Mètode d’inducció electromagnètica en transferència d’energia sense fils

Un mètode de transmissió d’energia elèctrica a distància sense utilitzar un medi conductor s’anomena transmissió sense fils d’electricitat. Al 2011, es van realitzar diversos experiments amb èxit a la gamma de microones amb capacitats de diverses desenes de quilowatts, mentre que l'eficiència va ser del 40%.

Això va passar per primera vegada el 1975 a Califòrnia i per segona vegada el 1997 a Reunion Island. La distància més llarga era d’aproximadament un quilòmetre, es va realitzar un experiment per estudiar les possibilitats d’estalvi d’energia d’un poble sense utilitzar un cable tradicional.

Tecnològicament, els principis de transmissió d’energia elèctrica a distància inclouen, segons la distància de transmissió, els següents. A distàncies curtes a potències baixes - mètodes d’inducció i ressonància, com ara en etiquetes RFID i targetes intel·ligents. A grans distàncies i a altes potències: el mètode de la radiació electromagnètica direccional que oscil·la entre la UV i el microones.

Analitzem de prop el mètode d’inducció. La transmissió sense fil d’energia mitjançant inducció electromagnètica implica l’ús del camp electromagnètic proper a distàncies proporcionals amb el 17% de la longitud d’ona. La conclusió és que l’energia del camp proper no s’irradia per si mateixa, només hi ha petites radiacions i pèrdues resistives.

La inducció electrodinàmica funciona així. Quan un corrent elèctric altern passa pel bobinat primari, hi ha un camp magnètic alternatiu al seu voltant, que actua simultàniament sobre el bobinat secundari, induint un EMF variable i, en conseqüència, un corrent altern.

Per obtenir una eficiència més elevada, la posició relativa dels enrotllaments primaris i secundaris hauria de ser prou propera. Si, en condicions experimentals, la bobinada secundària comença a allunyar-se de la primària, la part del camp magnètic que arriba al bobinat secundari i es creua els seus girs es farà més petita.

A mesura que s’elimina el bobinatge secundari, fins i tot a petita distància, l’acoblament d’inducció entre els enrotllaments esdevindrà tan petit que la major part de l’energia transmesa pel camp magnètic es consumirà extremadament ineficient i generalment en va.

Es presenta un sistema similar en la seva forma més simple. en un transformador elèctric clàssic. Al cap i a la fi, un transformador és el dispositiu més senzill per a la transmissió d'energia sense fils, ja que els seus bobinats primaris i secundaris no estan connectats galvànicament entre ells. La transferència d’energia del primari al secundari s’implementa en ella mitjançant un procés anomenat inducció mútua. La funció principal del transformador és augmentar o disminuir la tensió subministrada al bobinat primari.

En carregadors sense contacte per a equips mòbils, per a raspalls de dents elèctrics i en fogons d’inducció, només s’implementen mètodes d’inducció electrodinàmica. L’inconvenient de transferir energia d’aquesta manera és que l’acció efectiva és molt petita. Per aconseguir una eficiència adequada, l’emissor i el receptor s’han de situar molt, molt a prop l’un de l’altre, gairebé a prop del principi que poden interactuar de manera efectiva entre ells.

Per augmentar l’eficiència del mètode d’inducció, és útil introduir el fenomen de ressonància elèctrica en un sistema d’aquest tipus, que augmentarà la distància de transmissió efectiva. Amb l’addició d’un circuit oscil·lador al circuit ressonant, augmenta fins a cert punt la distància de transmissió efectiva. Perquè es produeixi ressonància, els bucles del transmissor i del receptor s’han d’ajustar a la mateixa freqüència comuna.

Es pot millorar encara més el rendiment d’aquest sistema corregint la forma d’ona del corrent de control, desviant-la d’un sinusoïdal a un de polsació no sinusoïdal de transició.

La transferència d’energia del pols es realitza en diversos cicles i es pot transferir una potència significativa en aquestes condicions d’un circuit LC a un altre, i amb un coeficient d’acoblament inferior que sense utilitzar circuits ressonants. Les formes de les bobines no canvien, i en tot cas són espirals planes o solenoides monocapa amb condensadors connectats a ells, necessaris per ajustar l’element receptor a la freqüència de ressonància del transmissor.

La inducció electrodinàmica de ressonància s'utilitza tradicionalment en carregadors de bateries sense fils de dispositius mòbils, com telèfons mòbils i implants mèdics, així com en vehicles elèctrics. Els dispositius de càrrega localitzats utilitzen la selecció d’una bobina d’emissora específica a partir d’un conjunt de bobinatges multicapa.

En aquest cas, el fenomen de ressonància funciona tant en el circuit del quadre transmissor del carregador com en el circuit receptor del mòdul de càrrega instal·lat al dispositiu de recàrrega, de manera que es maximitza l’eficiència de transmissió i recepció d’energia. La tecnologia d'aquesta configuració és universal i es pot utilitzar per carregar sense fil diversos dispositius equipats amb receptors ressonants adequats.

La tècnica d’aquest pla s’adopta com a part de l’estàndard de càrrega sense fils de Qi. Aquesta norma proporciona dues opcions per a la transferència d’energia: baixa potència - de 0 a 5 watts i potència mitjana - fins a 10 watts. L’estàndard va ser desenvolupat després del 2008 pel Wireless Power Consortium (WPC) per a la transferència d’energia per inducció de fins a 4 cm.

Els equips amb suport Qi inclouen un transmissor amb una bobina plana (que es troba al darrere de la placa) connectat a una font d’energia estacionària i un receptor compatible que s’instal·la dins del dispositiu de càrrega (també en forma de bobina plana). PàgQuan s'utilitza el carregador, el dispositiu connectat es col·loca a la placa emissora. En aquest cas, s’aplica el principi d’inducció electromagnètica entre aquestes dues bobines planes, com en un transformador.

El Qi s’utilitza avui en alguns dispositius: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, dispositius Yota. L’objectiu del consorci és crear un estàndard únic per a la tecnologia de recàrrega per inducció que faci que els carregadors sense fil siguin un atribut familiar de llocs públics, com ara cafès, aeroports, arenes esportives, etc.

La inducció electrodinàmica de ressonància també s'utilitza per alimentar directament els dispositius que no tenen bateries al seu interior. Aquests inclouen etiquetes RFID i targetes intel·ligents sense contacte. S'aplica un principi similar per a la transferència d'energia elèctrica. en transformador Tesla - des del circuit primari - l’inductor - fins al ressonador situat al seu interior. El transformador Tesla, a més, també serveix com a transmissor d’energia sense fils, només més electrostàtic que l’electromagnètic.