نوسان‌ساز WKY-Haq: یک منبع توان نوین برای سامانه‌های انتقال توان القایی

فهرست مطالب

1. مقدمه

انتقال توان بی‌سیم (WPT) امکان انتقال انرژی الکتریکی را در عرض یک شکاف هوایی و بدون تماس فیزیکی فراهم می‌کند و در سال‌های اخیر برای کاربردهایی مانند شارژ بی‌سیم، شتاب قابل توجهی گرفته است. اگرچه این مفهوم به آزمایش‌های تسلا در سال ۱۸۹۳ بازمی‌گردد، پیشرفت‌های مدرن در دستگاه‌های مینیاتوری و ارتباطات بی‌سیم، علاقه به آن را احیا کرده است. WPT را می‌توان از طریق سامانه‌های تابشی میدان دور با استفاده از تابش الکترومغناطیسی یا سامانه‌های راکتیو میدان نزدیک با استفاده از میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی محقق کرد.

این مقاله بر انتقال توان القایی (IPT) متمرکز است که در میدان نزدیک مغناطیسی (MNF) عمل می‌کند و بر القای الکترومغناطیسی، که توسط مایکل فارادی کشف شد، متکی است. IPT یکی از مؤثرترین و ایمن‌ترین روش‌ها در نظر گرفته می‌شود و کاربردهای حیاتی در دستگاه‌های زیست‌پزشکی (مانند ضربان‌ساز) دارد که تعویض باتری در آن‌ها مشکل‌ساز است. این سامانه به یک منبع جریان نوسانی، مانند اینورتر یا نوسان‌ساز، نیاز دارد تا از طریق یک سیم‌پیچ فرستنده، یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان ایجاد کند.

2. کار تجربی

کار تجربی شامل طراحی و آزمایش یک نوسان‌ساز جدید برای سامانه‌های IPT است. این نوسان‌ساز که WKY-Haq نامیده شده، با استفاده از یک تقویت‌کننده عملیاتی IC LM7171 توسعه یافته است. این نام به افتخار سرپرستان پروژه (وهاب، خلیل، یوسف) و دکتر شمس الحق از دانشگاه بنغازی انتخاب شده است.

2.1. طراحی نوسان‌ساز WKY-Haq

نوسان‌ساز WKY-Haq برای کار در فرکانس‌های پایین مناسب برای کاربردهای IPT طراحی شده است. این نوسان‌ساز از قطعات الکترونیکی استانداردی استفاده می‌کند که برای تولید نوسانات پایدار با فرکانس قابل کنترل پیکربندی شده‌اند. طراحی بر سادگی، قابلیت اطمینان و بازده برای راه‌اندازی بارهای القایی اولویت می‌دهد.

2.2. رابطه ریاضی

یک رابطه ریاضی تقریبی برای تنظیم فرکانس نوسان‌ساز به صورت تجربی استخراج شد. فرکانس به مقادیر مقاومت‌ها و خازن‌های موجود در شبکه فیدبک بستگی دارد. این رابطه را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

$f \approx \frac{1}{2\pi R C}$

که در آن $R$ و $C$ اجزای حیاتی زمان‌بندی هستند. برای پالایش این تقریب برای پیاده‌سازی عملی، کالیبراسیون تجربی انجام شد.

3. آرایش آزمایشگاهی و نتایج

سامانه IPT با استفاده از نوسان‌ساز WKY-Haq به عنوان منبع توان ساخته شد. این سامانه از توپولوژی سری-سری (SS) استفاده کرد که در آن هر دو مدار فرستنده و گیرنده با خازن‌ها تنظیم سری شده‌اند.

3.1. پیکربندی سامانه IPT

آرایش شامل موارد زیر بود:

• فرستنده: نوسان‌ساز WKY-Haq که یک مدار تشدید سری (سلف L_T و خازن C_T) را راه‌اندازی می‌کند.
• گیرنده: یک مدار تشدید سری مشابه (سلف L_R و خازن C_R) که به یک مقاومت بار (R_L) متصل است.
• سیم‌پیچ‌ها: سیم‌پیچ‌های هسته‌هوایی با تعداد دور و قطر مشخص.
• اندازه‌گیری: اسیلوسکوپ‌ها و مولتی‌مترها برای اندازه‌گیری ولتاژ، جریان و فرکانس.

فرکانس کاری روی ۷۷.۶۶ کیلوهرتز تنظیم شد، یک فرکانس پایین که برای کاهش تلفات تابشی و رعایت مقررات باند معمول IPT انتخاب شد.

3.2. اندازه‌گیری‌های بازده

بازده سامانه ($\eta$) به عنوان نسبت توان تحویل‌داده شده به بار (P_out) به توان ورودی تأمین‌شده برای نوسان‌ساز (P_in) محاسبه شد:

$\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}} \times 100\%$

یافته‌های کلیدی:

• نوسان‌ساز WKY-Haq با موفقیت سامانه IPT را راه‌اندازی کرد.
• بازده به شدت به تعداد دورهای سیم‌پیچ گیرنده وابسته بود.
• افزایش دورهای گیرنده به طور قابل توجهی بازده را بهبود بخشید که اهمیت کوپلینگ مغناطیسی را نشان می‌دهد.
• توپولوژی SS در فرکانس آزمایش شده عملکرد خوبی ارائه داد.

4. تحلیل فنی و بحث

نوسان‌ساز WKY-Haq به عنوان یک منبع توان شایسته برای IPT فرکانس پایین ثابت می‌شود. قوت آن در سادگی و رابطه تنظیم فرکانس استخراج‌شده تجربی نهفته است که امکان تنظیم دقیق را فراهم می‌کند. انتخاب فرکانس ۷۷.۶۶ کیلوهرتز استراتژیک است و در محدوده‌ای قرار دارد که بین کوپلینگ مغناطیسی خوب (که با فرکانس پایین‌تر بهبود می‌یابد) و اندازه‌های عملی اجزا (که در فرکانس‌های بسیار پایین بزرگ‌تر می‌شوند) تعادل برقرار می‌کند.

همبستگی واضح بین دورهای سیم‌پیچ گیرنده و بازده، یک اصل بنیادی IPT را تأکید می‌کند: اندوکتانس متقابل ($M$) بین سیم‌پیچ‌ها، که توسط هندسه و هم‌راستایی آن‌ها تعیین می‌شود، از اهمیت بالایی برخوردار است. توپولوژی SS برای این کاربرد به خوبی مناسب است زیرا جبران ذاتی را برای راکتانس القایی فراهم می‌کند و انتقال توان را تسهیل می‌نماید.

5. تحلیل اصیل: بینش محوری و ارزیابی

بینش محوری: کار تیم بنغازی کمتر درباره یک مدار نوسان‌ساز انقلابی و بیشتر یک تمرین اعتبارسنجی کاربردی و عمل‌گرایانه است. ارزش واقعی نشان دادن این است که یک نوسان‌ساز ساده و قابل تنظیم می‌تواند به طور مؤثری IPT را در یک نقطه کاری فرکانس پایین مشخص (۷۷.۶۶ کیلوهرتز) ممکن سازد. این امر، این تصور را که همیشه به مبدل‌های تشدید پیچیده و فرکانس بالا نیاز است، به چالش می‌کشد و رویکرد "ساده نگه دار" را برای کاربردهای خاص برجسته می‌کند.

جریان منطقی: مقاله مسیر استاندارد تحقیق کاربردی را دنبال می‌کند: شناسایی یک نیاز (منبع توان IPT قابل اطمینان)، پیشنهاد یک راه‌حل (نوسان‌ساز سفارشی)، استخراج ریاضیات حاکم بر آن، ساخت یک بستر آزمایشی (IPT با توپولوژی SS) و اندازه‌گیری معیار کلیدی (بازده). جهش منطقی، اتصال مستقیم دورهای سیم‌پیچ به بازده است و از تحلیل عمیق‌تر ضرایب کوپلینگ ($k$) یا فاکتورهای کیفیت ($Q$) که در ادبیات استاندارد هستند (مانند کار بنیادی کورس و همکاران در مورد انتقال توان بی‌سیم از طریق تشدید مغناطیسی) عبور می‌کند.

قوت‌ها و نقاط ضعف: قوت آن، اعتبارسنجی تجربی عملی با نتایج واضح و قابل تکرار است. طراحی نوسان‌ساز در دسترس است. نقطه ضعف اصلی، فقدان تحلیل مقایسه‌ای است. بازده و پایداری WKY-Haq در مقایسه با یک نوسان‌ساز استاندارد پل وین یا شیفت فاز در همان نقش چگونه است؟ مقاله همچنین از بحث‌های حیاتی در مورد تداخل الکترومغناطیسی (EMI) در ۷۷ کیلوهرتز و عملکرد حرارتی غفلت کرده است که برای استقرار در دنیای واقعی، به ویژه در ایمپلنت‌های پزشکی که نویسندگان به آن‌ها اشاره کرده‌اند، بسیار مهم است.

بینش‌های عملی: برای متخصصان، این مقاله یک نقشه راه مفید برای راه‌اندازی یک نمونه اولیه IPT است. نکته عملی قابل اجرا، حساسیت نشان‌داده‌شده به دورهای سیم‌پیچ گیرنده است - یک اهرم ارزان و مؤثر برای بهینه‌سازی. با این حال، برای توسعه محصول، باید یافته‌ها را با چارچوب‌های سخت‌گیرانه‌تر ادغام کرد. به عنوان مثال، استاندارد شارژ بی‌سیم Qi که توسط کنسرسیوم توان بی‌سیم مدیریت می‌شود، در فرکانس‌های بالاتر (۲۰۵-۱۰۰ کیلوهرتز) با پروتکل‌های ارتباطی پیچیده برای ایمنی و بازده عمل می‌کند. رویکرد بنغازی برای حرکت از میز آزمایش به یک محصول تجاری یا پزشکی، نیازمند سخت‌سازی قابل توجهی (محافظت، حلقه‌های کنترلی، آزمایش انطباق) است. جهت آینده باید شامل ادغام این نوسان‌ساز با شبکه‌های تطبیق امپدانس انطباقی باشد، همان‌طور که در تحقیقات پیشرفته مؤسساتی مانند MIT یا استنفورد دیده می‌شود، تا بازده در شرایط کوپلینگ متغیر حفظ شود - یک چالش کلیدی برای کاربردهای شارژ پویا.

6. جزئیات فنی و فرمول‌بندی ریاضی

هسته تحلیل سامانه IPT شامل فرکانس تشدید و اندوکتانس متقابل است.

فرکانس تشدید: برای یک مدار سری RLC، فرکانس تشدید $f_0$ به صورت زیر داده می‌شود:

$f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$

هر دو مدار فرستنده و گیرنده روی این فرکانس (۷۷.۶۶ کیلوهرتز) تنظیم شده‌اند تا انتقال توان به حداکثر برسد.

اندوکتانس متقابل و کوپلینگ: اندوکتانس متقابل $M$ بین دو سیم‌پیچ تابعی از هندسه آن‌ها، تعداد دورها ($N_T$, $N_R$) و ضریب کوپلینگ $k$ (۰ ≤ k ≤ ۱) است:

$M = k\sqrt{L_T L_R}$

ولتاژ القاشده در سیم‌پیچ گیرنده $V_R = j\omega M I_T$ است، که در آن $I_T$ جریان فرستنده و $\omega = 2\pi f$ است.

استخراج بازده (ساده‌شده): برای یک سامانه سری-سری با کوپلینگ ضعیف، بازده را می‌توان به صورت زیر تقریب زد:

$\eta \approx \frac{(\omega M)^2 R_L}{R_T R_R R_L + (\omega M)^2 (R_R + R_L)}$

که در آن $R_T$ و $R_R$ مقاومت‌های پارازیتی سیم‌پیچ‌ها هستند. این نشان می‌دهد که چرا افزایش $M$ (مثلاً از طریق دورهای بیشتر گیرنده) مستقیماً $\eta$ را بهبود می‌بخشد.

7. نتایج و توصیف نمودار

شکل (۱): نمودار بلوکی سامانه IPT. یک نمودار بلوکی جریان سامانه را نشان می‌دهد: یک منبع توان DC به نوسان‌ساز WKY-Haq (مبدل DC-AC) تغذیه می‌شود. خروجی AC نوسان‌ساز، مدار تشدید فرستنده (شامل یک سلف L_T و یک خازن C_T به صورت سری) را راه‌اندازی می‌کند. جریان متناوب در L_T یک میدان مغناطیسی نوسانی ایجاد می‌کند. این میدان از عرض یک شکاف هوایی به مدار تشدید گیرنده (سلف L_R و خازن C_R به صورت سری) کوپل می‌شود و یک ولتاژ AC القا می‌کند. توان دریافتی سپس به بار (R_L) تحویل داده می‌شود.

نتیجه کلیدی (متنی): داده‌های تجربی تأیید کردند که سامانه در فرکانس ۷۷.۶۶ کیلوهرتز به پایداری عملیاتی دست یافت. عامل اصلی تأثیرگذار بر بازده، تعداد دورهای سیم‌پیچ گیرنده بود. هنگامی که تعداد دور سیم‌پیچ گیرنده افزایش یافت، افزایش قابل توجهی در بازده مشاهده شد که اهمیت نظری اندوکتانس متقابل را تأیید می‌کند. مقادیر خاص بازده تحت پیکربندی‌های مختلف دور اندازه‌گیری شد و قابلیت تنظیم عملی عملکرد سامانه را نشان داد.

8. چارچوب تحلیل: نمونه موردی

سناریو: بهینه‌سازی انتقال توان به یک حسگر زیست‌پزشکی کوچک کاشته‌شده (مانند یک مانیتور گلوکز).

کاربرد چارچوب (غیرکدی):

1. تعریف محدودیت‌ها: اندازه بسیار کوچک سیم‌پیچ گیرنده (محدودکننده L_R)، محدودیت‌های ایمنی سختگیرانه روی شدت میدان، نیاز به تولید گرمای کم.
2. اعمال بینش مقاله: حداکثر کردن دورهای سیم‌پیچ گیرنده در محدوده اندازه برای تقویت $M$ و بازده، همان‌طور که توسط آزمایش WKY-Haq نشان داده شد.
3. گسترش فراتر از مقاله: استفاده از معادله بازده استخراج‌شده برای مدل‌سازی عملکرد. شبیه‌سازی با هندسه‌های مختلف سیم‌پیچ (مانند مارپیچی در مقابل سولنوئید) با استفاده از نرم‌افزاری مانند ANSYS Maxwell یا COMSOL برای یافتن فاکتورهای بهینه $k$ و $Q$، مراحلی که در مقاله اصلی به تفصیل شرح داده نشده است.
4. معیارسنجی: مقایسه بازده پیش‌بینی‌شده با استفاده از نوسان‌ساز ساده در مقابل یک طرح پرش فرکانس پیچیده‌تر که در دستگاه‌های کاشتنی مدرن برای کاهش مشکلات عدم هم‌راستایی استفاده می‌شود.
5. تصمیم‌گیری: رویکرد WKY-Haq ممکن است برای یک ایمپلنت کم‌توان با موقعیت ثابت کافی باشد، اما برای استحکام در دنیای واقعی احتمالاً نیاز به تقویت با تنظیم انطباقی خواهد داشت.

9. کاربردهای آتی و توسعه

نوسان‌ساز WKY-Haq و تحقیق مرتبط IPT، چندین جهت آینده را باز می‌کنند:

• ایمپلنت‌های زیست‌پزشکی: مینیاتوری‌سازی و ادغام بیشتر برای ایمپلنت‌های مزمن. تحقیق باید بر روی کپسوله‌سازی زیست‌سازگار و پایداری بلندمدت مدار نوسان‌ساز متمرکز شود.
• شارژ وسایل نقلیه الکتریکی (EV): در حالی که شارژ بی‌سیم EV فعلی از توان بالاتر و استانداردهای متفاوتی استفاده می‌کند، رویکرد فرکانس پایین می‌تواند برای سامانه‌های کمکی کم‌توان یا شارژ پهپادها/ربات‌ها مورد بررسی قرار گیرد.
• حسگرهای صنعتی: تأمین توان حسگرها در ماشین‌آلات دوار یا محیط‌های مهر و موم شده که استفاده از سیم در آن‌ها عملی نیست.
• ادغام سامانه: کار آینده باید ارتباطات و کنترل را ادغام کند. افزودن یک حلقه فیدبک ساده از گیرنده به نوسان‌ساز (مانند استفاده از مدولاسیون بار) می‌تواند خروجی را در برابر تغییرات کوپلینگ تثبیت کند، تکنیکی که در استانداردهای RFID و Qi استفاده می‌شود.
• اکتشاف مواد: جایگزینی سیم‌پیچ‌های هسته‌هوایی با هسته‌های فریت یا فرامواد پیشرفته می‌تواند به طور چشمگیری کوپلینگ و بازده را در همان فرکانس پایین افزایش دهد، حوزه‌ای امیدوارکننده که توسط گروه‌هایی مانند گروه تحقیقاتی شوهی دانشگاه توکیو بررسی شده است.

10. منابع

1. Kurs, A., Karalis, A., Moffatt, R., Joannopoulos, J. D., Fisher, P., & Soljačić, M. (2007). Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances. Science, 317(5834), 83-86.
2. Wireless Power Consortium. (2023). Qi Wireless Power Transfer System Specification. Retrieved from https://www.wirelesspowerconsortium.com
3. Sample, A. P., Meyer, D. A., & Smith, J. R. (2011). Analysis, experimental results, and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transfer. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 58(2), 544-554.
4. IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields, 0 Hz to 300 GHz. (2019). IEEE Std C95.1-2019.
5. RamRakhyani, A. K., Mirabbasi, S., & Chiao, M. (2011). Design and optimization of resonance-based efficient wireless power delivery systems for biomedical implants. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 5(1), 48-63.
6. University of Tokyo, Shouhei Research Group. (2022). Metamaterials for Enhanced Wireless Power Transfer. Retrieved from [Example Institutional Link].