Indukčný prenos energie (IPE) je veľmi rýchlo sa rozvíjajúca technológia v rôznych vyhotoveniach a praktických implementáciách od nabíjania telefónov a počítačov po bionické systémy, nabíjačky pre elektrické automobily a nepretržitý prenos energie v technologických linkách.
Myšlienka bezdotykového prenosu energie pomocou elektrického, magnetického alebo elektromagnetického poľa sa objavila už v ranom štádiu praktického využitia elektrickej energie. Priekopníkom v tejto oblasti bol Nikola Tesla, ktorý vynašiel a demonštroval systémy na prenos energie (1888 – 1890) s využitím elektrického poľa a, čo bolo ešte dôležitejšie, rezonančnú indukčnú väzbu na krátku vzdialenosť [1], [2]. Druhý spomínaný princíp sa vo veľkej miere používa aj v súčasnosti, napr. v systémoch prenosu energie v rámci štandardu Qi, pasívnych RFID značkách a bezkontaktných čipových kartách. Stojí aj za novšími bezdrôtovými systémami prenosu energie s dosahom do dvoch metrov, ako je napr. WiTricity [3].
Základný princíp
Základný princíp induktívne spojeného systému na prenos energie je znázornený na obr. 1. Pozostáva z vysielacej cievky L1 a prijímacej cievky L2. Obidve cievky tvoria systém magneticky viazaných induktorov. Striedavý prúd v cievke vysielača generuje magnetické pole, ktoré indukuje napätie v cievke prijímača. Toto napätie možno použiť na napájanie mobilného zariadenia alebo nabíjanie batérie.
Účinnosť prenosu energie závisí od väzby (k) medzi induktormi a ich kvalitou (Q). Vlastnosti indukčnej väzby sú určené vzdialenosťou medzi induktormi (z), pomerom D2/D, tvarom cievok a uhlom medzi nimi.
V súčasnosti sa používanie IPE systémov rozšírilo na obytné a komunikačné zariadenia, elektrické vozidlá, letecký či biomedicínsky priemysel, ako aj na aplikácie v oblasti robotiky a vysokorýchlostných technológií. Frekvencia používaná v týchto systémoch sa pohybuje od niekoľkých kHz do niekoľkých MHz a výkon od niekoľkých mW do niekoľkých desiatok kW a viac.
Z hľadiska elektrických zákonitostí sú IPE zariadenie vo svojej podstate transformátorom, ktorý prenáša elektrickú energiu z primárneho bloku na sekundárny prostredníctvom magnetickej väzby. Používanie IPE eliminuje problémy spôsobené elektrickými kontaktmi (priestor, iskrenie, vznik elektrických oblúkov, opotrebovanie, korózia). Rozdiel medzi IPE a normálnymi transformátormi spočíva v tom, že najmenej jedna časť zariadenia sa pohybuje lineárne, rotáciou alebo iným spôsobom, a preto nie je magnetický obvod úplne uzavretý. Pohyb môže byť pomerne rýchly, a to až do 40 000 otáčok za minútu, v lineárnych zariadeniach až 20 m/s či viac.
Hlavné výhody systémov IPE:
- nie sú potrebné zásuvky, káble a pohyblivé kontakty;
- vyššia úroveň bezpečnosti v dôsledku neprítomnosti exponovaných častí pod napätím a „voľných“ vodičov alebo káblov;
- galvanické oddelenie napájania živých častí zdroja a častí záťaže;
- vysoká spoľahlivosť v porovnaní s posuvnými kontaktmi;
- nižšie požiadavky na údržbu a servis;
- používateľská prívetivosť, najmä pri elektronických a nízko výkonových zariadeniach.
Tieto výhody systémov IPE sú veľmi dôležité pri zvyšovaní atraktívnosti, záujmu a akceptácie spotrebiteľov, čo vedie k zvýšenému dopytu po tejto technológii.
Existujú samozrejme aj určité obmedzenia IPE:
- vyššia cena ako pri káblovom/kontaktnom prenose energie;
- citlivosť na vzájomné umiestnenie primárnych a sekundárnych častí (vysielača a prijímača);
- nižšia účinnosť v dôsledku dodatočných strát v zariadení IPE, najmä ak je veľkosť prijímacej časti podstatne menšia ako vysielacia časť a „spojovacia medzera“ nie je malá.
V závislosti od aplikácie môžu mať IPE rôzne vyhotovenie a môžu byť priradené rôznym skupinám (obr. 2).
Systémy IPE používané v technologických prevádzkach
Technologické systémy IPE majú v porovnaní so systémami na nabíjanie malých prenosných zariadení, resp. automobilových batérií niekoľko konkrétnych funkcií:
- menej stupňov voľnosti, zvyčajne jeden alebo dva (k dispozícii je celkovo až šesť stupňov voľnosti – osi X, Y, Z a tri Eulerove uhly, pozn. red.);
- vysokovýkonné cykly až do 100 %, čo vyžaduje presnú analýzu IPE a súvisiacej teploty zariadenia;
- veľké množstvo sekundárnych záťaží, od motorov a pohonov po odporové alebo indukčné ohrievače alebo ultrazvukové nástroje s komplexným ekvivalentným elektrickým obvodom;
- dopyt po vysokej stabilite a opakovateľnosti parametrov;
- vo väčšine prípadov neexistuje žiadne špeciálne spätnoväzbové spojenie a jediný spôsob, ako riadiť parametre zaťaženia, je analýza vstupných parametrov IPE;
- medzery medzi primárnymi a sekundárnymi blokmi sú zvyčajne malé (milimetre alebo menej), čo umožňuje navrhnúť veľmi efektívne zariadenia;
- špeciálne prostredie (výbušné, agresívne, vákuum, pod vodou, čisté alebo aseptické).
Technologické aplikácie vyžadujú prenos pomerne vysokého výkonu, zo stoviek wattov na desiatky alebo dokonca stovky kilowattov. Stabilita a vysoká účinnosť sú hlavnými požiadavkami na systémy IPE používané v technologických aplikáciách, čo vyžaduje starostlivý návrh a výber komponentov a pokročilý systém riadenia. Aby sa zvýšila účinnosť a zabezpečilo lepšie prispôsobenie a riadenie, v niektorých prípadoch je rozumné a možné nainštalovať na sekundárnu stranu ďalšie komponenty, zvyčajne kondenzátory.
Pre aplikácie v priemysle bola navrhnutá a použitá široká škála lineárnych a rotujúcich systémov. V nasledujúcej časti sú uvedené niektoré príklady technologických aplikácií.
Čistá automatizácia výroby – systémy IPE sa používajú v továrňach na automatickú výrobu plochých panelových displejov, počítačových CPU a ďalších integrovaných obvodov (IC) pri dodržaní prísnych hygienických podmienok.
Dynamické a statické nabíjanie batérií priemyselných prepravných jednotiek, tzv. inteligentných dopravných zariadení – v tejto aplikácii systémy IPE obvykle dodávajú až 5 kW energie na každú jednotku pri relatívne malej a takmer konštantnej vzdialenosti niekoľko milimetrov. Kvôli riadenej trajektórii pohybu sú zvyčajne bočné odklony malé. Autonómne vozíky sa používajú na prepravu a skladovanie vrátane liniek na výrobu automobilov, napr. v montážnych linkách motorov a prevodoviek.
Prenos energie v high-tech automatizovaných systémoch – v tomto prípade vysokorýchlostné IPE systémy prenášajú energiu na lineárne alebo rotačné pohyblivé zariadenie. Záťaž pripojená k IPE môže mať impedanciu R-L (vysokofrekvenčný induktor alebo motor) alebo R-L-C.
Indukčný ohrev – pri nerotačnom indukčnom zahrievaní kľukových a vačkových hriadeľov sú bežným problémom nespoľahlivé elektrické kontakty medzi dvoma časťami indukčnej cievky. Alternatívne môže byť indukčná cievka vyrobená z dvoch častí na súčasné zahrievanie dvoch kľúk alebo vačiek. „Stacionárna“ časť je pripojená k zdroju energie, druhá časť je „pohyblivá“ a spojená s primárnou časťou pomocou magnetického väzobného člena. Spojenie má veľmi malú medzeru, vysokú magnetickú vodivosť materiálov a indukovaný prúd v „pasívnej“ časti cievky je takmer rovnaký ako primárny prúd.
Pozrite si aj riešenia niektorých výrobcov v oblasti indukčného prenosu energie:
- Vahle https://www.vahleinc.com/contactless-power-supply.html
- SEW https://www.sew-eurodrive.de/products/energy_transfer_power_supply/contactless_energy_transfer_system_movitrans/contactless_energy_transfer_system_movitrans.html
Literatúra
[1] Lu, X. – Wang, P. – Niyato, D. – Kim, D. – Han, Z.: Wireless Charging Technologies: Fundamentals, Standards, and Network Applications. In: IEEE Communications Surveys and Tutorials, arXiv: 1509.00940v2, 14 November 2015.
[2] Pudur, R.: Wireless Power Transmission: A survey. Recent Advances and Innovations Engineering (ICRAIE) 2014. ISBN 978 14799 4041 7.
[4] Donati, A. – Madzharov, N. – Melandri, A. – Sighinolfi, F.: Induction sealing device for producing portable food pachkages. Patent No US 8, 286, 406, B2 Otc 16, 2012.
[5] van Wageningen, D. – Waffenschmidt, E.: Basic Principle of Inductive Power Transmission, Philips Research. [online]. Dostupné na: https://www.wirelesspowerconsortium.com/knowledge-base/magnetic-induction-technology/how-it-works/basic-principle-of-inductive-power-transmission.html.
[6] Ryu, M. – Park, Y. – Cha, H. – Back, J.: Analysis of the contactless power transfer system using modelling and analysis of the contactless transformer. Conference Industrial Electronics Society, 2005. IECON 2005. 31st Annual Conference of IEEE.
[7] Klontz, K. W. – Divan, D. M. – Novotny, D. W. – Lorenz, R. D.: Contactless Power Delivery System for Mining Applications. In: IEEE Transactions on Industry Applications, 1995, Vol. 31, Iss. 1.
[8] Madzharov, N. D. – Nemkov, V. S.: Technological inductive power transfer systems. In: Journal of electrical engineering, 2017, Vol. 68, No. 3, p. 235 – 244.