Método de indução eletromagnética na transferência de energia sem fio

Um método de transmissão de energia elétrica à distância sem o uso de um meio condutor é chamado transmissão sem fio de eletricidade. Em 2011, várias experiências bem-sucedidas foram realizadas na faixa de microondas com capacidades de várias dezenas de quilowatts, enquanto a eficiência foi de cerca de 40%.

Isso aconteceu primeiro em 1975 na Califórnia e pela segunda vez em 1997 na Ilha da Reunião. A distância mais longa era de cerca de um quilômetro, um experimento foi realizado para estudar as possibilidades de economia de energia de uma vila sem o uso de um cabo tradicional.

Tecnologicamente, os princípios da transmissão de energia elétrica a distância incluem, dependendo da distância de transmissão, o seguinte. A curtas distâncias a baixas potências - métodos de indução e ressonância, como em etiquetas RFID e cartões inteligentes. A grandes distâncias e a altas potências - o método de radiação eletromagnética direcional na faixa de UV a microondas.

Vamos dar uma olhada no método de indução. A transmissão sem fio de energia por indução eletromagnética implica o uso do campo eletromagnético próximo a distâncias proporcionais a 17% do comprimento de onda. O ponto principal é que a energia do campo próximo não está irradiando em si mesma, existem apenas pequenas radiações e perdas resistivas.

A indução eletrodinâmica funciona assim. Quando uma corrente elétrica alternada passa pelo enrolamento primário, há um campo magnético alternado ao seu redor, que atua simultaneamente no enrolamento secundário, induzindo uma EMF variável e, consequentemente, corrente alternada.

Para obter maior eficiência, a posição relativa dos enrolamentos primário e secundário deve estar próxima o suficiente. Se, em condições experimentais, o enrolamento secundário começar a se afastar do primário, a parte do campo magnético que atingir o enrolamento secundário e cruzar suas voltas ficará menor.

À medida que o enrolamento secundário é removido, mesmo a uma pequena distância, o acoplamento de indução entre os enrolamentos acaba se tornando tão pequeno que a maior parte da energia transmitida pelo campo magnético será consumida de maneira extremamente ineficiente e geralmente em vão.

Um sistema semelhante é apresentado em sua forma mais simples. em um transformador elétrico clássico. Afinal, um transformador é o dispositivo mais simples para transmissão de energia sem fio, pois seus enrolamentos primário e secundário não são galvanicamente conectados. A transferência de energia do primário para o secundário é implementada nele através de um processo chamado indução mútua. A principal função do transformador é aumentar ou diminuir a tensão fornecida ao enrolamento primário.

Em carregadores sem contato para equipamentos móveis, escovas de dentes elétricas e em placas de indução, apenas métodos de indução eletrodinâmica são implementados. A desvantagem de transferir energia dessa maneira é que a ação efetiva é muito pequena. Para obter eficiência adequada, o transmissor e o receptor devem estar muito, muito próximos um do outro, quase perto do princípio de que eles podem interagir efetivamente entre si.

Para aumentar a eficiência do método de indução, é útil introduzir o fenômeno de ressonância elétrica em um sistema desse tipo, o que aumentará a distância efetiva de transmissão. Com a adição de um circuito oscilatório ao circuito ressonante, por sua ação, até certo ponto, aumenta a distância efetiva de transmissão. Para que ocorra ressonância, os loops do transmissor e do receptor devem ser sintonizados na mesma frequência comum.

O desempenho desse sistema pode ser melhorado ainda mais, corrigindo a forma de onda da corrente de controle, desviando-a de uma pulsada sinusoidal para uma não-sinusoidal de transição.

A transferência de energia de pulso é realizada em vários ciclos, e uma potência significativa pode ser transferida sob tais condições de um circuito LC para outro e com um coeficiente de acoplamento mais baixo do que sem o uso de circuitos ressonantes. As formas das bobinas não mudam e, em qualquer caso, são espirais planas ou solenóides de camada única com capacitores conectados a elas, necessárias para sintonizar o elemento receptor com a frequência ressonante do transmissor.

Tradicionalmente, a indução eletrodinâmica ressonante é usada em carregadores de bateria sem fio de dispositivos móveis, como telefones celulares e implantes médicos, bem como em veículos elétricos. Os dispositivos de carregamento localizados usam a seleção de uma bobina de transmissor específica de um conjunto de enrolamentos multicamadas.

Nesse caso, o fenômeno de ressonância funciona tanto no circuito do painel transmissor do carregador quanto no circuito receptor do módulo de carregamento instalado no dispositivo de carregamento, para que a eficiência da transmissão e recepção de energia seja maximizada. A tecnologia dessa configuração é universal e pode ser usada para carregar sem fio vários dispositivos equipados com receptores ressonantes apropriados.

A técnica deste plano é adotada como parte do padrão de carregamento sem fio Qi. Esse padrão oferece duas opções para transferência de energia: baixa potência - de 0 a 5 watts e média - até 10 watts. O padrão foi desenvolvido após 2008 pelo Wireless Power Consortium (WPC) para transferência de energia por indução de até 4 cm.

O equipamento com suporte a Qi inclui um transmissor com uma bobina plana (localizada atrás da placa), conectado a uma fonte de energia estacionária e um receptor compatível instalado dentro do dispositivo de carregamento (também na forma de uma bobina plana). PAo usar o carregador, o dispositivo conectado é colocado na placa do transmissor. Nesse caso, aplica-se o princípio de indução eletromagnética entre essas duas bobinas planas, como em um transformador.

O Qi é usado hoje em alguns dispositivos: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Yota Devices. O objetivo do consórcio é criar um padrão único para a tecnologia de carregamento por indução, para tornar os carregadores sem fio um atributo familiar de locais públicos, como cafés, aeroportos, arenas esportivas etc.

A indução eletrodinâmica por ressonância também é usada para alimentar diretamente dispositivos sem fio que não possuem baterias no interior. Isso inclui etiquetas RFID e cartões inteligentes sem contato. Um princípio semelhante para a transferência de energia elétrica é válido. no transformador de Tesla - do circuito primário - o indutor - para o ressonador localizado dentro dele. O próprio transformador Tesla, por sua vez, também serve como transmissor de energia sem fio, apenas mais eletrostático que eletromagnético.