Stanowisko badawcze

Pełne wyniki pomiarowe przedstawiono w załączniku w tabelach od 12.1 – 12.67.

5.3. Stanowisko badawcze

W celu przeprowadzenia badań różnych układów przekazywania energii za pomocą

indukcji elektromagnetycznej wykonano stanowisko badawcze. W związku z wytyczonymi celami budowę stanowiska podzielono na trzy części.

W pierwszej zadbano o poprawne zasilanie układu. Badania były wykonywane na

generatorze funkcyjnym NDN 1642, który posiadał możliwość generowania sygnału w zakresie częstotliwości od 0,3 Hz do 1 MHz. Generowany przebieg był możliwy w kształcie sinusoidalnym, prostokątnym, trójkątnym i piłokształtnym. Impedancja wejściowa generatora wynosiła 50 Ω, natomiast regulowana amplituda sygnału wyjściowego bez obciążenia wynosiła 20 Vp-p. W związku z małą wydajnością prądową generatora użyto również wzmacniacza mocy RIGOL PA1011, którego szczegółowy opis techniczny przedstawiono w tabeli 5.3.

Tab. 5.3. Dane techniczne wzmacniacza RIGOL PA1011

Impedancja wejściowa 50 kΩ

Wbudowane odchylenie (wynik +/-12V

Wejście zewnętrzne +/-10V max (wzmocnienie: X1)

Tryb pracy Stało napięciowy

Moc wyjściowa sinusoidalna RMS 10W (typowo)

Napięcie wyjściowe 12.5Vpeak

Prąd wyjściowy 1.65Apeak

Impedancja wyjściowa <2 Ω

Pełna przepustowość mocy DC ~ 1 MHz

Współczynnik szybkości wyjściowej ≥ 80V/μs (wartość typowa)

Przeregulowanie <7%

Kategoria produktu Generator funkcyjny

47 W związku z niewielką mocą wyjściową generatora podczas pełnego sprzężenia układu rezonansowego zastosowano układ mostka typu H. Do zasilania mostka zastosowano regulowany trzykanałowy zasilacz laboratoryjny model 305D-II. Na jednym kanale zasilacz posiada możliwość ustawienia napięcia w zakresie od 0 do 30 V i ograniczenia prądowego w zakresie od 0 do 5 A. Zmiana trybu pracy z szeregowego na równoległy zmieniała poziom napięcia do maksymalnej wartości 60 V lub prądu do maksymalnej wartości 10 A. Do przekształcenia napięcia stałego na napięcie przemienne zastosowano pełnookresowy mostek typu H firmy Analog Device CN0196, którego schemat przedstawiono na rysunku 5.2.

Rys. 5.2. Układ mostka pełno okresowego typu H Analog Device CN0196 a) schemat, b) widok płytki PCB) [121].

Układ ten pozwala na generację sygnału zasilającego w zakresie częstotliwości od 0 kHz do 100 kHz przy napięciu 12 V i maksymalnym prądzie wynoszącym 4 A [121].

Sterowanie układem odbywało się poprzez autorską aplikację napisaną w środowisku Visual Studio. Komunikację komputera z mostkiem H zrealizowano poprzez pośredni układ mikrokontrolera EVAL-ADUC7061, którego zadaniem jest wysterowanie sygnałem PWM (ang. Pulse Width Modulation) tranzystorów mocy. Komunikacja komputera z mikrokontrolerem odbywała się poprzez port USB. Podłączenie układu przedstawiono na schemacie blokowym (rys. 5.3).

a) b)

48 Rys. 5.3. Blokowe połączenie układu badawczego.

Stanowisko uzupełniono o dwie płytki PCB. Na płytce odbiorczej umieszczono rezystancję obciążenia w zakresie od 1 Ω do 100 Ω oraz kondensatory ceramiczne w celu skompensowania układu. Druga płytka (po stronie nadawczej) zawierała kondensatory umożliwiające wprowadzenie układ w stan rezonansu.

Część druga dotyczyła metodologii badań. Wykonywano je w seriach dla każdej konfiguracji z osobna. Obciążano układ zadaną rezystancją i odczytywano wartości napięcia i prądu na wejściu układu oraz na odbiorniku.

W pracy przewidziano możliwość dowolnego kształtowania i wykonania cewek nadawczych i odbiorczych. Prototypowanie stojaków, na których nawinięto cewki indukcyjne odbywało się w programie AutoCAD oraz Autodesk Inventor. W związku z napotkanymi problemami przy wykonaniu stojaków przez firmy zewnętrze postanowiono, że zostaną one zrealizowane na drukarce 3D. Do tego celu wykonano drukarkę z projektu „Mendel90” [143] w technologii FDM (ang. Fused Deposition Modeling). Technologia ta pozwala na drukowanie różnych elementów trójwymiarowych poprzez nakładanie na siebie warstw z materiału drukującego tzw.

filamentu. Z dostępnej szerokiej gamy materiałów można wyróżnić między innymi

Za wtłaczanie filamentu do głowicy odpowiedzialny jest tzw. ekstruder, który przy pomocy silnika z kołem zębatym przesuwa filament do dyszy. W ramach pracy

49 zaznajomiono się z różnymi konstrukcjami drukarek 3D. Zdecydowano, że na potrzeby tworzenia stojaków do mocowania cewek indukcyjnych konstrukcja powinna pozwalać

na szybkie, dokładne i wytrzymałe wydruki w celu zapewnienia stabilnego i precyzyjnego umocowania drutu nawojowego. Autor w pracy zdecydował się na

samodzielne wykonanie drukarki w formie projektu „Mendel90”. Ogólna budowa została przedstawiona na rysunku 5.4.

Rys. 5.4. Poglądowa budowa drukarek 3D w technologi FDM [21][22]

Zastosowano następujące elementy pomiarowe, sterujące i wykonawcze do budowy drukarki 3D:

 ARDUINO MEGA 2560 z nakładką RAMPS 1.4,

 Panel sterujący z wyświetlaczem LDC,

 Silniki krokowe MINEBEA TYP 23KM-K035-P13V,

 czujniki temperatury stołu grzewczego (ang. HeatBed) – termistor NTC 100k,

 czujnik temperatury dyszy grzewczej – termistor ATC Semitec 104GT- 2 NTC,

 Płytkę PCB zasilaną napięciem stałym 12 V do stołu grzewczego.

Trzecia część stanowiska badawczego zawierała wykonane elementy mechaniczne.

Zaprojektowano w środowisku AutoCad i Autodesk Inventor trójwymiarowe elementy stojaków cewek. Całościowy stojak zaprezentowano na rysunku 5.5.

50 Rys. 5.5. Stojak mocujący cewkę do pomiaru bezprzewodowej transmisji energii.

Stojak składał się z ramion, uchwytu mocującego ramiona oraz trzonu mocującego uchwyt z podstawą stojaka rysunek 5.6.

a) b) c)

Rys. 5.6. Elementy stojaka a) ramię mocujące drut nawojowy, b) uchwyt mocujący ramiona stojaka, c) podstawa stojaka wraz z trzonem łączącym.

Projekty opracowane w środowisku AutoCad zapisano w plikach formatu *.stl, a następnie edytowano w programie Slicer, gdzie ustalono materiał druku, temperaturę dyszy i stołu oraz prędkość wydruku i procent wypełnienia obiektu. Tak przygotowany wydruk zapisano w formacie *.gcode i wysłano do drukarki 3D w celu wydruku.

Wygląd kompletnego stanowiska badawczego przedstawiono na rysunku 5.7.

51 Rys. 5.7. Stanowisko badawcze

Na stanowisku badawczym przedstawiono komputer z oprogramowaniem sterującym. Badaną konfigurację cewek na wydrukowanych stojakach oraz zasilacz laboratoryjny i oscyloskop z podłączonymi sondami pomiarowymi.