Метод на електромагнитна индукция при безжичен пренос на енергия

Метод за предаване на електрическа енергия на разстояние без използване на проводяща среда се нарича безжично предаване на електричество. До 2011 г. бяха проведени няколко успешни експеримента в микровълновата гама с капацитет от няколко десетки киловата, докато ефективността беше около 40%.

Това се случва първо през 1975 г. в Калифорния и втори път през 1997 г. на остров Реюнион. Най-голямото разстояние беше около един километър, беше проведен експеримент за проучване на възможностите за пестене на енергия в едно село, без да се използва традиционен кабел.

В технологичен план принципите за предаване на електрическа енергия на разстояние включват, в зависимост от разстоянието на предаване, следните. На къси разстояния при ниски мощности - индукционни и резонансни методи, като например в RFID тагове и интелигентни карти. На големи разстояния и при големи мощности - методът на насочено електромагнитно излъчване в диапазона от UV до микровълновата.

Нека разгледаме по-подробно метода на индукция. Безжичното предаване на енергия чрез електромагнитна индукция предполага използването на близкото електромагнитно поле на разстояния, съизмерими със 17% от дължината на вълната. Долната линия е, че енергията на близкото поле не се излъчва сама по себе си, има само малки радиационни и резистивни загуби.

Електродинамичната индукция работи така. Когато променлив електрически ток преминава през първичната намотка, около него съществува променливо магнитно поле, което едновременно действа върху вторичната намотка, предизвиквайки променлив ЕРС и съответно променлив ток в нея.

За да се постигне по-висока ефективност, относителното положение на първичната и вторичната намотки трябва да бъде достатъчно близко. Ако при експериментални условия вторичната намотка започне да се отдалечава от първичната, тогава частта от магнитното поле, достигаща до вторичната намотка и пресичаща завоите й, ще стане по-малка.

Тъй като вторичната намотка се отстранява, дори и на малко разстояние, индукционното съединение между намотките в крайна сметка ще стане толкова малко, че по-голямата част от енергията, предавана от магнитното поле, ще бъде изразходвана изключително неефективно и като цяло напразно.

Подобна система е представена в най-простата си форма. в класически електрически трансформатор, В крайна сметка един трансформатор е най-простото устройство за безжично предаване на енергия, тъй като неговите първични и вторични намотки не са свързани галванично помежду си. Прехвърлянето на енергия от първичната към вторичната се осъществява в нея чрез процес, наречен взаимна индукция. Основната функция на трансформатора е да увеличава или намалява напрежението, подавано към първичната намотка.

В безконтактните зарядни устройства за мобилно оборудване, за електрически четки за зъби и в индукционни котлони се прилагат просто методи на електродинамична индукция. Недостатъкът при прехвърлянето на енергия по този начин е, че ефективното действие е много малко. За да се постигне правилна ефективност, предавателят и приемникът трябва да бъдат поставени много, много близо един до друг, почти близо до принципа, че те могат ефективно да си взаимодействат един с друг.

За да се увеличи ефективността на индукционния метод, е полезно да се въведе явлението електрически резонанс в такава система, което ще увеличи ефективното разстояние на предаване. С добавянето на осцилаторна верига към резонансната верига, тя чрез своето действие до известна степен увеличава ефективното разстояние на предаване. За да възникне резонанс, контурите на предавателя и приемника трябва да бъдат настроени на една и съща обща честота.

Производителността на такава система може да бъде подобрена чрез коригиране на формата на вълната на управляващия ток, отклоняването му от синусоидална към преходна несинусоидална, импулсна.

След това импулсният пренос на енергия се извършва на няколко цикъла и значителна мощност може да се прехвърля при такива условия от една LC верига в друга и с по-нисък коефициент на свързване, отколкото без използване на резонансни вериги. Формите на намотките не се променят и във всеки случай това са плоски спирали или еднослойни соленоиди с свързани кондензатори, необходими за настройване на приемащия елемент към резонансната честота на предавателя.

Традиционно резонансната електродинамична индукция се използва в безжични зарядни устройства за батерии на мобилни устройства, като мобилни телефони и медицински импланти, както и в електрически превозни средства. Локализираните устройства за зареждане използват избора на конкретна намотка на предавателя от набор от многослойни намотки.

В този случай феноменът на резонанса работи както в предавателния панел на зарядното устройство, така и в приемната верига на зареждащия модул, инсталиран на устройството, което се зарежда, така че предаването и приемането на енергия да бъдат максимални. Технологията на тази конфигурация е универсална и може да се използва за безжично зареждане на различни джаджи, оборудвани с подходящи резонансни приемници.

Техниката на този план е приета като част от стандарта за безжично зареждане на Qi. Този стандарт предоставя две възможности за трансфер на енергия: ниска мощност - от 0 до 5 вата и средна мощност - до 10 вата. Стандартът е разработен след 2008 г. от Wireless Power Consortium (WPC) за индукционен пренос на енергия до 4 cm.

Оборудването с Qi поддръжка включва предавател с плоска намотка (тя се намира зад плочата), свързана със стационарен източник на захранване, и съвместим приемник, който е инсталиран вътре в устройството за зареждане (също под формата на плоска намотка). PКогато използвате зарядното устройство, свързаното устройство се поставя върху табелата на предавателя. В този случай се прилага принципът на електромагнитната индукция между тези две плоски намотки, както в трансформатора.

Qi се използва днес в някои устройства: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Yota Devices. Целта на консорциума е да създаде единен стандарт за индукционна технология за зареждане, който да направи безжичните зарядни устройства познат атрибут на обществени места, като кафенета, летища, спортни арени и др.

Електродинамичната индукция с резонанс се използва и за директно безжично захранване на устройства, които нямат батерии вътре. Те включват RFID тагове и безконтактни смарт карти. Прилага се подобен принцип за пренос на електрическа енергия. в трансформатор на Tesla - от първи контур - индуктора - до резонатора, разположен вътре в него. Самият трансформатор на Tesla от своя страна също служи като безжичен предавател на енергия, само по-електростатичен от електромагнитния.