Metoda indukcji elektromagnetycznej w bezprzewodowym przesyłaniu energii

Metoda przesyłania energii elektrycznej na odległość bez użycia ośrodka przewodzącego nazywa się bezprzewodową transmisją energii elektrycznej. Do 2011 r. Przeprowadzono kilka udanych eksperymentów w zakresie mikrofal o pojemnościach kilkudziesięciu kilowatów, a wydajność wynosiła około 40%.

Stało się to po raz pierwszy w 1975 r. W Kalifornii, a po raz drugi w 1997 r. Na wyspie Reunion. Najdłuższa odległość wynosiła około jednego kilometra, przeprowadzono eksperyment w celu zbadania możliwości oszczędzania energii w jednej wiosce bez użycia tradycyjnego kabla.

Technologicznie zasady przesyłania energii elektrycznej na odległość obejmują, w zależności od odległości transmisji, następujące. Na krótkich odległościach przy niskich mocach - metody indukcyjne i rezonansowe, takie jak w tagach RFID i karty inteligentne. Na duże odległości i przy dużych mocach - metoda kierunkowego promieniowania elektromagnetycznego w zakresie od UV do mikrofal.

Przyjrzyjmy się bliżej metodzie indukcyjnej. Bezprzewodowa transmisja energii za pomocą indukcji elektromagnetycznej implikuje wykorzystanie bliskiego pola elektromagnetycznego w odległościach współmiernych do 17% długości fali. Najważniejsze jest to, że energia pola bliskiego sama w sobie nie promieniuje, jest tylko niewielkie promieniowanie i straty rezystancyjne.

Indukcja elektrodynamiczna działa w ten sposób. Kiedy przemienny prąd elektryczny przepływa przez uzwojenie pierwotne, wokół niego powstaje przemienne pole magnetyczne, które jednocześnie działa na uzwojenie wtórne, indukując zmienny EMF i odpowiednio prąd przemienny.

Aby uzyskać wyższą wydajność, względne położenie uzwojenia pierwotnego i wtórnego powinno być wystarczająco blisko. Jeśli w warunkach eksperymentalnych uzwojenie wtórne zacznie się oddalać od uzwojenia pierwotnego, wówczas część pola magnetycznego docierająca do uzwojenia wtórnego i przekraczająca jego zwoje stanie się mniejsza.

Gdy uzwojenie wtórne zostanie usunięte, nawet w niewielkiej odległości, sprzężenie indukcyjne między uzwojeniami stanie się ostatecznie tak małe, że większość energii przenoszonej przez pole magnetyczne zostanie zużyta wyjątkowo nieefektywnie i ogólnie na próżno.

Podobny system przedstawiono w najprostszej formie. w klasycznym transformatorze elektrycznym. W końcu transformator jest najprostszym urządzeniem do bezprzewodowej transmisji energii, ponieważ jego uzwojenie pierwotne i wtórne nie są ze sobą połączone galwanicznie. Przenoszenie energii z pierwotnej do wtórnej odbywa się w niej poprzez proces zwany wzajemną indukcją. Główną funkcją transformatora jest zwiększenie lub zmniejszenie napięcia dostarczanego do uzwojenia pierwotnego.

W bezdotykowych ładowarkach do urządzeń mobilnych, elektrycznych szczoteczkach do zębów i płytach indukcyjnych stosowane są tylko metody indukcji elektrodynamicznej. Wadą przenoszenia energii w ten sposób jest to, że skuteczne działanie jest bardzo małe. Aby osiągnąć odpowiednią wydajność, nadajnik i odbiornik muszą być umieszczone bardzo blisko siebie, prawie blisko zasady, że mogą skutecznie ze sobą współdziałać.

Aby zwiększyć wydajność metody indukcyjnej, przydatne jest wprowadzenie zjawiska rezonansu elektrycznego do takiego układu, który zwiększy efektywną odległość transmisji. Po dodaniu obwodu oscylacyjnego do obwodu rezonansowego, jego działanie w pewnym stopniu zwiększa efektywną odległość transmisji. Aby nastąpił rezonans, pętle nadajnika i odbiornika muszą być dostrojone do tej samej wspólnej częstotliwości.

Działanie takiego układu można dodatkowo poprawić, korygując przebieg prądu sterującego, odchylając go od impulsu sinusoidalnego do przejściowego niesinusoidalnego.

Impulsowy transfer energii jest następnie przeprowadzany w kilku cyklach, a znacząca moc może być przenoszona w takich warunkach z jednego obwodu LC do drugiego i przy niższym współczynniku sprzężenia niż bez użycia obwodów rezonansowych. Kształty cewek nie zmieniają się, aw każdym razie są to płaskie spirale lub solenoidy jednowarstwowe z podłączonymi do nich kondensatorami, niezbędne do dostrojenia elementu odbiorczego do częstotliwości rezonansowej nadajnika.

Tradycyjnie rezonansowa indukcja elektrodynamiczna jest stosowana w bezprzewodowych ładowarkach do urządzeń mobilnych, takich jak telefony komórkowe i implanty medyczne, a także w pojazdach elektrycznych. Zlokalizowane urządzenia ładujące wykorzystują wybór konkretnej cewki nadajnika z zestawu uzwojeń wielowarstwowych.

W tym przypadku zjawisko rezonansu działa zarówno w obwodzie panelu nadajnika ładowarki, jak i w obwodzie odbiornika modułu ładującego zainstalowanego na urządzeniu ładującym, dzięki czemu wydajność transmisji i odbioru energii jest zmaksymalizowana. Technologia tej konfiguracji jest uniwersalna i może być używana do bezprzewodowego ładowania różnych gadżetów wyposażonych w odpowiednie odbiorniki rezonansowe.

Technika tego planu została przyjęta jako część standardu ładowania bezprzewodowego Qi. Ten standard zapewnia dwie opcje przesyłania energii: niską moc - od 0 do 5 watów i średnią moc - do 10 watów. Standard został opracowany po 2008 r. Przez Wireless Power Consortium (WPC) do indukcyjnego transferu energii do 4 cm.

Sprzęt z obsługą Qi obejmuje nadajnik z płaską cewką (znajduje się za płytką) podłączony do stacjonarnego źródła zasilania oraz kompatybilny odbiornik, który jest zainstalowany wewnątrz urządzenia ładującego (również w postaci płaskiej cewki). P.Podczas korzystania z ładowarki podłączone urządzenie jest umieszczane na płycie nadajnika. W tym przypadku obowiązuje zasada indukcji elektromagnetycznej między tymi dwoma płaskimi cewkami, jak w transformatorze.

Qi jest dziś używana w niektórych urządzeniach: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Yota Devices. Celem konsorcjum jest stworzenie jednego standardu dla technologii ładowania indukcyjnego, aby ładowarki bezprzewodowe stały się znanym atrybutem miejsc publicznych, takich jak kawiarnie, lotniska, areny sportowe itp.

Rezonansowa indukcja elektrodynamiczna służy również do bezpośredniego bezprzewodowego zasilania urządzeń, które nie mają baterii. Należą do nich tagi RFID i zbliżeniowe karty inteligentne. Obowiązuje podobna zasada przesyłania energii elektrycznej. w transformatorze Tesli - od obwodu pierwotnego - induktora - do rezonatora znajdującego się w nim. Sam transformator Tesli służy również jako bezprzewodowy przekaźnik energii, tylko bardziej elektrostatyczny niż elektromagnetyczny.