5. Badania eksperymentalne różnych konfiguracji układów
5.5. Układ trójcewkowy
5.5.2. Symulacje układu trójcewkowego
⎢⎡EF _;`F − `e > −_`a −_`a
−_`a EF _;`F − `e > −_`a '
−_`a ' −_`a ' EF' _`F' E bT∗ ;−_`e'>
E bT− _`e' ⎦⎥⎥⎤ ˆ
'
‰ yW 00z
(5.21) Dla przedstawionych konfiguracji układów i ich wariantów wykonano symulacje i badania. Sprawdzono jaki wpływ na sprawność i moc wyjściową ma zwiększenie odległości między nadajnikiem, a odbiornikiem energii elektrycznej [12].
5.5.2. Symulacje układu trójcewkowego
Symulacje wykonano dla układu z cewkami L2 i L3 o identycznym promieniu równym 15 cm. Układ ten skompensowano dla rezystancji obciążenia równej 100 Ω. Na podstawie symulacji wykreślono charakterystyki sprawności układu oraz mocy wydzielonej na odbiorniku w funkcji odległości dla różnych rezystancji obciążenia (bez ponownej kompensacji). Charakterystyki przedstawiono odpowiednio na rysunkach 5.55 i 5.56.
Rys. 5.55. Charakterystyka sprawności układu LC-LC-LCs w funkcji odległości między cewkami L1 i L2 a cewką L3.
89 Rys. 5.56. Charakterystyka mocy wyjściowej układu LC-LC-LCs w funkcji odległości
między cewkami L1 i L2 a cewką L3.
Na charakterystykach można zauważyć początkowy wzrost sprawności i mocy wyjściowej wraz ze zwiększaniem odległości między cewkami. Jest to spowodowane skompensowaniem układu dla wybranej rezystancji. Pozostałe charakterystyki zostały wykonywane bez zmiany wartości pojemności kondensatora w obwodzie odbiornika.
Wynika z tego, że skompensowanie układu może odbywać się poprzez zmianę:
pojemności kondensatora, zmianę częstotliwości oraz w przypadku skompensowania układu dla wybranej rezystancji obciążenia również poprzez jej zmianę.
Kolejne symulacje wykonano dla układu posiadającego cewki L2 i L3 o promieniu 6 cm. Na przedstawionych charakterystykach zauważono bardzo małą sprawność układu nie przekraczającą 8%. Dla najwyższej badanej rezystancji była ona największa (rys. 5.57. Moc wyjściowa układu nie przekraczała 8 W i malała wraz ze wzrostem rezystancji obciążenia i odległości (rys. 5.58).
90 Rys. 5.57. Charakterystyka sprawności układu LC-LC-LCs w funkcji odległości między
cewkami L1 i L2 a cewką L3, gdzie L2=L3.
Rys. 5.58. Charakterystyka mocy wyjściowej układu LC-LC-LCs w funkcji odległości między cewkami L1 i L2 a cewką L3, gdzie L2=L3.
91 Kolejne badania przeprowadzono dla układu, w którym zmieniono długości promieni cewek L2 i L3. Powiększono je do 15 cm. Cewkę L1 pozostawiono bez zmian z dwoma zwojami nawiniętymi współosiowo na cewce L2. Układ kompensowano osobno dla każdej badanej rezystancji obciążenia. Wzrost sprawności układu osiągnięto poprzez zwiększenie indukcyjności cewki L2. Dla rezystancji obciążenia równej 100 Ω osiągnięto 38% sprawności układu. Charakterystyki sprawności układu dla różnych rezystancji obciążenia w funkcji odległości między cewka L1, L2, a cewką L3 przedstawiono na rysunku 5.59.
Rys. 5.59. Charakterystyka sprawności układu LC-LC-LCs w funkcji odległości między cewkami L1 i L2 a cewką L3, gdzie L2=L3 powiększone
Sprawność układu jest najwyższa dla największej badanej rezystancji obciążenia.
W tym przypadku moc wyjściowa układu wzrosła i osiągnęła maksymalny poziom 28 W dla rezystancji obciążenia 100 Ω. Dla mniejszych rezystancji otrzymano zmniejszenie mocy wyjściowej (rys. 5.60).
92 Rys. 5.60. Charakterystyka mocy wyjściowej układu LC-LC-LCs w funkcji odległości
między cewkami L1 i L2 a cewką L3, gdzie L2=L3powiększone.
Ostatni wariant badań układu trójcewkowego polegał na zmniejszeniu promienia i liczby zwojów cewki L3. Badania miały na celu sprawdzenie możliwości uzyskania poprawy sprawności układu. Podczas symulacji zauważono wzrost zarówno mocy jak i sprawności układu. Najwyższa sprawność wynosiła 57% dla układu z rezystancją obciążenia równa 50 Ω. Niewiele niższa sprawność układu wynosząca 55% była dla rezystancji obciążenia 100 Ω. Charakterystyka sprawności układu została przedstawiona na rysunku 5.61. Dla rezystancji 20 Ω osiągnięto maksymalną moc równą 27 W przy spełnionym warunku dopasowania do odbiornika na maksymalną moc (rys. 5.62).
93 Rys. 5.61. Charakterystyki sprawności układu LC-LC-LCs w funkcji odległości
między cewkami L1 i L2 a cewką L3, gdzie L2>L3
Rys. 5.62. Charakterystyki mocy wyjściowej układu LC-LC-LCs w funkcji odległości między cewkami L1 i L2 a cewką L3, gdzie L2>L3
94 Zmniejszenie promienia cewki L3 skutkowało zmniejszeniem rezystancji uzwojeń i dopasowaniem układu na maksimum mocy dla mniejszych rezystancji obciążenia niż we wcześniejszych symulacjach.
Na rysunku 5.63 przedstawiono charakterystyki obwodu z kompensacją równoległą.
Zastosowane cewki w obwodzie pozostały o tych samych promieniach i liczbie zwojów jak w układzie z kompensacją szeregową Zauważyć można przesunięcie maksymalnych wartości mocy i sprawności wraz ze wzrostem odległości między cewkami (do około 30 cm). Próby kompensacji układu odbiornika poprzez włączanie dodatkowej pojemności kondensatora nie powodowały przesunięcia punktu maksymalnej sprawności na mniejszej odległości (zbyt duże przesunięcia fazowe) [25]. Układ można było skompensować poprzez włączenie dodatkowego kondensatora do obwodu nadajnika.
Jedyną możliwością osiągnięcia maksimum sprawności dla cewek na mniejszej odległości jest indywidualne dopasowanie indukcyjności cewek do obwodu.
Rys. 5.63. Charakterystyka sprawności mocy wyjściowej układu LC-LC-LCr w funkcji odległości między cewkami L1 i L2 a cewką L3, gdzie L2>L3
Włączenie dodatkowych kondensatorów do obwodu pozwoliło na skompensowanie układu przy częstotliwości 100 kHz. Jednocześnie obniżono sprawność układu do 10%.
95 Wykreślenie charakterystyki sprawności pozwoliło ustalić iż maksimum sprawności układu zostało przesunięte o około 25 kHz i wystąpiło dla częstotliwości 75 kHz (rys.
5.64).
Rys. 5.64. Charakterystyka sprawności układu LC-LC-LCr w funkcji częstotliwości Układy w konfiguracji z jedną cewką nadawczą i dwiema cewkami odbiorczymi będą posiadały te same wady co układy dwucewkowe. W przypadku zwiększania indukcyjności cewki L1 będzie rosła jej rezystancja powodując spadek mocy wyjściowej układu. Natomiast zwiększając liczbę zwojów cewki L2 i dokładając cewkę L3 będziemy zwiększać rozmiary odbiornika, co nie jest wskazane w projekcie.
5.5.3. Pomiary układu rzeczywistego
Badania fizycznego układu przeprowadzono dla konfiguracji z podwójną cewką w nadajniku i pojedynczą cewką w układzie odbiornika. W pierwszej kolejności zestawiono układ z cewką L1 posiadającą 2 zwoje i cewką L2 i L3 zawierające po 52 zwoje drutu nawojowego. W układzie tym cewka L2 została umieszczona wewnątrz cewki L1 w tej samej płaszczyźnie.
96 Na rysunku 5.65 przedstawiono wpływ odległości na sprawność układu przy różnych rezystancjach obciążenia. Zauważyć można, że wraz ze wzrostem rezystancji obciążenia układ posiada wyższą sprawność. Dla rezystancji obciążenia równej 100 Ω sprawność układu wynosiła około 60% (odległość między cewkami wynosiła 2 cm).
Spadek sprawności był kilku procentowy i w odległości 10 cm od nadajnika sprawność wynosiła około 20%.
Rys. 5.65. Charakterystyka sprawności układu LC-LC-LC w funkcji odległości między cewkami L1 i L2 a cewką L3, gdzie L2=L3
Podobną zależność zaobserwowano na charakterystyce mocy wyjściowej układu. Dla rezystancji obciążenia równej 100 Ω najwyższa moc wynosiła około 18 W i malała do około 4 W dla odległości równej 10 cm (rys. 5.66).
97 Rys. 5.66. Charakterystyka mocy wyjściowej układu LC-LC-LC w funkcji
odległości między cewkami L1 i L2 a cewką L3, gdzie L2=L3.
W układzie ze zmniejszoną cewką L3 posiadającą 22 zwoje osiągnięto wzrost sprawności i mocy wyjściowej układu (rys. 5.67).
Rys. 5.67. Charakterystyka sprawności układu LC-LC-LC w funkcji odległości między cewkami L1 i L2 a cewką L3, gdzie L2>L3.
Najwyższą sprawność posiada układ obciążony rezystancją o wartości 20 Ω osiągając 70% sprawności dla 1,5 cm odstępu między nadajnikiem, a odbiornikiem.
98 W odległości większej niż 3 cm układ obciążony rezystancją o wartości 10 Ω miał najwyższą sprawność. Związane to było z dopasowaniem układu do pełnej kompensacji poprzez zmianę impedancji całego układu.
Najwyższa moc jaką osiągnięto w badanym układzie wynosiła 26 W dla rezystancji obciążenia wynoszącej 20 Ω (rys. 5.68).
Rys. 5.68. Charakterystyka mocy wyjściowej układu LC-LC-LC w funkcji odległości między cewkami L1 i L2 a cewką L3, gdzie L2>L3
W przypadku charakterystyki układu obciążonego rezystancją równą 10 Ω zauważono początkowy wzrost mocy wyjściowej do odległości około 3 cm, który maksymalnie osiągnął moc równą 19 W.