CC BY
48
Таблица 1
Расчетные характеристики двигателя ВЧИД ММ
Ускоряющее напряжение, В Тяга, мН Удельный ис-пульс тяги, с КПД Ток пучка, мА Секундный расход рабочего тела, мг/с Мощность, подаваемая от ВЧГ на индуктор, Вт
1000 10,6 2770 0,48 208 0,398 82
1500 9,6 3300 0,52 153 0,300 60
2000 8,8 3715 0,53 121 0,244 48
2500 8 4050 0,54 100 0,207 39
ЛИТЕРАТУРЫ
1. Урличич Ю., Кузенков А. Спутниковая связь: состояние и перспективы // Аэрокосмический курьер. 2012. В 2. С. 52-53.
2. Звездин И. Малые космические аппараты: перспективы рынка // Взлет. 2005. В 1. С. 50-55.
3. Dana Reizniece-Ozola. Business and legal aspects for small satellite control and payload data download using available commercial space-based communication systems // ISU EMBA 12 Module E -Thesis. 28 August. 2012.
4. Анализ современных возможностей создания малых космических аппаратов для дистанционного зондирования Земли / Н. Н. Севастьянов [и др.] //Труды МФТИ. 2009. Т. 1, В 3. С. 14-22.
5. Loeb H. W. Development of RIT-Micro thrusters. IAC-04-S.4.04. 55th IAC.Bremen, 2004.
6. Численное моделирование первичного пучка ионов и потока вторичных ионов в ионно-оптической системе ионного двигателя / В. К. Абгарян [и др.]//Труды МАИ: электронный журнал. 2013. В 71. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=4 67 02(датаобращения: 12.2.2015).
7. Loeb H. W. Principle of radio-frequency ion thrusters RIT. RIT-22 demonstrator test of Astrium ST at University of Giessen. 06-11 September. 2010.
8. Ергалиев Д.С., Саханов К.Ж. Постановка задачи контроля состояния систем бортового комплекса оборудования воздушных судов. Надежность и качество-2 0 0 9: Международный симпозиум.- Пенза, 2009., том 1. -С.34-35.
9. Кумисбек Г.М., Касымов У.Т., Мадиярова З.С., Ергалиев Д.С. Квадрокоптеры как доступные устройства для подготовки операторов беспилотников для дистанционного зондирования Земли. Надежность и качество. Труды международного симпозиума. 25 -31 мая 2015 г., Том -2, С. 22-24.
УДК 621.3
Козин P.P., Андреев П.Г., Наумова И.Ю., Таньков Г.В.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ВОЗМОЖНОСТИ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РЭС
В статье рассмотрены технические вопросы создания беспроводной передачи электроэнергии, что позволяет иначе представить транзитную передачу электроэнергии от источника к приёмнику. Рассмотрены основные показатели и характеристики беспроводной передачи электроэнергии, в конструкциях радиоэлектронных средств различного назначения
Ключевые слова:
РАДИОЭЛЕКТРОННОЕ СРЕДСТВО, ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ, БЕСПРОВОДНАЯ ПЕРЕДАЧА
À/2n, где À - длина волны (см. рис. 1) . Зона индукции постепенно переходит в зону излучения (волновую), и ярко выраженной границы между ними не существует. На границах ближней и дальней зон различают переходную промежуточную зону. При частотах 10, 1 и 0,1 МГц протяженность ближней зоны составляет примерно 4,7; 47 и 477 м.
В системах беспроводной зарядки для передачи энергии от источника (передатчика) к приемнику используется явление электромагнитной индукции, которое заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. На сайтах консорциумов WPC, PMA и A4WP можно найти информацию о принципе действия систем передачи энергии без проводов. Система состоит из первичной катушки L1 (источника) и вторичной катушки L2 (приемника). Катушки образуют систему с индуктивной связью. Переменный ток, протекая в обмотке первичной катушки, создает магнитное поле, индуцирующее напряжение в приемной катушке, которое может быть использовано как для зарядки аккумулятора, так и для питания устройства. По мере удаления вторичной катушки от первичной все большая часть магнитного поля рассеивается и не достигает вторичной катушки. Даже при относительно малых расстояниях индуктивная связь становится неэффективной.
Упрощенная эквивалентная схема магнитно-связанных катушек приведена на рисунке 2. Взаимная индуктивность М определяется из известного соотношения:
M = kjm (1)
где k - коэффициент связи между катушками, зависящий от многих факторов, в т.ч. от расстояния между катушками, соотношения диаметров катушек, смещения между их центрами, от формы катушек и т.д. На рисунке 3 приведены значения коэффициента связи ( k ) при расстоянии между катушками 0,2; 2,5; 5; 7,5 и 10 мм, а также представлены
Основной задачей применения данной технологии является применение новых технологий в процессе приема передачи электроэнергии, решение данных вопросов является крайне актуальной задачей. Основными проблемами являются экономические показатели стоимости расходных материалов и сооружение зданий обеспечивающих транзит электроэнергии. Кроме этого в процессе передачи электроэнергии сверх высокого напряжения на большие расстояния возникают проблемы с потерями и фазное изменение напряжения. Немаловажную роль играют и климатические показатели, которые пагубно влияют на конструкции передачи энергии: окружающая температура, заморозки, влажность и т.п. Решить эту задачу исключительно за счёт замены физически изношенного и морально устаревшего оборудования на более совершенное значительно не повлияет, а экономические затраты превысят свои ожидания.
Существует несколько известных из курса физики беспроводных (бесконтактных) способов передачи энергии. Однако наибольшее распространение в электротехнике получили решения с использованием беспроводной передачи электроэнергии на основе явления электромагнитной индукции.
Ближняя
зона I Промежуточная | Дальняя зона < „| зона
Рисунок 1 - Ближняя и далвняя зоны
Как известно, область распространения электромагнитного поля разделяется на две основные зоны в зависимости от расстояния от источника излучения. Ближняя зона (зона индукции или реактивная) ограничивается расстоянием, равным
графики зависимости коэффициента связи от вели чины смещения (для катушек диаметром 3 0 мм).
Рисунок 2 - Эквивалентная схема магнитно-связанных катушек
30 35 40 45 50
Смещение, мм
Рисунок 3 - Графики зависимости коэффициента связи от смещения катушек
Резонансные контуры с индуктивной связью, применяемые в системах беспроводной зарядки, уже на протяжении десятков лет успешно используются в разнообразных радиотехнических устройствах, а их теория давно и хорошо известна.
Из анализа эквивалентной схемы на частоте резонанса эффективность системы может быть определена как
P
(2)
Pi
на ре-
где р - мощность на нагрузке Кь зисторе ^ .
Оптимальная эффективность системы на частоте резонанса равна:
v -1 <Ji+oM+1
(3)
где 2м - эффективная добротность системы (коэффициент качества), Значение 2м можно определить из выражения:
2м=Маа , (4)
где а, 2 - добротность резонансных контуров источника и приемника, соответственно.
Очевидно, что при оптимальном значении сопротивления нагрузки эффективность системы будет
наибольшей, имеет вид:
при этом сопротивления нагрузки,
1 +
colM2
(5)
R1R2
частота, M омические сопротивления
заимная
где щ - резонансная индуктивность, ^, Д2
потерь катушек индуктивности
График зависимости эффективности системы от коэффициента качества приведен на рисунке 4. Как следует из приведенного графика, эффективность системы на частоте резонанса представляет собой монотонно возрастающую функцию, асимптотически приближающуюся к единице. Эффективность передачи энергии зависит от коэффициента связи между катушками и их добротности, а для увеличения эффективности беспроводных систем зарядки следует использовать явление резонанса, что позволяет увеличить КПД и дальность передачи энергии. Повысить эффективность индуктивно связанных систем можно за счет увеличения добротности катушек и/или коэффициента связи.
10 15 20 25 30 35 40 45 50 Коэффициент качества (QM)
Рисунок 4 - График зависимости эффективности системы от коэффициента качества
Согласно классификации Ассоциации потребителей электроники CEA (ConsumerElectronicsAssociation) технологию беспроводной зарядки предлагается различать в зависимости от величины коэффициента связи. Если значение k близко к единице - это так называемая сильносвязанная система (tightly-coupled), если k < 0.1 - слабосвязанная (loosely-coupled).
В настоящее время разработаны две технологии беспроводной зарядки, использующие явление электромагнитной индукции. Одна из них, в которой используются сильносвязанные катушки, получила название MI (Magneticlnduction - магнитно-индуктивная), другая со слабосвязанными - MR (MagneticResonant - магнитно-резонансная). WPC-и PMA-спецификации базируются на использовании технологии MI, в спецификациях альянса A4WP рекомендуется использование - MR. Эти две технологии имеют много общего, однако вместе с тем присутствуют и кардинальные отличия.
В каждой из них для беспроводной передачи энергии используется магнитное поле и применяются резонансные контуры (см. рис. 5). Магнитный поток, создаваемый источником и пронизывающий вторичную катушку, зависит от конфигурации магнитного поля, которую можно трансформировать как благодаря изменению геометрических размеров катушек и их взаимному расположению, так и за счет применения соответствующего магнитного экранирования. Плотность потока зависит от магнитной проницаемости экранов. Стоимость и толщина экранов являются ключевыми факторами при их выборе. От взаимной ориентации передающей и принимающей катушек, а также от расстояния между ними зависит эффективность системы передачи энергии. Чем больше расстояние между катушками, тем менее эффективна система. Кроме того, эффективность зависит от резонансной частоты, относительных размеров передающей и принимающей катушек, коэффициента связи, сопротивления обмоток, наличия скин-эффекта, паразитных связей и ряда других факторов. Смещение по координатам X,Y, Z, а также наличие угла наклона между катушками приводит к существенному росту потерь и соответственно - к снижению эффективности передачи энергии.
В WPC- спецификациях приведены определенные требования к позиционированию приемной катушки относительно передающей. Однако, чтобы получить максимальный коэффициент связи между двумя катушками в реальной системе может потребоваться дополнительная регулировка их взаимного расположения.
Рисунок 5 _ Структура беспроводных устройств зарядки
В случае применения MR-технологии нет необходимости в строгом позиционировании катушек, а также имеется возможность использовать один источник для одновременной зарядки нескольких устройств, что, несомненно, более привлекательно
для пользователей. Однако в этом случае следует учитывать влияние расстояния между «связанными устройствами» на эффективность системы.
В зависимости от требований (не в последнюю очередь это стоимость и размер катушек), в системах, созданных на базе этих технологий, могут применяться одна или несколько катушек. В рекомендациях WPC- и PMA-спецификаций, основанных на технологии MI, резонансная частота выбирается с учетом сопротивления нагрузки и может изменяться в достаточно широком диапазоне. В связи с этим эффективная добротность системы относительно низкая по сравнению с решениями на базе технологии MR. Оптимальная эффективность системы может быть достигнута только на определенной резонансной частоте и при оптимальном сопротивлении нагрузки. В случае использования MR-техно-логии (т.к. энергия передается на строго определенной резонансной частоте) добротность системы выше, однако требуется очень точное согласование резонансных частот. При использовании обеих технологий изменение параметров в процессе работы должно строго контролироваться, т.к. они оказывают непосредственное влияние на эффективность передачи энергии.
В спецификациях WPC 1.1 оговаривается, что резонансная частота может быть выбрана в диапазоне 100...205 кГц, в спецификациях PMA - 277...357 кГц. При этом в существующих системах беспроводной зарядки типичное значение добротности составляет 30.50. В решениях, реализованных в соответствии со спецификациями A4WP (т.к. частота строго фиксирована) значение резонансной частоты и импеданса между приемником и передатчиком должны быть строго согласованы. Обычно в MR-си-стемах требуется обеспечить более высокие значения добротности (50.100 и более) в сравнении с MI-системами (см. рис. 6) .
1.0 0.8 0.6
Э
о. л 0.2
Q=10» â
Q=20-
Q=SO-0=100 ,,
-- --
снижение КПД любой системы. Однако в системах со слабосвязанными, настроенными в резонанс катушками, уменьшение КПД происходит намного медленнее в сравнении с системами с сильносвязанными катушками, что проявляется даже при применении катушек одинакового размера. Это отчетливо видно из результатов измерений, приведенных на рисунке 7. В процессе испытаний использовались две пары катушек размерами 35^35 и 35^35 мм (соотношение площадей катушек 1:1) и - 171^130 и 55x36 мм (12:1). Еще большее преимущество в эффективности магнитно-резонансных систем достигается, когда первичная и вторичная катушка имеют разные размеры (12:1). В этом случае одну первичную катушку можно использовать для зарядки нескольких устройств и одновременно заряжать, например, три мобильных телефона. Системы с сильносвязанными катушками вообще не работают при соотношении 12:1.
0,8 О.Э 1 1.1 1.2
w/w„
Рисунок 6 - Добротность разные: систем
КПД системы является важнейшим фактором для устройств беспроводной передачи энергии. Независимо от значения КПД почти всегда можно обеспечить передачу заданного уровня мощности. Однако вопрос в том, какой ценой и какими средствами. Чем больше КПД, тем меньше размеры и стоимость беспроводного зарядного устройства при той же передаваемой мощности. При зарядке смартфона от проводного адаптера (5 В) можно достичь КПД около 97%. В случае беспроводной зарядки такие показатели пока еще недостижимы, а то насколько они ниже, зависит от многих факторов, в т.ч. от расстояния. Увеличение расстояния между первичной и вторичной катушками вызывает
Расстояние,
Рисунок 7 - Эффективность систем, использующих разные технологии
Еще одно отличие технологий заключается в следующем. При использовании метода М1 для формирования переменного тока в резонансном контуре первичной катушки применяется полумостовой или мостовой преобразователь, тогда как при методе MR - усилитель мощности. Архитектура усилителя мощности может модифицироваться в зависимости от частоты, КПД, тока потребления в режиме ожидания, размеров, стоимости и назначения устройства. Вместе с тем при использовании этих методов следует уделять серьезное внимание снижению потерь на переключение, а также уменьшению паразитных потерь во внешних компонентах.
В зависимости от требований к входному напряжению и архитектуре системы, выбор технологии играет определяющую роль для оптимизации интегрированных решений. Как правило, в системе управления имеется несколько контуров регулирования, при этом стабильность общего контура управления определяет высокую производительность системы. При использовании М1- и MR-тех-нологии хорошие показатели производительности могут быть достигнуты также за счет эффективного управления напряжением питания.
Экономический эффект от использования данной системыможет быть выражен в получении максимальной прибыли за счет применения нового технического решения приёма и передачи электричества, так как упадут затраты на применение дорогостоящих материалов и их количестве.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев П.Г. Математическая модель распространения электромагнитных волн в помещении / П.Г. Андреев, А.Н. Якимов // Радиопромышленность: Научный рецензируемый журнал, 2013. № 2. С. 74-82.
2. Андреев П.Г. Проблема обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств / Н.К. Юрков, П.Г. Андреевг А.С. Жумабаева // Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 1 / Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2015. - С. . 201-203.
3. Andreev P.G. Methods of calculating the strength of electric component of electromagnetic field in difficult conditions / Andreev P.G., Yurkov N.K., Kochegarov I.I., Grishko A.K., Yakimov A.N. // сборник: 2016 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering, APEDE 2016 Conference Proceedings. 2017. С. 7878895.
4. Андреев П.Г. Определение напряженности электрической составляющей электромагнитного поля с учетом отражений / П.Г. Андреев, А.К. Гришко, И.И. Кочегаров // журнал: Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль., 2017. № 2 (20). С. 48-54.
5. Андреев П.Г. Определение комплексного коэффициента отражения электромагнитных волн внутри помещений / П.Г. Андреев, И.Ю. Наумова, О.В. Москвитина // Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 2 / Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2013. - С. . 5-6.
