения. Ближняя зона (зона индукции) ограничивается расстоянием, равным λ/2π, где λ – длина волны. Техника беспроводной передачи методом электромагнитной индукции использует ближнее электромагнитное поле на расстояниях около одной шестой длины волны. Энергия ближнего поля сама по себе не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же происходят. Кроме того, как правило, имеют место и резистивные потери. Зона индукции постепенно переходит в зону излучения (волновую). На границах ближней и дальней зон различают переходную промежуточную зону (Приложение лист I, рис. 3). Если рассматривать частотные характеристики излучения, то можно определить значения ближней зоны, соответственно этим частотам (Приложение лист II, таблица 1). Зависимость расстояния ближней зоны (зоны индукции) от частоты электромагнитного излучения наглядно показывает увеличение расстояния ближней зоны с ростом частоты излучения. В системах беспроводной зарядки (как простой случай беспроводной передачи энергии) для передачи энергии от источника (передатчика) к приемнику используется явление электромагнитной индукции. В 1831 г. Майкл Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает электрический ток. Этот ток назвали индукционным током. Изменять магнитное поле можно с помощью магнита или катушки. Таким образом, Электромагнитная индукция – это физическое явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур. Появление электрического тока в замкнутом контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил или о возникновении ЭДС индукции. Количественное описание явления электромагнитной индукции дается на основе установления связи между ЭДС индукции и магнитным потоком Ф. В системе СИ единица магнитного потока выбрана такой, чтобы коэффициент пропорциональности между ЭДС индукции и изменением магнитного потока был равен единице. Следовательно, закон электромагнитной индукции формулируется так - ЭДС электромагнитной индукции, возникающая в замкнутом контуре, равна, и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром:

Где: — электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура;

– малое значение магнитного потока;

– малый промежуток времени.

Система состоит из первичной катушки L1 (источника) и вторичной катушки L2 (приемника). Катушки образуют систему с индуктивной связью (бессердечниковый трансформатор). Переменный ток, протекая в обмотке первичной катушки, создает магнитное поле, индуцирующее напряжение в приемной катушке, которое может быть использовано как для зарядки аккумулятора, так и для питания устройства (Приложение лист II, рис. 4). Однако, по мере удаления вторичной катушки от первичной большая часть магнитного поля рассеивается и не достигает вторичной катушки. Это и является основной проблемой, стоящей перед разработчиками беспроводных устройств. Даже при относительно малых расстояниях индуктивная связь уменьшается настолько, что становится неэффективной. Взаимная индуктивность катушек (М) определяется из соотношения:

где k – коэффициент связи между катушками, зависящий от многочисленных факторов (расстояния между катушками (z), соотношения диаметров катушек, смещения между их центрами, от формы катушек). Исходя из графиков, приведённых в приложении (лист III, рис. 5) можно легко определить коэффициент (k) для катушек диаметром 30 мм, разнесённых на расстояние от 0,2 до 10 мм. Резонансные контуры с индуктивной связью, применяемые в системах беспроводной зарядки, уже на протяжении десятков лет успешно используются в разнообразных радиотехнических устройствах. В настоящее время разработаны две промышленные технологии беспроводной передачи энергии (зарядки), использующие явление электромагнитной индукции. Одна из них, в которой используются сильно связанные катушки, получила название MI (магнитно-индуктивная), другая со слабосвязанными – MR (магнитно-резонансная). Эти две технологии похожи, но имеются и отличия. В каждой из них, для беспроводной передачи энергии используется электромагнитное поле, и применяются резонансные контуры. Магнитный поток, создаваемый источником электромагнитного поля и пронизывающий вторичную катушку, зависит от конфигурации поля. От взаимной ориентации, передающей и принимающей катушек, а также от расстояния между ними зависит эффективность системы передачи энергии. Чем больше расстояние между катушками, тем менее эффективна система. В технологии MR применяется несколько приёмных катушек, компенсирующих смещение передающей катушки и расстояние до неё (Приложение лист III, рис. 6). Но такое решение значительно усложняет настройку резонансного контура и увеличивает габариты устройства.

Схемотехника практического изготовления беспроводных передающих устройств и анализ их эффективности (на основе прошлогодних экспериментов) [10-12]

Электрический ток - упорядоченное движение свободных электронов от отрицательно заряженного тела (недостаток положительно заряженных электронов) к положительно заряженному (избыток положительно заряженных электронов). Вокруг проводника, в котором возникла электродвижущая сила, образуется электромагнитное поле. Электромагнитное поле способно заставить свободные электроны двигаться. Поэтому, перемещая проводник в созданном внешним источником (металлический магнит, электромагнит, другие проводники и содержащие их электроприборы) электромагнитном поле можно получить течение тока. Строго говоря, электричество идет к нам в дома не по проводам, оно передается посредством электромагнитного поля вокруг проводника. При этом часть энергии разогревает сам проводник, в котором двигаются электроны, а часть рассеивается в пространство. Создание движения электронов внутри проводника, путем пересечения этого проводника с линиями магнитного поля, как уже говорилось выше, называется электромагнитной индукцией - превращением механической энергии в электрическую энергию. Индукционный генератор, индукционная плита, индукционное зарядное устройство работают именно на этом принципе. В источнике энергии установлена замкнутая катушка из проводника, по которому течет ток. Катушка создает вихревое электромагнитное поле, так как электроны внутри катушки начинают перемещаться. Устройство, поддерживающее способ беспроводной зарядки, имеет подобную катушку, которая улавливает вихревое поля катушки-источника. Ну и дальше всё просто - электромагнитное поле создает индукционный ток - движение электронов - на катушке-приемнике в устройстве. Важно отметить, что вихревое электромагнитное поле на катушке-источнике является переменным. То есть, колеблется, что и заставляет электроны в катушке-приёмнике двигаться. Для питания устройства, колебания необходимо сгладить, преобразовав переменный ток в постоянный ток. Для этого ток с катушки проходит через специальное устройство - выпрямитель электрического тока - с тем, чтобы в виде тока с постоянным напряжением зарядить аккумулятор. Задача высокочастотного генератора создать электромагнитное поле в индукторе (катушке-передатчике). Основой любого индукционного беспроводного устройства является высокочастотный генератор, передающий и приёмный контур. Изготовление их, может быть организовано различными путями и различной элементной базой. В общем случае передатчик энергии представляет собой задающий генератор и достаточно мощный ключевой узел, который формирует импульсы на передающую рамку. Наиболее простым и дешёвым решением является схема обычного мультивибратора на двух полевых транзисторах (ключах) (Приложение лист IV, рис. 7). Передающая рамка включена в стоки транзисторов с параллельным частотозадающим конденсатором. Ключевые транзисторы – полевые, их целесообразность применения определяется, значительно более высокой частотой и быстродействием, а также достаточной мощностью. Подобное схемотехническое решение имеет преимущество в автоматической настройке резонанса в передающем контуре L3-C1 и позволяет при низковольтном питании получить в передающем контуре значительную мощность. Приёмная рамка настраивается в параллельный резонанс конденсатором C2. Нагрузкой в наших экспериментах являлась резистивная нагрузка (лампочка и светодиоды). Конечный экспериментальный вариант схемы выполненной по структуре мультивибратора, приведён в приложении (лист IV, рис. 8). При изготовлении использованы мощные полевые транзисторы, рассчитанные на напряжение в импульсе до 500 вольт. Необходимость этого вызвана тем, что при последующих измерениях напряжения на выходе ключей без нагрузки, напряжение достигает 200 вольт. Значительная частота мультивибратора (50-60 мГц) предполагает использование в схеме сверхбыстрых диодов серии UF 4006-4007. Обычные диоды N4007 в данной схеме не работают. Конденсатор, стоящий в параллели с передающей катушкой необходим высоковольтный (плёночный). Дроссель, стоящий в цепи питания применён стандартный, от компьютерного блока питания. Более простым, с технической стороны, решением является применение схемы блокинг–генератора. Подобное устройство в простейшем варианте состоит всего из трёх деталей – транзистора, постоянного резистора и передающей катушки. В качестве ключевого элемента мы применили транзистор IRF 630A, сопротивление смещения можно подобрать в пределах от 100 до 300 Ом. Передающая катушка изготовлена со средней точкой и состоит из 10 витков. Приёмная катушка намотана более тонкой проволокой и содержит 25 витков. В приложении (лист V, рис. 9-10) приведена принципиальная схема демонстрационного и зарядного устройства, и фотографии изготовленного варианта. Недостатками предыдущих схем является относительно нестабильные частотные характеристики, поскольку ни мультивибратор, ни блокинг-генератор, не может обеспечить стабильную форму сигнала. В связи с этим, решено было изготовить экспериментальный вариант генератора с задающей цепью. В качестве задающего генератора частоты, наиболее простым вариантом, является использование широко распространённой микросхемы таймера NE 555. Она включена по стандартной схеме генератора. Частотозадающей цепью являются два резистора номиналом 1 Ком и конденсатор. Задающий генератор управляет мощным ключевым транзистором, включенным в цепь передающей катушки. Приёмный блок собран по стандартной схеме с использованием линейного стабилизатора 7805. Схема устройства и фотография экспериментального блока приведены в приложении (лист V, рис. 11). Функциональные возможности, изготовленных устройств были проанализированы, и на основе анализа сделаны выводы, и построены графики зависимости напряжения и тока от расстояния между катушками. Данные напряжения на приёмной катушке без нагрузки и схемы стабилизации, в зависимости от расстояния до передающего контура, представлено на графике в приложении (лист VI, рис. 12). В режиме нагрузки (штатное напряжение потребителей 12 В), работоспособность устройств, проверялась на двух лампах накаливания – обычной 5 Вт и галогеновой 24 Вт. В результате экспериментов были построены графики зависимости потребляемого тока от расстояния между приёмной и передающими катушками. Исходя из этих графиков, очень легко подсчитать и реальное напряжение, поступающее к потребителю при взаимодействии катушек:

Р = UI, U = P/I

Графики исследованных процессов взаимодействия и измеренные величины представлены в приложении (лист VI, рис. 13-14). Следующим этапом исследований был реальный режим зарядки стандартной батареи мобильного устройства. При проведении этих исследований применялась схема стабилизации выходного напряжения на микросхеме линейного стабилизатора 7805. При проведении этих исследований выяснилось, что при близких расстояниях между приёмной и передающей катушками сила тока при зарядке достаточно велика (до 4,5 А), что приводит к выходу из строя микросхемы. В результате исследований было определено оптимальное расстояние между передающей катушкой и потребителем в пределах от 2 до 4,5 См, что соответствует току зарядки от 2 до 1 А. При больших расстояниях зарядку проводить нецелесообразно, поскольку наблюдается резкое падение токового режима. Выявленные параметры представлены на графике приложения (лист VI, рис. 15). В целом все схемы работоспособны, но менее стабильные показатели у схемы собранной с применением блокинг-генератора.

Пути увеличения расстояния беспроводной передачи энергии

Как видно из вышеизложенного материала, расстояния передачи энергии без проводов очень незначительные (не превышают 4-5 см.). Мы поставили перед собой задачу, добиться, при беспроводной передаче энергии, больших расстояний между приёмной и передающей катушками. В этом случае, как нам кажется (исходя из изученных литературных и интернет – источников) исходя из принципов беспроводной передачи энергии, можно идти несколькими путями:

Увеличение мощности передающего генератора.

Экспериментальная подборка частотных характеристик генератора.

Настройка приёмного и передающего контура в резонанс.

Эксперименты с формой и размерами передающей и приёмной катушками.

Все эти пути можно использовать совместно и оптимизировать параметры устройства.

Первоначальные эксперименты по увеличению расстояния беспроводной передачи электроэнергии [13 -17]

Первоначально перед нами стояла задача по созданию мощного импульсного генератора для работы передающего колебательного контура. За основу схемотехники мощного генератора, мы решили взять вариант мультивибратора. Выбор обоснован простотой схемы и лёгкой перестройкой частотных характеристик. Наряду с недостатками (не совсем стабильная работа по частоте), имеется неоспоримое преимущество в настройке. В качестве силовых ключей применили мощные IGBT – транзисторы, рассчитанные на напряжение не менее 800В и токи до 80А (естественно в импульсном режиме). Схема устройства общепринятая и не имеет принципиальных инноваций, за исключением подбора времязадающих цепей (Приложение лист VII, рис. 16). Для контроля подачи питания в схеме применили индикатор – светодиод. Частотные характеристики генератора лежат в пределах 0,15 – 0,2 МГц. Настройку резонанса проводили подбором параллельных катушке конденсаторов, частотные характеристики подбором сопротивлений в цепях затвора IGBT – транзисторов. Напряжение питания генератора 24В, от импульсного источника питания мощностью 600Вт. Для экспериментов, нами выбрана технология MI (магнитно-индуктивная), как более простая в изготовлении. Форма катушек плоская, для их изготовления применили тонкую (3мм) медную трубку. Намотка катушек спиральная. Катушка индуктивности - является пассивным компонентом электронных схем, основное предназначение которой является сохранение энергии в виде магнитного поля. Свойство катушки индуктивности чем-то схоже с конденсатором, который хранит энергию в виде электрического поля. Индуктивность (измеряется в Генри) — это эффект возникновения магнитного поля вокруг проводника с током. Ток, протекающий через катушку индуктивности, создает магнитное поле, которое имеет связь с электродвижущей силой (ЭДС) оказывающее противодействие приложенному напряжению. Возникающая противодействующая сила (ЭДС) противостоит изменению переменного напряжения и силе тока в катушке индуктивности. Это свойство индуктивной катушки называется индуктивным сопротивлением. Следует отметить, что индуктивное сопротивление находится в противофазе к емкостному реактивному сопротивлению конденсатора в цепи переменного тока. Путем увеличения числа витков можно повысить индуктивность самой катушки. Энергия, запасенная в катушке индуктивности равна затраченной энергии необходимой для обеспечения протекания тока I в противодействии ЭДС. Величина запасенной энергии в индуктивности можно рассчитать по следующей формуле:

г де L — индуктивность, I — ток, протекающий через катушку индуктивности. Индуктивность плоской катушки рассчитывается по формуле:

г де L = индуктивность в мкГн, r = средний радиус катушки, N = число витков, d = глубина катушки. Катушка индуктивности имеет последовательное сопротивление, созданное медной обмоткой самой катушки. Это последовательное сопротивление преобразует протекающий через катушку электрический ток в тепло, что приводит к потере качества индукции, то есть добротности. Добротность является отношением индуктивности к сопротивлению. Добротность катушки индуктивности может быть найдена через следующую формулу:

где R является собственным сопротивлением обмотки.

От диаметра провода индуктивность практически не зависит. Но в высокочастотных катушках стремятся получить минимальное сопротивление проводника, чтобы увеличить добротность (отношение индуктивного сопротивления к активному). С этой целью надо увеличивать диаметр провода, но только для плоских катушек, поскольку с увеличение длины намотки (вертикальной) снижает индуктивность. При тесном, многослойном расположении витков наблюдается эффект «вытеснения» тока из обмотки, что увеличивает сопротивление. Этот эффект аналогичен вытеснению тока, на высоких частотах, в любых проводниках. В результате этого, ток течет только в тонком скин - слое, у поверхности проводника. Толщина скин - слоя уменьшается, а сопротивление провода растет пропорционально корню квадратному из частоты. Для получения максимальной добротности и индуктивности катушку выгоднее делать короткой (глубина намотки), но большого диаметра, с отношением D/l порядка 2,5. Индуктивность таких катушек более точно рассчитывается по эмпирической (подобранной опытным путем) формуле

L = 0.1D2N2/ (4D + 11 l)

где размеры берутся в сантиметрах, а индуктивность получается в микрогенри. Эта же формула, применима для спиральной или корзиночной плоской катушки. Передающая катушка в нашей конструкции имеет диаметр 400 мм., количество витков 7, диаметр провода 3 мм. Расчёты показывают, что индуктивность этой катушки составляет 48 мкГн. Энергия, запасённая в катушке, составляет (при I =20-25А, исходя из потребляемой мощности) примерно 0,0096Дж. Частота резонанса передающего колебательного контура определяется по формуле:

Произведя расчёты получаем частоту резонанса 0,0283 МГц (учитывая емкость конденсатора 660000pФ, и индуктивность катушки 48 мкГн). Таблица расчёта и конструкция приёмной катушки приведены в приложении (лист VII, рис. 17 – 18). Исходя из этих параметров определяем величину и параметры приёмной катушки. Приёмная катушка – диаметр 250 мм., колличество витков 21.

Произведя расчёты определяем индуктивность в 266,8 мкГн. Определяем ёмкость конденсатора колебательного контура приёмной катушки – 118544pФ (0,12мкФ) (Приложение лист VII, рис. 19). Расчёты проведены на калькуляторе, в интернете. В ходе экспериментальной проверки, нами определялись расстояния эффективной передачи энергии и проводились замеры качественных показателей принятой энергии. Графики построенные по проведённым замерам параметров приведены в приложении (лист VIII, рис. 20 - 23). Коэффициент полезного действия вычисляли относительно параметров тока и напряжения на передающей катушке к параметрам тока и напряжения (под нагрузкой) приёмной катушки.

Эксперименты с приёмной и передающей катушками [16 – 17]

На дальнейшие эксперименты по изменению параметаметров приёмной и передающей катушек нас натолкнула экспериментальная работа с одновитковыми вибраторами (Приложение лист IX , рис. 24). Используя подобные устройства, мы добились, при их согласовании в резонанс, примерно таких же расстояний передачи энергии, как и с многовитковыми системами. Возникла идея создания многовитковых катушек с плотной намоткой, подобно кольцевому вибратору. Расчёты показали, что индуктивность таких катушек (плотная намотка и меньший диаметр) резко возрастает. В нашем случае, передающая катушка имеющая средний диаметр 176,2 мм и 7 витков имеет индуктивность 229,4 мкГн. Приёмная катушка, имеющая средний диаметр 149,5 мм, и колличество витков в три раза больше – 21, имеет индуктивность 1261,7 мкГн. В соответствии с выше приведёнными расчётами определяем частоту резонансной системы (исходё из ёмкости частотозадающего конденсатора 0,8 мкФ) – 0,0117 МГц. Исходя из этих данных, определяем ёмкость конденсатора резонансной системы приёмной катушки – 0,14 мкФ (Приложение лист IX , рис. 25). Предварительные расчёты всей системы показали увеличение дальности передачи энергии как минимум в 3 -4 раза по сравнению с предыдущим вариантом приёмопередатчика. Экспериментальные  проверки системы дали реальные результаты, устойчивой передачи энергии на расстояние до 2 -2,5 метра. Фотография рабочего экземпляра, беспроводной системы передачи энергии, приведена в приложении (лист IX , рис. 26), основные характеристики (Приложение лист X , рис. 27 - 30).

Выводы

В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:

Изучены доступные литературные и интернет – источники по вопросам беспроводной передачи энергии индукционным методом.

Изучены принципы работы инверторов высокой мощности и рассмотрены схемотехнические решения их построения.

Проведён анализ предыдущего опыта изготовления беспроводных систем передачи энергии без проводов.

Изготовлено экспериментальное приёмопередающее устройство высокой мощности и приемлемыми частотными характеристиками для проведения экспериментальных исследований.

Определены параметры приемопередающих катушек (антенн) для увеличения дальности беспроводной передачи энергии.

Проведены экспериментальные исследования по определению параметров беспроводной передачи энергии.

Список литературы и интернет - источников

1.Сивухин, Д.В. Общий курс физики. / Д.В. Сивухин.— Изд. 4-е, стереотипное. — М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004.

2.Законы электромагнитной индукции [Электронный ресурс], http://www.naexamen.ru/otvet/11/fizika/884.shtml

3.Тамм, И.Е. Основы теории электричества / И.Е. Тамм — 9 изд., М., 1976.

4.Фарадей, М. Экспериментальные исследования по электричеству. / М. Фарадей —Том 1. Перевод с английского Е.А. Чернышевой и Я.Р. Шмидт-Чернышевой. Издательство академии наук СССР, 1947.

5.Беспроводная передача энергии [Электронный ресурс], http://www.scorcher.ru/art/theory/cosinov/tesla.htm

6.Бараш, Л. Беспроводная передача энергии, / Наука и технологии, Наука, [Электронный ресурс] http://www.membrana.ru/particle/ 2007.

7.Индукционная передача энергии [Электронный ресурс], http://altinfoyg.ru/index.php/energetika/analiz/ipe.html

8.Индукционная передача энергии [Электронный ресурс], http://hiendflow.do.am/publ/obzory_tekhnologij/indukcionnaja_peredacha_ehnergii/2-1-0-1

9.Способы беспроводной передачи энергии [Электронный ресурс], http://electrik.info/main/fakty/918-sposoby-besprovodnoy-peredachi-elektroenergii.html

10.Технология беспроводной зарядки: принцип действия, стандарты [Электронный ресурс], http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/doc/70732/

11.Как работает беспроводная зарядка [Электронный ресурс], https://masterok.livejournal.com/3054002.html

12.Принципы беспроводной передачи энергии. Стандарты. [Электронный ресурс], http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/doc/70732/

13. Свойства катушек индуктивности [Электронный ресурс], https://bourabai.ru/toe/coils.htm

14.Индуктивность плоских катушек [Электронный ресурс], http://twt.mpei.ac.ru/MCS/Worksheets/ET/p-149-1.xmcd -.

15.Расчёт индуктивности плоской спиральной катушки [Электронный ресурс], http://coil32.ru/calc/flat-spiral-coil.html

16.Калькулятор расчёта резонансного контура [Электронный ресурс], http://tel-spb.ru/lc.html

17.Беспроводная передача энергии на большие расстояния [Электронный ресурс], https://habrahabr.ru/post/219857/

Приложение

Рис. 1. Башня Wardenclyffe.

Рис. 2. Технологии беспроводной передачи электроэнергии.

Рис. 3. Ближняя и дальняя зоны электромагнитного излучения.

Частота излучения в мГц

Ближняя зона (зона индукции) в (м.).

0,1

0,47

1

4,7

10

47

100

47

Таблица 1. Зависимость расстояния ближней зоны (зоны индукции) от частоты электромагнитного излучения.

Рис. 4. Принцип действия беспроводных зарядных устройств.

Рис. 5. Графики зависимости коэффициента связи от смещения катушек (для катушек диаметром 30 мм).

Рис. 6. Особенности MI- и MR-технологий.

Рис. 7. Принципиальная схема генератора на основе мультивибратора.

Рис. 8. Экспериментальный вариант схемы на основе мультивибратора (изменён вариант подключения передающей катушки – схема с центральной точкой, соответственно применён один дроссель по питанию).

Рис. 9. Схема на основе простейшего блокинг-генератора.

Рис. 10. Фотографии демонстрационного устройства.

Рис. 11. Вариант устройства с задающим генератором.

Рис. 12. Напряжение на приёмной катушке без нагрузки и схемы стабилизации в зависимости от расстояния до передающего контура.

Рис. 13. Нагрузка лампа накаливания (12В,5Вт). Схема стабилизации напряжения отсутствует.

Рис.14. Нагрузка лампа накаливания (12В,24Вт - галогеновая). Схема стабилизации напряжения отсутствует.

Рис.15. Нагрузка стабилизатор 7805 (стандартная схема включения) и стандартная батарея (литий – ионная 3,7 В, 1700Ма/Ч).

Рис. 16. Принципиальная схема генератора.

Рис. 17. Определение частоты резонанса передающей катушки

Рис. 18. Конструкция передающей катушки.

Рис. 19. Расчёт ёмкости резонансного контура приёмной катушки.

Рис. 20. Напряжение на приёмной катушке без нагрузки и схемы стабилизации в зависимости от расстояния до передающего контура.

Рис. 21. Напряжение на приёмной катушке без схемы стабилизации с нагрузкой - лампа (24В,10Вт) в зависимости от расстояния до передающего контура.

Рис. 22. Сила тока на приёмной катушке без схемы стабилизации с нагрузкой - лампа (24В,10Вт) в зависимости от расстояния до передающего контура.

Рис. 23. КПД передачи энергии (исходя из эффективных потерь мощности) на приёмной катушке без схемы стабилизации с нагрузкой - лампа (24В,10Вт) в зависимости от расстояния до передающего контура.

Рис. 24. Одновитковые вибраторы в приёмопередающей системе.

Рис. 25. Расчёты резонансной системы.

Рис. 26. Фотографии беспроводной приёмопередающей системы.

Просмотров работы: 104