Advanced wireless power transfer technologies: reactance cancelling and inverse coupled current doubler rectifier

• Autores: Lixin Shi
• Directores de la Tesis: Pedro Alou Cervera (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2021
• Idioma: español
• Materias:
  • Física
    • Electrónica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen

  • La transferencia inalámbrica de potencia, o WPT por sus siglas en inglés, está recibiendo más atención en los últimos años como un método para transferir energía desde una fuente de energía a un dispositivo eléctrico sin el uso de conductores de cables. Con el mérito de seguridad, conveniencia, robustez, flexibilidad y ahorro de costos, se ha utilizado ampliamente en varios campos de aplicación, como implantes biomédicos, electrónica de consumo y carga de vehículos eléctricos.

    Esta tesis se centra en la mejora del rendimiento del sistema en términos de la potencia suministrada y la eficiencia del sistema, a través de la investigación de varias topologías del sistema. Esta tesis propone dos tecnologías TIP avanzadas: cancelación de reactancia y rectificador duplicador de corriente de acoplamiento inverso (ICCDR), que su objetivo es superar los problemas de desafinación en la aplicación de baja y media potencia y el problema de baja eficiencia en la etapa del rectificador en aplicaciones de alta potencia, respectivamente.

    En el sistema WPT, la desafinación causada por la variación de los parámetros, la implementación del control de frecuencia y la tolerancia de los componentes disminuirán mucho el rendimiento del sistema, especialmente en aplicaciones de muy bajo acoplamiento y baja potencia. En consecuencia, se propone en Chapter~3 una nueva técnica autoadaptativa que utiliza un compensador en serie síncrono (SSC) para cancelar automáticamente la reactancia. Se analiza en detalle el principio del concepto propuesto, se presenta el proceso de autoajuste de resonancia y se demuestran las posibles aplicaciones aplicadas al tanque resonante en serie y al tanque resonante en paralelo. Al final, el concepto propuesto que se aplica a un sistema TIP en serie se valida mediante simulaciones y experimentos. Se ha construido y probado experimentalmente un prototipo de carga inalámbrica que funciona a 6,78 MHz para aplicaciones médicas. La etapa inversora elegida para el sistema WPT propuesto es el amplificador ZVS Clase-D que utiliza dispositivos de nitruro de galio (GaN). En esta parte se propone un método que considera el tiempo muerto del GaN para diseñar el circuito del tanque ZVS. Se puede transmitir una potencia constante de 1,8 W con una eficiencia total del 50 % a una distancia de separación de la bobina de 1,5 cm entre el transmisor de placa de circuito impreso (3 × 3 cm2) y el receptor (1 × 2 cm2) en condiciones de desafinación amplia. siendo 0,95 la relación entre la distancia y el diámetro equivalente del receptor.

    En Chapter~4, se propone un sistema WPT de serie en serie combinado con un rectificador duplicador de corriente de acoplamiento inverso (ICCDR), como una topología WPT muy apropiada para aplicaciones de alta potencia y corriente de salida. El ICCDR utiliza un autotransformador para reducir las pérdidas en la etapa del rectificador, que es adecuado para aplicaciones de salida de alta corriente y baja tensión.

    Además, se presenta una comparación completa entre el sistema WPT propuesto con ICCDR y el sistema WPT tradicional con rectificador de puente completo. En el sistema WPT propuesto, la configuración de los parámetros primarios y el comportamiento del circuito se mantienen iguales, mientras que el lado secundario se altera, lo que contribuye a una reducción de volumen en el condensador resonante secundario. La eficiencia general del sistema y la densidad de potencia se mejoran significativamente.

    En consecuencia, se construye y prueba un prototipo de 10kW 400V / 48V WPT para la carga de baterías para validar esta propuesta. El voltaje de salida está en el rango entre 38 Vdc y 55 Vdc, y la corriente de salida nominal es 200A. La eficiencia general del sistema propuesto alcanza el 95%, mejorando la eficiencia del 2% con un ahorro de energía de 220W con respecto al sistema tradicional de rectificador de diodo, cuando se entrega una potencia de salida de 9.5kW. El análisis teórico y los resultados experimentales han verificado que el sistema propuesto presenta grandes ventajas en aplicaciones de alta potencia.