Desenvolvimento de conetores sem contactos (Contactless) para aplicações de elevada potência, baseados em acoplamento indutivo ressonante

Abstract

A implementação de conetores sem contactos (contactless) envolve a transmissão de energia sem fios a curta distância. Atualmente, este tipo de sistemas é já uma realidade em algum equipamento das tecnologias de informação (IT) de baixa potência e dimensões reduzidas (smartphones, sobretudo), onde é utilizado para carregamento das respetivas baterias. O presente trabalho tem como objetivo o estudo e a conceção de um sistema de conetores sem contactos de elevada potência (entre 100 W a 1000 W); o princípio subjacente é o acoplamento indutivo ressonante. O sistema destina‐se sobretudo a aplicações têxteis de aquecimento, onde pretende substituir os conetores tradicionais, baseados em contactos condutores. Considerando este domínio de aplicação, é importante que a dimensão do sistema seja a menor possível, o que implica uma otimização cuidada. Pretende‐se que o trabalho esteja sempre ancorado nos fundamentos físicos subjacentes. Assim sendo, começa‐se pela revisão do Eletromagnetismo Clássico, no contexto da área tecnológica em questão. Segue‐se o levantamento do estado da arte, onde os diferentes métodos de transmissão de energia sem fios são revistos e categorizados segundo o princípio físico subjacente. O acoplamento indutivo é então estudado em detalhe, com particular ênfase no transformador linear e respetivos modelos equivalentes. De seguida, aborda‐se o acoplamento indutivo ressonante, onde incide a maioria da componente de investigação do trabalho. Aqui, procura‐se estabelecer uma teoria unificadora no âmbito da Teoria de Circuitos em regime de excitação harmónica estacionária (domínio da frequência), que permita a sistematização do desenvolvimento dos sistemas baseados em acoplamento indutivo ressonante, o que constitui trabalho original. Para tal, recorreu‐se sobretudo ao conceito de alinhamento, usual no domínio dos filtros. A busca dessa teoria deveu‐se à constatação da sua falta aquando do levantamento do estado da arte, no qual ocorrem sobretudo abordagens ad hoc. Dentro dessa teoria, os principais resultados são a identificação e categorização dos diferentes regimes de acoplamento e a identificação de configurações ressonantes com capacidade de regulação de carga. Por fim, procede‐se à conceção de um sistema de conetores sem contactos experimental, sendo assistida por simulação FEA para Eletromagnetismo e por simulação SPICE. No ensaio experimental do sistema, a potência máxima conseguida sem ventilação foi de cerca de 250 W; com ventilação, chegou‐se a 350 W. Em ambos os casos, o rendimento do sistema foi de cerca de 95,5%, tendo‐se considerado que estes resultados demonstram a viabilidade do sistema. O trabalho termina com a indicação de alguns melhoramentos e sugestões de trabalho futuro.

The deployment of contactless connectors involves short‐range wireless power transmission. Currently, this type of systems is already implemented in some low‐power and small‐size information technology equipment (IT), for battery charging (smartphones, mainly). The objective of the present work is the study and development of a high‐power system of contactless connectors (from 100 W to 1000 W), based on resonant inductive coupling. The system is primarily intended for textile heating applications, where it would replace traditional connectors, based on conductive contacts. Considering this application domain, the system size should be as small as possible, demanding a careful optimization process. The work should be always anchored on the underlying physical fundamentals. Being so, it begins by reviewing the Classical Electromagnetism in the context of the work’s technological field. Next, the state of the art is studied, and the different methods of wireless power transmission are reviewed and categorized according their underlying physical principle. The inductive coupling is then studied in detail, with particular emphasis on the linear transformer and its equivalent models. After that, the resonant inductive coupling is finally addressed, and this is where the main research component of the work begins. The main goal is the establishment of a tentative unifying theory in the context of Circuit Theory under sinusoidal steady‐state (frequency domain), that would enable the systematization of the development of systems based on resonant inductive coupling, which is original work. This theory is mainly based on the concept of alignment, more usual in the context of filters. The pursuit of such theory was motivated by its absence in the state of the art, in which mainly occur ad hoc approaches. Within this theory, the main results are the identification and categorization of different coupling regimes and the identification of resonant configurations with load regulation capability. Finally, the design of an experimental system of contactless connectors is carried on, with the assistance of FEA simulation for Electromagnetism and SPICE simulation. In the experimental tests, the maximum power achieved by the system without ventilation was about 250 W; with ventilation, the system reached 350 W. In both cases, system efficiency was about 95.5%. It was considered that these results demonstrate the viability of the system. The work ends with the indication of some improvements and future work suggestions.