Inductive contactless energy transfer systems for residential areas
Authors:   , Momeneh Arash 
Published: August 2023

In recent years, contactless energy transfer systems have been developed and investigated widely. As evident, the transfer energy is performed without physical connection. This technology is classified according to power level and place of use. However, the most commonly used one is inductive contactless energy transfer system due to its higher efficiency. The inductive contactless system is responsible to deliver the electrical energy to the loads by means of a long winding loop and sliding transformers. In this system, the output converter and load are directly connected to the secondary side of transformer. Moreover, the secondary side transformer has the capability to move along the primary winding loop. According to this capability, and also possibility to construct long contactless system, it can be used as an electrical energy delivery system for mobile receivers. Also, the ICET technologies improve the safety of the final user by means of the elimination of electrical shocks. It is resulted from using a high-frequency resonant transformer which provides electrical isolation. This feature is particularly important in wet environments such as in swimming pools, gardens and bathrooms. Therefore, it is a good alternative system for implementing in the residential area instead of conventional systems.
Implementation of the inductive contactless system in residential area presents several challenges. In this dissertation, several solutions are presented and discussed. In the first chapter, the concept of the contactless energy transfer system is explained. Also, the chapter classifies the contactless system according to the technology and the output power. In chapter two, a new adaptive control algorithm for the fully-controlled contactless energy transfer system is presented. The new adaptive algorithm operates dynamically with the load changes, resulting in maximum efficiency in all the load conditions. Moreover, the mathematical framework of the contactless system with new adaptive algorithm is presented. In chapter three, a partially-controlled inductive contactless system as an alternative to the fully-controlled topology is introduced. The features of the new topology are analyzed by considering several modulation techniques, including frequency modulation, phase modulation and quantum modulation. The performance of the new topology is evaluated and the best modulation technique is identified. The chapter is finished with the design of the new topology with the best modulation technique. In chapter four, the analysis, design and implementation of a simple and cost-effective technique to supply the residential contactless energy transfer system with multiple mobile loads is presents. The topology is based on the cascaded connection of a closed-loop buck converter and a high frequency resonant inverter operating in open loop which is loaded by several output passive rectifiers. The proposed system includes a sliding transformer to supply the mobile loads, leading to a safe and flexible location of loads. The theoretical analysis and design of the proposed system is based on a mathematical model derived using the first harmonic approximation. Selected experimental results are included to verify the system features. Finally, the dissertation concludes with remarks regarding the results.
En los últimos años, los sistemas de transmisión de energía sin contacto han sido ampliamente investigados y desarrollados. Como es evidente, en estos la transmisión de energía se realiza sin conexión física. Esta tecnología se suele clasificar de acuerdo al nivel de potencia y el lugar de utilización. Sin embargo, los más usados son los sistemas inductivos de trasmisión de energía sin contacto (Inductive contactless energy transfer systems, ICET) debido a su alta eficiencia. Los sistemas ICET envían la energía eléctrica a las cargas a través de grandes bobinados y transformadores sliding. En estos sistemas, la salida del convertidor y las cargas están directamente conectadas al lado secundario del transformador. Este, tiene la capacidad de moverse a través del bobinado primario. Debido a esta capacidad y a la posibilidad de construir sistemas de gran tamaño, pueden ser usados como sistemas de suministro de energía para receptores móviles. Por otro lado, las tecnologías ICET mejoran la seguridad de los usuarios finales ya que eliminan el riesgo de electrocución, como resultado del uso de transformadores resonantes de alta frecuencia que proveen un aislamiento eléctrico. Esta característica es particularmente importante en ambientes húmedos como las piscinas, jardines y baños. Además, es una buena alternativa para la implementación residencial, en lugar de los sistemas convencionales. La implementación de sistemas ICET en áreas residenciales presenta ciertos retos. En esta tesis de doctorado, se presentan diversas soluciones a estos. En el primer capítulo, el concepto de sistemas de transmisión de energía sin contacto es explicado y se presenta una clasificación de acuerdo al nivel de potencia. En el segundo capítulo, se propone un algoritmo de control adaptativo para sistemas de transmisión de energía sin contacto totalmente controlados. Este algoritmo adaptativo opera dinámicamente con los cambios de carga, alcanzando la máxima eficiencia ante diferentes condiciones de carga. En el capítulo se describe el modelado matemático del algoritmo propuesto. En el tercer capítulo, se introduce un sistema sin contacto inductivo parcialmente controlado como alternativa a la topología totalmente controlada. Se analizan las características de esta nueva topología considerando diferentes técnicas de modulación, incluyendo la modulación de frecuencia, la modulación de fase y la modulación Quantum. Luego, se evalúa el desempeño de esta nueva topología y de identifica la técnica de modulación más adecuada. Finalmente, se presenta el diseño de la nueva topología con la técnica de modulación seleccionada. En el cuarto capítulo se presenta el análisis, diseño e implementación de una técnica simple y efectiva en términos de costo para el suministro energía inalámbrica residencial con múltiples cargas móviles. La topología se basa en una conexión en cascada de un convertidor buck de lazo cerrado y de un inversor resonante de alta frecuencia operando en lazo abierto, que es cargado con varios rectificadores pasivos. El sistema propuesto incluye un transformador sliding para abastecer las cargas móviles, lo que permite una ubicación flexible y segura de las mismas. El análisis teórico y el diseño del sistema propuesto se basan en modelos matemáticos derivados del uso de la aproximación del primer armónico. Se incluyen resultados experimentales para verificar las características del sistema. Finalmente, se presentan las conclusiones más importantes de los resultados obtenidos