Transferência de energia sem fio por indução eletromagnética - IPT: contribuições para a maximização do rendimento

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Scortegagna, Renato Gregolon
• Orientador(a): Gules, Roger
• Banca de defesa: Badin, Alceu Andre , Font, Carlos Henrique Illa , Mezaroba, Marcello , Gules, Roger , Lazzarin, Telles Brunelli
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná; Curitiba
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Energia - Transferência; Indução eletromagnética; Circuitos elétricos; Bobinas; Modelos matemáticos; Simulação (Computadores); Conversores de corrente elétrica; Energy transfer; Electromagnetic induction; Electric circuit; Electric coils; Mathematical models; Computer simulation; Electric current converters
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::AUTOMACAO ELETRONICA DE PROCESSOS ELETRICOS E INDUSTRIAIS
• Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/29382

Com a crescente demanda por dispositivos móveis, robôs, drones e veículos elétricos, a transferência de energia sem contato elétrico para recarga das baterias desses dispositivos é tema atual de pesquisa em nível global. No presente trabalho, é abordada a transferência de energia sem fio por meio da indução eletromagnética (IPT) com proposição de técnicas que visam o aumento de rendimento. Nesse contexto, foi construído um protótipo IPT ressonante Série-Paralelo com potência nominal de 100 W. Quando utilizado o método iterativo de projeto proposto, na distância de 1 cm, o rendimento global medido foi de 94%, um aumento de 2,9%, em comparação aos métodos de especificação dos capacitores por equacionamento. Nessa perspectiva, é proposta uma nova topologia de retificador dobrador de corrente síncrono com autocomando que não requer processamento ou qualquer instrumentação para se manter sincronizado com o circuito ressonante, podendo ser usado em MOSFETs de silício ou SiC que suportem tensão simétrica de comando. A verificação experimental da retificação síncrona alcançou o rendimento global máximo de 94,8%. Como proposta de aplicação em uma estação remota de recargas de UAVs, o protótipo do sistema IPT foi integrado a uma bateria e um módulo fotovoltaico por meio um conversor Three-Port, cuja operação foi dividida em Modo 1, Modo 2 e Modo 3. No Modo 1, a energia é transferida da bateria para o sistema IPT por modulação phase-shift sob frequência constante. O controle dos parâmetros da carga do sistema IPT é realizado a partir da potência de entrada e da tensão de carga, realimentada por meio de comunicação sem fio. Na transferência de energia do módulo fotovoltaico para a bateria, Modo 2, o conversor full-bridge opera como um boost paralelo utilizando a técnica ZVRT (Zero-Voltage Resonant-Transition) com frequência variável, obtendo comutação ZVS em todos os interruptores e rendimento de 96,25% na máxima potência. O Modo 3 compreende a transferência simultânea de energia entre as três portas. O conversor controla o sistema IPT por modulação phase-shift sob frequência constante, enquanto o fluxo de energia entre o módulo fotovoltaico e a bateria é controlado pela razão cíclica da modulação PWM. Para ocorrer comutação suave nos interruptores, foi adicionado um indutor auxiliar entre os braços do conversor e utilizado controle assimétrico de corrente nos indutores boost. A utilização desta técnica de controle permitiu a operação de ambos os braços do conversor sob o mesmo limite de comutação suave, além do aumento do indutor auxiliar em cerca de quatro vezes e da diminuição de perdas por condução. Os ensaios experimentais do conversor Three-Port em condições nominais de operação resultaram em rendimento global de 92,2%, no modo DISO (Double Input Single Output), e de 93,7%, no modo SIDO (Single Input Double Output).