Yeraltı yer değiştirme ölçüm sensörü dizisi için kablosuz bir güç aktarım cihazının tasarımı
0 Önsöz
Literatürde, derin yeraltının yer değiştirme izlemesi için karşılıklı endüktans mekanizmasına dayalı yer altı yer değiştirme ölçümü için entegre bir sensör önerilmiştir. Metal tellerle seri bağlanmış bağımsız yeraltı deplasman ölçüm birimlerinden oluşur.Ölçüm sırasında, iki bitişik yer altı deplasman ölçüm ünitesinin uzaysal konumundaki göreceli değişiklikler yukarıdan aşağıya doğru ölçülerek Yerden derin yeraltına deformasyon. Yeraltı deplasman ölçüm üniteleri arasındaki güç kaynağı ve iletişimin tamamı metal tellerle bağlıdır Bu bağlantı yöntemi, cihazın sızdırmazlığını etkiler ve kurulum ve nakliye için elverişsizdir. Ayrıca entegre sensörün tamamı uzun süre toprağa gömüldüğünden metal tel dış ortam tarafından aşınacak ve bu da sensörün stabil çalışmamasına neden olacaktır. Fırtına sırasında metal telin iletken etkisinden dolayı yıldırım düşmesi sensöre zarar verir.
Kablolu güç kaynağı sorunlarını çözmek için, bu makale, her bir ölçüm birimine yukarıdan aşağıya kablosuz olarak güç sağlayan yer altı yer değiştirme ve deformasyon ölçüm sensörleri için kablosuz bir güç aktarım cihazı tasarlar. Literatür, kablosuz güç aktarım yöntemlerinin sınıflandırılmasını, her yöntemin avantaj ve dezavantajlarını ve bunların ilgili uygulamalarını tanıtmaktadır. Manyetik Rezonans Kuplajlı Kablosuz Güç Aktarımı (MRC-WPT) teknolojisi, uzun iletim mesafesi ve bobinler arası küçük dislokasyon hassasiyeti özelliklerine sahip olduğu için yer altı deplasman ve deformasyon ölçüm sensörlerinin kablosuz güç aktarım cihazlarında kullanım için çok uygundur. .
Bu makale ilk olarak MRC-WPT'nin çalışma mekanizmasını tanıtır; daha sonra teknolojiyi yeraltı yer değiştirme ölçüm sensör dizisinin kablosuz güç aktarım cihazına uygular, genel bir plan önerir ve her bir modülün devre tasarımını detaylı olarak analiz eder; son olarak cihazın uygulanabilirliğini doğrulamak için gerçek devreyi oluşturur, Ve cihazın iyileştirilmesi için yol gösterici olması için mevcut eksiklikleri ortaya koyun.
1.1 Manyetik bağlantı rezonans kablosuz güç aktarım mekanizması
Kablosuz güç aktarım cihazının tasarımı, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü araştırma grubu tarafından 2007 yılında önerilen MCR-WPT teknolojisine dayanmaktadır. 2 m uzakta 60 W'lık bir ampulü başarıyla yaktılar. Bu metin, MCR-WPT'nin çalışma mekanizmasını tanıtmak için örnek olarak iki sarmallı yapıyı alır ve yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir. Verici uç, uyarma güç kaynağı, güç kaynağı empedansı Zs, dengeleme kondansatörü C1 ve verici bobinden oluşur Alıcı uç, alıcı bobin, dengeleme kapasitör C2 ve alıcı uç yük empedansından oluşur.
Güç kaynağı verici bobine güç sağlar ve frekans, sistem rezonans frekansıdır. Bu sırada verici bobin rezonansa girer. Düşük bir besleme voltajında bile, rezonans nedeniyle daha büyük bir akım üretilebilir ve böylece daha güçlü bir elektromanyetik alan oluşturulabilir. İletici bobindeki kapasitörün elektrik alan enerjisi, rezonans nedeniyle endüktans bobinindeki manyetik alan enerjisi ile sürekli olarak değiş tokuş edilir. Bununla birlikte, verici ucun endüktif bobinindeki manyetik alanın bir kısmı, alıcı ucun endüktif bobinine menteşelenir Değişken manyetik alan, alıcı bobinde bir akımı indükler, böylece enerji alıcı uca aktarılır. Alıcı uçta, kondansatördeki elektrik alan enerjisi ve endüktans bobinindeki manyetik alan enerjisi de rezonans nedeniyle sürekli olarak enerji alışverişinde bulunur ve son olarak yüke enerji aktarır.
1.2 Dizi yapısı devre modelinin analizi
Literatürde dört MCR-WPT topolojik yapısının performansı çalışılmış ve tel yapısının iletim verimliliği ile bobin boyutu ve mesafesi arasındaki ilişki devre perspektifinden analiz edilmiştir. Bu metin, çıkış gücü ve verimlilik ifadelerini türetmek için örnek olarak iki bobinli dizi-serisi bağlantı modelini alır Eşdeğer devre modeli Şekil 2'de gösterilmektedir. Açıklama kolaylığı açısından aşağıdaki analizde, verici ve alıcı cihazların bağlantı kurulduktan sonra kendi kendine rezonans durumuna ulaştığı düşünülmekte, aynı zamanda hattın sadece konsantre parametreleri dikkate alınmakta ve sahte parametrelerin devre üzerindeki etkisi hesaplanmamaktadır.
Kirchhoff'un voltaj yasasına göre, eşdeğer devrenin döngü denklemi elde edilebilir:
U voltaj kaynağı voltajı olduğunda; LS ve LD sırasıyla verici bobinin ve alıcı bobinin endüktanslarıdır; RS ve RD sırasıyla verici bobinin ve alıcı bobinin eşdeğer dirençleridir; RL yük eşdeğer direncidir; CS ve CD sırasıyla verici bobinlerdir Alıcı bobin ucu ile seri olarak kompanzasyon kondansatörü.
1.3 Röle bobini
Bu makalenin amacı, çok sayıda yük ve uzun iletim mesafesinin özelliklerine sahip çok seviyeli bir güç iletim sistemidir. Literatür, iletim mesafesini uzatmak için röle bobinlerini kullanan bir sistemi araştırır ve tasarlar.İki kuplörlü sistem, üç kuplörlü sistem ve dört kuplörlü bir sistemin özelliklerini inceleyerek ve karşılaştırarak, bir veya daha fazla röle bobininin kullanımının iletim mesafesini etkili bir şekilde uzatabileceğine işaret edilir. İletim verimliliğini artırın.
2 Cihaz donanım tasarımı
2.1 Cihaz tasarım prensibi
Bu metin, MCR-WPT teknolojisini yer altı deformasyon ölçüm sensörü dizisinin güç kaynağı uygulamasına uygular Cihaz tasarım prensibi Şekil 3'te gösterilmiştir. Kablosuz güç aktarım cihazı, bir güç iletim düğümünden ve bir yer ana kontrol güç kaynağından oluşur.Mth düğümü, bir metal tel aracılığıyla toprak ana kontrol güç kaynağına bağlanır ve kalan güç aktarım düğümleri arasında kablolu bağlantı yoktur. Elektrik iletilirken, önceki düğümde depolanan elektrik enerjisi, manyetik alan bağlantısının etkisiyle bir sonraki düğüme aktarılır. Bu şekilde, yerin toplam güç kaynağının elektrik enerjisi, yer altı yer değiştirme ölçüm sensör dizisinin tamamı için güç kaynağını gerçekleştirmek üzere her bir düğüme iletilir.
Her güç aktarım düğümü, bir bobin döngüsü, bir mikro denetleyici birimi (MCU), bir alıcı devresi, bir verici devresi, bir anahtar devresi ve bir kablosuz iletişim modülü içerir Yapısal blok diyagram Şekil 4'te gösterilmektedir. MCU, alıcı uç devresine, gönderen uç devresine ve kablosuz iletişim modülüne bağlanır. Kablosuz iletişim modülü tarafından alınan talimatlara göre, tek çipli mikrobilgisayar, bobinin alıcı uç devresine veya gönderici uç devreye veya bunlardan herhangi birine bağlanmamasını sağlamak için anahtarı kontrol eder. Bu nedenle, her bir güç aktarım düğümünün bobini, alma durumu, gönderme durumu ve röle durumu olmak üzere üç çalışma durumuna sahiptir.
2.2 Kablosuz güç aktarım düğümünün alıcı ucunun devre tasarımı
Kablosuz güç aktarım düğümünün alıcı ucunun blok diyagramı Şekil 5'te gösterilmektedir. Alıcı uç devresi, bir doğrultucu filtre devresi, bir enerji depolama devresi ve bir DC-DC dönüştürücü içerir; doğrultucu filtre devresi, bobin tarafından alınan alternatif akımı doğru akıma doğrultmak ve filtrelemek için bir elektrolitik kapasitör ile paralel olarak Schottky diyotları tarafından oluşturulan bir köprü devresinden oluşur. Doğru akım, bir DC-DC dönüştürücü vasıtasıyla MCU çalışmasına uygun bir voltaja dönüştürülür; diğeri, MCU'nun kontrolü altında anahtarlama yoluyla enerji depolama devresine bağlanır ve bobin tarafından alınan enerji, enerji depolama cihazında depolanır.
Enerji depolama devre modülü, sabit bir çıkış voltajına seri olarak iki süper kapasitör şarj edebilen ve herhangi bir süper kapasitörün aşırı gerilim hasarından korumak için iki süper kapasitörün voltajını otomatik olarak dengeleyebilen LTC3625 entegre yongasını kullanır.
Süper kapasitör şarj devresi, Şekil 6'da gösterilmektedir; burada C2 ve C3, 2,7 V'luk bir dayanma gerilimi ve seri olarak 100 F'lik bir kapasitansa sahip iki süper kapasitördür. LTC3625'in Vout piminin çıkış voltajı son voltajın% 92,5'ine ulaştığında, PGOOD pini düşük empedansa değişir ve süper kapasitörün güç durumunu belirtmek için bir çekme direnci aracılığıyla mikro denetleyicinin giriş pimine bağlanır.
2.3 Kablosuz güç aktarım düğümünün verici ucunun devre tasarımı
Kablosuz güç aktarım düğümünün verici ucunun devre blok diyagramı Şekil 7'de gösterilmektedir. Verici uç devresi, bir çevirici devresi, bir frekans modülasyonu sürücü devresi ve bir geri besleme devresi içerir; frekans modülasyonlu sürücü devresinin çıkış ucu, çevirici devresinin giriş ucuna bağlanır ve çevirici devresi, enerji depolama cihazındaki DC gücünü yüksek frekanslı AC gücüne çevirir. Bobin, böylece manyetik alanı uyarır. MCU, frekans modülasyonlu sürücü devresinin çıkışını, geri besleme devresinin sonucuna göre ayarlar, böylece verici uç devresi, optimal veya yetersiz durumda çalışır ve geri besleme bilgisi, yeraltı yer değiştirme sensörünün ölçümü yoluyla elde edilir.
Frekans modülasyonlu sürücü devresi, bir dijitalden analoğa dönüştürme devresi, bir doğrudan dijital sentezleyici (Doğrudan Dijital Sentezleyici, DDS) ve bir karşılaştırıcıdan oluşan Şekil 8'de gösterilmektedir. MCU, karşılaştırıcının referans voltajı olarak ayarlanabilir bir DC voltajı çıkarmak için dijitalden analoğa dönüştürme devresini kontrol eder. Aynı zamanda, MCU, karşılaştırıcının karşılaştırma voltajı olarak ayarlanabilir bir frekans sinüs dalgası çıkarmak için DDS sinyal üretme devresini kontrol eder; invertör devresini belirli bir frekans ve belirli bir görev oranına sahip bir PWM dalgasıyla çalıştırmak için karşılaştırıcıdan iki sinyal çıkar.
DDS, tek çipli mikro bilgisayarın kontrolü altında belirli bir frekansta iki tamamlayıcı sinüs dalgası çıkarabilen ve 3,3 V ile çalıştırıldığında yalnızca 155 mW olan düşük güç tüketimine sahip olan AD9851 entegre çipini seçer. Karşılaştırıcı, TLV3501 entegre yongasını kullanır ve pin SHDN, cihazın güç tüketimini azaltmak için bir kapatma işlevine sahiptir. Ek olarak, bir histerezis karşılaştırma devresi oluşturmak için R3 direnci aracılığıyla pozitif geri besleme verilir. Eşik voltajının ifadesi şöyledir:
VHYST'nin eşik voltajı olduğu yerde; V +, karşılaştırıcının çalışma voltajıdır.
İnvertör devresi, bir güç amplifikatörü ve bir sürücü devresinden oluşur ve devresi Şekil 9'da gösterilmiştir. Devre güç amplifikatörü, tamamen kontrol edilebilir anahtarlama cihazının IRF840 güç MOSFET anahtar tüplerinden Q1 ve Q2'den oluştuğu ve üst ve alt MOS tüplerinin yarım döngü için dönüşümlü olarak açıldığı bir voltaj anahtarı tipi D sınıfı güç amplifikatörü kullanır. Bu nedenle, D sınıfı güç amplifikatörünün çıkış voltajının ifadesi şöyledir:
Formülde, T = 1 / f, f, sistem frekansı ve ayrıca MOS tüpünün anahtarlama frekansıdır; VDSS, MOS tüpünün doygunluk voltaj düşüşüdür.
Aynı zamanda, invertör devresinin çıkış ucu bobin döngüsüne bağlanır.Döngü, endüktans, kapasitans ve eşdeğer direncin seri bağlantısına eşdeğer olabileceğinden, frekans seçici filtreleme işlevine sahiptir, bu nedenle döngüdeki akım bir kosinüs dalgasıdır. Frekansı uyarım sinyalinin temel frekansı olan akım.
Güç sürücüsü, yüksek düzeyde entegrasyona sahip olan ve üst ve alt MOS transistörlerini hızlı yanıt hızıyla çalıştırabilen IR2110 entegre yongasını kullanır.Özellikle üst MOS transistör sürücüsü, güç sağlamak için harici bir önyükleme kapasitör kullanır, bu da sürücü devrelerinin sayısını diğer IC sürücülere kıyasla büyük ölçüde azaltır.
2.4 Kablosuz güç aktarım düğümü için kablosuz iletişim devresinin tasarımı
Kablosuz iletişim devresi, çekirdek ve diğer çevresel devreler olarak CC1101 entegre yongası ile uygulanır. CC1101, SPI arayüzü aracılığıyla MCU'ya bağlanabilir ve veri paketi işleme, veri ara belleğe alma, patlama iletimi, alınan sinyal gücü göstergesi, boşta kanal değerlendirmesi, bağlantı kalitesi göstergesi ve kablosuz uyandırma için kapsamlı donanım desteği sağlayabilir.
3 Sistem yazılım tasarımı
Cihazın tasarım prensibine göre, her bir güç aktarım düğümü üç çalışma durumuna sahiptir: gönderme durumu, alma durumu ve röle durumu. Ve bu makalede incelenen nesne, çok sayıda yük ve uzun iletim mesafesinin özelliklerine sahip çok seviyeli bir güç iletim sistemi olduğu için. Bu nedenle, sistem yazılımının tasarımının kilit noktası, ana kontrol güç kaynağının, her bir düğümün yer altı yer değiştirme ölçüm sensörü dizisinin çalışma gereksinimlerini karşılamak için yeterli güce sahip olmasını sağlamak için her düğümün çalışma durumunu değiştirmek için geri bildirim bilgilerine göre karşılık gelen şarj stratejisini formüle etmesidir. Geri bildirim bilgisi temel olarak güç aktarım düğümünün mevcut çalışma durumunu, enerji depolama cihazının kalan gücünü ve yeraltı yer değiştirme sensörünün çalışma durumunu içerir. Program akış şeması Şekil 10'da gösterildiği gibidir.
4 deney
Deney esas olarak iki bölüme ayrılmıştır: biri, farklı tel çaplarına, farklı dönüş sayılarına ve farklı yapılara sahip bobinleri sarmak için mevcut bobin bobinini kullanmak ve iletim özelliklerini ölçmek için bir ağ analizörü kullanmak; diğeri ise kablosuz güç iletimini test etmek için bobinleri düğüm devresine bağlamaktır. Cihaz performansı.
4.1 Bobin iletim karakteristik testi
Deneyde, sırasıyla 2 mm ve 1,85 mm çaplarında farklı kalınlıklarda iki tel seçildi. Kullanılan bobin bobini 72 mm çapında ve 80 mm yüksekliğinde plastik bir silindirdir.
Deney sırasında, 4 farklı bobin sarıldı. Bobin 1, iskelet üzerine 2 mm'lik bir çok telli tel tabakası ile eşit şekilde sarıldı; bobin 2, iskelet üzerine 1,85 mm'lik bir çok telli tel tabakası ile eşit olarak sarıldı; bobin 3, 1,85'di İskelete iki kat halinde mm'lik teller sarılır, birinci katman eşit ve yoğun olarak sarılır, ikinci katman ise bobinin her iki ucunda 10 tur ile eşit ve yoğun olarak sarılır; bobin 4, iskelet üzerine iki kat halinde 1,85 mm'lik iplerle sarılır. Bir katman eşit ve yoğun bir şekilde sarılır ve ikinci katman, bobinin ortasında eşit ve yoğun bir şekilde 10 tur sarılır. Bobinin parametreleri Tablo 1'de gösterilmektedir.
İki bobini ağ analizörü E5063A'nın port 1 ve port 2'ye bağlayın ve S12 parametrelerini ölçün.Sonuç Şekil 11'de gösterilmektedir.
Şekil 11'den mesafe arttıkça bobinin optimal S12'sinin azaldığı görülebilir. Ek olarak, farklı mesafelerdeki bobin 3'ün en iyi S12 parametreleri diğer bobinlerden çok daha iyidir ve iletim özellikleri en iyisidir. Bobin 1 ve Bobin 2'yi karşılaştırarak, tel çapı benzer olduğunda, bobinin iletim performansındaki iyileşmenin özellikle belirgin olmadığı görülebilir.
4.2 Kablosuz güç aktarım cihazının performans testi
Bobini 2 düğüm devresine bağlayın, deney platformu üç koordinatlı bir mobil platform benimser, bir düğüm yatay düzlemde sabitlenir ve diğer düğüm üç koordinatlı platformun sabit cihazına bağlanır.Deneysel test platformu Şekil 12'de gösterildiği gibi kurulur.
Deneyde gerçek yükü simüle etmek için 3.6 kullanılmış ve direncin her iki ucundaki güç ölçülerek farklı mesafelerdeki iki düğümün çıkış gücü sürüş frekansı ile değiştirilmiştir.Deneysel sonuçlar Şekil 13'te gösterilmiştir.
Şekil 13'ten görülebileceği gibi, iki düğüm arasındaki mesafenin sabit olması koşuluyla, uyarma frekansı arttıkça, çıkış gücü önce artar ve sonra azalır; uyarma frekansı, bobin 2'nin kendi kendine rezonant frekansı olduğunda, iki düğüm olarak Mesafe arttıkça çıkış gücü önce artar, sonra azalır. Bu nedenle, fiili işlemde, bobinin uyarma frekansı, yeraltı yer değiştirme sensörünün geri besleme sonucuna göre ayarlanır, böylece cihaz, optimum veya yetersiz durumda çalışır.
5. Sonuç
Bu belgede tasarlanan kablosuz güç aktarım cihazı, bir ana kontrol güç kaynağı ve çoklu kablosuz güç aktarım düğümleri içerir Her düğüm, bir bobin döngüsü, bir mikro kontrol birimi, bir alıcı devresi, bir verici devresi, bir anahtar devresi ve bir kablosuz iletişim modülü içerir. Deney, iki düğüm durumunda kablosuz güç aktarım cihazının şarj durumunu test etti ve sonuç, şarjın kararlı olduğunu gösterdi. Bununla birlikte, daha fazla düğüm için kablosuz güç aktarımının hala iyileştirilmesi ve şarj verimliliğinin iyileştirilmesi gerekmektedir.
Referanslar
Li Qing, Li Xiong, Shi Ge. Karşılıklı endüktans ve kendi kendine endüktans mekanizmasına dayalı derin yeraltı deplasmanı için ölçüm yöntemi ve sensör: Çin, ZL200610052816.4
.2008-06-25.
Li Qing, Li Xiong, Shi Ge. Yeraltı yer değiştirme ölçüm yöntemi ve yer altı yer değiştirme ölçüm sensörüne dayalı cihaz: Çin, ZL200810163147.7
.2009-05-20.
Zhao Zhengming, Zhang Yiming, Chen Kainan.Manyetik kuplaj rezonans kablosuz güç aktarım teknolojisinin yeni gelişimi.Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2013 (3): 1-13, 21.
Chen Wenxian, Chen Qianhong. Rezonant Kablosuz Güç İletim Teknolojisinin Araştırma İlerlemesi ve Uygulamasına Genel Bakış. Yeni Elektrik Mühendisliği ve Enerjisi Teknolojisi, 2016 (9): 35-47.
KURS A, KARALIS A, MOFFATT R, ve diğerleri.Güçlü bir şekilde bağlanmış manyetik rezonanslar yoluyla kablosuz güç aktarımı. Science, 2007, 317 (5834): 83.
Tian Zijian, Du Xinxin, Fan Jing ve diğerleri.Manyetik Kuplaj Rezonans Kablosuz İletim Sisteminin Farklı Topolojik Yapılarının Analizi.Elektrik Mühendisliği Dergisi, 2015 (6): 47-57.
Fu Wenzhen, Zhang Bo, Qiu Dongyuan ve diğerleri.Kendinden rezonant bobin bağlantısı ile kablosuz güç iletiminin maksimum verimliliğinin analizi ve tasarımı.Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2009 (18): 21-26.
ZHANG F, HACKWORTH S A, FU W, vd.Güçlü birleştirilmiş manyetik rezonanslar kullanarak kablosuz güç aktarımının röle etkisi.IEEE İşlemleri Manyetikler, 2011, 47 (5): 1478-1481.
TI.TLV3501 Veri Sayfası. (2015-04-17) .http: //www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/tlv3501.pdf.
Hu Changyang. Sınıf D ve Sınıf E anahtar modlu güç amplifikatörleri Beijing: Higher Education Press, 1985.
yazar bilgileri:
Wu Yi, Li Qing, Shi Ge
(Makine ve Elektrik Mühendisliği Okulu, Çin Jiliang Üniversitesi, Hangzhou, Zhejiang 310018)
