Estudo de um sistema de transferência de energia sem fios com sintonização dinâmica e compensação multiparamétrica

Abstract

A transferência de energia sem fios pode ser realizada por meio de um acoplamento indutivo conectado a uma rede capacitiva, cuja função é sintonizar o sistema em uma frequência, para otimizar e tornar viável o processo. Porém, se a frequência de excitação e a rede de compensação capacitiva forem constantes, os pontos de operação otimizados só podem ser garantidos para cargas fixas, bem como para posições relativas fixas entre as bobinas transmissora e receptora. Quando as bobinas não são estacionárias ou a carga ´e variável, a sintonia do acoplamento indutivo deve ser ajustada dinamicamente para manter, por exemplo, uma potência de saída estabilizada. O sistema proposto compensa perturbações, tais como a variação de carga ou ainda desalinhamentos mecânicos entre as bobinas por meio do ajuste dinâmico da frequência e também da capacitância da rede de de compensação. Assim, um método multivariável dinâmico para maximização da potência entregue a carga em um sistema de transferência sem fios é apresentado. A implementação realiza a sintonia do acoplamento indutivo através da observação de parâmetros do circuito transmissor. Dessa maneira, o circuito receptor pode ser implementado de maneira reduzida. O método empregado mostrou que consegue estimar o coeficiente de acoplamento magnético de maneira concisa (com variação de até 5,71% do valor de referência) e que também consegue englobar um espectro maior de aplicações que os métodos multivariáveis até então desenvolvidos (inclusive para aplicações de baixo coeficiente de acoplamento magnético k < 0,1). Ambos resultados de k, Po e η são dados com um nível de confiança de 95%: k = (3,5 ± 0,17) × 10-3, Po = 250 ± 21,12 mW e η=7,4 ± 0,32. A metodologia proposta ainda pode realizar o controle da potência entregue a carga após sintonizar o acoplamento indutivo. Um estudo de caso com uma cápsula de endoscopia contendo um receptor com três bobinas em quadratura foi simulado e implementado. Essa aplicação contém alguns desafios como assimetria das bobinas bem como coeficientes de acoplamento magnético muito baixos. O sistema proposto foi capaz de monitorar o movimento da cápsula e estimar o fator de acoplamento magnético, mantendo a potência acima do valor crítico pré-estabelecido utilizando a variação da frequência e a capacitância série da rede de compensação. Por fim, também foi implementado um ajuste na magnitude da fonte de tensão visando manter a potência na carga abaixo de um valor máximo a fim de evitar um problema de sobreaquecimento.

Wireless energy transfer can be performed through an inductive link connected to a capacitive network, whose function is to tune the system to a frequency, to optimize and make the process viable. However, if the excitation frequency and the capacitive compensation network are constant, the optimized operating points can only be guaranteed for fixed loads, as well as for fixed relative positions between the transmitter and receiver coils. When the coils are not stationary or the load is variable, the tuning of the inductive link must be dynamically adjusted to maintain, for example, a stabilized output power. The proposed system compensates for disturbances, such as load variation or mechanical misalignments between the coils by dynamically adjusting the frequency and also the capacitance of the compensation network. Thus, a dynamic multivariable method for maximizing the power delivered to the load in a wireless transfer system is presented. The implementation performs the tuning of the inductive link by observing the parameters of the transmitter circuit. In this way, the receiver circuit can be implemented in a reduced way. The used method showed that it is capable of concisely estimating the magnetic coupling coefficient (with a variation of up to 5.71% of the reference value) and that it also manages to encompass a wider spectrum of applications than the multivariable methods developed so far (even for low coefficient applications of magnetic coupling k < 0.1). Both results of k, Po and η are given with 95% confidence level: k = (3.5 ± 0.17) × 10−3, Po = 250 ± 21.12 mW and η=7.4 ± 0.32 . The proposed methodology can still control the power delivered to the load after tuning the inductive link. A case study with an endoscopy capsule containing a receiver with three quadrature coils was simulated and implemented. This application contains some challenges like asymmetry of the coils as well as very low magnetic coupling coefficients. The proposed system was able to monitor the movement of the capsule and estimate the magnetic coupling factor, keeping the power above the pre-established critical value using the frequency variation and the series capacitance of the compensation network. Finally, an adjustment in the magnitude of the voltage source was also implemented in order to keep the power at the load below a maximum value avoiding an overheating problem.