Avanços no desempenho de circuitos acoplados indutivamente com compensação capacitiva e ajuste de frequência

Abstract

Neste trabalho, é apresentado um estudo sobre sistemas de transmissão de energia com o uso de bobinas fracamente acopladas magneticamente. A análise é feita levando-se em conta os efeitos parasitas dos componentes em um circuito equivalente considerando-se somente uma única frequência e o circuito já no regime estacionário. Esse circuito é alimentado por uma fonte de tensão senoidal e conectado a uma carga puramente resistiva por simplificação. São analisadas a potência de saída e a eficiência do circuito. Portanto um exercício de otimização dessas duas variáveis é desenvolvido ao longo desse trabalho com diferentes possíveis configurações. Um novo método de compensação do circuito utilizando quatro capacitores é apresentado. Além disso, é explorada a possibilidade de se melhorar ainda mais o resultado da compensação através do ajuste da frequência de ressonância. Inicialmente, o circuito básico sem compensação é analisado. A seguir, são desenvolvidas equações para as máximas eficiência e potência na saída para os circuitos contendo somente um capacitor de compensação. Também são demonstradas as configurações normalmente utilizadas para compensação com dois capacitores. Então a compensação de um circuito com quatro capacitores sem perdas é analisada. Finalmente, após serem adicionadas todas as perdas resistivas dos componentes do circuito, um método de busca é empregado para encontrar os valores ótimos (ou subótimos) dos capacitores que fazem o circuito alcançar a máxima eficiência ou potência na saída. Um algoritmo baseado no método Monte Carlo é apresentado de modo a obter boas soluções para o problema de otimização proposto e assim evitar a análise direta do intrincado sistema de equações resultantes da compensação com mais do que dois capacitores. Para verificar experimentalmente os resultados teóricos e das simulações foi construído um protótipo que possibilita uma variação linear e de maneira controlada do coeficiente de acoplamento entre as bobinas. Os resultados são comparados e, ainda, melhorados através do método da sintonia da frequência.

In this work, we present a study of power transmission systems using magnetically loosely coupled coils. The analysis is done taking into account the effects of parasitic components in an equivalent circuit considering only a single frequency and the circuit already in the steady state. This circuit is powered by a sinusoidal voltage source and connected to a purely resistive load for simplification. Improvements in the output power and efficiency of the circuit are the main topic. So an exercise in optimization of these two variables is developed throughout this work with different possible configurations. A new compensation method using four capacitors of the circuit is presented. Moreover, the possibility is exploited to further improve the result of compensation by adjusting the resonance frequency. Initially, the basic circuit without compensation is analyzed. The following equations are designed for maximum efficiency and output power for the circuits containing only one compensation capacitor. Also, the settings normally used to offset two capacitors are presented. So the compensation of a circuit with four capacitors lossless is analyzed. Finally, are added all the resistive losses of the circuit components, an search method is employed to find the optimal values (or suboptimal) capacitors that make the circuit to achieve maximum efficiency or power output. An algorithm based on Monte Carlo method is presented to solve the proposed optimization problem and thus avoid direct analysis of the intricate system of equations resulting from the clearing of more than two capacitors. To experimentally verify the theoretical results of simulations a prototype was constructed which allows for linear variation and a controlled coefficient of coupling between the coils. The results are compared and, moreover, improved by the method of tuning the frequency.