PROYECTO FINAL DE CARRERA

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1 POYECTO FINA DE CAEA TITUO: TANSMISIÓN DE ENEGIA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO AUTO: Jesús Martínez Vila TITUACIÓN: INGENIEÍA EN EECTÓNICA DIECTO: Fransesc Ginjoan Gispert DEPATAMENTO: Ingeniería electrónica FECHA: 0/0/6

2 Ínice TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Capítulo. Introucción Objetivos Justificación Anteceentes Estao e la tecnología Aplicaciones Metoología Teario... Capítulo. Marco e referencia teórica El factor e acoplaiento (k) a resonancia os esonaores El factor e calia (Q)... 6 Capítulo 3. Análisis El transforaor Factor e acoplaiento Meias para la obtención e los paráetros el transforaor Meia e la inuctancia útua Meia e las inuctancias e ispersión Circuito tanque Topologías el circuito tanque Análisis e la topología Serie-Serie SS Análisis e la topología Serie-Paralelo SP... 5

3 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Análisis e la topología Paralelo-Serie PS Análisis e la topología Paralelo-Paralelo PP Elección el circuito tanque Topologías e convertiores resonantes Inversor push-pull Inversor asiétrico Inversor en eio puente Inversor en puente copleto Inversor en clase E Elección e la topología el inversor resonante Interruptores e potencia Moos e conutación Moo e conutación a tensión cero (ZVS) o conutación forzaa Moo e conutación a corriente cero (ZCS) o conutación natural Elección el oo e conutación e Snubber Snubber e tensión CD Estrategia e control Algorito e control Sisteas e protección Moelo el convertior con tanque resonante serie, rectificaor en ona copleta y etapa inversora en eio puente Análisis por aproxiación el prier arónico Cálculo el prier arónico e la tensión e salia e la etapa inversora Análisis el rectificaor en ona copleta... 4

4 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Cálculo e la ganancia e tensión Capítulo 4. Diseño Transforaor Tanque resonante Serie-Serie SS Transistores MOSFET a carga El filtro e salia El puente rectificaor Análisis e la ganancia e tensión Circuito e control Circuito etector e fase egulaor egulaor e la frecuencia e resonancia egulaor e la potencia e entraa Oscilaor controlao por tensión VCO El circuito river Aaptación e niveles e tensión no referios a asa Sisteas e protección Circuito e tiepos uertos Protección contra sobrecargas Sistea e encenio Esqueas Siulación el sistea... 6 Capítulo 5. Construcción El transforaor

5 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO 5... Análisis e los ensayos realizaos en el transforaor Características e las bobinas Efecto e la separación entre evanaos Efecto e la inclusión e núcleo agnético Efecto e la separación lateral entre evanaos Circuito e control Inversor resonante en eio puente Circuito e salia Capítulo 6. esuen y conclusiones esultaos obtenios Trabajos futuros Capítulo 7. eferencias Bibliografía Bibliografía copleentaria

6 esu TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Aquest projecte està centrat en l estui, isseny i construcció un sistea e transissió energia elèctrica sense contacte per itjà acoblaent inuctiu. es aplicacions són olt variaes, però aquest treball es centra en aplicacions per als electrooèstics que requereixen una potència itjana (centenars e watts). El otiu principal per al esenvolupaent el projecte és proporcionar als electrooèstics és llibertat e ovient, seguretat i cooitat per l usuari. El proceient aplicat es basa en estuiar etallaaent caascuna e les parts el projecte ab l objectiu e eterinar la topologia el sistea, el ètoe e control i els paràetres els coponents. Un cop realitzat l estui i construïes les bobines es proceeix a la siulació el sistea. Seguiaent s eagatzeen els valors obtinguts ab el que es efineixen les gràfiques corresponents i s escull els resultats òptis per al esenvolupaent el circuit efinitiu. A continuació es construeix el prototip i s analitzen ab etall els resultats aconseguits, per coparar-los ab els obtinguts itjançant siulacions. Finalent es oifiquen certs paràetres el sistea per veure epíricaent co influeixen en el sistea. S observa que l eficiència el sistea epèn bàsicaent e les característiques els coponents, la topologia el circuit i la freqüència e treball. 5

7 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO esuen Este proyecto está centrao en el estuio, iseño y construcción e un sistea e transisión e energía eléctrica sin contacto por eio e acoplaiento inuctivo. as aplicaciones son uy variaas, pero este trabajo se va a centrar en aplicaciones para electrooésticos que requieren una potencia eia (centenares e vatios). El otivo principal para el esarrollo el proyecto es proporcionar a los electrooésticos una ayor liberta e oviiento, seguria y cooia para el usuario. El proceiiento aplicao se basa en estuiar etallaaente caa una e las partes el proyecto con el objetivo e eterinar la topología el sistea, el étoo e control y los paráetros e los coponentes. Una vez realizao el estuio y construias las bobinas se procee a la siulación el sistea. Seguiaente se alacenan los valores obtenios con lo que se efinen las gráficas corresponientes y se escoge los resultaos óptios para el esarrollo el circuito efinitivo. A continuación se construye el prototipo y se analizan con etalle los resultaos conseguios, para copararlos con los obtenios eiante siulaciones. Finalente se oifican ciertos paráetros el sistea para ver epíricaente cóo influyen en el sistea. Se observa que la eficiencia el sistea epene básicaente e las características e los coponentes, la topología el circuito y la frecuencia e trabajo. 6

8 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Abstract This project is focuse on the stuy, esign an construction of a syste of power transission without contact through inuctive coupling. The applications are very varie, but this work is going to focus on applications for appliances that require an average power (hunres of watts). The ain reason for the project is to provie appliances for greater freeo of oveent, security an user cofort. The applie etho is base on a etaile stuy of each of the parts of the project with the objective of eterining the topology of the syste, the control etho an paraeters of the coponents. Once the stuy is one an the coils are built we o the syste siulation. Ieiately, we store the values obtaine with the corresponing graphs an choose the optial results for the evelopent of the final circuit. Next we built the prototype an the results obtaine are analyse in etail for coparison with those obtaine through siulations. Finally, we oify certain syste paraeters epirically to see how they influence the syste. It shows us that the efficiency of the syste basically epens on the characteristics of the coponents, circuit topology an frequency. 7

9 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Capítulo. Introucción En este proyecto se pretene estuiar, iseñar, construir y ensayar un sistea e transisión e energía eléctrica para potencias eias en aplicaciones e uso oéstico. Este tipo e sisteas se pueen utilizar en ispositivos electrónicos no óviles coo televisores, bobillas, batioras, etc. os cuales no son eleentos que ispongan e baterías para funcionar sino que están constanteente conectaos a la re eléctrica. El otivo principal para el uso e esta tecnología es la eliinación e cables y conectores y proporcionar un sistea e alientación segura, transparente y cóoa para el usuario. Para iseñar y construir un sistea e alientación sin contacto hay que tener en cuenta uchos factores coo la elección e la topología, el auento el factor e acoplaiento el transforaor y la eficiencia el sistea. En este proyecto se analizan etallaaente caa uno e estos aspectos para su iseño y construcción... Objetivos El objetivo principal e este proyecto es estuiar, iseñar, construir y ensayar un sistea e transisión e energía eléctrica por inucción para uso oéstico cuya potencia a transitir sea e unos 300W a una istancia no inferior a los 0 c. os objetivos técnicos para el esarrollo el proyecto son: Establecer las características en cuanto a iseño se refiere, que hacen posible su funcionaiento. levar a cabo los análisis corresponientes para esarrollar unos coponentes inuctivos, fácilente aplicables a los espacios previstos para los eisores así coo los necesarios para poer ser incorporaos en los equipos receptores e energía. Siular el enlace inuctivo y sus sisteas electrónicos. Contrastar los resultaos experientales con los obtenios eiante siulación. 8

10 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Definir, estuiar y analizar un sistea e alientación inalábrica basao en el enlace inuctivo para ispositivos electrónicos e eia potencia. Analizar con etalle los sisteas resonantes, que eberán incorporarse tanto en los equipos eisores coo en los receptores, especialente en su vertiente e reniiento, consiguieno la áxia transferencia e energía entre ellos, evitano las périas, tanto las ebias a istancias y posición, coo a las ebias a la posible falta e sincronización por iferencias e la frecuencia resonante. Acotar criterios e iseño tanto el transforaor coo el convertior para iniizar las périas, con la intención e reucir taaño y auentar la autonoía el sistea... Justificación a transisión e energía eléctrica sin contacto esta en continuo esarrollo pero aun no hay uchas aplicaciones para electrooésticos e eia potencia. Con esta tecnología se evita la proliferación e cables, ejorano así la organización, la seguria y la cooia, y tabién se reuce el taaño e los electrooésticos y se auenta su urabilia. Actualente se presentan uchas oportuniaes e investigación, en las áreas e la ingeniería eléctrica coo la electrónica e potencia, control, instruentación, ingeniería e ateriales, etc. Por estos otivos se consiera iportante la elaboración el proyecto coo una oportunia e investigación tecnológica..3. Anteceentes En la écaa e 890 Nikolas Tesla eostró la transisión e energía eléctrica inalábrica en los transforaores resonantes llaaos bobinas e Tesla. Dese estas bobinas las cuales contenían capos eléctricos ineseables que irraiaban energía en toas irecciones. En 975 la NASA logró transitir 34kW e potencia a una istancia e,5k en la bana e icroonas one se eitía una raiación altaente irectiva. En la inustria ilitar Norteaericana se iseño y se construyó un sistea electrónico para la transferencia e osis letales e potencia, eiante rayos láser en el capo e batalla; sin ebargo estas soluciones no eran eficientes en potencia, requerían un espacio libre e obstáculos y representaban riesgos graves para la salu huana, e tal fora que fue esestiao 9

11 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO En 007 investigaores el Massachussets Institute of Technology (MIT), propusieron una nueva solución llaaa Witricity. El principio e funcionaiento se basa en técnicas e inucción agnética ejoraas eiante la resonancia y un fuerte acoplaiento el transforaor. En sus experientos (Figura.) se logró transitir electricia inalábrica a una bobilla e 60W a una istancia e y con una eficiencia el 40%. Figura. Experiento realizao por el MIT para la eostración e la transferencia e energía inalábrica.4. Estao e la tecnología Tal y coo explican [Ajey, Gayathri, Bette y Yashwanth, 04, pp. 9] hay os étoos para transferir energía eléctrica sin contacto y se clasifican básicaente en raiativas y no raiativas. Cuano el iáetro e los ispositivos es ucho ás pequeño que la istancia a transitir la energía ebe ser raiaa por el espacio. a transisión se puee realizar por onas e luz o por icroonas y proporciona una eficiencia en torno al 95% cuano la energía es concentraa y enviaa por haces. Para su ipleentación es necesario un espacio libre e obstáculos. En cabio, cuano las istancias son enores, esta energía no necesita ser raiaa y se realiza eiante acoplaiento capacitivo o inuctivo. El priero e ellos necesita una ayor superficie para transferir la isa energía, y por tanto, en general se opta por eplear un acoplaiento inuctivo. Al utilizar el acoplaiento inuctivo para la transferencia e energía se realiza el iso proceiiento que un transforaor, siepre y cuano la istancia no supere el iáetro e la bobina eisora; en caso contrario el sistea será ineficiente por la inexistencia e un núcleo agnético. 0

12 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Cuano se quiere transitir a istancias superiores a las el iáetro e la bobina eisora se eberá utilizar un acoplaiento resonante y en ningún caso superar 0 veces su iáetro si se quiere un reniiento aceptable..5. Aplicaciones as ás iportantes razones para recurrir a una fuente e alientación e estas características son: Obviar la exposición e electroos a un eio gaseoso o húeo. Es uy iportante eshacerse el conector eléctrico cuano se está trabajano en un eio que puee entrañar peligro, one hay que evitar el riesgo e que salte una chispa al esenchufar el conector: ebajo el agua, en un eio húeo, en una ina con peligro e filtraciones e gas, etc. Algunas e estas aplicaciones pueen ser vehículos subarinos, vehículos para inas o cepillos e ientes. Auentar la fiabilia e cargaores e batería eliinano los conectores ecánicos (teléfonos óviles), ya que éstos son potenciales puntos e fallo al esolarse o ganar holgura. Proporcionar inepenencia total a cargas que eben peranecer en constante oviiento (robots). Cuano la carga es un objeto en oviiento, la existencia e cableao estorba sus oviientos, coo en el caso e robots o vehículos. esulta ióneo garantizar que el equipo va a estar perfectaente alientao con inepenencia el lugar que ocupe en el espacio, e oo que tenga una ovilia copleta en un entorno eterinao. Alientar últiples cargas e uy bajo consuo. os icrosisteas constituyen un tea e áxia actualia. Si se eplean uchos icrosisteas, proporcionar alientación a caa uno e ellos puee precisar un cableao coplejo y con alto coste e anteniiento. Un claro ejeplo serían las rees e icrosensores en abientes inustriales. Facilitar ergonoía y salu al usuario e sisteas iplantaos entro el cuerpo huano. Existen ciertos ispositivos que precisan ser iplantaos entro el cuerpo huano para solucionar alguna carencia el paciente. Para proporcionar energía a estos iplantes ese una batería situaa fuera el cuerpo al iplante situao en el interior el iso, interesa no perforar la piel, para evitar riesgos e infección, proporcionar al paciente ayor cooia y ejorar su estética.

13 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO.6. Metoología a etoología a utilizar en este proyecto se basará en las siguientes activiaes. Se elabora un estuio bibliográfico a fin e tener una base teórica, inispensable para una buena investigación. Se analiza y se estuia la inforación con el objetivo e eterinar toos los aspectos relacionaos con el iseño. Seguiaente se construyen los sisteas eléctricos que hacen posible la transisión e energía sin contacto y se realizan las eias pertinentes. Una vez realizao los ensayos, se alacenan los valores obtenios, con lo que se efinen las gráficas corresponientes y se escoge los resultaos óptios para el esarrollo el circuito efinitivo..7. Teario Este trabajo se estructura en 6 capítulos. El prier capítulo es una introucción al tea, en one se efinen los objetivos, el estao actual e la tecnología y la etoología a utilizar. En el seguno capítulo se escriben breveente los principios físicos e funcionaiento necesarios para el estuio y análisis el proyecto. El tercer capítulo se centra en el estuio e caa una e las partes el sistea, analizano los paráetros e los coponentes, las topologías y las estrategias e control, con el objeto e acotar los criterios e iseño. El cuarto capítulo se enfoca principalente en el iseño e caa una e las etapas que foran el sistea. Aeás, en este capítulo se uestran los resultaos e las siulaciones con el objetivo e coprobar el correcto funcionaiento el sistea, eterinar las características e los coponentes y efinir el sistea e control. El quinto capítulo es sobre la construcción el prototipo, y las eiciones realizaas en caa una e las etapas, para copararlas con los resultaos obtenios experientalente, y aeás observar cóo se coporta el sistea ante istintas coniciones.

14 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Finalente en el capítulo sexto se resuen toas las conclusiones extraías en los capítulos anteriores y se sugieren una serie e activiaes futuras cuya realización copleentaria este proyecto. 3

15 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Capítulo. Marco e referencia teórica a inucción agnética es la generación e un capo eléctrico ebio a un capo agnético que varía con el tiepo, tal y coo eostró Faraay. El voltaje inucio en un circuito cerrao es irectaente proporcional a la rapiez e la variación el flujo agnético que atraviesa una superficie cualquiera, es ecir: C l = t B A E (. ) S El sistea utilizao en este proyecto para la transferencia inalábrica e energía eléctrica está forao por una bobina eisora y una receptora. Abos anillos foran un sistea e bobinas acoplaas agnéticaente. Una fuente e alientación eléctrica conectaa a la bobina eisora genera un capo agnético que inuce un voltaje a la bobina receptora. Este voltaje se puee utilizar para alientar un ispositivo externo conectao a la bobina receptora. a eficiencia e la transferencia e energía epene el factor e acoplaiento (k) entre los inuctores y e la calia el acoplaiento (Q)... El factor e acoplaiento (k) Para la transisión e energía eléctrica sin contacto el factor acoplaiento (k) inica la cantia e flujo que genera una corriente que circula por la bobina eisora y es enviaa a la receptora, su valor puee variar entre 0 y, sieno cuano están perfectaente acoplaas y 0 cuano no lo están. Este factor variara según la istancia entre los inuctores (z) y el taaño relativo e la bobina (D/D) tal y coo se uestra en la Figura.. a calia el acoplaiento está ás eterinaa por la fora e las bobinas y el ángulo e inciencia entre ellas. Figura. Esquea e inucción agnética entre las os bobinas 4

16 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Se puee transferir potencia inalábrica usano un acoplaiento no resonante tal y coo se utilizan en los transforaores, pero en este proyecto no hay núcleo agnético que las atraviese. Este étoo es uy ineficiente cuano la istancia entre las os bobinas es superior al iáetro e la bobina eisora, pero eiante el uso e la resonancia, las périas se pueen reucir consierableente... a resonancia En este proyecto se trabaja con el fenóeno e la resonancia agnética, con el objetivo e ejorar el reniiento el sistea, para ello se utiliza un circuito C. En un circuito C sintonizao cuano el capo agnético el inuctor es áxio, la corriente eléctrica es inucia en el evanao que conuce a la carga el conensaor. Ahora, cuano el conensaor se escarga la corriente eléctrica resultante crea un capo agnético en el inuctor y este proceso se repite continuaente. a resonancia se prouce si la reactancia inuctiva y la reactancia capacitiva el circuito resultan ser iguales en agnitu, esto a lugar a la oscilación entre los capos eléctricos y agnéticos el conensaor y el inuctor, respectivaente. En la resonancia, la bobina y el conensaor tienen ipeancia en serie ínia y áxia ipeancia en paralelo ientras que, sus reactancias son e igual agnitu. De ahí conseguios que: X = X C ω = ωc ω = C (. ).3. os esonaores El sistea electrónico iseñao en este proyecto esta forao por un gran núero e coponentes y por tanto pueen tener iferentes frecuencias e resonancia. El tiepo necesario para que la energía se transfiera el inuctor al conensaor epene significativaente el núero e oscilaores arónicos acoplaos. Tenieno en cuenta la istancia entre abos laos el resonaor, la ona viaja a una istancia. Cuano la fase inicial e la ona inciente es igual a la fase e la ona reflejaa espués e 5

17 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO un ciclo copleto, las onas se refuerzan causano el fenóeno conocio coo la resonancia. Por lo tanto, la conición resultante e resonancia es que la istancia recorria por la ona inciente y la reflejaa es igual al núero entero e la longitu e ona; es ecir: = Nλ N {,,3,... } (.3 ) Tenieno en cuenta la velocia e la señal y la frecuencia, las frecuencias e resonancia pueen eterinarse e la siguiente fora: Nv f = N {,,3,... } (.4 ) Entonces, las frecuencias e resonancia e los resonaores son los últiplos e la frecuencia ás baja y se conoce coo la frecuencia funaental a igual istancia. Estos últiplos son llaaos coo arónicos. Depenieno e los oscilaores acoplaos, un sistea puee tener últiples frecuencias e resonancia..4. El factor e calia (Q) El factor e calia (Q) es un paráetro que ie la relación entre la energía reactiva que alacena y la energía que isipa urante un ciclo copleto. En el caso e un circuito C sintonizao a la frecuencia e resonancia la energía isipaa es ebia a las périas resistivas y raiativas que hacen que las oscilaciones ecaigan. El factor e calia juega un papel funaental en la transisión e energía inalábrica. Si el factor e calia es alto, se puee lograr una ayor eficiencia, a pesar e que el capo agnético generao se ebilita al esplazarse por el espacio. En un circuito C serie el factor e calia es: Q C = (.5 ) El factor e calia Q puee tener un valor entre 0 e infinito. Pero técnicaente es ifícil obtener valores uy por encia e 000. Para una eficiencia optia, se eben usar valores e alreeor e 00. Un factor e calia inferior a 0 no es uy útil. En el caso e la bobina el 6

18 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO factor e calia Q sólo epene e la fora y el taaño e la bobina y e los ateriales utilizaos para una frecuencia e funcionaiento estánar. 7

19 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Capítulo 3. Análisis A continuación se uestra el iagraa e bloques el sistea a analizar. 3.. El transforaor Figura 3. Diagraa e bloques el sistea Para este proyecto se va a utilizar un transforaor con os evanaos planos enfrentaos entre sí. a ificulta e este transforaor es que, las bobinas no están entrelazaas ni existe un núcleo que las atraviese, por estos otivos el factor e acoplaiento es bajo Factor e acoplaiento Si la bobina receptora esta a una cierta istancia e la eisora, solo una cierta parte el flujo agnético generao por la transisora, penetra en la receptora para generar transisión e electricia. Cuanto ayor flujo agnético alcance al receptor, ejor será el acoplaiento entre las bobinas. El grao e acoplaiento se expresa con el factor e acoplaiento k. El factor e acoplaiento k es un valor coprenio entre 0 y. El valor representa el acoplaiento perfecto, en el cual too el flujo agnético generao en el transisor es captao por el receptor. El valor 0 representa a un sistea en el que las bobinas son copletaente inepenientes. Este valor epene e la istancia y taaño entre los evanaos, el esplazaiento lateral, la iferencia e vueltas y la inclusión e núcleos agnéticos en el exterior e las bobinas. 8

20 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Cuano el factor e acoplaiento es bajo, los flujos e ispersión pueen alcanzar valores iguales e incluso ayores que el flujo agnetizante, entonces la relación e transforación no coincie con el núero e vueltas e los evanaos. Para eterinar los paráetros que influyen en el valor e (k), se analiza el siguiente oelo el transforaor. Figura 3. Moelo e un transforaor para el análisis e un sistea e transisión e energía eléctrica sin contacto. Done: es la inuctancia e ispersión el priario es la inuctancia e ispersión el secunario es la inuctancia agnetizante Φ es el flujo e ispersión el priario, causao por la corriente i y que no es copartia por el secunario Φ es el flujo e ispersión el priario, causao por la corriente i y que no es copartia por el secunario Φ es el flujo agnetizante Sabieno que el valor e una bobina viene eterinao por: φ N i = ( 3. ) Se puee eterinar el valor e caa una e las inuctancias el transforaor. N φ = ( 3. ) i 9

21 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO 0 i N φ = ( 3.3 ) i N N i N φ = ( 3.4 ) Analizano el oelo el transforaor se obtiene el siguiente sistea e ecuaciones: ( ) t i N N t i N N v t i N N t i v = = ( 3.5 ) Sabieno que el factor e acoplaiento (k) es el valor entre la cantia e energía copartia por abos evanaos y la energía total generaa, se obtiene la siguiente ecuación: ( ) = N N N N k ( 3.6 ) 3... Meias para la obtención e los paráetros el transforaor Para las eias e los paráetros el transforaor se utiliza el étoo explicao por [Mohaajafari, esan, y Ghaai, 04, p. 34] Meia e la inuctancia útua Para la eia e la inuctancia útua se utiliza un étoo one los os evanaos están conectaos en serie. Existen os posibiliaes e conectar los evanaos, una one el final el prier bobinao esta conectao con el principio el seguno y otra one el final el prier bobinao esta conectao con el final el seguno tal y coo se puee observar en la siguiente figura.

22 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Figura 3.3 Meia e la inuctancia a y b el transforaor. De esta fora se obtienen os valores e inuctancias efinias coo a y b. a = ( 3.7 ) b = ( 3.8 ) Entonces la inuctancia útua se puee obtener eiante la siguiente ecuación: 4 b a = ( 3.9 ) 3... Meia e las inuctancias e ispersión Si se realiza un ensayo en cortocircuito iieno ese el priario y cortocircuitano el secunario, la inuctancia eia cs es igual a la sua e la inuctancia e ispersión el evanao priario y el paralelo e la inuctancia agnetizante con la inuctancia e ispersión el evanao priario. = N N N N sc ( 3.0 ) Del iso oo, si se realiza este iso ensayo pero cortocircuitano el evanao priario y iieno ese el secunario, obteneos la isa inuctancia pero al revés. = N N N N sc ( 3. )

23 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO 3.. Circuito tanque Debio a que el núcleo el transforaor es aire, la inuctancia e fuga es elevaa, esto provoca una baja inuctancia e agnetización, en consecuencia las périas son consierables. El convertior ás aecuao para este tipo e aplicación es el convertior resonante. Un convertior DC/AC e carga resonante tiene uchas características especiales respecto a los convenciones. Debio a la conutación suave e los interruptores, se isinuyen las périas, por este otivo son especialente aecuaos para aplicaciones e alta potencia. Estos convertiores periten trabajan a una frecuencia elevaa reucieno así su taaño y peso sin sacrificar el reniiento. Estos convertiores se pueen iviir según el tipo e carga conectaa. Existen básicaente tres tipos iferentes ebio a su configuración: Convertiores resonantes en serie Convertiores resonantes en paralelo Convertiores resonantes con configuración serie-paralelo Convertiores resonantes con configuración paralelo-serie Un convertior resonante esta forao por tres etapas: el inversor e alta frecuencia, un tanque resonante y la carga. Done las foras e ona e tensión y corriente a al carga son sinusoiales o partes e una senoial y su transferencia e potencia a la carga se ebe principalente a la coponente funaental e la frecuencia e resonancia. os arónicos e oren superior contribuyen uy poco a la transferencia e potencia. a ipeancia e entraa el convertior Z IN ( jω) epene e iversos factores que se eberán tener en cuenta para su análisis. Estos factores son: Frecuencia e conutación el inversor Valores e la carga Márgenes óptios e regulación elación e transforación entre la bobina eisora y receptora

24 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO El factor e acoplaiento entre las os bobinas Este análisis e las topologías el circuito tanque eterinará las frecuencias óptias e trabajo el inversor ante posibles variaciones el punto e trabajo el convertior provocaas por las variaciones e carga o e la tensión e salia Topologías el circuito tanque Para el iseño para la transferencia inalábrica e energía eléctrica las topologías ás utilizaas son la carga resonante en S-serie o P-paralelo, ano lugar a cuatro topologías básicas: Topología Serie-Serie (SS) Topología Serie-Paralelo (SP) Topología Paralelo-Serie (PS) Topología Paralelo-Paralelo (PP) Tal y coo exponen [Boping, Shuailin, Wenjie, Chen y Dehong,04, p. 773], se aplica el étoo expuesto para el análisis e las topologías. Tenieno en cuenta que el sistea opera a la frecuencia e resonancia o entorno a ella y que los evanaos son siilares. De esta fora se puee realizar el análisis por aproxiación el prier arónico con el objetivo e siplificar los cálculos. No obstante el error que se coete es pequeño para las coniciones habituales e trabajo, aunque la respuesta selectiva el tanque resonante hace que los arónicos iferentes a la frecuencia e resonancia resulten excesivaente atenuaos y apenas influyan en el coportaiento el sistea. En toas las topologías la capacia e copensación en el evanao secunario viene eterinaa por la siguiente ecuación: C = ω o ( ) ( 3. ) a copensación priaria para las iferentes topologías se elige e anera que la ipeancia vista ese el lao e la fuente sea puraente resistiva, es ecir, que la corriente y la tensión e entraa estén en fase. 3

25 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO 3... Análisis e la topología Serie-Serie SS El circuito equivalente e la topología Serie-Serie se uestra en la siguiente figura: Figura 3.4 Topología Serie-Serie SS a ipeancia vista ese la fuente e tensión cuano se trabaja a la frecuencia e resonancia es: Z V ω j in, SS = = jω I j jω( ) C ω ωc ( ) ( 3.3 ) El conensaor e la entraa el transforaor ebe ser tal que la reactancia vista ese el priario sea nula. Tenieno en cuenta las ecuaciones anteriores, se puee eterinar su valor eiante la siguiente ecuación: C = ω o ( ) ( 3.4 ) En esta topología, el conensaor e entraa solo epene e la frecuencia e resonancia el evanao secunario y e la autoinucción el evanao el priario. a autoinuctancia tanto el priario coo el secunario es inepeniente e la posición relativa e los os evanaos y sólo epenen e las iensiones físicas y e su geoetría. Sin ebargo, el objetivo e este sistea es alcanzar una alta eficiencia. Por ese otivo se analiza el reniiento, y éste viene eterinao por: 4

26 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO η = I I I I = ( ) ( ) ( ) ωo ( 3.5 ) Coo puee observarse el áxio reniiento se obtenrá cuano >> y: ( ) ( ω ) o 0 ( 3.6 ) Es ecir, si: ( ) ω o >> ( 3.7 ) En este caso el reniiento áxio es: η ax = ( 3.8 ) ( ) 3... Análisis e la topología Serie-Paralelo SP El circuito equivalente e la topología Serie-Paralelo se uestra en la siguiente figura: Figura 3.5 Topología Serie-Paralelo SP 5

27 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO 6 a ipeancia vista ese la fuente e tensión cuano se trabaja a la frecuencia e resonancia es: ( ) ( ), C j j C j j Z SP in = ω ω ω ω ω ( 3.9 ) El conensaor e la entraa el transforaor ebe ser tal que la reactancia vista ese el priario sea nula. Tenieno en cuenta las os ecuaciones anteriores, se puee eterinar su valor eiante la siguiente ecuación: ( ) ( )( ) C C = ( 3.0 ) a capacia e copensación priaria solo epene e las bobinas y e la capacia e copensación el el secunario. Sin ebargo, el objetivo e este sistea es alcanzar una alta eficiencia. Por ese otivo se analiza el reniiento, y este viene eterinao por: ( ) ( ) ( ) = o ω η ( 3. ) Coo puee observarse el áxio reniiento se obtenrá cuano: ( ) ( ) o >> ω ( 3. ) En este caso el reniiento áxio es: ( ) ax = η ( 3.3 )

28 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Análisis e la topología Paralelo-Serie PS El circuito equivalente e la topología Paralelo-Serie se uestra en la siguiente figura: Figura 3.6 Topología Paralelo-Serie PS a ipeancia vista ese la fuente e tensión cuano se trabaja a la frecuencia e resonancia es: Z = jωc in, PS jω ( ) ( ω ) ( ) jω j ωc ( 3.4 ) El conensaor e la entraa el transforaor ebe ser tal que la reactancia vista ese el priario sea nula. Tenieno en cuenta las os ecuaciones anteriores, se puee eterinar su valor eiante la siguiente ecuación: C ( )( ) C 4 ( )( ) = ( 3.5 ) a capacia e copensación priaria epene e las bobinas, e la capacia e copensación el el secunario y e la carga Sin ebargo, el objetivo e este sistea es alcanzar una alta eficiencia. Por ese otivo se analiza el reniiento, y este viene eterinao por: 7

29 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO η = ( ) ( ) ωo ( 3.6 ) Coo puee observarse el áxio reniiento se obtenrá cuano: ( ) ω o >> ( 3.7 ) En este caso el reniiento áxio es: ax = η ( 3.8 ) Análisis e la topología Paralelo-Paralelo PP El circuito equivalente e la topología Paralelo-Paralelo se uestra en la siguiente figura: Figura 3.7 Topología Paralelo-Paralelo PP a ipeancia vista ese la fuente e tensión cuano se trabaja a la frecuencia e resonancia es: Z in, PP = jωc jω ( ) ( ω ) ( Cω ) ( jω( ))( C ω) ( 3.9 ) 8

30 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO 9 El conensaor e la entraa el transforaor ebe ser tal que la reactancia vista ese el priario sea nula. Tenieno en cuenta las os ecuaciones anteriores, se puee eterinar su valor eiante la siguiente ecuación: ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) 4 C C C = ( 3.30 ) a capacia e copensación priaria epene e las bobinas, e la capacia e copensación el el secunario y e la carga Sin ebargo, el objetivo e este sistea es alcanzar una alta eficiencia. Por ese otivo se analiza el reniiento, y este viene eterinao por: ( ) ( ) ( ) = o ω η ( 3.3 ) Coo puee observarse el áxio reniiento se obtenrá cuano: ( ) ( ) o >> ω ( 3.3 ) En este caso el reniiento áxio es: ( ) ax = η ( 3.33 ) 3... Elección el circuito tanque as cuatro topologías tienen iferentes ventajas e inconvenientes, y su elección epene principalente el tipo e aplicación. Seleccionar una e estas topologías influye irectaente en el valor el conensaor el evanao priario, tal y coo se ha ostrao en las ecuaciones anteriores. a copensación en serie ese el secunario el transforaor, no refleja una reactancia a la frecuencia e resonancia, con ello se consigue un factor e potencia unia y por consiguiente

31 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO una transferencia e potencia efectiva. Tabién se observa que la inuctancia priaria puee ser sintonizaa inepenienteente el valor e acoplaiento o e la carga, esto significa que las frecuencias e resonancia e los evanaos solaente epenen e su inuctancia y sus respectivas capaciaes e copensación. Sin ebargo, la copensación en paralelo ese el secunario el transforaor, refleja una reactancia capacitiva a la frecuencia e resonancia. En este caso, cuano la sintonización en el priario el transforaor esté configuraa en serie ésta epenerá el acoplaiento agnético pero no e la carga, en cabio, cuano esté configuraa en paralelo ésta epenerá tanto e la carga coo el acoplaiento agnético. En esta aplicación la separación entre los evanaos y la carga son variables, por este otivo es eseable utilizar una topología en tanque resonante Serie-Serie, ya que tiene una frecuencia e resonancia inepeniente e estas variables Topologías e convertiores resonantes as topologías e inversores resonantes bajo estuio son las siguientes: Push-pull Asiétrico Meio puente Puente copleto Clase E A continuación se etallan las ventajas y los inconvenientes e caa uno e las topologías tenieno en cuenta los estuios ya realizaos por [John, Ariana, María y Aolfo, 03, pp. 37]. 30

32 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Inversor push-pull Ventajas Figura 3.8 Inversor push-pull Se puee ajustar el nivel e la tensión e la ona cuaraa e salia por eio e la relación e transforación e las espiras el transforaor Abos interruptores pueen gobernarse con tensiones e control referias a asa Aislaiento entre el circuito e entraa y el e salia Inconvenientes os transistores eben e soportar el oble e la tensión e entraa, cosa que hace necesario el uso e transistores con tensiones e ruptura superiores y por consiguiente peores características e conucción Se ha e utilizar un eleento reactivo aicional, el transforaor, cosa que auentará el coste para algunas aplicaciones Dificulta para el iseño y construcción el transforaor, se ha e evitar coponentes continuas en el flujo el núcleo que provocarían fuertes corrientes e agnetización, iinuyeno el reniiento el inversor o provocano en el peor e los casos su estrucción ebio a la saturación el coponente. Este tipo e convertior se reserva para los casos one las tensiones e entraa son reucias, en este caso se hace inevitable el uso el transforaor para auentar la tensión e salia. No es aconsejable utilizar esta topología para potencias superiores a 0 KVA 3

33 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Inversor asiétrico Ventajas Siplicia en el iseño, sólo requiere os interruptores Inconvenientes Figura 3.9 Inversor asiétrico a tensión e salia es la ita e la tensión e entraa El conensaor ha e tener un elevao valor para iniizar el rizao e la tensión, y una baja resistencia serie, cosa que auentará el coste el convertior. Esta topología es uy utilizaa para la ipleentación e inversores autoscilantes Inversor en eio puente Ventajas Siplicia en el iseño, sólo requiere os interruptores Inconvenientes Figura 3.0 Inversor en eio puente a tensión e salia es la ita e la tensión e entraa, por tanto para igual potencia potencias ás elevaas que en el puente copleto os conensaores eben elegirse aecuaaente para suinistrar la energía necesaria en caa ciclo e conutación sin una escopensación excesiva en su tensión. Alto contenio arónico 3

34 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Es una topología uy utilizaa para la ipleentación e inversores autoscilantes y potencias eias con una tensión e entraa elevaa Inversor en puente copleto Ventajas Tensión e salia igual a la tensión e entraa a tensión soportaa por los interruptores es igual a la tensión e entraa Figura 3. Inversor en puente copleto Perite la oulación e la señal e salia Inconvenientes Uso e cuatro interruptores para generar la señal e salia, cosa que auentará el coste el convertior. Bajo reniiento para potencias e salia reucias ya que en caa instante siepre se encuentran os interruptores en estao e conucción Esta topología es uy aecuaa cuano la potencia e salia es alta Inversor en clase E Ventajas Figura 3. Inversor en clase E Bajas perias e conutación y se obtiene una alta eficiencia Siplicia en el iseño solo requiere un transistor El interruptor puee gobernarse con una tensión e control referia a asa. Inconvenientes Elevaa tensión en el interruptor 33

35 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Alta sensibilia e las coniciones e carga Aecuao para potencias bajas (inferior a 00W) y tensión e salia fija, aunque se puee oificar al variar la frecuencia e conutación Elección e la topología el inversor resonante Para este proyecto se consiera que el uso el inversor en eio puente es la ás aecuaa porque: En potencias eias se puee asuir una tensión e entraa inferior a 00V a eficiencia ha e ser elevaa El nivel e coplejia, ipleentación y coste econóico son aceptables para potencias eias a tensión soportaa por los interruptores se puee asuir con un transistor coercial e bajo coste Interruptores e potencia El interruptor e potencia para esta aplicación ha cuplir con los siguientes requisitos: Controlar el paso e un estao a otro con facilia y pequeña potencia Ser capaz e soportar la intensia y tensión requerias. Tener la velocia necesaria para pasar e un estao a otro Figura 3.3 Aplicaciones e los ispositivos e potencia 34

36 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Coo se observa en la Figura 3.3 proporcionaa por Powerex, Inc. para una potencia e 300W y una frecuencia e conutación superior a los 00KHz el ispositivo que ejor se aapta a las necesiaes el proyecto es un interruptor MOSFET. A continuación se escriben una serie e aspectos a tener en cuenta para la ipleentación el ispositivo en este proyecto:. El MOSFET es un interruptor controlao por tensión, que suele tener incorporao un ioo entre renaor y surtior especialente útil para aplicaciones e sisteas conutaos e corriente coo es el caso.. En coniciones e reposo, la corriente e puerta e los MOSFET es nula porque este coponente tiene una capacia entre puerta y surtior, por lo tanto, solo circula corriente a la entraa cuano se cabia e nivel, por este otivo el consuo e este tipo e ispositivo auenta en proporción a la frecuencia e conutación. 3. Para que el MOSFET entre en saturación, es necesario que la tensión e control sea suficienteente alta y esto puee ser un problea si se usa irectaente ese una salia e un icrocontrolaor. Para resolver este problea existen os posibiliaes: Usar un aaptaor que auente los niveles e salia el icrocontrolaor Conseguir un MOSFET que trabaje con tensiones e puerta ás bajas, conocios coo logia level power osfet (MOSFET e potencia para nivel lógico Moos e conutación En función el esfase existente entre la tensión y la corriente e salia el circuito resonante pueen arse los siguientes oos e conutación: Moo e conutación a tensión cero (ZVS) o conutación forzaa Moo e conutación a corriente cero (ZCS) o conutación natural Moo e conutación a tensión cero (ZVS) o conutación forzaa Este tipo e conutación se prouce cuano el ioo antiparalelo el transistor ya se encuentra conucieno, esto hace que la tensión que soporta al entrar en conucción sea uy reucia y en este instante las périas por conutación son nulas. Sin ebargo, cuano el transistor eja e conucir, lo hace anejano corrientes que no son espreciables y en 35

37 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO algunos casos están cerca e sus áxios, en este instante sí existirán périas por conutación. as périas por conutación pueen calcularse epleano la siguiente ecuación: P off = VS I St f f S ( 3.34 ) Sieno: V S, I S: valores e tensión y corriente el interruptor en el oento e la conutación t f: el tiepo e salia e conucción el interruptor f S : frecuencia e conutación Para reucir estas périas se pueen iniizarse utilizano rees e protección no isipativas (rees Snubber). Por otro lao, los ioos antiparalelo epleaos pueen ser e baja velocia pues nunca se les aplica tensión inversa instantáneaente para la salia e conucción, sino que el ioo eja e conucir porque la corriente se invierte y pasa a su transistor en antiparalelo, anteniénose baja la tensión en el ioo, que ispone e too el tiepo e conucción para salir e su estao e conucción. Esto hace que puean eplearse los ioos parásitos que se encuentran en uchos transistores Darlington y en toos los MOSFET e potencia Moo e conutación a corriente cero (ZCS) o conutación natural Este tipo e conutación se prouce cuano la corriente por el transistor pasa por cero, se invierte y coienza a circular e fora natural por el ioo que tiene en antiparalelo, en este instante las périas por conutación son nulas. Sin ebargo, cuano se prouce la entraa el transistor a conucción no se prouce a tensión cero, sino que el transistor se ve obligao a anejar siultáneaente corriente y tensión urante la conutación, con las siguientes périas. En cuanto a los ioos se proucen probleas aicionales en las conutaciones. Cuano el transistor entra en conucción lo hace sacano e la conucción al ioo el otro transistor e su isa raa y la corriente ha e pasar instantáneaente ese el ioo al transistor, lo que es iposible que ocurra ebio al propio tiepo e recuperación en inversa el ioo, cosa que provocará la aparición e picos e corriente ebio a cortocircuitos puntuales, aeás e 36

38 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO las périas por conutación. Por este otivo se hace necesario el uso e ioos rápios con bajo tiepo e recuperación en inversa para isinuir los probleas urante la conutación. En este caso ya no son valios los ioos parásitos e los Darlington o e los MOSFET ebio a sus alas características. En este caso estos ioos han e ser anulaos eiante la incorporación e ioos rápios uno e bloqueo en serie con el transistor y otro en paralelo con el conjunto transistor y ioo aicional Elección el oo e conutación Cuano en un convertior resonante serie se trabaja a la frecuencia e resonancia la ipeancia vista ese el convertior es igual a la ipeancia e salia. En el caso e que esta carga no exista, ésta será nula. Por este otivo es conveniente trabajar con una frecuencia superior o inferior a la e resonancia en el oento el encenio. Tenieno en cuenta las ventajas e inconvenientes e los iferentes oos e conutación y sabieno que el convertior se ipleenta con transistores MOSFET, se consiera que el oo en ZVS es ejor ya que con ello se eliinan las périas capacitivas por activación. Tabién se ha e tener en cuenta que al trabajar con una frecuencia elevaa es ejor el oo e conutación ZVS, ya que una conutación ZCS iplica ás périas provocaas por la escarga el conensaor e salia el interruptor cuano éste es activao a una tensión consierable. En este caso se trabajará con una frecuencia e resonancia un poco superior para garantizar el oo e conutación en ZVS, con el objetivo e liitar el stress e los interruptores 3.6. e Snubber Coo la conutación en el convertior será en oo ZVS se hace necesario liitar el pico áxio e tensión aplicao al MOSFET urante el transitorio que aparece en el transitorio e apagao. Con ello se pretene controlar e la peniente e subia e la tensión en el interruptor urante el transitorio e apagao con el objetivo e prevenir sobretensiones, rizaos e alta frecuencia y reucir el estrés eléctrico en los transistores. 37

39 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Snubber e tensión CD A continuación se uestra el esquea e conexión Figura 3.4 Esquea e conexión e un snubber e tensión CD Para esta aplicación se utiliza un snubber e tensión isipativo, por su sencillez y su escaso núero e coponentes. Pese a ello, este circuito perite aortiguar las posibles resonancias parasitas y controlan la peniente e la tensión en el seiconuctor. a incorporación e la re C perite reucir las périas en el interruptor, pero no se ha e olviar que el propio circuito e ayua a la conutación presenta sus périas. Después el apagao el transistor, el conensaor se carga a la tensión el bus. Esta energía se isipa posteriorente sobre la resistencia el snubber al activar el transistor. Para iniizar la isipación e potencia urante la conutación hacia saturación, la resistencia el snubber ebería ser una alta ipeancia para liitar la corriente a través el interruptor, coo consecuencia e la escarga el conensaor, hasta que la tensión él llegue a cero, iniizano así la isipación e potencia urante el intervalo e conucción. Existe un rango e valores e C en el cual las périas totales el transistorsnubber son inferiores a las périas que presentaría el transistor sin icho snubber. Si los valores e y C se escogen aecuaaente las périas en conutación porían verse reucias hasta un 40%, incluyeno las presentes en la resistencia. El resultao es una isipación e potencia 5/9 inferior a la que se tenría si no se hubiera colocao ningún circuito e ayua a la conutación en el interruptor. El valor óptio el conensaor se eterina a través e la siguiente ecuación: C I t f A 00ns = = = 9,77nF nf ( 3.35 ) 9 V 9 5V opt 0 S 38

40 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Al obtener el valor el conensaor se ha e calcular el valor e la resistencia e para copletar el iseño el snubber. Para el cálculo e la resistencia se ha e tener en cuenta los siguientes puntos:. a energía alacenaa en el conensaor se isipa básicaente en la resistencia urante el encenio el transistor, por lo que ésta ha e soportar sin eteriorarse la potencia: P CVS fc = 0nF 5V 75KHz = 0, 55W = ( 3.36 ). Para obtener un funcionaiento correcto el snubber, se ha e ar tiepo suficiente a C para escargarse urante el tiepo e conucción el transistor. El ínio tiepo que se consiera aceptable para peritir la escarga el conensaor es e cinco veces la constante e tiepo C. De one poeos estiar que: ton (in),9µ s = = = 58Ω 5C 5 0nF ( 3.37 ) 3. Durante el encenio el transistor la corriente e carga se sua a la corriente e escarga el conensaor, es ecir, en este instante aparece un pico e corriente sobre el interruptor. I pico V S = I < IMAX _ TT ( 3.38 ) 3.7. Estrategia e control a ipeancia e entraa el convertior ( jω) Z in, es una ipeancia no lineal, es por ese otivo el punto e trabajo puee variar consierableente si la frecuencia el inversor es próxia a la frecuencia e resonancia. Por tanto, se ha e suponer toos los puntos e trabajo, o lo que es lo iso, toos los posibles valores que puee alcanzar Z in ( jω). Coo eia e seguria es necesario acotar los puntos e trabajo que provoquen una Z in ( jω) nula o excesivaente baja, ya que esto provocaría un exceso e corriente y se ebería iensionar unos interruptores que soportarán una corriente uy elevaa cosa que 39

41 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO auentaría el coste el convertior. Coo consecuencia, se liita el argen e regulación el convertior, tal y coo se exponrá en el siguiente apartao. Para garantizar el oo e conutación ZVS las señales e control e los transistores eben trabajar a una frecuencia e conutación un poco superior a la frecuencia e resonancia el tanque Algorito e control El sistea e control ie el esfase entre la tensión y la corriente e salia y se copara con el valor anterior, en caso e que éste sea superior a cero, la frecuencia e conutación isinuye, en caso contrario auenta. De este oo se obtiene la ínia iferencia el ángulo e fase entre la tensión y la corriente e salia tal y coo se uestra en el siguiente iagraa. Figura 3.5 Algorito el sistea e control 40

42 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO a ventaja principal e este oo e control es su estabilia y que puee trabajar e fora segura uy cerca e la frecuencia e resonancia, esta característica es uy iportante cuano el factor e calia el circuito es bajo. Al variar la istancia entre las bobinas el reniiento el sistea isinuye consierableente, por este otivo no es aconsejable un sistea eiante el control e la potencia e salia y tapoco es recoenable porque el sistea e eición e la potencia e salia es coplicao. Por estas consieraciones se opta por el control e la potencia e entraa eiante un convertior reuctor e tensión continua Sisteas e protección Para que no se prouzca un cortocircuito se ipleenta un tiepo uerto entre abos transistores y para liitar la corriente urante el arranque el convertior el regulaor se ajusta a una frecuencia e conutación superior a la e resonancia y luego se reuce lentaente hasta llegar a la frecuencia óptia e trabajo. Coo eia e seguria si la aplitu e la corriente alcanza un valor superior a los líites establecios, el regulaor auenta la frecuencia e conutación el convertior isinuyeno así su valor y evitano la estrucción e los transistores Moelo el convertior con tanque resonante serie, rectificaor en ona copleta y etapa inversora en eio puente Análisis por aproxiación el prier arónico El análisis por aproxiación el prier arónico es un análisis sencillo que perite evaluar el funcionaiento el sistea. El error coetio utilizano este análisis es pequeño para las coniciones e trabajo habituales. Para analizar el sistea para la transferencia e energía eléctrica sin contacto se realiza un estuio eiante un análisis por aproxiación el prier arónico. a frecuencia e conutación habitual estará entorno a la frecuencia e resonancia, por tanto, la respuesta el tanque resonante hará que los arónicos superiores a la frecuencia funaental queen atenuaos y apenas influirán al coportaiento el convertior Cálculo el prier arónico e la tensión e salia e la etapa inversora 4

43 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO a tensión aplicaa a la entraa el transforaor es la tensión cuaraa obtenia a través e la etapa inversora. Para obtener el valor sólo hay que calcular su prier arónico en función e la tensión continua e entraa, tal y coo se expresa en la siguiente ecuación. V in V cc π = ( 3.39 ) Análisis el rectificaor en ona copleta El circuito receptor esta forao por el circuito tanque resonante en serie junto con un rectificaor en ona copleta, un conensaor y una resistencia. El objetivo el conensaor es conseguir una tensión continua a la salia y la resistencia representa la carga a alientar. A continuación se uestra el esquea el circuito receptor junto con las señales e entraa y e salia el rectificaor en ona copleta: Figura 3.6 Foras e ona e un rectificaor en ona copleta Coo la tensión y la corriente e entraa están en fase, se puee consierar que la ipeancia equivalente es puraente resistiva. El prier arónico e la tensión en la salia el inversor en función tensión e salia el rectificaor viene eterinaa por la siguiente función: 4

44 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO 4 V rect V out π = ( 3.40 ) El valor eio e la corriente e salia es: π ax I ax sinϕ ϕ I out = I π = ( 3.4 ) 0 π Conocieno los valores e tensión y corriente eia a la carga se puee calcular el valor e la resistencia equivalente el rectificaor en ona copleta. eq 4 Vout 8 = π = c arg a I ( 3.4 ) ax π π Por lo tanto, el rectificaor en ona copleta analizao eiante el oelo obtenio por el análisis el prier arónico, puee ser substituio por el valor e la resistencia equivalente Cálculo e la ganancia e tensión Para calcular las funciones e transferencia el convertior, se utiliza el oelo el análisis el prier arónico, tal y coo expone [iu, C.Y. Chung, H.. Chan, 04, p.] Figura 3.7 Moelo el análisis el prier arónico Para facilitar los cálculos se efinen siguientes paráetros: Z = ω ( 3.43 ) j 43

45 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO 44 C j j Z = ω ω ( 3.44 ) j Z ω = ( 3.45 ) ( ) eq eq eq eq C j j j C j j j Z Z Z = = ω ω ω ω ω ω ( 3.46 ) Finalente se eterina la ganancia e tensión eiante la siguiente ecuación. eq eq eq eq in out v Z Z Z Z U U G = = ( 3.47 )

46 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Capítulo 4. Diseño 4.. Transforaor os transforaores transfieren la ayor parte e la energía e un bobinao al otro, pero en el caso e las aplicaciones sin contacto existe una istancia consierable entre ellos, one no existe un núcleo agnético que ejore esta transferencia, este es el otivo por el cual el coeficiente e acoplaiento es bajo. Para este proyecto se utiliza un transforaor con os evanaos planos enfrentaos entre sí, con 6 espiras y un hilo e itz forao por 40 hilos e 0,. El iáetro exterior e la bobina es e 6 c y el interior e 4 c. Al trabajar con una corriente alterna e frecuencia elevaa se utiliza hilo e itz ya que se reuce la sección efectiva el cobre provocaa por el efecto pelicular. En este caso la frecuencia áxia e trabajo para el hilo utilizao es e 400 KHz; esta frecuencia se eterina eiante la siguiente ecuación: f ax 4 Ø µ πσ = ( 4. ) o cu Done: µ o : Pereabilia el vacío Ø: Diáetro el hilo σ cu : Conuctivia el cobre Para el hilo e itz e 40 hilos e 0, el área efectiva el cobre es: Ø A = 4 = 40π 4,4 ( 4. ) a longitu el hilo e itz utilizaa se calcula obtenieno el períetro e la longitu eia e caa espira ultiplicaa por el núero e vueltas (N) y añaieno la longitu e 50 c para facilitar la conexión al convertior. 45

47 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Øext Øint l = N π 500 = 609 ( 4.3 ) a resistencia e la bobina viene eterinaa por la ecuación: l = = 3,6Ω σ A cu ( 4.4 ) El valor e la inuctancia se calcula utilizano la fórula e Harol A.Wheeler: Øint NØ Øint NØ 5,4 30 Hilo _ itz ( µ H ) = 7µ H Hilo _ itz N = ( 4.5 ) 4.. Tanque resonante Serie-Serie SS Siguieno el estuio realizao en el capítulo anterior (ver apartao 3...), se eterinan los valores e los coponentes. Se escoge una frecuencia e resonancia e 65KHz cuano las bobinas están uy próxias, ya que a esta frecuencia los transistores MOSFET no presentan granes périas por Ø conutación, tal y coo se verá en el siguiente apartao. os valores e la inuctancia útua y e ispersión se eterinan a través e la construcción el transforaor (ver apartao 5...), coo es e esperar sus valores varían en función e la separación e las bobinas, pero la sua e ichas inuctancias se antiene prácticaente constante y su valor es aproxiaaente,8µh. El conensaor e entraa viene eterinao por la ecuación (Ec. ( 3.7), tal y coo se vio en el capitulo anterior y su valor es: int C = = = ωo ( ) ( π00khz ) (,8µ H ) nf ( 4.6 ) Coo las bobinas el conensaor son prácticaente iguales el valor e los conensaores e la bobina eisora y receptora son iguales. Se selecciona un conensaor e 0nF por ser un valor noralizao. 46

48 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO 4.3. Transistores MOSFET as tensiones que eben soportar los transistores MOSFET corresponen con el valor e la tensión continua e entraa iviia entre os, por ser un inversor en eio puente. Tras el análisis el capítulo anterior, se ha seleccionao el interruptor MOSFET STW69N65M5 el fabricante STMicroelectronics con encapsulao TO-47. A continuación se uestran las características técnicas ás relevantes: Paráetro Valores áxios Uniaes Coniciones V DS Tensión renaor surtior 70 V I D Corriente renaor 58 A DS(on) esistencia renaor surtior en conucción 0,045 Ω V GS =0V, I D =9A I SD 58A v/t Peniente e tensión e i/t 400A/µs 5 V/ns recuperación el ioo V DD =400V V DS peak <V (B)DSS C ISS Capacia e entraa 640 pf V GS =0V V DS =00V f=mhz t (on) etraso e encenio 0 ns V DD =400V tr Tiepo e subia 3,5 ns I D =38A t (off) etraso e apagao 9 ns G =4,7 Ω t f Tiepo e bajaa 0 ns V GS =0V Tabla 4. Características el MOSFET STW69N65M5 Figura 4. Curvas I D respecto a VDS para caa tensión e control V GS a sua e toos los tiepos e conutación es e 44,5ns, lo que supone aproxiaaente un,4% el perioo e conutación trabajano a 00KHz. os otivos que han llevao a la elección e este transistor han sio en prier lugar que cuple con los requisitos e tensión, corriente y frecuencia, y en seguno lugar una cuestión e isponibilia y precio. 47

49 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO 4.4. a carga Este proyecto esta enfocao para el uso en electrooésticos con una potencia igual o inferior a 300W coo por ejeplo: una licuaora, un expriior, un televisor, un orenaor, una ipresora etc. Algunos e ellos funcionan con una tensión alterna e 0V/50Hz y otros pueen funcionar con una fuente e tensión continua, pero toos ellos se eberán aaptar para poer funcionar con una tensión continua. Para garantizar el suinistro e energía estos sisteas eberán isponer e baterías. Por estos otivos se iseña un rectificaor e ona copleta que puea suinistrar a la batería una tensión continua con un rizao e un 5%. Para estuiar el reniiento se analiza la ecuación (Ec. ( 3.8) y se observa que para obtener un buen reniiento se han e cuplir os coniciones: que el valor e la carga sea apliaente superior al valor e la resistencia el evanao secunario y que la frecuencia e resonancia sea uy superior a ( ) π. os paráetros que influyen en el reniiento el sistea son los paráetros el transforaor,,, la frecuencia e resonancia y la carga. Si se fija una frecuencia e resonancia se pueen obtener los valores e carga para axiizar el reniiento, para las iferentes coniciones e trabajo. Estas coniciones e trabajo epenen e la separación entre los evanaos y están eterinaas en la Tabla 5.. a función reniiento viene eterinaa por la siguiente ecuación tal y coo se vio en el capítulo anterior (ver apartao 3...): η ( ) = ( ) ( ) ( ) ωo ( 4.7 ) A continuación se uestran iferentes gráficas one se observa el reniiento en función e la carga para las iferentes separaciones entre evanaos. 48

50 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Figura 4. eniiento en función e la carga para iferentes istancias e separación entre evanaos Coo se puee observar en la gráfica no existe un valor e la carga que haga que el reniiento sea áxio para toas las istancias. Por tanto, se escoge un valor que no perjuique al reniiento cuano los evanaos estén cerca ni tapoco alejaos, por este otivo se escoge un valor e igual a Ω. En este caso se obtiene un reniiento áxio teórico el 96% cuano los evanaos están uy cerca y un reniiento ínio teórico el 8% cuano los evanaos están a una istancia e El filtro e salia Tenieno en cuenta que la potencia e salia P out es e 300W y la resistencia e carga igual a Ω, se eterina la tensión eia e salia. V = P = 300W Ω 4, V ( 4.8 ) out _ e out = 5 Para obtener un rizao e salia inferior al 5% el conensaor ínio que se ha e colocar a la salia e la carga se calcula eiante la siguiente ecuación: 49

51 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO C V 5 V 00 = 0, f = 0, Ω 96KHz out _ e out _ in = = 6µ o _ in ( fo ) _ in out _ e F ( 4.9 ) Se coloca un conensaor e salia en paralelo con la carga e 33µF por ser un valor noralizao que ás se le aproxia El puente rectificaor Se ha e tener en cuenta que este ioo trabajará a una frecuencia áxia e 70KHz, es por ello que se han e utilizar ioos Schottky.. os valores áxios e tensión y corriente se pueen conocer gracias a las pruebas realizaas eiante siulación (ver apartao 4.8). El ioo seleccionao es el MU540G, el cual cuple con las expectativas e tensión, corriente y frecuencia requerias 4.5. Análisis e la ganancia e tensión Para realizar este estuio es necesario conocer los paráetros el transforaor (ver apartao 5...) para así eterinar la función e transferencia (ver apartao 3.8.4). A continuación se uestra el iagraa e Boe e la ganancia e tensión para iferentes istancias e separación entre las bobinas con una carga e Ω. Figura 4.3 Diagraa e Boe e la ganancia e tensión el tanque resonante Serie-Serie para una carga e Ω 50

52 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Coo puee observarse en la gráfica (Figura 4.3), para separaciones entre las bobinas inferiores a 80 existen os frecuencias e resonancia y éstas varían en función e la istancia. Para istancias superiores sólo existe una frecuencia e resonancia y el valor siepre es el iso. El oo e conutación e los transistores ha e ser en oo ZVS coo se ha escrito en el apartao 3.5.3, coo consecuencia el circuito e control ha e trabajar a la frecuencia e resonancia ás alta. Se observa que a enor istancia entre las bobinas la frecuencia e resonancia ás alta es la ás alejaa y su valor se reuce a eia que la istancia auenta hasta llegar a una frecuencia cuyo valor es el iso para las istancias superiores a Circuito e control Se eterina que la frecuencia inferior sea e 90KHz y la superior e 00 KHz y tenieno en cuenta los paráetros e iseño anteriorente escritos, se iseñarán los sisteas e control necesarios para garantizar una tensión continua e salia a 4,5V con un rizao no superior al 5% a una separación e 80 y un reniiento entorno al 85% Circuito etector e fase Para etectar que el sistea esta trabajano cerca e la frecuencia e resonancia, se copara el ángulo e fase e la corriente que pasa a través e la bobina eisora con la fase e la tensión el transistor e la raa inferior y cuano el esfase es nulo se puee afirar que el sistea esta trabajano a la frecuencia e resonancia. Puesto que la tensión en el transistor es continua pulsante se ha e incorporar un filtro pasa altos para poer ser aplicaa a un transforaor, con el objetivo e poerla sensar. Solaente es necesario saber cuano la tensión y la corriente se hacen positivas o negativas y sus pasos por cero, en cabio sus valores no son relevantes. Para eterinar si la corriente esta aelantaa o atrasaa respecto a la tensión se ha e tener en cuenta los siguientes aspectos: 5

53 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO a corriente esta aelantaa respecto a la tensión en el oento que la corriente cabia e polaria e negativa a positiva estano la tensión en polaria negativa. a tensión esta aelantaa respecto a la corriente en el oento que la tensión cabia e polaria e negativa a positiva estano la corriente en polaria negativa. Para eir este esfase se han e tener en cuenta estos aspectos hasta que se prouce un cabio e polaria en una e las señales. El tiepo transcurrio respecto al perioo e la señal inica el ángulo e esfase. En el caso que la frecuencia e trabajo sea uy iferente a la frecuencia e resonancia el ángulo e esfase será siepre e 90º. En el oento que se etecta que la corriente esta aelantaa respecto a la tensión la frecuencia e trabajo ha e auentar, en el caso e estar atrasaa ha e isinuir y en el caso e estar en fase la frecuencia se ha e antener. A continuación se uestra el circuito etector e fase. Figura 4.4 Circuito etector e fase Este circuito activa el prier biestable cuano la corriente tiene un flanco ascenente y la tensión es negativa, en caso contrario se esactivará. En caso e la tensión, ocurre exactaente lo iso pero al revés, es ecir, cuano la tensión tiene un flanco ascenente y la corriente es negativa se activará el seguno biestable; en otro caso se esactivará. Seguiaente se filtran las señales e salia e los biestables y se aplican a un circuito restaor con el objetivo e auentar la frecuencia cuano la corriente esta aelantaa y reucirla cuano la corriente esta atrasaa. 5

54 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO A continuación se uestra las iferentes señales el circuito etector e fase cuano la carga es consieraa coo una carga inuctiva (salia ) o capacitiva (salia ). El ciclo e trabajo nos inica el grao e ipeancia reactiva, sieno ésta áxia cuano su ciclo e trabajo alcanza un 5%, por lo tanto, el valor áxio que se puee alcanzar el filtro e salia e los biestables es e una cuarta parte el valor e la tensión e alientación. Figura 4.5 Señales el circuito etector e fase cuano la tensión esta aelantaa respecto a la corriente Figura 4.6 Señales el circuito etector e fase cuano la corriente esta aelantaa respecto a la tensión Coo se ha encionao en el apartao se ha e intentar garantizar el oo e conutación en ZVS, es ecir que la tensión ha e estar aelantaa respecto a la corriente, o lo que es lo iso, el sistea e control ha e trabajar un poco por encia e la frecuencia e resonancia egulaor El regulaor controla constanteente el estao e las variables e salia y las oifica con el objetivo e obtener el valor eseao. Por este otivo es e vital iportancia conocer el coportaiento e la planta y analizar su respuesta ante iferentes señales e entraa. Gracias a los análisis realizaos en los apartaos anteriores se han propuesto os regulaores; uno para el control e la frecuencia e resonancia y otro para el control e la potencia e entraa egulaor e la frecuencia e resonancia Para la regulación e la frecuencia e resonancia se utiliza un etector e fase tal y coo se ha explicao en el apartao El etector e fase proporciona una tensión entre 0V y V CC /4 cuano la corriente esta aelantaa respecto a la tensión y una tensión entre 0V y - 53

55 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO V CC /4 en caso contrario. Cuano su valor es e 0V significa que la tensión y la corriente están en fase. Esta señal es aplicaa a un regulaor PI seguio e un liitaor que proporciona una e tensión continua que es aplicaa al VCO. a función e transferencia e un regulaor PI viene eterinao por la siguiente ecuación: U E ( s) ( ) = K p s TI s ( 4.0 ) Done K p es la ganancia proporcional y T I es el tiepo e integración. El tiepo e integración regula la velocia e acción e control y la acción proporcional afecta tanto a la parte integral coo a la parte proporcional e la acción e control. El tiepo e integración ha e ser ucho ás grane el perioo ínio e conutación, ya que el error coetio es ucho ás lento que el tiepo e conutación el inversor, por tanto el tiepo e integración se puee calcular e la siguiente fora: T I = 00 T in = 00 0µ s = s ( 4. ) a ganancia proporcional será ajustaa en el oento e la siulación. os árgenes e tensión el liitaor vienen eterinaos por el VCO. Estos valores están acotaos para que cuano se aplique la tensión ínia a la entraa el VCO, éste proporcione la señal e frecuencia ínia y en el caso e que se aplique la tensión áxia, el VCO proporcione la señal e frecuencia áxia egulaor e la potencia e entraa El sistea ha e proporcionar una potencia e 300W a la entraa a convertior, la potencia e salia epenerá e la istancia en la que se encuentren las bobinas en caa oento, sieno áxia cuano la istancia entre ellas sea ínia. El reniiento teórico para iferentes tipos e carga y istancias se uestra en la Figura 4. a carga el inversor se ve oificaa porque la separación entre las bobinas varía, por lo tanto, la potencia e entraa tabién varia. Para antener constante la potencia e entraa se ha e variar la tensión e entraa, para ello se utiliza un convertior reuctor que oifica la tensión para antener una potencia constante. A continuación se uestra el convertior reuctor para el control e la potencia e entraa. 54

56 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Figura 4.7 Convertior reuctor para el control e la potencia e entraa Oscilaor controlao por tensión VCO El oscilaor es el encargao e generar una señal cuaraa que epene e la tensión e entraa, e esta fora se varia la frecuencia el inversor. Tenieno en cuenta el análisis e la ganancia e tensión el apartao 4.5., se eterina que la frecuencia áxia ha e ser e 70KHz y la ínia e 90KHz. Para generar esta señal se utiliza el circuito integrao CD4046. Sabieno que la tensión e alientación es e 0V y que la frecuencia ínia es e 90kHz, se eterinan los valores el conensaor C y e la resistencia eiante la gráfica proporcionaa por el fabricante Figura 4.8. Seguiaente se obtiene el valor e eiante otra gráfica (ver Figura 4.9). 55

57 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Figura 4.8 Frecuencia ínia en función el conensaor C Figura 4.9 elación entre el valor e las resistencias y las frecuencias os valores seleccionaos son: =kω, =3k9Ω y C = 00pF El circuito river El circuito river es el encargao e aaptar la señal e control para que los transistores puean trabajar en la zona e saturación o corte. os objetivos que ebe cuplir el circuito river son: Proporcionar una entraa e alta ipeancia respecto al circuito e control Aaptar los niveles e tensión Suinistrar una corriente e puerta suficiente para que la conutación se realice a una velocia aecuaa. Para ipleentar el circuito river existen iversas opciones, pero se ha optao por la utilización e un circuito integrao I0 el fabricante International ectifier, ya que se ha consierao que es la ejor opción. as características principales e este circuito integrao son: Buffer e entraa e alta ipeancia para eshabilitar el river 56

58 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Incorpora una aaptación e niveles para el isparo el MOSFET no referio a asa a partir e una tensión e bootstrap Etapa e salia e alta corriente que perite el encenio/apagao rápio e los interruptores iniizano así las périas e conutación Soporta tensiones en la etapa e salia hasta 500V El integrao I0 puee proporcionar unas corrientes e isparo e hasta A, por tanto, la resistencia e puerta no ebe superar la áxia corriente en la carga y escarga el conensaor. Tenieno en cuenta que la tensión e carga es e 5V, la resistencia ínia ha e ser: VCC 5V = = 7, 5Ω i A G ( 4. ) ax Aaptación e niveles e tensión no referios a asa El MOSFET e la parte alta no esta referio a asa, por tanto no es suficiente con el cabio e nivel e tensión sino que aeás esta tensión ebe tener su asa flotante. Es por ello, que es necesario conectar una fuente e tensión flotante e 5V. Existen os posibiliaes para obtener una fuente e tensión flotante, una es eplear un pequeño convertior aislao que genere esta tensión o utilizar un conensaor e Bootstrap que es la opción ás econóica y fácil. Utilizar un conensaor e Bootstrap consiste en conectar un conensaor C bs y un ioo D bs coo se uestra en la siguiente figura, e fora que cuano el MOSFET e la parte baja conuce, el conensaor se carga a través el ioo con la tensión V CC y cuano eja e conucir, el ioo evita que el conensaor se escargue. Si la capacia el conensaor es suficiente, este proporciona una tensión flotante estable pare el encenio el MOSFET superior. 57

59 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Figura 4.0 Tensión flotante eiante Bootstrap Para el cálculo e la capacia el conensaor C bs se utiliza la siguiente forula: Iqbs Qg f C V V Done: CC (ax) f Q V S ls I V Cbs( leak ) MIN f 30µ A 90nC 5nC 00KHz = = 5nF 5V 0,7V 0,7V 0V Q g : Valor e la carga el MOSFET el lao alto f: Frecuencia e operación I cbs(leak) : corriente e fuga el conensaor bootstrap I qbs(ax) : Máxia corriente inactiva V CC : Voltaje e alientacion el I0 V f : Caia e voltaje en el ioo V S : Caia e voltaje a través el MOSFET el lao bajo V in : Voltaje ínio entre los pines Vb y Vs Q ls : Nivel e carga requeria por ciclo Por tanto, el conensaor e Bootstrap ebe ser ayor a 5nF para que la fuente flotante funcione. El ioo e Bootstrap tiene que ser capaz e bloquear la tensión cuano el ispositivo el lao alto esta encenio, por tanto, ha e ser un ispositivo e recuperación rápia para reucir al ínio la cantia e carga realientaa ese el conensaor e Bootstrap en el suinistro e la tensión e alientación V CC. El tiepo e recuperación en inversa áxio t rr ha e ser inferior al tiepo ínio e trabajo. 58

60 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO a corriente en irecta el ioo es el proucto e la carga y e la frecuencia e conutación, tal y coo se expresa en la siguiente ecuación: Iqbs(ax) ICbs( leak ) 30µ A I F = Qbs f = Qg Qls f = 90nC 5nC 00KHz = 39A f f 00KHz El ioo seleccionao es el BA59 que cuple e sobras con las expectativas requerias Sisteas e protección os objetivos el sistea e protección son: Incorporar tiepos uertos para evitar cortocircuitos Protección contra sobrecargas Circuito e tiepos uertos En una conutación ieal, los os interruptores conutan al instante, pero en realia no es así. Puee arse la situación que un interruptor coience a conucir antes que el otro, lo que puee ar lugar a un cortocircuito. as consecuencias e este cortocircuito epenen e la capacia e corriente instantánea e la fuente e tensión, puieno llegar a estruir los interruptores por sobrecorriente. Para solucionar este problea se utiliza un circuito C para generar tiepos uertos tal y coo se uestra en la Figura 4.(a). Este circuito genera un retraso en el encenio el interruptor, pero un apagao instantáneo gracias a un ioo rápio. El valor el tiepo se puee oificar variano el valor e la resistencia t. Figura 4. (a) Circuito e tiepos uertos, (b) representación e retrasos introucios por el circuito C En la Figura 4.(b) se observa la evolución teporal e la señal e control V, la señal e carga y escarga el conensaor V y la señal e salia el circuito river V 3. a constante 59

61 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO e tiepo τ el circuito C coincie con el tiepo en que se alcanza el 63% el valor e la tensión e alientación. Sabieno que la frecuencia áxia es e 70KHz, se eterina un tiepo uerto que represente el 0% el valor e la señal. t = = ns uerto 0 f 0 70KHz 588 = ( 4.3 ) ax Se ha e tener en cuenta que la sua el tiepo e encenio y e apagao e los integraos representa la ita e este valor, por este otivo para realizar el cálculo e la resistencia e carga el tiepo uerto se ha e uplicar. Eligieno un conensaor C=00 pf, se eterina el tiepo e carga el conensaor, sabieno que a,44 τ el conensaor se habrá cargao al 50 % e la tensión aplicaa. ON tuerto 588ns = =,44τ,44 00 pf = 867 Ω ( 4.4 ) Coo el valor e la resistencia no esta noralizaa se escoge el valor que ás se aproxia, que en este caso es una resistencia e 0KΩ Protección contra sobrecargas En el supuesto que la corriente excea e un valor eterinao el oscilaor auentará la frecuencia con el fin e isinuir la corriente, esto se antenrá urante un tiepo y espués la frecuencia volverá a ser ajustaa eiante el regulaor e la frecuencia e resonancia Sistea e encenio El objetivo el sistea e encenio es asegurar el buen funcionaiento urante la puesta en archa. De esta fora se reucen los picos e corriente y se estabiliza toas las señales. El sistea obliga a trabajar a la frecuencia áxia e conutación en el oento el encenio hasta un tiepo e estabilización, seguiaente este sistea quea inhabilitao Esqueas A continuación se uestran los iferentes esqueas que foran el sistea copleto para la transisión e energía eléctrica por inucción. 60

62 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Figura 4. Convertior reuctor para el control e la potencia e entraa Figura 4.3 Inversor resonante en serie tipo eio puente Figura 4.4 Convertior e salia CA/CC Figura 4.5 Oscilaor controlao por tensión VCO 6

63 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Figura 4.6 Circuito etector e fase Figura 4.7 Circuito regulaor para el control e la frecuencia e resonancia Figura 4.8 Circuito e encenio Figura 4.9 Circuito e protección contra sobrecargas 4.8. Siulación el sistea Utilizano el prograa PSIM, se han realizao iversas siulaciones para obtener los atos necesarios para el estuio el sistea. os paráetros el sistea analizao son: D: Distancia entre bobinaos F r : Frecuencia e resonancia V in : Tensión e entraa I in : Corriente e entraa I inv : Corriente e salia el inversor I out : Corriente e salia 6

64 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO V out : Tensión e salia P in : Potencia e entraa P out : Potencia e salia I in ax : Corriente e entraa áxia I inv ax : Corriente e salia el inversor áxia I out ax : Corriente e salia áxia η: eniiento D () F r (khz) V in (V) V out (V) P in (W) P out (W) η (%) 5 66,37 55,46,5 303,7 30,65 99,3 0 9,37 57,68,06 30,95 99,46 99,8 40,7 54,34,04 304,8 98,9 98, , 57,58,97 30, , ,36 39,04,7 305,8 76,73 90, ,9 7,85 9,7 309,84 37,45 76, ,,9 7,38 30, 84,9 59, , 8, 3,88 30,09 7,96 38, ,8 6,3 0,9 309,55 7,6 3, ,8 5,34 7,95 309,95 38,8, , 4,9 5,63 30,6 9,4 6, ,9 4,48,9 30,7,8 0,73 Tabla 4. Paráetros e siulación para iferentes istancias entre los bobinaos D () I in (A) I inv (A) I out (A) I in ax (A) I inv ax (A) I out ax (A) 5 5,48 0,95,07 7,86 5,7 5,94 0 5,4 0,47,03 7,64 5,8 5, ,6,,0 8,5 6,5 6,3 60 5,4 0,48 0,99 7,87 5,74 6, ,84 5,67 0,64,9,35 5,8 00,,4 9,85 5,99 3,98 4,8 0 4,6 8,3 8,7 0,4 40,83, ,4 34,7 6,94 4,75 49,45 0, ,45 7,46 54,9 7, ,3 40,46 3,98 9,46 58,87 5,8 00 0,87 4,75,8 30,43 60,86 4, 50,39 4,79 0,96 3,06 6,,4 Tabla 4.3 Paráetros e siulación para iferentes istancias entre los bobinaos Coo se observa en las tablas, la tensión e entraa isinuye a eia que se auenta la istancia e separación, en cabio la corriente e entraa auenta, e esta anera se antiene la potencia e entraa a un valor constante. Coo era e esperar el reniiento tabién isinuye tal y coo se estuio en el apartao Esta siulación se ha realizao sin utilizar el circuito e protección contra sobrecargas, e este oo el sistea proporciona la corriente necesaria para antener la potencia e entraa 63

65 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO constante. Se observa que a una istancia e separación superior a 40 el reniiento el sistea es inferior al 38% y la corriente el inversor áxia supera los 50A. Tenieno en cuenta estos atos no es rentable que el sistea trabaje a estas istancias ya que se auenta consierableente el coste el transistor y no se obtienen buenos resultaos en cuanto al reniiento se refiere. Coo consecuencia se establece que la áxia corriente e salia el inversor sea e 50A. A istancias superiores a 00 se consiera que no hay carga e salia, por lo tanto la carga el inversor se coporta coo un circuito C serie sin resistencia. En caso e trabajar a la frecuencia e resonancia la corriente el inversor tenerá al infinito, por este otivo el sistea no puee trabajar a estas istancias. Una solución para auentar la istancia e separación entre la bobinas es oificar el circuito tanque para auentar la frecuencia e resonancia, ello auentará el reniiento el sistea y coo consecuencia la istancia e separación, pero siepre existirá una istancia e separación áxia en la que el sistea no eberá trabajar. Esta no es una solución fácil e toar ya que al auentar la frecuencia e resonancia varía las características eléctricas e los coponentes a peor. Una anera e eterinar la frecuencia e resonancia es tenieno en cuenta iferentes paráetros coo: el coste, el reniiento, la coplejia el sistea y la potencia a transitir. 64

66 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Capítulo 5. Construcción 5.. El transforaor En la construcción e las bobinas el transforaor se utilizan os planchas e etracritalo para facilitar su construcción y para su sujeción se utilizan tornillos étrico 4 en sus extreos y en el centro. Para una ayor coprensión se uestra una fotografía e su construcción Figura 5. Iagen e una e las bobinas el transforaor En este apartao se analizan istintas posibiliaes constructivas en el que el transforaor se ve afectao. Se van a consierar las siguientes alternativas: Efecto e la separación entre evanaos Efecto e la inserción e núcleo agnético Efecto el esplazaiento lateral entre evanaos 5... Análisis e los ensayos realizaos en el transforaor Seguiaente se construyen las bobinas y se realizan iferentes ensayos para obtener las características el coponente bajo iferentes circunstancias. a finalia e estos ensayos es poer analizar su coportaiento con el objetivo e facilitar el iseño el convertior. os ensayos se realizan utilizano un analizaor e ipeancias (C) e la arca Wayne Kerr oelo 345 a una frecuencia e 00KHz si no se especifica lo contrario. 65

67 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO 5... Características e las bobinas A continuación se uestran los atos obtenios e caa una e las bobinas: BOBINA BOBINA Frecuencia (KHz) esistencia (Ω) Inuctancia (µh) esistencia (Ω) Inuctancia (µh) 0 0,4 3,864 0,,36 5 8, 3,8 7,, ,76 5, ,74 75, ,7 5, ,75 50, ,75 0, ,7 330, ,7 640 Tabla 5. esistencia e inuctancia e las bobinas sin núcleo 5... Efecto e la separación entre evanaos a etoología para eir las inuctancias e ispersión y la inuctancia agnetizante es eiante la realización e ensayos en cortocircuito y eiante la unión e los os evanaos en serie tal y coo se explico en el Capítulo 3.. En el prier ensayo se eterinan las inuctancias e ispersión y la resistencia e los evanaos y en el seguno se eterina la inuctancia útua y la resistencia e agnetización. A continuación se uestran los resultaos obtenios: Separación () (µh) (µh) (µh) (Ω) (Ω) (Ω) k 5 5,06 7,65 7,37 80,00 80,00 80,00 0,67 0 8,37 4,5 3,4 36,5 93,85 93,85 0, ,0 5,66 5,93 35,00 94,46 94,46 0,3 60 4,7 8,7 8,64 0,00 03,5 03,5 0,8 80,40 0,4 0,40 0,00 0,83 0,83 0, 00,57,4,9 7,50,97,97 0,07 0,09,74,66 3,75 6,37 6,37 0, ,7,0,00,5 8,76 8,76 0, ,5,3,5,5 8,76 8,76 0,0 80 0,35,48,4,5 8,76 8,76 0,0 00 0,4,58,5,5 8,76 8,76 0,0 50 0,08,74,67 0,00 0,00 0,00 0, ,00,8,75 0,00 0,00 0,00 0,00 Tabla 5. Características el transforaor Efecto e la inclusión e núcleo agnético a inclusión el núcleo agnético prouce ejoras tales coo: 66

68 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Mejora el factor e acoplaiento el transforaor y por consiguiente se increenta su reniiento. Se reucen las périas el flujo agnético entre los os evanaos, esto auenta la inuctancia agnetizante. Mayor pereabilia y coo consecuencia se consigue ás inuctancia con enos vueltas lo que reuce la resistencia e los evanaos y con ello el reniiento. Cuano existe un núcleo agnético en abos evanaos el núero e líneas e flujo que llegan van e un evanao al otro es uy elevao, ientras que cuano no se ispone e núcleo agnético estas son uy pocas. a inclusión e núcleos agnéticos en las bobinas puee aportar ventajas pero tabién pueen provocar ciertas esventajas las cuales se estuian a continuación. as prieras esventajas que existen en la inclusión e núcleos agnéticos son un increento e voluen y la fragilia. El aterial agnético elegio es el 3C90 e Philips ya que es un aterial válio para trabajar a una frecuencia e 00KHz. Aunque existen ateriales con ejores prestaciones éstos son ás caros e inaccesibles. as iensiones el aterial son 3 e ancho 60 e largo y 4 e grosor. Estos núcleos están colocaos toos ellos perpenicularente a las espiras e las bobinas y equiistantes entre ellos ejano libre el centro e la bobina. a sujeción se ha realizao eiante cinta para facilitar la construcción. A continuación se uestra una fotografía para su ejor coprensión. Figura 5. Bobina con núcleos agnéticos 67

69 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO A continuación se uestra una tabla coparativa entre la bobina sin núcleo agnético con respecto a la isa bobina con núcleo. Frecuencia (KHz) SIN NÚCEO CON NÚCEO esistencia Inuctancia (Ω) (µh) esistencia (Ω) 0 0,4 3,864 3, 33, 5 8, 3,8 40,5 33, , , , , ,7 0 33, , , ,7 70 3, , ,9 Tabla 5.3 Coparativa entre una bobina sin núcleo y otra con núcleo Inuctancia (µh) Coo se observa el valor e la inuctancia se increenta en un 39% ientras que el valor e la resistencia se va increentano a eia que se auenta la frecuencia, sieno el increento e un 83% a la frecuencia e trabajo. Para conocer el efecto que prouce la inclusión el núcleo agnético en el transforaor se realizan los isos ensayos que en el apartao anterior para eterinar las características el transforaor y así poerlos coparar. Separación () (µh) (µh) (µh) (Ω) (Ω) (Ω) k 5 7,4,0 0,5 4,5 3,33 4,54 0,7 0 4,76 9, 6,69 06,5 50,0 37,80 0,45 40,6,,09 80,00 58, 46,87 0, ,53 6,0 5,6 4,5 76,94 66,55 0,0 80 3,99 8,46 7,34 5,00 88,08 77,93 0,3 00,50 9,80 8,73 3,75 97,9 87,5 0,08 0,75 30,53 9,46 7,50 0,78 9,77 0,06 40,50 30,77 9,7 6,5 03,95 93,94 0, ,86 3,38 30,3 3,75 06,3 96,3 0, ,68 3,56 30,50 3,75 06,3 96,3 0,0 00 0,5 3,7 30,68,50 07,53 97,53 0,0 50 0,7 3,97 30,9,5 08,76 98,76 0, , 3,03 30,97 0,00 0,00 00,00 0,0 Conclusión Tabla 5.4 Características el transforaor con núcleo agnético a inclusión el núcleo agnético prouce un auento el flujo agnético copartio entre abos evanaos, esto provoca el auento e la inuctancia agnetizante y el factor e 68

70 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO acoplaiento. Pero al añair al transforaor un aterial agnético sobre el que se inucen corrientes supone un auento e la resistencia e ispersión y por consiguiente un auento e las périas. a inserción el núcleo agnético propicia un auento e la inuctancia agnetizante y el factor e acoplaiento pero tabién un auento e las resistencias e ispersión. Toos estos paráetros influyen irectaente al reniiento el transforaor coo ya se ha encionao anteriorente. Si se observan los resultaos en conjunto no se observan granes cabios entre un transforaor con núcleo agnético y sin, aunque se puee concluir que en este caso el reniiento epeora con su inserción. En caso e utilizar otro núcleo agnético con ayor pereabilia coo es el caso el aterial 3F3 e Philips se porá observar un auento ayor e los paráetros cuano la separación entre evanaos no sea superior al raio exterior e la bobina y coo consecuencia se observará que la inclusión el núcleo agnético hace variar e fora consierable los paráetros cuano se varia entre una separación y otra, por consiguiente el transforaor se volverá ás sensible a los cabios en la istancia entre evanaos y coo consecuencia provocará que el sistea sea ás inestable. Esta sensibilia hace que no sea interesante usarlo en aplicaciones one la separación entre evanaos es variante. Cuano la separación entre evanaos es superior al raio exterior e la bobina la inclusión el núcleo agnético apenas influye. Por últio se concluye que la inserción el núcleo agnético no es aconsejable para este tipo e aplicación ya que a cortas istancias hace que el sistea se vuelva ás inestable, por tanto el sistea e control eberá ser ás coplejo, en cabio a ayores istancias la inserción el núcleo apenas influye. Tabién se ha e tener en cuenta que la inserción el núcleo agnético hace auentar la fragilia, el coste, el taaño y el peso el proucto Efecto e la separación lateral entre evanaos A continuación se uestran los resultaos obtenios en función e la separación entre los evanaos y la separación lateral entre abos. 69

71 Separación () TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Separación lateral 0 (µh) (µh) (µh) (Ω) (Ω) (Ω) k(0) 5,90 8,9 9,87 65,00 83,46 83,46 0,58 0 8,09 4,73 4,8 35,00 94,46 94,46 0, ,55 7,30 7, 5,00 00,00 00,00 0,4 60 3,50 9,0 8,94 7,50 05,00 05,00 0,6 80,09 0,56 0,5 7,50,97,97 0,09 00,33,30,00 5,00 5, 5, 0, ,49,07,57,50 7,55 7,55 0,0 00 0,05,50 3,05 0,00 0,00 0,00 0,00 Tabla 5.5 Características el transforaor con una separación lateral e 0 Separación () Separación lateral 50 (µh) (µh) (µh) (Ω) (Ω) (Ω) k(50) 5 6,7 4,73 5,33 30,00 97,08 97,08 0,3 0 6,5 6,99 5,73 5,00 00,00 00,00 0,8 40 4,63 8,53 7,70,50 0,58 0,58 0,0 60,83 9,83 9,49 5,00 06,85 06,85 0,3 80,90 0,76 0,36 7,50,97,97 0,08 00,9,43,07 5,00 5, 5, 0, ,44,,67,50 7,55 7,55 0,0 00 0,3,43,98 0,00 0,00 0,00 0,07 Tabla 5.6 Características el transforaor con una separación lateral e 50 Separación () Separación lateral 70 (µh) (µh) (µh) (Ω) (Ω) (Ω) k(70) 5 3,4 8,39 9,87,50 08,79 08,79 0,5 0 3,4 9,4 8,94 5,00 06,85 06,85 0,5 40,60 0,5 9,66,5 08,99 08,99 0, 60,99 0,69 0,9 7,50,97,97 0,09 80,34,4 0,94 5,00 5, 5, 0, ,9,67,37 5,00 5, 5, 0, ,34,,77,50 7,55 7,55 0,0 00 0,,44,99 0,00 0,00 0,00 0,00 Tabla 5.7 Características el transforaor con una separación lateral e 70 Separación () Separación lateral 00 (µh) (µh) (µh) (Ω) (Ω) (Ω) k(00) 5 0,90 3,44 3,4 5,00 5, 5, 0,04 0 0,45,06,86,50 7,55 7,55 0,0 40 0,7,86,6 5,00 5, 5, 0, ,74,84,59,50 7,55 7,55 0, ,6,90,70,50 7,55 7,55 0, ,54,03,78,50 7,55 7,55 0,0 50 0,9,7,8,50 7,55 7,55 0,0 00 0,3,43,98 0,00 0,00 0,00 0,0 Tabla 5.8 Características el transforaor con una separación lateral e 00 70

72 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO a separación lateral entre evanaos afecta a los paráetros el transforaor provocano un auento e las inuctancias e ispersión y una isinución el factor e acoplaiento y e la inuctancia agnetizante. Esto es ebio a que el flujo agnético copartio por abos evanaos isinuye cuanto ás se separan, bien lateralente coo frontalente. Si los evanaos están alineaos en su eje, su esplazaiento lateral provoca una isinución el factor e acoplaiento. a siguiente gráfica uestra el factor e acoplaiento en función e la istancia e separación lateral entre las bobinas y en óne sus ejes peranecen paralelos. El ejor acoplaiento se prouce cuano los anillos están casi tocánose y copletaente alineaos. Figura 5.3 Gráfica que uestra el valor el acoplaiento en función e al istancia e esalineación e las bobinas Conclusiones El acoplaiento epene e la separación e los evanaos y el área copartia entre abos. En toos los casos el acoplaiento resulta insensible al esplazaiento lateral cuano los evanaos están ás alejaos. Coo se ha observao en toos los análisis realizaos hasta el oento, al auentar la separación e los evanaos isinuye la sensibilia el acoplaiento. Coo existe un aplio rango e separaciones entre los evanaos y una tolerancia relativaente grane al esplazaiento lateral, cuano éstos están alejaos, es conveniente que los evanaos sean granes y que tengan un raio interior uy pequeño, con sus vueltas repartias a lo largo el raio y con un ancho lo ayor posible. 7

73 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO 5.. Circuito e control Tal y coo se ha expuesto en los apartaos y se construye el circuito e control en lazo abierto. Para la variación e la frecuencia e conutación se utiliza el VCO el circuito integrao CD4046. a frecuencia e conutación es oificaa eiante un potencióetro y ésta puee variar entre 90KHz y 70KHz. Estos valores son ajustaos eiante os resistencias 4 y 5. En la realización e los tiepos uertos se utiliza un circuito C para el retraso en el encenio y eiante un ioo rápio en paralelo con la resistencia se genera el apagao instantáneo. Para generar la otra señal e control se invierte la señal. Vcc k 8_0K C n 9 U 3 4 CIN SIN VCOIN VCOUT CA CB INH VDD GND P P P3 PP DEMO Vcc 4 7 UA 4069 D DN k D DN448 0k O C 00p HI 4 k 5 3k9 Vcc C5 00p Figura 5.4 Esquea el circuito e control en lazo abierto A continuación se uestran las os señales generaas que son aplicaas al circuito river para el isparo e los transistores. Figura 5.5 Señales e control para el isparo e los transistores 7

74 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Del iso oo y siguieno las pautas explicaas en el apartao se onta el circuito river. Se ha e tener en cuenta que el ioo D 3, es un ioo rápio que puee soportar una corriente e A, y que la tensión e alientación el circuito river y el circuito e control es la isa. Cabe estacar que el circuito integrao I0 tiene la posibilia e utilizar una tensión e alientación iferente a la tensión e control. Vcc HI O C3 00n 6 k 8 0 C4 u k C8 00n 0 C9 u D3 BA59 0 U3 HIN IN SHDN 6 COM 3 VB 9 VCC 5 VDD 3 VS VSS HO O 7 D5 9 0 DN448 k D4 DN Q STW69N65M5 0 k 0 I0 0 Q STW69N65M5 Figura 5.6 Esquea el cicuito river 5.3. Inversor resonante en eio puente En la construcción el inversor resonante en eio puente se han utilizao 3 conensaores e nf por raa colocaos en paralelo, en vez e colocar un conensaor e 60nF. Esto se ebe a que si se colocan e esta fora se iniiza la resistencia en serie el conensaor ya que al pasar una corriente elevaa estos pueen llegar a estruirse. En el esquea se observa la colocación e una re snubber en caa uno e los transistores tal y coo se explico en el apartao 3.6., pero en este caso, los cálculos e la re snubber ifieren ucho e los colocaos finalente. Durante los ensayos se observo que el coportaiento e la re snubber no funcionaba e fora correcta, por este otivo se optó por oificar los valores hasta encontrar aquel que ejor se aaptaba al circuito. Se intuye que al trabajar a una frecuencia elevaa y el valor 73

75 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO calculao el conensaor e la re snubber es bajo, esto puee generar resonancias en el interruptor, así que auentano su capacia se eliinan estas resonancias. Vbus D8 MU540G 3 50 Q STW69N65M5 C0 C C n n n C6 0n uh D9 MU540G 4 50 Q STW69N65M5 C7 C3 C4 C5 0n n n n 0 Figura 5.7 Esquea el circuito inversor en eio puente Seguiaente se uestra la señal entre renaor y surtior el transistor MOSFET con una re snubber y sin. Se observa una gran ejoría, pero se ha e tener en cuenta que las périas en la resistencia son elevaas, ya que se trabaja con una corriente que no es espreciable. Figura 5.8 Señal entre renaor y surtior el transistor e la raa inferior sin re snubber 74

76 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Figura 5.9 Señal entre renaor y surtior el transistor e la raa inferior con re snubber Este ensayo se ha realizao tenieno en cuenta las peores coniciones e trabajo, es ecir, cuano se trabaja a una frecuencia e 00KHz sin carga Circuito e salia Del iso oo que en la salia el inversor resonante, se ipleenta el circuito resonante eiante 6 conensaores en paralelo para iniizar las périas en los conensaores y así evitar su estrucción. Coo ya se explico en el apartao 4.4., los ioos el puente rectificaor han e ser ioos Schottky que cuplan con las especificaciones e frecuencia, tensión y corriente. Seguiaente se coloca un filtro para obtener una tensión continua a la salia y una carga cuyo valor se ha calculao en el apartao 4.4. C9 n C0 n C n C n C3 n C4 n D0 MU540G D MU540G uh C8 00u 5 300W D MU540G D3 MU540G Figura 5.0 Esquea el circuito e salia En las siguientes gráficas se observa las señales e corriente en la bobina eisora y receptora para istancias e 5, 50 y

77 TANSMISIÓN DE ENEGÍA EÉCTICA PO INDUCCIÓN PAA USO Corrientes e la bobina eisora Corrientes e la bobina receptora (a) (a) (a) Figura 5. Corriente e la bobina eisora y e la receptora para iferentes istancias e separación. (a) Separación e 5, (b) separación e 50, (c) separación e 00 Para la realización e los ensayos se utiliza una fuente e tensión continua e laboratorio, cuya tensión e alientación áxia es e 30V. A continuación se uestra la tabla one se inican los valores obtenios para iferentes istancias e separación e las bobinas. D () Fr (khz) Iout(A) Vout (V) Pout (W) ,70 7,4 5, ,9 8,70 7,4 5, , 6,35,7 80, ,45 3,9 54, 80 96,5 6,05 3, 55, 00 94,34 8,05 6, 9, ,30,6 79, ,9 8,57 36, ,55 5, 3, ,07 4,3 8, ,85 3,7 6,85 Tabla 5.9 Valores obtenios eiante ensayos para iferentes istancias e separación Coo la tensión e alientación es inferior a la necesaria, a cortas istancias no se puee transitir la potencia requeria. En coniciones one la tensión es óptia, se transite la potencia requeria. 76