Atu OADEW afał ŚKEW SYSTEY BESTYKOWEGO ASANA KOPUTEÓW PENOŚNYH STESENE W efeacie pzedtawiono chemat ideowy układu beztykowego zailania komputeów pzenośnych. Pzedtawiono typowe kontukce tanfomatoów dla tego typu układów. Omówiono model matematyczny ytemu, metody teowania oaz wybane wyniki ymulacyne i ekpeymentalne. Słowa kluczowe: pzekztałtnik ezonanowy D/D, pzęŝenie indukcyne, beztykowe zailanie, beztykowy pzeył enegii komputey pzenośne. WSTĘP ozwó nowych technologii pzeyłu infomaci takich ak GS, DA, Bluetooth, Wi-Fi umoŝliwiaących bezpzewodowe teowanie óŝnego odzau uządzeń, pozwala i wywiea nacik na udokonalanie i opacowywanie nowych technologii bezpzewodowego pzeyłu enegii. Technologie beztykowego zailania PS (ang. ontactle Powe Tanmiion), nie tylko podnozą funkconalność, wygodę zailania i mobilność uŝytkowania pacuących uządzeń, lecz w niektóych ozwiązaniach mogą okazać ię niezatąpione. ealizaca d inŝ. Atu OADEW e-mail: a.moadewicz@iel.waw.pl mg inŝ. afał ŚKEW e-mail:.mikiewicz@iel.waw.pl akład Elektycznych Napędów Obabiakowych ntytut Elektotechniki PAE NSTYTUTU EEKTOTEHNK, zezyt 36, 8
48 A. oadewicz,. iśkiewicz bezpzewodowego i beztykowego łącza, umoŝliwiaącego bezpieczny i wygodny pzeył enegii tae ię ednym z itotnych zagadnień w dziedzinie pzeyłu enegii elektyczne. e względu na wygodę uŝytkowania, układy beztykowego zailania uządzeń elektoniki uŝytkowe (telefony, dukaki, notebooki) coaz częście znaduą zatoowanie w pomiezczeniach publicznych, gdzie poawia ię poblem z dotępem do wolnych gniazd ieciowych i kablami oplataącymi miece pacy - biuko. atoowanie ytemu beztykowego zailania PS (ang. ontactle Powe Tanmiion), umoŝliwia ozwiązanie tego poblemu. Sytem PS zamontowany pod blatem tołów, umoŝliwia mobilny dotęp uządzeń takich ak np. komputey pzenośne do ieci zailaące bez konieczności uŝywania konwenconalnego zailacza oaz pamiętania o nim. W ytemach takich wykozytue ię tanfomatoy powietzne, któych uzwoenie piewotne i wtóne wykonane ą w potaci pialnych cewek. Uzwoenie tony piewotne zaalane et z ezonanowego falownika napięcia. zętotliwości pacy takich układów ięgaą od kilkuet khz do poedynczych Hz.. TANSFOATOY POWETNE tniee wiele óŝnych odzaów tanfomatoów powietznych. W ytemach beztykowego zailania komputeów pzenośnych tanfomatoy moŝna podzielić (tab. ), ze względu na odza mateiału i technologie wykonania uzwoeń oaz ze względu na budowę obwodu magnetycznego. TABEA Podział Tanfomatoów Powietznych ateiał uzwoeń ozaika obwodu dukowanego Dut nawoowy Obwód magnetyczny Bezdzeniowe dzeniowe yunek pzedtawia óŝne pzekoe oaz pooby nawiania uzwoeń tanfomatoa powietznego. Wzytkie uzwoenia wykonywane ą w potaci pialnych cewek cienkowatwowych.
Sytemy beztykowego zailania komputeów pzenośnych 49 a) b) 3 4 5 6 7 8 c) 8 7 6 5 4 3 3 4 5 6 7 8 d) 8 7 6 5 4 3 y.. Pzykłady uzwoeń tanfomatoa a) zut z góy uzwoenia o kztałcie potokątnym b) zut z góy uzwoenia o kztałcie owalnym c) pzekó popzeczny uzwoenie ednowatwowe d) pzekó popzeczny uzwoenie dwuwatwowe Spoób ułoŝenia uzwoeń tanfomatoa maą znaczący wpływ na indukcyności tanfomatoa a zaazem na pawność i długości zczeliny powietzne. W ytemach beztykowego zailania komputeów pzenośnych znaduą zatoowanie tanfomatoy bezdzeniowe, w któych tounek indukcyności ozpozenia do indukcyności włane uzwoenia et znacznie więkzy w poównania do tanfomatoów powietznych z dzeniem magnetycznym czy teŝ ozwiązań konwenconalnych. aletą kontukci bezdzeniowe et mała waga oaz małe gabayty, co dae moŝliwość integowania tych tanfomatoów z komputeami nie zmieniaąc etetyki uządzenia oaz nie zwiękzaąc cięŝau komputea. Tanfomatoy wykonane w potaci obwodu dukowanego cechuą ię duŝą ezytancą i małymi indukcynościami włanymi uzwoeń. W celu pzytoowania ich do pzenozenia enegii potzebne do zailenia komputea pzenośnego uzwoenia łączy ię ównolegle w celu zmniezenia ezytanci uzwoeń i zeegowo, aby zwiękzyz indukcyności właną. 6 5 4 3 9 9 3 4 5 6 a) b) y.. dęcia wykonanych tanfomatoów powietznych a) uzwoenia w potaci obwodu dukowanego b) uzwoenia w potaci dutu nawoowego
5 A. oadewicz,. iśkiewicz Uzwoenia wykonane z dutu nawoowego (y..b) cechuą ię znacznie mniezą ezytancą uzwoeń i więkzymi indukcynościami włanymi pzy te ame powiezchni, co uzwoenia obwodu dukowanego (y..a). 3. ODE UKŁADU SYSTEU BESTYKOWEGO ASANA KOPUTEA PENOŚNEGO Schemat układu beztykowego zailania komputea pzenośnego pzedtawia yunek 3. E z i ( t ) 3 V 5 Hz i ( t ) u ( t ) i ( t) u ( t ) U y. 3. Schemat układu beztykowego zailania komputea pzenośnego Głównym elementem układu et tanfomato powietzny i od ego właściwości zaleŝy pawność pzeyłu enegii. W tanfomatoze tym (y. 3) wyóŝnić moŝna dwie indukcyności: ozpozenia i wzaemną. ndukcyność ozpozenia odpowiedzialna et za powtawanie padków napięcia na nie i taty enegii. ndukcyność ozpozenia et liniową zaleŝnością wpółczynnika pzęŝenia uzwoeń k, okeślana zaleŝnością: k () ndukcyność wzaemna epezentue pzeył enegii i okeślana et zaleŝnością
Sytemy beztykowego zailania komputeów pzenośnych 5 k () Waz ze wzotem zczeliny powietzne zmnieza ię wpółczynnik pzęŝenia uzwoeń oaz oną padki napięcia na indukcyności ozpozenia oganiczaąc pzeył enegii. W celu wyeliminowania tego poblemu budowane ą układy ezonanowe, popzez wpowadzanie do obwodu poemności łączone zeegowo bądź ównolegle. Dzięki zatoowaniu kompenaci w ytemach ET, w któych indukcyność ozpozenia moŝe być więkza od indukcyności wzaemne uzwoeń, uzykać moŝna znaczne zmniezenie impedanci układu. Pzekłada ię to bezpośednio na wielkość pzeyłane enegii i chaakteytykę całości ytemu. Paca pzedtawionego układu w ezonanie (3) ma koleną zaletę, umoŝliwia pzełączanie zawoów pzekztałtnika pzy zeowe watości napięcia lub pądu (VS - zeo voltage witching, S - zeo cuent wiching), co eliminue lub znacznie zmnieza taty komutacyne oaz powodue wzot pawności ytemu. o / (3) W układach beztykowego zailania komputeów pzenośnych toue dwa odzae kompenaci (y. 4): zeegowo-zeegowa zeegowo-ównoległa a); U D D A u (t) i (t) i m (t) i (t) :n b) y. 4. Schematy układów kompenaci a) zeegowo-zeegowa, b) zeegowo-ównoległa
A. oadewicz,. iśkiewicz 5 Pzy kompenaci zeegowo-zeegowe, poemność ezonanowa dobieana et ednoazowo. Kompenaca zeegowo-ównoległa wymaga dobou poemności kompenuące dla kaŝdego wpółczynnika pzęŝenia k i okeślana et zaleŝnością k (4) haakteytyką poównawczą obu metod kompenaci et analiza impedanci układu i tanmitanci wzmocnienia układu. mpedance układu dla kompenaci zeegowo-zeegowe okeśla zaleŝność: t (5) mpedanca układu dla kompenaci zeegowo-ównoległe pzedtawia zaleŝność: t (6) yunek 5 pzedtawia chaakteytykę impedancyną oaz fazową obu metod kompenaci w funkci zmian czętotliwości o / oaz ezytanci obciąŝenia o (dobości obwodu ezonanowego). Oba układy kompenaci chaakteyzuą ię tym, Ŝe pzy czętotliwości ezonanowe ealizowany et nawiękzy pzeył enegii oaz pzeunięcie fazowe pomiędzy pądem tony piewotne i wtóne et ówne zeo.
Sytemy beztykowego zailania komputeów pzenośnych 53 Kompenaca Szeegowo-Szeegowa SS a) c) Kompenaca Szeegowo-ównoległa SP b) d) y. 5. haakteytyka impedancyna a,c) oaz fazowa b, d) Koleną chaakteytyką poównawczą układów kompenaci et analiza wzmocnienia napięciowego. G V U (7) U układ ównań opiuących obwód z yunku 4.a)
A. oadewicz,. iśkiewicz 54 ) ( ) ( U (8a) układ ównań opiuących obwód z yunku 4.b) ) ( ) ( U (8b) yunek 6 pzedtawia wzmocnienie układów kompenacynych w funkci zmian czętotliwości oaz zmian ezytanci obciąŝenia (zmian doboci obwodu ezonanowego). a) b) y. 6. Wzmocnienie napięciowe a) kompenaca zeegowo-zeegowa b) kompenaca zeegowo-ównoległa
Sytemy beztykowego zailania komputeów pzenośnych 55 Na podtawie powyŝe pzedtawionych z chaakteytyk wzmocnienia układu (y. 6), wynika, Ŝe układ kompenaci zeegowo-zeegowy et mnie waŝliwy na zmiany czętotliwości w poównaniu do kompenaci zeegowoównoległe, któego chaakteytyka et mocno elektywna. Kompenaca SP wykazue mniezą waŝliwość na zmiany ezytanci obciąŝenia w odnieieniu do kompenaci SS. Kolene wyniki obliczeń analitycznych (y.7) tanmitanci napięciowe G v, dla kompenaci SS, pzy zmienne czętotliwości pacy pzekztałtnika i doboci obwodu Q ac ρ / e pzedtawiono na yunku 7. Obliczenia wykonano dla wpółczynnika pzęŝenia magnetycznego k.. ρ / (9) e 8. 86 o π o () Gv A B k..5 Q ac 3 Q ac 6 Q ac 8 Q ac 4 Q ac Q ac Q ac..4.6.8..4.6.8 y. 7. Wzmocnienie napięciowe kompenaca zeegowo-zeegowa Jednotkowe wzmocnienie napięciowe układu wytępue dla czętotliwości pacy pzekztałtnika o. egulacę napięcia wyściowego oaz mocy pzeyłane do obciąŝenia uzykać moŝna popzez pacę układu w ednym z tzech pzedtawionych zakeów czętotliwości A, B,. W zakeie A i tanmitanca napięciowa układu et funkcą monotoniczną. W zakeie A wzmocnienie napięciowe układu ośnie waz ze wzotem czętotliwości. W zakeie wzmocnienie napięciowe malee waz ze wzotem czętotliwości. Tanmitanca napięciowa w zakeie czętotliwości pacy et znacznie mnie czuła na zmiany wpółczynnika pzęŝenia magnetycznego k. Nawiękze watości wzmocnienia napięciowego oiągnąć moŝna w zakeie B, ednakŝe tanmitanca napięciowa układu G v et tu nieliniowa i wykazue badzo duŝą czułość na zmiany wpółczynnika pzęŝenia k oaz obciąŝenia układu bezpzewodowego pzeyłu enegii. alecanymi pzedziałami czętotliwości pacy oaz me-
56 A. oadewicz,. iśkiewicz todami teowania pzekztałtnika ezonanowego w bezpzewodowym ytemie pzeyłu enegii ą: pzedział A metody integacyne i pzedział metoda czętotliwościowa. 4. ETODY STEOWANA Komputey pzenośne ą uządzeniami, któe zawieaą na woim pokładzie akumulato umoŝliwiaący pace bez zailacza, bak bateii lub e uzkodzenie powodue konieczność ciągłe pacy z zailaczem. Paca komputea z ładowaniem bateii wymaga o 5% więkze mocy dotaczane z zailacza niŝ pzypadku pacy bez ładowania bateii. Dlatego wyóŝniamy dwa typy układów beztykowego zailania komputeów pzenośnych: ładowaka bateii, zailanie notebooka. Ładowaka akumulatoa komputea pzenośnego nie wymaga toowania pętli pzęŝenia zwotnego pomiędzy napięciem odbionika a układem teuącym. ailacze do notebooka ze względu na moŝliwość pacy bez bateii wymagaą układu pzęŝenia zwotnego pomiędzy napięciem odbionika a układem teuącym, aby tabilizować e na odpowiednim poziomie. Koleny podział układu beztykowego zailania wynika z wielości zczeliny powietzne, z aką pacue ytem ET: tace dokuące mobilne uządzenia zailaące Te piewze pacuą zazwycza na odległości kilku do kilkunatu milimetów natomiat mobilne uządzenia zailaące pzeyłaą enegię na odległości kilkunatu centymetów, a nawet do kilku metów (moce na poziomie mw). WyóŜnić moŝna dwa podeścia do tategii teowania falownikiem ezonanowym w ytemie beztykowego zailania komputeów pzenośnych: utawianie na tałe zadane czętotliwości pacy, układy automatycznego dotaania ię do czętotliwości ezonanowe obwodu. Utawianie czętotliwości pacy falownika zailaącego na tałe, wykozytywane et w pzy tacach dokuących, gdzie wpółczynnik pzęŝenia uzwoeń k et tały. zętotliwość pacy ta dobieana et zazwycza powyŝe czętotliwości ezonanowe, tak, aby uzykać Ŝądaną watość napięcia odbionika.
Sytemy beztykowego zailania komputeów pzenośnych 57 Automatyczne dotaanie ię do czętotliwości ezonanowe wykozytywane et w układach mobilnych gdzie wpółczynnik pzęŝenia k zmienia ię i wymagane et bezobługowe dotaanie ię układu teowania do zmieniaących ię paametów obwodu. Jedną z metod toowanych w takim pzypadku et metoda czętotliwościowa z egulacą pzeunięcia fazowego pomiędzy napięciem tony piewotne u oaz pądem i. yunek 8 pzedtawia chemat blokowy czętotliwościowe metody teownia falownikiem ezonanowym. a) ϕ zad f p T U Detekto znaku fazy ϕ - ϕ egulato f Steownik Tanzytoów T T 3 T 4 zad kompaato STOP yclone FPGA, Statix FPGA b) Detekto znaku fazy D SET Q nak U Q Błąd Błąd - y. 8. Schemat blokowy układu teownia z detekcą fazy a) chemat blokowy, b) chemat detektoa znaku fazy Napięcie u oaz pąd i pzekztałcone ą pzez detekto do ygnałów potokątnych TT, gdzie wyznaczany et znak oaz watości pzeunięcia fazowego błędu fazy. Natępnie ygnały te pzekazywane ą do układ pogamowalnego FPGA. egulato ektemalny zaimplementowany w układzie FPGA decydue o zwiękzeniu lub zmniezeniu czętotliwości pacy falownika, podąŝaąc za zadaną wielkością pzeunięcia fazowego napięcia i pądu. Stat układu ozpoczyna ię od czętotliwości dwa azy więkze od czętotliwości ezonanowe, po czym natępue e zmniezanie, ma to na celu oganiczenie pądów oaz napięć w obwodzie ezonanowym. etoda ta umoŝliwia pacę falownika zailaącego w waunkach pzełączania blikim zea pądu po tonie piewotne tanfomatoa S.
58 A. oadewicz,. iśkiewicz 5. WYBANE WYNK BADAŃ W celu pawdzenia właściwości ytemu beztykowego pzeyłu enegii do komputea pzenośnego, pzepowadzono badania ymulacyne oaz ekpeymentalne wykonanego modelu laboatoynego. TABEA. Paamety zailacza do beztykowego zailania notebooka U za 3V 5Hz U wy wy P V 5A W...mm Podtawowe paamety wykonanego zailacza do beztykowego zailania notebooka pzedtawiono w tabeli. miezony wpółczynnik pzęŝenia uzwoeń pzedtawiono na yunku 9. haakteytykę pawności ytemu beztykowego zailania notebooka pzedtawia yunek 3. Uzykane pzebiegi ymulacyne oaz ekpeymentalne (y. ) ytemu beztykowego pzeyłu enegii z kompenacą zeegową i obciąŝeniem Vdc ą identyczne, co do kztałtu. Niewielkie óŝnice pomiędzy watościami wynikaą z faktu uŝycia innych modeli tanzytoów mocy w ymulaci i ekpeymencie. y. 9. Wpółczynnik pzęŝenia uzwoeń w funkci długości zczeliny powietzne
Sytemy beztykowego zailania komputeów pzenośnych 59 Badania ymulacyne i ekpeymentalne pzepowadzono dla wpółczynnika pzęŝenia k. odpowiadaącemu wielkości zczeliny 3 mm i makymalnemu obciąŝeniu ównemu W. Poemności kompenuące nf. Symulacyne Ekpeymentalne y.. Wyniki badań ymulacynych i ekpeymentalnych ytemu beztykowego pzeyłu enegii z kompenacą zeegową i obciąŝeniem akumulatoowym Vdc. Bateia ładowana pądem.5 A. zętotliwość pacy < o Symulacyne Ekpeymentalne y.. Wyniki badań ymulacynych i ekpeymentalnych ytemu beztykowego pzeyłu enegii z kompenacą zeegową i obciąŝeniem akumulatoowym Vdc. Bateia ładowana pądem 3.5 A. zętotliwość pacy o
6 A. oadewicz,. iśkiewicz Symulacyne Ekpeymentalne y.. Wyniki badań ymulacynych i ekpeymentalnych ytemu beztykowego pzeyłu enegii z kompenacą zeegową i obciąŝeniem akumulatoowym Vdc. Bateia ładowana pądem.5 A. zętotliwość pacy > o y. 3. Wyke pawności układu dla wpółczynnika pzęŝenia k.3. ezytanca obciąŝenia 9 Ω 6. PODSUOWANE W atykule pzedtawiono zatoowanie układów beztykowego zailania uządzeń elektoniki uŝytkowe na pzykładzie komputea pzenośnego. Pzedtawione badania ymulacyne i ekpeymentalne układu zotały pzepowadzone dla falownika ezonanowego w wei półmotkowe. Na podtawie pzedtawionych wyników moŝna zauwaŝyć, ak duŝa et waŝliwość ytemu ET pzy pacy z czętotliwością inną niŝ załoŝona czętotliwość ezonanowa. wiązane et to ze znacznym wzotem impedanci ytemu i obni- Ŝeniem watości pzenozone mocy. mniezenie watości impedanci falowe układu w tounku do ezytanci obciąŝenia ma niekozytny wpływ na pzeył
Sytemy beztykowego zailania komputeów pzenośnych 6 enegii w ytemie, powoduąc zwiękzenie pzeunięcia fazowego napięcia i pądu tony wtóne względem pzebiegów po tonie piewotne tanfomatoa. Powodue to wzot pądu magneuącego tym amym zwiękzenie tat pzewodzenia oaz geneowanie zakłóceń elektomagnetycznych. Kompenace indukcyności ozpozenia uzwoeń tanfomatoa powietznego w pzedtawionym modelu, zealizowano popzez zeegowe dołączenie kondenatoów do uzwoeń po tonie piewotne i wtóne. Enegia pzeyłana ze źódła zailania do obwodu obciąŝenia w pzedtawionym układzie ma watość makymalna, gdy pzekztałtnik pacue z czętotliwości ezonanową, a komutaca łączników zachodzi w waunkach S. alety zatoowane metody kompenaci ą natępuące: mała waŝliwość układu na zmiany czętotliwości pacy, ednoazowy dobó poemności kompenuące dla całego zakeu wpółczynników pzęŝenia, mnieze amplitudy napięć wytępuących na kondenatoze kompenuącym w poównaniu z kompenacą zeegowo-ównoległą, co zmnieza znacząco ego gabayty. W ytemie beztykowego pzeyłu enegii zatoowanie metody teowania zapewniaące pacę układu w waunkach ezonanu ma zczególne znaczenie. Uzykue ię wówcza oganiczenie tat enegii, któe i tak wytępuą w związku z obecnością zczeliny powietzne pomiędzy dzeniami tanfomatoa. mniezenie impedanci wypadkowe obwodu popzez dopowadzenie układu do ezonanu umoŝliwia pzeył znacznie więkzych mocy w pzypadku ytemu ze łabym pzęŝeniem magnetycznym. atoowano czętotliwościową metodę teowania egulaci pzeunięcia fazowego pomiędzy pądem i napięciem tony piewotne tanfomatoa. Właściwości te metody ą natępuące: pota tuktua, ygnał pądu i napięcia potzebne do pzepowadzenia poceu egulaci, duŝa zybkość działania na zmiany ezytanci obciąŝenia. błąd egulaci zaleŝnym od czętotliwości zegaa układu teuącego TEATUA. A. oadewicz: Study of Wiele Enegy Tanmiion Sytem Uing nductive oupling. n Poc. of ntenational onf. PENE, 5, Waaw, Poland (D).. A. oadewicz: Wiele Enegy Tanmiion Sytem with otating Tanfome Simulation tudy. V ntenational Wokhop fo andidate fo a Docto' Degee OWD 5-5 Octobe 5 Wila, Poland, pp 9-96 (n Polih). 3.. P. Kazmiekowki, J. T. atyik: ntoduction into Signal and Powe Electonic. Oficyna Wydawnicza, Waaw Univeity of Technology, 5 (n Polih).
6 A. oadewicz,. iśkiewicz 4. A. oadewicz: Seie eonant onvete in Wiele Enegy Tanmiion Sytem Simulation Study. n Poc. of onf. is-4, Kościeliko, Poland, 9-3 czewca 6, Vol., pp. 45-5 (n Polih). 5. A. oadewicz: Wiele Enegy Tanmiion ytem With Seie eonant onvete. n Poc. of onf. Elektotechnika 6, -3 Decembe, Waaw, Poland (n Polih). 6. A. oadewicz,. P. Kazmiekowki: Novel FPGA Baed ontol of Seie eonant onvete fo ontactle Powe Supply. n Poc. EEE EUOON 7, Waaw, 7, (D). 7. A. Ku et. Al.: Wiele Powe Tanfe via Stongly ouplet agnetic eonance. Sciencexpe, www.ciencexpe.og, Publihed online 7 June 7;.6/cience.4354. 8. A. oadewicz: ontactle Enegy Tanmiion Sytem. Nowa Elektotechnika, Vol. 38, No., pp.8-, 7, (n Polih). 9. A. oadewicz,. P. Kazmiekowki: eonant onvete Baed ontactle Powe Supply fo obot and anipulato. Jounal of Automation, obile obotic & ntelligent Sytem, Vol., No. 3, 8.. A. G. Pedde, A. D. Bown, J. A. Skinne: A ontactle Electical Enegy Tanmiion Sytem. EEE Tanaction on ndutial Electonic, vol. 46, no., 999, pp. 3-3.. h-s. Wang, O. H. Stielau, and G. A. ovic: Deign conideation fo contactle electic vehicle battey chage. EEE Tan. on ndutial Electonic, vol. 5, No 5, 5, pp. 38-33. ękopi dotaczono dnia 3..8. Opiniował: pof. d hab. inŝ. Antoni EŚA ONTATESS POWE SUPPY SYSTES FO NOTEBOOKS Atu OADEW afał ŚKEW ABSTAT Thi pape decibe the theoetical and expeimental analyi of contactle powe upply fo notebook. ompenation the leakage inductance i ealized though adding the eonant capacitance to the pimay and econday winding of the ai gap tanfome. The baic compenation topologie SS eie-eie and SP eie-paallel ae peented and compaed. To conide the poblem of election eonant cicuit and it paamete and achieve the maximum powe deliveed to the load with minimum VA ating of the powe upply, the mathematical model combined the pimay and econday ide i developed and the total impedance een by the powe upply convete i decibed. Fo expeimental validation a laboatoy et-up baed on W half-bidge convete with ai gap coupling tanfome and FPGA phae hift exteme egulato ha been contucted.