ES2212752B1 - ELECTRICAL ENERGY TRANSFER SYSTEM BY INDUCTIVE COUPLING. - Google Patents
ELECTRICAL ENERGY TRANSFER SYSTEM BY INDUCTIVE COUPLING.Info
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
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- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
- H01F38/14—Inductive couplings
-
- H02J7/025—
Abstract
Sistema de transferencia de energía eléctrica por acoplamiento inductivo. Comprende un rectificador (1), un filtro (2), un generador de frecuencia (3) que comprende elementos de conmutación estáticos (23) cuyo tiempo de conmutación es gobernado por un módulo de control (6), para generar una señal alterna que se entrega a un primario (16) de un transformador carente de núcleo ferromagnético, induciéndose la señal al secundario (17) del transformador para alimentar de una carga (5). Se caracteriza porque el generador de frecuencia (3) comprende un único elemento de conmutación estático (23), gobernado por el módulo de control (6) que cuenta con medios de detección de las condiciones de oscilación adecuadas a cada condición de la carga (5) para proporcionar al primario (16) una señal senoidal de evolución resonante asimétrica e inducir en el secundario una señal senoidal simétrica. La carga puede ser de cualquier tipo, fija o móvil, como es el caso de un motor de un vehículo. Obtiene el máximorendimiento, y permite obtener mayor separación el primario (16) y secundario (17).Electrical energy transfer system by inductive coupling. It comprises a rectifier (1), a filter (2), a frequency generator (3) comprising static switching elements (23) whose switching time is governed by a control module (6), to generate an alternating signal that It is delivered to a primary (16) of a transformer without a ferromagnetic core, the signal being induced to the secondary (17) of the transformer to feed a load (5). It is characterized in that the frequency generator (3) comprises a single static switching element (23), governed by the control module (6) which has means for detecting the oscillation conditions appropriate to each load condition (5 ) to provide the primary (16) with a sinusoidal signal of asymmetric resonant evolution and induce in the secondary a symmetrical sinusoidal signal. The load can be of any type, fixed or mobile, as is the case with a vehicle engine. It obtains the maximum performance, and allows to obtain greater separation the primary (16) and secondary (17).
Description
Sistema de transferencia de energía eléctrica por acoplamiento inductivo.Electricity transfer system by inductive coupling
La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, consiste en un sistema de transferencia de energía eléctrica por acoplamiento inductivo, que tiene por objeto conseguir una separación considerable, del orden de 30 cm entre el primario y el secundario del transformador previsto para realizar el acoplamiento inductivo, y todo ello sin uso de núcleo ferromagnético, y gobernando un único elemento de conmutación.The present invention, as expressed in The statement of this specification consists of a system of transfer of electrical energy by inductive coupling, which it aims to achieve a considerable separation of order 30 cm between the primary and secondary transformer intended to perform inductive coupling, and all without use of ferromagnetic core, and ruling a single element of commutation.
Es otro objeto de la invención conseguir que el acoplamiento magnético se realice con máximo rendimiento, y no con máxima transferencia de energía de manera que se consigan unas condiciones óptimas de funcionamiento del sistema.It is another object of the invention to achieve that the Magnetic coupling is performed with maximum performance, and not with maximum energy transfer so that some are achieved optimal operating conditions of the system.
La invención es aplicable en cualquier sistema en el que se realice la alimentación mediante inducción magnética, tales como la alimentación de motores eléctricos para vehículos, cualquier sistema de accionamiento eléctrico, carga de baterías, alimentación de sistemas de calefacción eléctrica, iluminación eléctrica, es decir para ser utilizado en cualquier aplicación en la que se requiera alimentación con acoplamiento electromagnético para cargas tanto fijas como móviles.The invention is applicable in any system in that the feeding is carried out by magnetic induction, such as electric motor power for vehicles, Any electric drive system, battery charging, electric heating systems power, lighting electrical, that is, to be used in any application in the that power with electromagnetic coupling is required to both fixed and mobile loads.
En el Estado de la Técnica es conocida la transferencia de energía eléctrica por acoplamiento inductivo, en el que la energía de la red eléctrica se aplica a un rectificador al que sigue un filtro para generar una señal continua que alimenta un generador de frecuencia inversor que comprende elementos de conmutación estáticos, cuyo tiempo de conmutación es gobernado por un módulo de control, para generar una señal de una determinada frecuencia que se entrega a un circuito resonante, y desde éste a un primario de un transformador carente de núcleo magnético, induciéndose la señal en el secundario del transformador, que está separado una cierta distancia del primario y que está conectado a un circuito resonante, para proporcionar alimentación eléctrica alterna o continua; en este último caso a través de un circuito rectificador, a un dispositivo (carga) móvil o estático conectado al circuito resonante del secundario.In the State of the Art the transfer of electrical energy by inductive coupling, in the power of the power grid is applied to a rectifier which is followed by a filter to generate a continuous signal that feeds an inverter frequency generator comprising elements of static switching, whose switching time is governed by a control module, to generate a signal from a given frequency that is delivered to a resonant circuit, and from it to a primary of a transformer without a magnetic core, inducing the signal in the secondary of the transformer, which is separated a certain distance from the primary and that is connected to a resonant circuit, to provide power alternate or continuous; in the latter case through a circuit rectifier, to a mobile or static device (load) connected to the secondary resonant circuit.
También cabe destacar, que en las configuraciones de acoplamiento inductivo actuales, el sistema de alimentación de la red, utiliza un puente rectificador, con un condensador electrolítico de gran capacidad a la entrada, única forma de obtener ondas cuadradas en la configuración de electrónica de potencia para la alimentación al circuito resonante. Como es sabido, este sistema de alimentación, introduce unas grandes distorsiones de corriente en la red de alimentación, que para potencias significativas, lo hacen inviable. Para evitar este grave inconveniente en el Estado de la Técnica se introduce una etapa correctora entre el puente rectificador y la configuración PWM (Modulación de Anchura de pulsos) constituida mediante el generador de frecuencia y módulo de control.Also noteworthy, that in the settings Current inductive coupling, the power system of the network uses a rectifier bridge, with a capacitor high capacity electrolytic at the entrance, the only way to get square waves in the electronics configuration of power for feeding the resonant circuit. How is it known, this feeding system, introduces some great current distortions in the power supply network, which stops significant powers, make it unfeasible. To avoid this serious inconvenience in the state of the art a stage is introduced corrector between the bridge rectifier and the PWM configuration (Pulse Width Modulation) constituted by the generator of frequency and control module.
Se puede citar la Patente Estadounidense nº 5.573.090 que se refiere a un vehículo eléctrico con elementos de almacenamiento de energía que se cargan por acoplamiento inductivo, pero la descripción del acoplamiento y su alimentación es muy genérica. Es destacable el que se trate de reducir lo más posible la separación de las bobinas al contrario que la invención.You can cite US Patent No. 5,573,090 which refers to an electric vehicle with elements of energy storage that is charged by inductive coupling, but the description of the coupling and its feeding is very generic It is remarkable that it is a question of reducing as much as possible the separation of the coils unlike the invention.
También cabe citar la Solicitud Internacional WO 9930402, en la que se utiliza un generador de frecuencia (inversor) con dos o cuatro elementos de conmutación estáticos, a diferencia de un único elemento de conmutación empleado en la presente invención.It is also worth mentioning the International WO Application 9930402, in which a frequency generator (inverter) is used with two or four static switching elements, unlike of a single switching element used herein invention.
Otro documento lo constituye la Patente US 6.160.374 que se refiere a carga de baterías y propulsión de vehículos eléctricos que incluye un sistema para la corrección del factor de potencia y regulación de la salida. En este caso también se utiliza un inversor con cuatro elementos de conmutación estático, frente a uno utilizado por la presente invención.Another document is the US Patent 6,160,374 which refers to battery charging and propulsion of electric vehicles that includes a system for correcting the power factor and output regulation. In this case too an inverter with four static switching elements is used, versus one used by the present invention.
En el Estado de la Técnica también se pueden citar diferentes Congresos Internacionales como son:In the State of the Art you can also cite different International Congresses such as:
- Vehicular Technology Conference, 1990 IEEE 40 th.- Vehicular Technology Conference, 1990 IEEE 40 th.
Título: Iductive Power Transfer to an electric vehicle-analytical model.Title: Iductive Power Transfer to an electric vehicle-analytical model.
Autor: M. Eghtesadi.Author: M. Eghtesadi.
En este artículo se describe un estudio sobre un circuito equivalente de una línea bifilar embutida en la calzada de 150 m que transfiere energía eléctrica por acoplamiento magnético a una bobina de dos espiras incluida dentro del vehículo. La línea se puede dividir en secciones que se pueden conectar o desconectar independientemente con interruptores electrónicos. El entrehierro o separación en la línea inductora y la bobina inducida es del orden de 7 cm, que es una distancia muy pequeña para ciertas aplicaciones. El secundario está sintonizado con un condensador para que se produzca la resonancia. La frecuencia de trabajo es de 400 Hz. La tensión secundaria se rectifica y se emplea para la carga de la batería del coche y alimentación del motor de tracción. Incluye un ordenador a bordo para controlar la corriente de alimentación de la batería.This article describes a study on a equivalent circuit of a two-wire line embedded in the road of 150 m that transfers electrical energy by magnetic coupling to a coil of two turns included inside the vehicle. The line is can be divided into sections that can be connected or disconnected independently with electronic switches. The air gap or separation in the inductor line and the induced coil is of the order 7 cm, which is a very small distance for certain Applications. The secondary is tuned to a capacitor for resonance to occur. The working frequency is of 400 Hz. The secondary voltage is rectified and used for the Car battery charge and traction motor power. It includes a computer on board to control the current of battery power
En este artículo no se describe la configuración del inversor, por lo que se supone que es uno de los pertenecientes al Estado de la Técnica, y además está previsto para realizar máxima transferencia de energía.This article does not describe the configuration of the investor, so he is supposed to be one of the members to the State of the Art, and it is also planned to perform maximum energy transfer
- IEEE Transactions on Industrial Electronics. Feb. 1999.- IEEE Transactions on Industrial Electronics. Feb. 1999.
Título: A contactless electrical energy transmission system.Title: A contactless electrical energy transmission system
Autores: D.A.G. Pedder; A.D. Brown; J.A.
Sknnir.Authors: DAG Pedder; AD Brown; JA
Sknnir
En este artículo se describe un procedimiento
para suministra energía eléctrica entre dos circuitos con
acoplamiento magnético en el que se emplea un inver-
sor con
dos elementos activos, a diferencia de un único elemento activo
empleado por la presente invención. Además las bobinas tienen un
núcleo magnético, en tanto que la presente invención carece de
él.This article describes a procedure for supplying electrical energy between two circuits with magnetic coupling in which a reversal is used.
Sor with two active elements, unlike a single active element employed by the present invention. In addition, the coils have a magnetic core, while the present invention lacks it.
En general los artículos y patentes anteriores representan una muestra de las investigaciones que se están llevando en el mundo sobre el tema de acoplamiento inductivo para transferir energía a equipos electrónicos, vehículos eléctricos, para cargar baterías, etc.In general the previous articles and patents they represent a sample of the investigations that are being leading in the world on the topic of inductive coupling for transfer energy to electronic equipment, electric vehicles, to charge batteries, etc.
A la vista de toda esta documentación, los hechos a destacar, tal y como ya ha sido expuesto, es que la presente invención tiene un único elemento electrónico activo, y su funcionamiento se basa en técnicas resonantes cuya aplicación tiene especial relevancia al ser una transferencia sin núcleo de hierro. Esta concepción le confiere una gran simplicidad y reducción en el número de componentes, aparte de que consigue distancias eficaces (30 cm) entre el primario y secundario acoplados, muy por encima de las logradas hasta ahora.In view of all this documentation, the facts to highlight, as it has already been exposed, is that the present invention has a single active electronic element, and its operation is based on resonant techniques whose application has special relevance to be a transfer without iron core. This conception gives it great simplicity and reduction in number of components, apart from that it achieves effective distances (30 cm) between the primary and secondary coupled, well above those achieved so far.
Además el acoplamiento magnético no se realiza con máxima transferencia de energía, sino con máximo rendimiento.In addition the magnetic coupling is not performed with maximum energy transfer, but with maximum performance.
Para resolver los inconvenientes y conseguir los objetivos anteriormente indicados, la invención ha desarrollado un nuevo sistema de transferencia de energía eléctrica por acoplamiento inductivo, que al igual que en el Estado de la Técnica la energía de la red eléctrica se aplica a un rectificador al que sigue un filtro para generar una señal continua que alimenta un generador de frecuencia (inversor) que comprende elementos de conmutación estáticos, cuyo tiempo de conmutación es gobernado por un módulo de control, para general una señal de una determinada frecuencia que se entrega a un circuito resonante, y desde éste a un primario de un transformador carente de núcleo ferromagnético, induciéndose la señal al secundario del transformador, que está separado una cierta distancia del primario y que está conectado a un circuito resonante, para proporcionar alimentación eléctrica alterna o continua, en este último caso a través de un circuito rectificador, a un dispositivo o carga móvil o estático que está conectado al circuito resonante del secundario; y se caracteriza porque el generador de frecuencia comprende un único elemento de conmutación estático que es gobernado por el módulo de control, para lo que éste cuenta con medios de detección de las condiciones de oscilación adecuadas a cada condición de la carga conectada al sistema, que controlan el tiempo de conducción del elemento de conmutación estático, para proporcionar al primario, a través del circuito resonante, una señal de evolución resonante senoidal asimétrica e inducir en el secundario una señal senoidal simétrica (al carecer de núcleo magnético), que a su vez proporciona, a través del circuito resonante del secundario, la tensión de alimentación a la carga.To solve the problems and get the objectives indicated above, the invention has developed a new electric power transfer system by inductive coupling, which as in the prior art the power of the electricity grid is applied to a rectifier to which follow a filter to generate a continuous signal that feeds a frequency generator (inverter) comprising elements of static switching, whose switching time is governed by a control module, for general a signal of a certain frequency that is delivered to a resonant circuit, and from it to a primary of a transformer lacking a ferromagnetic core, the signal being induced to the secondary of the transformer, which is separated a certain distance from the primary and that is connected to a resonant circuit, to provide power alternate or continue, in the latter case through a circuit rectifier, to a mobile or static device or load that is connected to the secondary resonant circuit; and it is characterized because the frequency generator comprises a single element of static switching that is governed by the control module, for which it has means of detecting the conditions of oscillation appropriate to each condition of the load connected to the system, which control the driving time of the element of static switching, to provide the primary, through the resonant circuit, a signal of sine resonant evolution asymmetric and induce a symmetric sinusoidal signal in the secondary (lacking a magnetic core), which in turn provides, to through the secondary resonant circuit, the voltage of load feeding.
Los medios de detección de las condiciones de oscilación adecuadas a cada condición de la carga del módulo de control cuentan selectivamente con medios de medida de la tensión, intensidad o potencia de la carga, para a partir de uno o varios de estos parámetros determinar cuáles son las condiciones de oscilación adecuadas a cada condición de la carga.The means of detecting the conditions of swing appropriate to each condition of the module load control selectively have voltage measurement means, intensity or power of the load, for one or more of these parameters determine what the swing conditions are suitable to each load condition.
Los medios de medida selectiva de la tensión, intensidad o potencia de la carga del módulo de control comprende selectivamente un submódulo de medida de la tensión, intensidad o potencia de la carga; un generador de una tensión, intensidad o potencia de referencia que se aplican a un comparador que calcula la diferencia entre la tensión, intensidad o potencia de referencia y la tensión, potencia o intensidad medida en la carga, y se aplica a un regulador que es el elemento encargado de aumentar o disminuir el tiempo de conducción del conmutador estático para igualar ambas tensiones, intensidad o potencia y obtener la señala senoidal asimétrica.Means of selective measurement of tension, load intensity or power of the control module comprises selectively a submodule measuring the voltage, intensity or load power; a generator of a voltage, intensity or reference power that apply to a comparator that calculates the difference between the voltage, intensity or reference power and the voltage, power or intensity measured in the load, and is applied to a regulator that is the element responsible for increasing or decreasing the driving time of the static switch to match both voltages, intensity or power and get the sine wave asymmetric
La invención es aplicable tanto para el caso en que la carga sea fija como móvil, de forma que en este último caso se conecta la carga al módulo de control a través de medios de comunicación a distancia, por ejemplo a través de radiofrecuencia.The invention is applicable for both the case in that the load be fixed as mobile, so that in the latter case the load is connected to the control module through means of remote communication, for example through radiofrequency
Los submódulos de medida de la tensión, intensidad o potencia de la carga son de tipo convencional y por ello no se describen en mayor detalle.The voltage measuring submodules, intensity or power of the load are of conventional type and by This is not described in greater detail.
También se puede evitar el módulo de comunicación, para lo que el módulo de control cuenta con medios de medida selectiva de la tensión y corriente en el primario o en la entrada del circuito resonante, y con medios para estimar las condiciones de la carga a partir de estas medidas realizadas y de los parámetros del circuito resonante e inductancia del primario del transformador.You can also avoid the module communication, for which the control module has means of selective measurement of voltage and current in the primary or in the resonant circuit input, and with means to estimate the load conditions from these measurements and the parameters of the resonant circuit and primary inductance of the transformer
En una realización de la invención el rectificador de entrada está formado por un puente de diodos convencional, que está conectado a un condensador de gran capacidad para obtener una señal continua suficientemente alisada, para reservar la señal de la red eléctrica.In an embodiment of the invention the input rectifier is formed by a diode bridge conventional, which is connected to a large capacity capacitor to obtain a continuous signal sufficiently smoothed, to reserve the signal from the power grid.
En otra realización de la invención el rectificador de entrada está formado por un puente de diodos convencional conectado a un condensador de pequeña capacidad seguido de un filtro pasivo para obtener un factor de potencia próximo a la unidad.In another embodiment of the invention the input rectifier is formed by a diode bridge conventional connected to a small capacity capacitor followed by a passive filter to obtain a power factor next to the unit.
En otra realización de la invención el rectificador de entrada está formado por un puente de diodos convencional conectado a un circuito corrector de potencia activo para obtener un factor de potencia próximo a la unidad.In another embodiment of the invention the input rectifier is formed by a diode bridge conventional connected to an active power correction circuit to obtain a power factor close to the unit.
Por otro lado el circuito resonante del primario presenta una configuración resonante serie o paralelo constituida por varios condensadores de sintonía conectados con el primario.On the other hand the resonant circuit of the primary features a series or parallel resonant configuration constituted by several tuning capacitors connected to the primary.
El circuito resonante del secundario presenta una configuración resonante serie, calculada previamente para obtener máximo rendimiento para la frecuencia de resonancia seleccionada, y que está constituida por un condensador de sintonía conectado en serie con el secundario.The secondary resonant circuit has a series resonant configuration, previously calculated to obtain maximum performance for the selected resonance frequency, and which is constituted by a tuning capacitor connected in series with the secondary.
También cabe la posibilidad de que el circuito resonante del secundario presente una configuración paralelo de tipo convencional, que igualmente es calculada previamente para obtener la frecuencia de resonancia deseada.It is also possible that the circuit secondary resonant present a parallel configuration of conventional type, which is also previously calculated for Obtain the desired resonance frequency.
En una realización de la invención los medios de control de las condiciones de oscilación adecuadas a cada condición de la carga, cuentan con medios de modulación de la altura de pulso (PAM) que comprenden selectivamente una etapa rectificadora controlada o una etapa de troceamiento de la tensión de entrada situada entre el rectificador y el circuito resonante del primario.In an embodiment of the invention the means of control of the oscillation conditions appropriate to each condition of the load, they have means of modulating the pulse height (PAM) that selectively comprise a rectifying stage controlled or a step of chopping the input voltage located between the rectifier and the resonant circuit of the primary.
En una realización de la invención los medios de detección de las condiciones de oscilación adecuadas a cada situación de la carga conectada al sistema, comprenden selectivamente un módulo de medida de tensión y/o intensidad de la red eléctrica y/o de la señal continua que alimenta al generador de frecuencia, para permitir minimizar el impacto en dicha red, y obtener un factor de potencia próximo a la unidad sin el empleo de módulos específicos ni filtros correctores adicionales.In an embodiment of the invention the means of detection of the appropriate oscillation conditions at each situation of the load connected to the system, include selectively a voltage and / or intensity measurement module of the mains and / or the continuous signal that feeds the generator frequency, to minimize the impact on said network, and obtain a power factor close to the unit without the use of specific modules or additional corrective filters.
Por lo tanto, el sistema de la invención tiene la ventaja de utilizar un único elemento de conmutación estático y su funcionamiento se basa en técnicas resonantes, cuya aplicación tiene especial relevancia al ser una transferencias sin núcleo de hierro. Esta concepción le confiere una gran simplicidad y reducción del número de componentes. Además el acoplamiento magnético se realiza con máximo rendimiento y no con máxima transferencia de energía tal y como se efectúa convencionalmente, para conseguir unas condiciones óptimas de funcionamiento del sistema. Estas condiciones de máximo rendimiento se calculan previamente para obtener la frecuencia de resonancia adecuada, mediante la selección de los parámetros de inductancia y capacidad.Therefore, the system of the invention has the advantage of using a single static switching element and its operation is based on resonant techniques, whose application It is especially relevant as a coreless transfer of iron. This conception gives it great simplicity and reduction of the number of components. In addition the coupling magnetic is performed with maximum performance and not with maximum energy transfer as is done conventionally, to achieve optimal operating conditions of the system. These maximum performance conditions are calculated previously to obtain the appropriate resonance frequency, by selecting the inductance parameters and capacity.
La invención proporciona una separación entre el primario y secundario del orden de los 30 cm, distancias hasta ahora no documentadas en la información de que se dispone.The invention provides a separation between the primary and secondary of the order of 30 cm, distances up to now not documented in the information available.
Además la invención se aplica a cualquier rango de potencias dimensionando adecuadamente los parámetros de los distintos elementos que constituyen el circuito, para lo que además cabe la posibilidad de conectar los generadores de frecuencia en paralelo que permitan sumar las potencias y llegar hasta los rangos deseados.In addition the invention applies to any range of powers adequately dimensioning the parameters of the different elements that constitute the circuit, for which also it is possible to connect the frequency generators in parallel to add the powers and reach the ranges desired
A continuación para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompañan una serie de figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.Next to facilitate a better understanding of this descriptive report and being an integral part of the same, they accompany a series of figures in which with illustrative and non-limiting nature has been represented the object of the invention.
Figura 1.- Muestra un diagrama de bloques funcional de un posible ejemplo de realización del sistema de la invención.Figure 1.- Shows a block diagram function of a possible embodiment of the system of the invention.
Figura 2a.- Muestra el esquema de un posible ejemplo de realización del circuito rectificador para su aplicación a una red eléctrica monofásica.Figure 2a.- Shows the scheme of a possible example of realization of the rectifier circuit for its application to a single phase electrical network.
Figura 2b.- Muestra un ejemplo del circuito rectificador para una red eléctrica trifásica.Figure 2b.- Shows an example of the circuit rectifier for a three-phase electrical network.
Figura 3.- Muestra el esquema eléctrico correspondiente al filtro que constituye el bloque 2 de la figura 1.Figure 3.- Shows the electrical scheme corresponding to the filter that constitutes block 2 of the figure one.
Figura 4.- Muestra un posible ejemplo de realización del esquema eléctrico del generador de frecuencia que constituye el bloque 3 de la figura 1.Figure 4.- Shows a possible example of realization of the electrical scheme of the frequency generator that constitutes block 3 of figure 1.
Las figuras 5 a 8.- Muestran distintas realizaciones del esquema eléctrico del acoplamiento entre el primario y el secundario que constituyen el bloque 4 de la figura 1.Figures 5 to 8.- They show different embodiments of the electrical coupling scheme between the primary and secondary that constitute block 4 of the figure one.
Figura 9.- Muestra una configuración resonante paralelo en el primario.Figure 9.- Shows a resonant configuration parallel in the primary.
Figura 10.- Muestra un ejemplo de conexión paralelo de dos generadores de frecuencia, según la invención para obtener mayor potencia.Figure 10.- Shows an example of connection parallel of two frequency generators, according to the invention for Get more power.
Figura 11.- Muestra diferentes formas de onda referentes a corriente/tensión correspondientes a la señal senoidal asimétrica que circula por el primario del acoplamiento inductivo.Figure 11.- Shows different waveforms concerning current / voltage corresponding to the sine signal asymmetric circulating through the primary of the coupling inductive.
A continuación se realiza un descripción de la invención basada en las figuras anteriormente comentadas.Below is a description of the invention based on the figures discussed above.
En la figura 1 se muestra el diagrama de bloques funcional del sistema de la invención, que comprende un circuito rectificador 1, que según un ejemplo de realización, tal y como se muestra en la figura 2a, está constituido por un puente de diodos 7 cuya entrada 8a se conecta a la red monofásica, para proporcionar en su salida una onda rectificada que se entrega a un filtro 2.The block diagram is shown in figure 1 functional of the system of the invention, comprising a circuit rectifier 1, which according to an embodiment example, as shown in figure 2a, it is constituted by a diode bridge 7 whose input 8a connects to the single phase network, to provide at its output a rectified wave that is delivered to a filter 2.
También cabe la posibilidad de que el rectificador 1 comprenda un puente rectificador de diodos 9, cuya entrada 8b se conecta a la red trifásica, y cuya salida se conecta al filtro 2.It is also possible that the rectifier 1 comprises a diode rectifier bridge 9, whose input 8b is connected to the three-phase network, and whose output is connected to filter 2.
Estos circuitos no se describen en mayor detalle, por ser sobradamente conocidos en el Estado de la Técnica.These circuits are not described in greater detail, for being well known in the state of the art.
Por consiguiente, en cualquiera de los dos casos la señal rectificada se entrega al filtro 2 que mediante las bobinas 10 y 11 y el condensador 12 realizan un filtrado convencional. La bobina 10 puede estar ubicada antes o después del bloque de rectificación. En el caso de la red trifásica si se coloca antes, obviamente es una bobina trifásica de las empleadas convencionalmente.Therefore, in either case the rectified signal is delivered to filter 2 which by means of coils 10 and 11 and capacitor 12 perform filtering conventional. The coil 10 may be located before or after the rectification block. In the case of the three-phase network if it is placed before, obviously it is a three-phase coil of the employees conventionally.
También cabe la posibilidad de que el condensador 12 puede ser de gran capacidad, o en el caso de que se busque minimización del impacto en la red eléctrica de la etapa de potencia, puede ser disminuido para permitir un gran rizado en la señal continua obtenida a la salida del filtro.It is also possible that the capacitor 12 can be large capacity, or in the case that it is sought minimization of the impact on the power grid of the stage of power, can be decreased to allow great curling in the continuous signal obtained at the filter output.
En el caso de reducir notablemente la capacidad del condensador se tiene un factor de potencia próximo a la unidad y una onda de gran calidad. También cabe señalar que se pueden utilizar etapas correctoras del factor de potencia convencionales.In the case of significantly reducing capacity of the capacitor you have a power factor close to the unit and a high quality wave. It should also be noted that you can use power factor corrective stages conventional.
La tensión de salida del filtro 2 se aplica a un generador de frecuencia 3 (inversor, etapa de potencia) que recibe la señal a través de una bobina 13 y se aplica en su salida mediante un condensador 14, y todo ello regulado por un único elemento de conmutación estático 23, que es gobernado por el módulo de control 6 tal y como será descrito con posterioridad.The output voltage of filter 2 is applied to a frequency generator 3 (inverter, power stage) that receives the signal through a coil 13 and is applied at its output by a capacitor 14, and all regulated by a single static switching element 23, which is governed by the module of control 6 as will be described later.
El elemento de conmutación estático 23 es preferentemente un IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).The static switching element 23 is preferably an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
El gobierno del conmutador 23 mediante el módulo de control 6, determina que en los bornes del condensador 14 se obtenga una señal senoidal asimétrica de alta frecuencia comprendida entre los 10 y 60 kHz, que se aplica a un circuito resonante 4, que está compuesto por un circuito resonante serie constituido por un condensador 15 y el primario 16 de un transformador que induce una señal senoidal simétrica en el secundario 17 del transformador.The government of switch 23 through the module of control 6, determines that in the terminals of the capacitor 14 obtain a high frequency asymmetric sinusoidal signal between 10 and 60 kHz, which is applied to a circuit resonant 4, which is composed of a series resonant circuit constituted by a capacitor 15 and the primary 16 of a transformer that induces a symmetric sinusoidal signal in the secondary 17 of the transformer.
La figura 9 representa una variante del circuito resonante del primario 16. En este caso el circuito resonante es paralelo, para lo que se ha dispuesto una bobina 24 en paralelo con el primario 16.Figure 9 represents a variant of the circuit resonant of the primary 16. In this case the resonant circuit is parallel, for which a coil 24 is arranged in parallel with the primary 16.
Para que el primario 16, por el que circula una señal senoidal asimétrica, induzca en el secundario 17 una señal senoidal simétrica, es necesario que el acoplamiento entre primario 16 y secundario 17 se realice a través del aire, es decir el transformador carece de núcleo ferromagnético.So that primary 16, through which a Asymmetric sinusoidal signal, induce a signal in secondary 17 symmetric sinusoidal, it is necessary that the coupling between primary 16 and secondary 17 is done through the air, that is the Transformer lacks ferromagnetic core.
El secundario 17 forma parte de un circuito resonante serie o paralelo, tal y como se muestra en las figuras 5 a 9 que a continuación se describen.The secondary 17 is part of a circuit resonant series or parallel, as shown in figures 5 to 9 described below.
En la figura 5 se muestra un circuito resonante serie constituido por el secundario 17 y un condensador 18, de forma que a la salida de dicho condensador 18 se obtiene la señal alterna simétrica mediante la cual se alimenta a una carga 5 que puede ser de cualquier tipo. Esta realización corresponden a la preferente de la invención.A resonant circuit is shown in figure 5 series consisting of the secondary 17 and a capacitor 18, of so that at the output of said capacitor 18 the signal is obtained symmetrical alternating through which a load 5 is fed which It can be of any kind. This embodiment corresponds to the Preferred of the invention.
En las figuras 6 a 8 se muestran otras posibles configuraciones de circuitos resonantes de tipo convencional, siendo la representada en la figura 6 un circuito resonante paralelo en el que el secundario 17 y condensador 18 están conectados en paralelo con un condensador 19.Figures 6 to 8 show other possible Resonant circuit configurations of conventional type, the one represented in figure 6 being a resonant circuit parallel in which the secondary 17 and capacitor 18 are connected in parallel with a capacitor 19.
En la figura 7 se muestra otro circuito resonante paralelo, pero en este caso en lugar del condensador 19 se emplea una bobina 20 conectada en paralelo con el condensador 18 y bobina 17.Figure 7 shows another resonant circuit parallel, but in this case instead of the capacitor 19 is used a coil 20 connected in parallel with the capacitor 18 and coil 17.
En la figura 8 se ha añadido, además del secundario 17, condensador 18 y condensador 19, un tercer condensador 21.In figure 8 it has been added, in addition to secondary 17, capacitor 18 and capacitor 19, a third condenser 21.
Todos estos circuitos resonantes descritos en las figuras 5 a 9 no se describen en mayor detalle por ser conocidos en el Estado de la Técnica. En cualquiera de los casos la señal que circula por el primario 16 es una señal senoidal asimétrica del tipo de las mostradas en la figura 11, induciéndose en el secundario, tal y como ya ha sido explicado, una señal senoidal simétrica al realizarse un acoplamiento inductivo por aire.All these resonant circuits described in the Figures 5 to 9 are not described in greater detail by being known in the state of the art. In either case the signal that circulates through primary 16 is an asymmetric sinusoidal signal of type of those shown in figure 11, inducing in the secondary, as already explained, a sine signal symmetrical when performing an inductive coupling by air.
La configuración resonante serie del primario tiene rendimientos más elevados, reservándose la configuración paralelo de la figura 9 para las aplicaciones de pequeña potencia.The primary series resonant configuration It has higher yields, reserving the configuration parallel of figure 9 for small applications power.
El elemento de conmutación 23 es gobernado con técnicas resonantes mediante el módulo de control 6, de forma que se obtienen unas conmutaciones con mínimas pérdidas y la forma de onda senoidal asimétrica, lo que minimiza la emisión de espectros electromagnéticos ambientales capaces de introducir ruidos e interferencias en los sistemas, incrementando la eficiencia de la transmisión.The switching element 23 is governed with resonant techniques through control module 6, so that commutations are obtained with minimal losses and the form of asymmetric sine wave, which minimizes the emission of spectra environmental electromagnetic capable of introducing noise and system interference, increasing the efficiency of the transmission.
La regulación de la energía transmitida a la carga 5 se realiza gobernando la conducción del elemento conmutador 23, con la forma de onda de tensión evolucionando instantáneamente según la senoide impuesta por la red, tal y como ha sido descrito.The regulation of the energy transmitted to the load 5 is done by governing the conduction of the switching element 23, with the voltage waveform evolving instantly according to the sine imposed by the network, as it has been described
Para gobernar la conducción del elemento de conmutación estático 23, el módulo de control 6 se conecta a los diferentes circuitos que constituyen el sistema, para obtener los parámetros eléctricos de cada uno de dichos circuitos, y actuar en consecuencia, de forma que comprende circuitos para realizar la medida de la tensión, intensidad o potencia en cada uno de los diferentes circuitos que componen el sistema de la invención.To govern the driving of the element of static switching 23, the control module 6 is connected to the different circuits that constitute the system, to obtain the electrical parameters of each of said circuits, and act in consequently, so that it comprises circuits to perform the measurement of the voltage, intensity or power in each of the different circuits that make up the system of the invention.
En una realización preferente se prevé la medida de la tensión, potencia o intensidad de la carga, para lo que se prevé que el módulo de control 6 cuente con un generador de tensión, intensidad o potencia de referencia que se aplica a un comparador, que a su vez recibe la tensión, intensidad o potencia de la carga, de forma que dicho comparador calcula la diferencia entre la tensión, intensidad o potencia de referencia y la tensión intensidad o potencia de la carga, y se aplica a un regulador que es el elemento encargado de aumentar o disminuir el tiempo de conducción del conmutador estático 23 para igualar ambas tensiones, intensidades o potencias, y obtener la señal senoidal asimétrica.In a preferred embodiment the measure is provided of the voltage, power or intensity of the load, for which provides that the control module 6 has a generator of voltage, intensity or reference power that is applied to a comparator, which in turn receives the voltage, intensity or power of the load, so that the comparator calculates the difference between the voltage, intensity or reference power and the voltage intensity or power of the load, and is applied to a regulator that it is the element responsible for increasing or decreasing the time of conduction of static switch 23 to equalize both voltages, intensities or powers, and get the sine signal asymmetric
En cualquiera de los casos descritos los parámetros RLC de los circuitos resonantes del primario y del secundario se calculan previamente para que los circuitos oscilen a la frecuencia de resonancia deseada.In any of the cases described, RLC parameters of the primary and resonant circuits secondary are previously calculated so that the circuits oscillate at the desired resonance frequency.
La invención prevé que el módulo de control 6 permita realizar la técnica de modulación PWM (modulación de ancho de pulso a frecuencia fija para el control de la potencia transmitida, combinando esta técnica con la variación de la frecuencia). La variación del ancho de pulso permite modificar la tensión, intensidad o potencia que se aplique a la carga, y es la que va ser utilizada con carácter general. Sin embargo, es posible que se modifique la distancia entre bobinas o algún parámetro del circuito por alguna causa externa (un golpe, calentamiento, envejecimientos....) en ese caso la frecuencia inicial no sería la de máximo rendimiento, es en estos casos en los que el control modifica la frecuencia de trabajo hasta alcanzar una vez más la zona de máximo rendimiento y en base a esta frecuencia controla la anchura de pulso para suministrar a la carga la señal que necesite en cada momento.The invention provides that the control module 6 allow to perform the PWM modulation technique (width modulation Fixed frequency pulse for power control transmitted, combining this technique with the variation of the frequency). The variation of the pulse width allows modifying the voltage, intensity or power that is applied to the load, and is the which will be used in general. However it is possible that the distance between coils or some parameter of the circuit for some external cause (a blow, warm up, aging ....) in that case the initial frequency would not be the of maximum performance, it is in these cases in which the control modify the working frequency until reaching once more the area of maximum performance and based on this frequency controls the pulse width to deliver the signal you need to the load in every moment.
Además la conmutación del elemento de conmutación estático 23 se produce con una tensión y/o corriente nulas independientemente de las condiciones de trabajo.In addition the switching of the switching element static 23 is produced with zero voltage and / or current regardless of working conditions.
Mediante el módulo de control 6 se permite la adopción de técnicas de control PAM (Modulación de la Altura de Pulso) como técnica complementaria para la regulación del aporte de energía al sistema resonante inducido. Para ello se utiliza, bien una etapa rectificadora controlada, guiada por red o a conmutación forzada, o una etapa intermedia entre el rectificador y la configuración de alimentación resonante, en la que mediante el troceamiento previo de la tensión de entrada, suministra ondas de evolución senoidal de amplitud variable.The control module 6 allows the adoption of PAM control techniques (Height Modulation of Pulse) as a complementary technique for the regulation of the contribution of energy to the induced resonant system. For this it is used, well a controlled, network-guided or switching rectifier stage forced, or an intermediate stage between the rectifier and the resonant power configuration, in which through the prior chopping of the input voltage, supplies waves of sine evolution of variable amplitude.
En el caso de potencias elevadas es posible mantener la misma configuración en la alimentación, pero utilizando varias ramas en paralelo, según se muestra en la figura 10, donde se han desdoblado todos los elementos del circuito de conmutación 3 que se conectan al primario 16 mediante un condensador 22. En este caso, las técnicas de control gobiernan los dos elementos de conmutación 23 para permitir que se adapte al seguimiento de la evolución resonante del sistema, de la forma que fue descrita anteriormente, es decir obteniendo los parámetros de tensión, intensidad o potencia de los circuitos del sistema según el control a realizar y a partir de los parámetros calculados de los circuitos resonantes para obtener la frecuencia de resonancia.In the case of high powers it is possible keep the same configuration in the feed, but using several branches in parallel, as shown in figure 10, where all the elements of the switching circuit 3 have been unfolded which are connected to primary 16 through a capacitor 22. In this In this case, control techniques govern the two elements of switching 23 to allow it to adapt to tracking the resonant evolution of the system, as described previously, that is, obtaining the voltage parameters, intensity or power of the system circuits according to the control to be performed and from the calculated circuit parameters resonators to obtain the resonant frequency.
En una realización de la invención se prevé que el módulo de control 6 realice la medida selectiva de la tensión y corriente en el primario o en la entrada de su circuito resonante, de forma que a partir de esta medida realizada y de los parámetros RLC previamente calculados, y almacenados en el módulo de control 6, gobierna el control de la activación del elemento de conmutación 23 para obtener el máximo rendimiento, adaptándose las condiciones de oscilación adecuadas a cada condición de la carga. Esta configuración permite estimar los parámetros de la carga, cuando ésta es móvil y se desea prescindir de un módulo de comunicaciones.In an embodiment of the invention it is envisioned that the control module 6 perform the selective measurement of the voltage and current in the primary or at the input of its resonant circuit, so that from this measurement and the parameters RLC previously calculated, and stored in control module 6, governs the activation control of the switching element 23 for maximum performance, adapting the conditions of swing suitable for each load condition. This configuration allows to estimate the load parameters, when This is mobile and you want to do without a module communications
Tal y como fue señalado en el apartado descripción de la invención, la carga a alimentar puede ser móvil, como es el caso de la alimentación de un motor de un vehículo, en cuyo caso es necesario conectar la carga a un módulo de comunicación que envíe los parámetros medidos de la carga al módulo de control 6.As indicated in the section description of the invention, the load to be fed can be mobile, as is the case of feeding a motor of a vehicle, in in which case it is necessary to connect the load to a module communication that sends the measured parameters of the load to the module of control 6.
Si además se desea minimizar el impacto en la red eléctrica que provoca el sistema, se mide la tensión y/o corriente, tanto de la propia red de alimentación como de la tensión continua presente a la salida del filtro 2. A partir de esta información se deben utilizar cualquiera de las dos técnicas de rectificación alternativa explicadas anteriormente: la primera consistente en disminuir el condensador de filtrado permitiendo un gran rizado en la señal de continua, o la segunda consistente en la utilización de etapas correctoras del factor de potencia.If you also want to minimize the impact on the network electrical that causes the system, the voltage and / or current is measured, both the power supply itself and the direct voltage present at the outlet of filter 2. Based on this information, they must use either of the two rectification techniques alternative explained above: the first consisting of decrease the filtering condenser allowing great curling in the continuous signal, or the second consisting of the use of corrective stages of the power factor.
Por lo tanto, mediante el sistema de la invención se proporcionar un acoplamiento inductivo en el aire a unas distancias del orden de 30 cm, hasta ahora no logradas, sin necesidad de elementos intermedios, con eficiencias energéticas significativamente superiores, y formas de onda y compensación de reactiva en la red de alimentación.Therefore, by the system of the invention inductive coupling is provided in the air at about distances of the order of 30 cm, so far not achieved, without need for intermediate elements, with energy efficiencies significantly higher, and waveforms and compensation of reactive in the power supply network.
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