SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE POTENCIA CON ACOPLAMIENTO INDUCTIVO EN ALTA FRECUENCIA Y PROCEDIMIENTO ASOCIADO.
Sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia y procedimiento asociado.
La presente invención tiene por objeto un sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia que presenta una compensación SP en primario y es aplicable tanto para secundarios compensados en serie o en paralelo, es decir, con un condensador en serie seguido de uno en paralelo en el primario, y uno en serie o uno en paralelo en el secundario y que permite transferir sin ningún tipo de control una potencia igual o superior a la nominal hasta des-alineamientos del 50% del área de la bobina del secundario con una sobrepotencia máxima del 25% del valor nominal en la carga y con una sobrecorriente máxima del 75% en la fuente, donde el procedimiento asociado se basa en la elección de los condensadores del primario para transferir la potencia nominal
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200801603.
Solicitante: FUNDACION CIRCE - CENTRO DE INVESTIGACION DE RECURSOS Y CONSUMOS ENERGETICOS.
Nacionalidad solicitante: España.
Provincia: ZARAGOZA.
Inventor/es: LLOMBART ESTOPIAN,ANDRES, GARCIA GRACIA, MIGUEL, SALLAN ARASANZ,JESUS, VILLA GAZULLA,JUAN LUIS, SANZ OSORIO,JOSE FRANCISCO.
Fecha de Solicitud: 28 de Mayo de 2008.
Fecha de Publicación: .
Fecha de Concesión: 15 de Junio de 2010.
Clasificación Internacional de Patentes:
- H02M3/24 ELECTRICIDAD. › H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. › H02M APARATOS PARA LA TRANSFORMACION DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE ALTERNA, DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE CONTINUA O DE CORRIENTE CONTINUA EN CORRIENTE CONTINUA Y UTILIZADOS CON LAS REDES DE DISTRIBUCION DE ENERGIA O SISTEMAS DE ALIMENTACION SIMILARES; TRANSFORMACION DE UNA POTENCIA DE ENTRADA EN CORRIENTE CONTINUA O ALTERNA EN UNA POTENCIA DE SALIDA DE CHOQUE; SU CONTROL O REGULACION (transformadores H01F; convertidores dinamoeléctricos H02K 47/00; control de los transformadores, reactancias o bobinas de choque, control o regulación de motores, generadores eléctricos o convertidores dinamoeléctricos H02P). › H02M 3/00 Transformación de una potencia de entrada en corriente continua en una potencia de salida en corriente continua. › por convertidores estáticos.
- H02M3/335 H02M 3/00 […] › utilizando solamente dispositivos semiconductores.
Clasificación PCT:
Fragmento de la descripción:
Sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia y procedimiento asociado.
Objeto de la invención
La presente invención tiene por objeto un sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia que presenta una compensación SP en primario y es aplicable tanto para secundarios compensados en serie o en paralelo, es decir, con un condensador en serie seguido de uno en paralelo en el primario, y uno en serie o uno en paralelo en el secundario.
Esta compensación SP, en primario, permite transferir de manera natural y sin ningún tipo de control, una potencia igual o superior a la nominal hasta des-alineamientos del 50% del área de la bobina del secundario con una sobrepotencia máxima del 25% del valor nominal en la carga y con una sobrecorriente máxima del 75% en la fuente, en el sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo que de ahora en adelante se escribirá con sus siglas ICPT (en inglés "Inductive Coupling Power Transfer").
Así mismo, el procedimiento asociado al sistema de transferencia de potencia se basa en la elección de los condensadores del primario para transferir la potencia nominal habiendo elegido un determinado des- alineamiento y una determinada fuente de alimentación, que suministra la potencia al primario para posteriormente ser transferida al secundario y de ahí a la carga.
Antecedentes de la invención
Son conocidos en el estado de la técnica los sistemas ICPT, que son sistemas formados por dos bobinas o devanados eléctricamente aislados y acoplados magnéticamente a través del aire, que son capaces de transferir potencia con una elevada eficiencia.
En el aire, el acoplamiento entre bobinas es mucho menor que en el caso de transformadores o motores, en los que el acoplamiento se hace a través de un núcleo magnético. Por esta razón, para conseguir elevados rendimientos en la transferencia es necesario trabajar a elevadas frecuencias y con las bobinas compensadas mediante condensadores en ambos bobinados. Estos condensadores de acoplamiento, hacen que todo el sistema trabaje en resonancia y por tanto se transfiere la potencia deseada con un elevado rendimiento.
Los sistemas ICPT presentan dos partes bien diferenciadas.
Los sistemas de compensación básicos están formados por un condensador de resonancia CX conectado en serie y/o paralelo. Existen por tanto cuatro diferentes tipos de compensación dependiendo de la conexión serie o paralelo de los condensadores a las bobinas del primario y del secundario.
Dentro de las aplicaciones de los sistemas ICPT se encuentra la alimentación de vehículos eléctricos tanto en movimiento como parados, a través de uno o varios conductores por debajo de dichos vehículos. Estos sistemas se denominan respectivamente sistemas de secundario móvil, o sistemas de secundario fijo.
Dentro de estas aplicaciones existen dos sistemas físicos en función de cómo se realiza la captura de flujo por parte del secundario, los sistemas de captura del flujo normal y los sistemas de captura del flujo tangencial o trasversal.
Los sistemas de flujo trasversal están formados en su forma básica por un único conductor en primario situado bajo el asfalto que hace de línea de transmisión y una bobina de secundario en posición trasversal respecto del conductor de primario. Debido a que el coeficiente de inducción mutua es muy bajo en este sistema, es indispensable que la bobina de secundario esté bobinada sobre un núcleo de ferrita.
Este sistema permite des-alineamientos de muy pequeña magnitud, ya que la potencia transferida decae rápidamente cuando la bobina de secundario se desplaza a izquierda o derecha. Existen soluciones con varios conductores que permiten cierto des-alineamiento siempre y cuando la bobina de secundario no salga de los límites de la vertical marcada por los conductores situados en los extremos. Estas soluciones son mucho más caras y el coeficiente de acoplamiento sigue siendo bajo.
Los sistemas de captura de flujo normal mediante dos bobinas planas enfrentadas presentan un coeficiente de inducción mutua "M" mucho mayor que los sistemas de captura del flujo trasversal. La bobina de primario es de una anchura equivalente a la del secundario aunque puede llegar a ser mucho más larga si se quiere transmitir potencia en un área mayor o adecuar una zona de carga para vehículos en movimiento.
El comportamiento de estos sistemas frente al des-alineamiento, depende fuertemente del tipo de compensación utilizada. Cuando la compensación en el primario es en paralelo, es decir, tipos PS y PP, el comportamiento es análogo a los sistemas de flujo trasversal, perdiendo capacidad de transferencia de potencia conforme el secundario se desplaza respecto de la posición centrada.
Cuando la compensación en el primario es en serie, es decir, tipos SS y SP, la potencia transferida aumenta conforme el secundario se separa de la posición centrada hasta alcanzar 2,5 veces la potencia nominal para desplazamientos del 50% del área de la bobina de secundario, poniendo en peligro la integridad del sistema de alimentación y de las propias bobinas, disminuyendo bruscamente la potencia para des-alineamientos mayores.
La variación de la potencia absorbida y entregada a la carga respecto de la nominal frente al desalineamiento X entre bobinas en % de la anchura del secundario para las configuraciones SS, SP, PS y PP se muestra en la Figura 1 de izquierda a derecha y de arriba abajo respectivamente.
En los sistemas de carga de baterías existentes el posicionamiento de las bobinas se realiza con la ayuda de sistemas electromecánicos auxiliares que hacen que el alineamiento sea perfecto y siempre para pequeñas distancias de acoplamiento en la dirección vertical, para que el proceso de transferencia sea óptimo. Este tipo de alineamientos resulta caro y lento.
La presente invención propone una configuración SP, en primario, que junto con cualquier compensación básica en secundario, permite transferir de manera natural y sin ningún tipo de control, una potencia igual o superior a la nominal hasta des-alineamientos del 50% del área de la bobina del secundario siendo la potencia máxima entregada a la carga no superior al 25% del valor nominal en la carga y con una sobrecorriente máxima del 75% en la fuente.
Descripción de la invención
La presente invención se refiere a un sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia que presenta una compensación SP en primario, es decir, con un condensador en serie seguido de uno en paralelo en el primario y una configuración básica en secundario.
Con este sistema de compensación, se puede transferir de una manera natural y estable sin necesidad de control una potencia igual o superior a la nominal para un des-alineamiento deseado, siempre no superior al 50% del área de la bobina del secundario cuando la potencia máxima entregada a la carga no supera en ningún caso el 25% de la potencia nominal y la sobrecorriente máxima en la fuente no supera el 75%.
Es decir, cuando al menos el 50% del área de la bobina del secundario esté enfrentada a la bobina del primario se mantendrá la potencia transferida a la carga entre la potencia nominal y un 25% por encima mediante la compensación SP en primario. Los des-alineamientos pueden ser en cualquiera de los dos ejes del plano horizontal o en una combinación de ambas direcciones.
Con esta compensación SP, que incluye un condensador C1 en serie en el primario, la capacidad del condensador C3 en paralelo en el primario debe estar por debajo de la que conseguiría que el conjunto formado por C2, capacidad del condensador del secundario, C3 y las bobinas acopladas estuvieran en resonancia.
Reivindicaciones:
1. Sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia caracterizado porque presenta una compensación SP en primario y es aplicable tanto para secundarios compensados en serie o en paralelo es decir, con un condensador C1 en serie seguido de un condensador C3 en paralelo en el primario, y un condensador C2 en serie o paralelo en el secundario con la que se puede transferir de una manera natural y estable sin necesidad de control una potencia igual o superior a la nominal para un des-alineamiento deseado, siempre no superior al 50% del área de la bobina del secundario cuando la potencia máxima entregada a la carga no supera en ningún caso el 25% de la potencia nominal y la sobrecorriente máxima en la fuente no supera el 75%.
2. Sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicación 1 caracterizado porque la capacidad del condensador C3 debe estar por debajo de la que conseguiría que el conjunto formado por C2, C3 y las bobinas acopladas estuvieran en resonancia.
3. Sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicación 1 caracterizado porque a menor capacidad del condensador C3, mayor será el des-alineamiento que puede haber entre el primario y el secundario transfiriendo la potencia nominal o superior, pero a la vez se tendrá que sobredimensionar más la fuente de alimentación y será mayor la sobrepotencia enviada a la carga, por lo que para la selección de los condensadores C1 y C3 del primario, se deberá llegar a una situación de compromiso entre el máximo des-alineamiento deseado, la máxima potencia permitida suministrar a la fuente y la máxima potencia permitida transferir a la carga.
4. Sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicación 1 caracterizado porque se alimenta con un puente (1) en "H" con control PWM y control de frecuencia, por lo que es necesario añadir una bobina en serie LS para proteger el sistema de alimentación durante las transiciones de tensión, ya que de lo contrario, se produciría un cortocircuito a través de los condensadores C1 y C3.
5. Sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque en compensación SPS, es decir, con el condensador C2 en serie, si se desea poder suministrar la potencia nominal hasta el des-alineamiento del 25%, la fuente deberá estar dimensionada para poder suministrar un 1% más de potencia que la nominal, con lo que en ese caso se selecciona una capacidad del condensador C3 igual al 88,5% de su valor nominal C3PS.
6. Sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque en compensación SPS, es decir, con el condensador C2 en serie, si se desea poder suministrar la potencia nominal hasta el des-alineamiento del 50%, la fuente deberá estar dimensionada para poder suministrar un 75% más de corriente que la nominal, con lo que en ese caso se selecciona una capacidad del condensador C3 igual al 82% de su valor nominal C3PS.
7. Sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque en compensación SPP, es decir, con el condensador C2 en paralelo, si se desea poder suministrar la potencia nominal hasta el des-alineamiento del 25%, la fuente deberá estar dimensionada para poder suministrar un 1% más de potencia que la nominal, con lo que en ese caso se selecciona una capacidad del condensador C3 igual al 86% de su valor nominal C3PP.
8. Sistema de transferencia de potencia con acoplamiento inductivo en alta frecuencia según reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque en compensación SPP, es decir, con el condensador C2 en paralelo, si se desea poder suministrar la potencia nominal hasta el des-alineamiento del 50%, la fuente deberá estar dimensionada para poder suministrar un 80% más de corriente que la nominal, con lo que en ese caso se selecciona una capacidad del condensador C3 igual al 76% de su valor nominal C3PP.
9. Procedimiento asociado al sistema de transferencia con la configuración SP en primario de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la etapa principal consiste en elegir las capacidades de los condensadores C1 y C3 del primario para transferir la potencia nominal habiendo elegido previamente un determinado des-alineamiento, donde
y la etapa secundaria consiste en que una vez determinadas las capacidades C, y C3, se comprobará si para algún valor de des-alineamiento entre 0 y el des-alineamiento máximo deseado la potencia entregada a la carga está por debajo de los valores nominales, en cuyo caso se volvería a disminuir C3 y se volverá a calcular C1 hasta que la potencia entregada a la carga sea igual o superior a la nominal para todo el rango de des-alineamiento en el que va a trabajar la configuración.
10. Procedimiento asociado al sistema de transferencia con la configuración SP en primario de las reivindicación 9 caracterizado porque si la potencia máxima entregada a la carga y/o la corriente máxima cedida por la fuente están por encima de los permitidos para todo el rango de des-alineamiento en el que va a trabajar la configuración, deberá disminuirse el des- alineamiento máximo permitido al sistema de manera que ambos parámetros se encontraran dentro de los permitidos por la carga y la fuente respectivamente.
11. Procedimiento asociado al sistema de transferencia con la configuración SP en primario de la reivindicación 10 caracterizado porque en caso de que la potencia máxima cedida por la fuente alcanzara el máximo para un valor de des-alineamiento máximo inferior al deseado, esto implicaría que no se puede alcanzar la potencia nominal para el des-alineamiento máximo elegido, sino uno inferior con lo que aumentando la capacidad de la fuente y/o la capacidad de la carga, se volverían a calcular las capacidades C1 y C3 y se obtendría el nuevo des-alineamiento.
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