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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/29382| Título: | Transferência de energia sem fio por indução eletromagnética - IPT: contribuições para a maximização do rendimento |
| Título(s) alternativo(s): | Inductive power transfer - IPT: contributions to maximize efficiency |
| Autor(es): | Scortegagna, Renato Gregolon |
| Orientador(es): | Gules, Roger |
| Palavras-chave: | Energia - Transferência Indução eletromagnética Circuitos elétricos Bobinas Modelos matemáticos Simulação (Computadores) Conversores de corrente elétrica Energy transfer Electromagnetic induction Electric circuit Electric coils Mathematical models Computer simulation Electric current converters |
| Data do documento: | 4-Jul-2022 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | SCORTEGAGNA, Renato Gregolon. Transferência de energia sem fio por indução eletromagnética - IPT: contribuições para a maximização do rendimento. 2022. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022. |
| Resumo: | Com a crescente demanda por dispositivos móveis, robôs, drones e veículos elétricos, a transferência de energia sem contato elétrico para recarga das baterias desses dispositivos é tema atual de pesquisa em nível global. No presente trabalho, é abordada a transferência de energia sem fio por meio da indução eletromagnética (IPT) com proposição de técnicas que visam o aumento de rendimento. Nesse contexto, foi construído um protótipo IPT ressonante Série-Paralelo com potência nominal de 100 W. Quando utilizado o método iterativo de projeto proposto, na distância de 1 cm, o rendimento global medido foi de 94%, um aumento de 2,9%, em comparação aos métodos de especificação dos capacitores por equacionamento. Nessa perspectiva, é proposta uma nova topologia de retificador dobrador de corrente síncrono com autocomando que não requer processamento ou qualquer instrumentação para se manter sincronizado com o circuito ressonante, podendo ser usado em MOSFETs de silício ou SiC que suportem tensão simétrica de comando. A verificação experimental da retificação síncrona alcançou o rendimento global máximo de 94,8%. Como proposta de aplicação em uma estação remota de recargas de UAVs, o protótipo do sistema IPT foi integrado a uma bateria e um módulo fotovoltaico por meio um conversor Three-Port, cuja operação foi dividida em Modo 1, Modo 2 e Modo 3. No Modo 1, a energia é transferida da bateria para o sistema IPT por modulação phase-shift sob frequência constante. O controle dos parâmetros da carga do sistema IPT é realizado a partir da potência de entrada e da tensão de carga, realimentada por meio de comunicação sem fio. Na transferência de energia do módulo fotovoltaico para a bateria, Modo 2, o conversor full-bridge opera como um boost paralelo utilizando a técnica ZVRT (Zero-Voltage Resonant-Transition) com frequência variável, obtendo comutação ZVS em todos os interruptores e rendimento de 96,25% na máxima potência. O Modo 3 compreende a transferência simultânea de energia entre as três portas. O conversor controla o sistema IPT por modulação phase-shift sob frequência constante, enquanto o fluxo de energia entre o módulo fotovoltaico e a bateria é controlado pela razão cíclica da modulação PWM. Para ocorrer comutação suave nos interruptores, foi adicionado um indutor auxiliar entre os braços do conversor e utilizado controle assimétrico de corrente nos indutores boost. A utilização desta técnica de controle permitiu a operação de ambos os braços do conversor sob o mesmo limite de comutação suave, além do aumento do indutor auxiliar em cerca de quatro vezes e da diminuição de perdas por condução. Os ensaios experimentais do conversor Three-Port em condições nominais de operação resultaram em rendimento global de 92,2%, no modo DISO (Double Input Single Output), e de 93,7%, no modo SIDO (Single Input Double Output). |
| Abstract: | With the growing demand for mobile devices, robots, drones, and electric vehicles, the recharge of the batteries of these devices with wireless power transfer is a current topic of research at a global level. This work is approached techniques that aim to increase the efficiency of the inductive power transfer (IPT). In this context, a series-parallel resonant IPT prototype was built with 100 W of nominal power. At 1 cm distance, using the proposed iterative design tuning method, the overall measured efficiency was 94%, an increase of 2.9% compared to the capacitor specification methods by equation. A novel self-driving circuit for a current-doubler synchronous rectifier is proposed using only auxiliary windings in the existent rectifier output filter inductors to drive active switches. It does not require any processing, analog circuits, gate driver circuits, or current measurement to keep itself synchronized with the resonant circuit and may be used in Si or SiC MOSFETs that support symmetrical command voltage. Experimental verification of synchronous rectifier reached the maximum overall efficiency of 94.8%. As a proposal for application in a remote UAV charging station, the prototype of the IPT system was integrated with a battery and a photovoltaic module through a Three-Port converter, whose operation was divided into Mode 1, Mode 2, and 3 Mode. In the Mode 1, power is transferred from the battery to the IPT system by phase-shift modulation under constant frequency. The IPT system load parameters control is performed from the input power, and the load voltage is feedback through wireless communication. In the power transfer from the PV module to the battery, Mode 2, the full-bridge converter operates as a parallel boost using the ZVRT technique (Zero-Voltage Resonant-Transition) with frequency modulation, obtaining soft-switching and efficiency of 96.25% at maximum power. The 3 Mode comprises the simultaneous power transfer between the three ports. The IPT system is controlled by phase-shift modulation under constant frequency. In contrast, the power flow between the PV module and the battery is controlled by the duty cycle of PWM modulation. An auxiliary inductor was added between the converter arms for soft-switching and was used asymmetrical current control in the boost inductors. This control technique allowed the operation of both converter arms under the same soft-switching threshold. It increased the auxiliary inductor by about four times and reduced conduction losses. Experimental results of the Three-Port converter under nominal power resulted in an overall efficiency of 92.2% in DISO mode (Double Input Single Output), and of 93.7%, in SIDO mode (Single Input Double Output). |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/29382 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial |
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