Design and optimization of a three phase inductive power transfer system

Resumen

El concepto de transporte sostenible dentro de las ciudades debe ser reconsiderado para poder así tener áreas urbanas más saludables. Es un hecho bien conocido que en las grandes ciudades sufren de grandes problemas de contaminación. Principalmente, debido los vehículos de combustión interna, con grandes emisiones de CO2. Estos representan más del 50% de los vehículos utilizados diariamente. Es por ello que el transporte público debe ser estimulado. Particularmente hablando, el transporte ferroviario es muy atractivo, ya que no se producen emisiones directas.Los sistemas de transporte ferroviario, como los tranvías y los metros, son muy ventajosos en términos de eficiencia, precio del usuario, seguridad y comodidad. Sin embargo, en comparación con un vehículo de combustión interna, los costos iniciales y de mantenimiento son muy altos. El alto costo inicial se debe principalmente al alto precio de las baterías. Por otro lado, el mantenimiento se ve enormemente afectado por la corrosión y la exposición ambiental que sufre parte del sistema de alimentación, el pantógrafo y las catenarias, siendo estos los componentes más críticos. Además, en las grandes ciudades, con muchas líneas de tranvía, las catenarias tienen un gran impacto visual. Para solucionar estos problemas, una de las opciones más prometedoras es dotar al vehículo ferroviario de un sistema de transferencia inductiva (IPT). De esta forma, la catenaria podría eliminarse y la carga se realizará de forma inalámbrica con las bobinas del transmisor enterradas en el suelo.Entre los diferentes sistemas posibles de IPT, este trabajo se centra en los sistemas de transferencia de energía inductiva dinámica (DIPT), es decir, cuando se está cargando mientras el vehículo se está moviendo. En concreto, esta tesis se adentra en el diseño de bobinas tipo meandro. El objetivo de este trabajo es proponer un método para diseñar sistemas de carga inductiva trifásicos. Para ello, los principios fundamentales de funcionamiento del sistema IPT se introducen en la primera parte de esta tesis. Las ecuaciones se presentan y se calcula el límite de división de polos. Validándolos en un prototipo de 3.3kW.Posteriormente, se describen los principios de trabajo de la bobina del tipo meandro. Se muestran las ecuaciones que modelan estas bobinas y se resalta la posibilidad de lograr un acoplamiento constante con múltiples fases. Además, con las modificaciones presentadas, el sistema multifásico se puede modelar mediante un sistema monofásico equivalente. Gracias a esto, el límite de división de polos se puede calcular fácilmente. Utilizando este límite, se describe un procedimiento de diseño y se valida experimentalmente en un prototipo de 50W. Este prototipo muestra el potencial de este tipo de bobinas, logrando una transmisión de potencia constante con una eficiencia del 70%.Sobre la base de este procedimiento de diseño, se propone una metodología de optimización para mejorar el tamaño, el peso y el costo del DIPT. Se resaltan los compromisos existentes entre estos indicadores. Finalmente, esta optimización se aplica para un sistema de 9kWy se valida en un banco de prueba real, con una eficiencia medida del 90%, para cualquier posición y potencia de salida con una separación de bobina de 100mm