Abstrakt

Dla odbiorcy energii najpowszechniej akceptowaną jej formą jest energia elektryczna. Jej przetwarzanie na inne formy odbywa się we współczesnych urządzeniach odbiorczych najczęściej z bardzo dużą sprawnością. Potocznie rozumie się, że dla jej przesyłu konieczne są tory prądowe wykonane z materiałów charakteryzujących się, w normalnych warunkach, dużą przewodnością elektryczną, czyli na drodze bezpośrednich połączeń galwanicznych źródła i odbiornika energii elektrycznej. Dostrzegana jest możliwość przesyłu energii elektrycznej o dużym natężeniu przemiany (mocy) poprzez sprzężenie instalacji źródłowych i odbiorczych strumieniem pola magnetycznego (transformatory, maszyny elektryczne), pola elektrycznego (nagrzewnice pojemnościowe), czy pola elektromagnetycznego (sprzężonego) w instalacjach telekomunikacyjnych (małej mocy). Te techniki transmisji energii zostały już prawie perfekcyjnie opanowane w typowych dla nich obszarach zastosowań technicznych - dla pól stałych i wolnozmiennych (najpowszechniej 50 lub 60 Hz) lub wysokiej częstotliwości pól elektromagnetycznych sprzężonych. Powszechnie zostały zaakceptowane typowe niedogodności tych rozwiązań - fizycznie istniejący tor prądowy przy sprzężeniach galwanicznych, względnie duże masy obwodów magnetycznych i, w klasycznym wykonaniu, monolityczne zblokowanie instalacji źródła (uzwojenia tzw. pierwotnego) i instalacji odbiorczej (uzwojenia tzw. wtórnego). Rozwinęła się technika transmisji energii elektrycznej dla celów radiokomunikacyjnych, ale ograniczyła się ona do niewielkiej mocy i jest "dostępna" dla praktycznie wszystkich (selektywnych) instalacji odbiorczych.W literaturze technicznej jest wiele informacji o wynikach badań naukowych prezentujących osiągnięcia w dziedzinie przetwarzania energii elektrycznej i jej magazynowania w formie energii pola elektrycznego w bateriach (super) kondensatorów. Obserwuje się olbrzymie zainteresowanie producentów środków transportowych zasobnikami energii elektrycznej dla autonomicznych pojazdów z napędem elektrycznym. Zdolność magazynowania energii elektrycznej we współczesnych zasobnikach znacząco wzrasta, co sprzyja wydłużaniu czasu do kolejnego jej uzupełnienia. Jednak uzasadniony technicznie czas ich ładowania pogarsza stopień wykorzystania takich pojazdów. Dodatkowo, w wielu przypadkach zastosowań trakcyjnych, warunki środowiskowe nie pozwalają na wykorzystanie do zasilania pojazdów tradycyjnej sieci trakcyjnej (np. hale przemysłowe, kopalnie, atrakcyjne turystycznie części miasta, parki przyrodnicze).Do niedawna, w praktycznym zastosowaniu, nie była realizowana technika przesyłu energii elektrycznej o mocy od kilku do kilkudziesięciu watów między obwodami o przestrzennie swobodnym względem siebie położeniu. Rozwój półprzewodnikowych, wysokosprawnych przekształtników parametrów energii elektrycznej (wysokiej częstotliwości - 104÷105 Hz) umożliwił praktyczną realizację instalacji zasilających i odbiorczych odseparowanych od siebie elektrycznie ze względnie dużą swobodą wzajemnego położenia w przestrzeni. Tego typu rozwiązanie zaczęto opisywać w literaturze jako układ bezstykowego przesyłu energii elektrycznej. Układ bezstykowego przesyłu energii elektrycznej, określany dalej skrótem BSPEE, związany jest z ruchomymi odbiornikami energii elektrycznej, a separacja odbiornika - z dużą szczeliną powietrzną (np. 100 mm).W zastosowaniach trakcyjnych od samego początku wykrystalizowały się dwa kierunki rozwoju układów bezstykowego zasilania w energię elektryczną. Pierwszy z nich to zasilanie odbiornika w sposób ciągły w trakcie jego ruchu. Druga metoda to krótkotrwałe doładowywanie zainstalowanego w pojeździe zasobnika energii w trakcie jego niedługiego, wynikającego z założonego reżimu pracy, postoju, połączone z dłuższym ładowaniem na przystankach krańcowych.W obu przypadkach generalny trend rozwijanych koncepcji podąża ku budowie układu pracującego w warunkach rezonansowych zasilanego z wysokoczęstotliwościowego źródła zasilania. Główną zaletą takiego rozwiązania jest możliwość uzyskania przesyłu mocy o żądanej wartości przy zachowaniu wysokiej sprawności.Cele rozprawy: analiza teoretyczna, symulacyjna oraz badania eksperymentalne laboratoryjnego układu bezstykowego systemu przesyłu energii elektrycznej umożliwiającego zasilenie odbiornika o mocy na poziomie jednego kilowata. Aby zrealizować cele główne, sformułowano szereg celów pomocniczych. Pierwszym z nich jest analiza mocy i sprawności BSPEE dla stanu quasi-ustalonego i wybranych stanów przejściowych. Szczegółowa realizacja takiego zadania wymaga parametryzacji wykorzystywanego modelu obwodowego. W tym celu należy wykonać szereg obliczeń rozkładu pola magnetycznego wokół układu cewek powietrznych sprzężonych magnetycznie. Tego typu symulacja umożliwia także ocenę wpływu obecności elementów ferromagnetycznych na pracę układu. Efektem przeprowadzonych obliczeń i symulacji jest wskazanie konfiguracji układu korzystnej pod względem poziomu mocy i sprawności jej przesyłania. Kolejny etap to propozycja układu regulacji częstotliwości napięcia zasilającego stronę pierwotną pozwalającego na przesył mocy o nie mniejszej niż założona wielkości, przy zachowaniu wysokiej sprawności w warunkach zmieniającego się poziomu sprzężenia magnetycznego pomiędzy częścią ruchomą a nieruchomą instalacji. Tor regulacji wymaga parametryzacji, a także określenia zakresu wartości tych parametrów, dla których system cechuje się stabilnością działania. Podsumowaniem realizacji powyższych celów jest budowa fizycznego układu laboratoryjnego, a ostatecznie weryfikacja praktyczna instalacji BSPEE wraz z układem sterowania częstotliwości napięcia zasilającego obwód pierwotny.

Autor (1)