Устройство беспроводной передачи электричества с двусторонним каналом связи

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к приспосабливанию трансформаторов или индуктивностей для специального применения или функционирования, а также к устройствам, содержащим соединительные элементы с индуктивной беспроводной связью, и может применяться в процессе беспроводной двусторонней передачи электричества в системе управления электротехническим оборудованием.
Системы управления электротехническим оборудованием различной мощности в данное время в основном имеют статическое исполнение и встраиваются непосредственно в это оборудование. Однако, с развитием методов и устройств беспроводной передачи электричества появилась возможность создания переносных пультов управления электротехническим оборудованием без потери их функциональности в различных областях, а также их зарядки с помощью данных устройств.
Из уровня техники известна система беспроводного питания пульта дистанционного управления [Pat. CN 201877863 (U), IPC H02J 50/10, H02J 7/00. Wireless power supply system of remote control / L. Yaoyi, Z. Sizhong; applicant Uizhou Desay Audio Video Technology CO LTD. - Appl. No. CN 20102666278 U; applied 17.12.2010; pub. date 22.06.2011.]. Система содержит корпус дистанционного управления, который снабжен энергией с помощью перезаряжаемой батареи и модуля передачи электроэнергии, расположенного вне пульта дистанционного управления, причем модуль передачи электрической энергии соединен с источником питания и преобразует электрическую энергию источника питания в передаваемую магнитную энергию; корпус внутреннего блока снабжен модулем приема
электрической энергии, который соединен с перезаряжаемой батареей; модуль приема энергии принимает магнитную энергию от модуля передачи электрической энергии и преобразует магнитную энергию в электрическую энергию для зарядки перезаряжаемой батареи; передающий модуль электрической энергии снабжен магнитным переключателем, используемым для управления включением-выключением источника питания и передающим модулем электрической энергии; корпус пульта дистанционного управления внутренне снабжен магнитом, соответствующим используемому переключателю магнитного управления. Перезаряжаемая батарея заменяет одноразовую батарею и заряжает батареи в виде беспроводного источника питания.
Недостатком данной разработки является ее ограниченная функциональность, что связано с узкой сферой применения и отсутствием двусторонней связи между ведущим и ведомым устройствами, что не позволяет регулировать взаимодействие между ними с целью обеспечения настройки необходимых функций по результатам обратной связи.
Также известна самонастраивающееся система с резонансной системой беспроводной передачи энергии [Pat. CN 105226839 (A). Magnetic coupling resonant type wireless power transmission system and dual self-tuning method thereof / Y. Yang, Y. Luo, S. Chen, Z. Chen, Y. Qian, M. Cheng, J. Tan; applicant Nat Univ Defense Technology. - Appl. No. CN 20151777765; applied 12.11.2015; pub. date 06.01.2016.]. Система включает в себя: передающую схему, по меньшей мере, содержащую высокочастотный источник питания, первый порт, передающий боковой резонансный конденсатор и передающую катушку, которые последовательно соединены; приемную схему, по меньшей мере, содержащую приемную катушку, приемный боковой резонансный конденсатор, второй порт, нагрузку, которые последовательно соединены, причем передающая катушка и принимающая катушка соединены магнитной связью, также добавлена сеть регулирования импеданса между задним концом первого порта в передающей цепи и передним концом передающего бокового резонансного конденсатора. В соответствии с изобретением, сеть регулирования импеданса добавлена в передающей схеме для реализации автоматической настройки передающей схемы; автоматическая настройка принимающей схемы может быть косвенно реализована путем регулирования рабочей частоты передающего источника питания, что направлено на уменьшение потери энергии и трудностей управления принимающей конечной схемой.
Недостатком указанного изобретения является то, что резонансная система обеспечивает невысокую скорость двусторонней передачи электричества, что приводит к замедлению обработки данных в процессе управления электротехническим оборудованием.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для двухстороннего контроля, которое включает в себя измерительный модуль, который измеряет напряжение и ток системы индуктивной передачи энергии [Pat. US 2013207468 (A1), IPC H01F 38/14. Dual side control for inductive power transfer / H. Wu, K. Sealy, A. Gilchrist; applicant Univ Utah State. - Appl. No. US 201313748187; applied 23.01.2013; pub. date 15.08.2013.]. Напряжение включает выходное напряжение и/или входное напряжение, а ток включает выходной ток и/или входной ток. Выходное напряжение и выходной ток измеряются на выходе системы, а входное напряжение и входной ток измеряются на входе системы. Аппарат включает модуль максимальной эффективности. Модуль максимальной эффективности использует параметры системы для достижения максимальной эффективности. Устройство включает в себя модуль настройки, который регулирует один или несколько параметров в системе, согласовываясь с максимальной эффективностью, рассчитанной модулем максимальной эффективности.
В резонансном беспроводном преобразователе системы индуктивной передачи энергии первичная магнитная подушка действует как первичная половина слабосвязанного трансформатора с некоторым количеством самоиндукции и взаимной индуктивности. Однако данный факт не позволяет устройству обеспечить высокую скорость передачи данных. Кроме того, данное изобретение не специализировано и может применяться для передачи электричества устройствам широкого диапазона мощностей, что негативно сказывается на технологичности конструкции, повышает вероятность выхода из строя одного или нескольких элементов из большого количества таковых, представленных в описании изобретения, повышает стоимость устройства.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение технологичности конструкции устройства беспроводной передачи электричества с двусторонним каналом связи при использовании доступных конструктивных элементов, а также обеспечении требований ко времени наработки на отказ устройства в промышленных и бытовых условиях.
Полезная модель характеризуется следующей совокупностью существенных признаков. Устройство беспроводной передачи электричества с двусторонним каналом связи установлено в шкафу электротехнического устройства и состоит из ведущего, установленного во внутренней части шкафа электротехнического устройства, и ведомого, установленного на внешней стенке шкафа, устройств, каждое из которых содержит половину трансформатора, микроконтроллер, полевой транзистор, конденсатор и диод в цепи размагничивания трансформатора, ведущее устройство также содержит инвертор, при этом обмен данными осуществляется через универсальный асинхронный приемопередатчик (UART). В устройстве используется универсальный асинхронный приемопередатчик (UART), обеспечивающий обмен данными в полудуплексном режиме через один трансформатор с использованием NRZ кодирования в передатчике и NRZ декодирования в приемнике, при этом ведомое устройство выполнено в форме заключенного в полимерный корпус пульта управления электротехническим устройством.
Сущность полезной модели объясняется схемой взаимодействия ведущего и ведомого устройств (фиг.).
Устройство работает следующим образом. Осуществляется передача запроса (и питания) от ведущего устройства, 1, к ведомому устройству, 2. Энергия накапливается в конденсаторе, С1. Для использования отклика от ведомого устройства к ведущему используется энергия, запасенная в конденсаторе, С1.
Диод, VD1, используется для размагничивания трансформатора, W1.
Периодичность обмена, длительности запросов и ответов, а также емкость конденсатора, С1, выбирается с учетом требований по потребляемой мощности ведомого устройства, 2.
Сигнал с выхода микроконтроллера, DA1, содержащего передающую, TXD1, и принимающую, RXD1, линии, поступает на усилитель, DA2, и полевой транзистор, VT1.
Схема ведомого устройства, 2, составлена для выполнения характерных функций для поддержания двусторонней связи с ведущим устройством, 1, и управления ним, и содержит, соответственно, половину трансформатора, W2, микроконтроллер, DA4, содержащий передающую, TXD2, и принимающую линии, RXD2, диод, VD2, полевой транзистор, VT2, и усилитель, DA3, которые получают сигнал от микроконтроллера, DA4, и конденсатор, С2.
Таким образом, обеспечивается передача питания от источника, U, и ведущего устройства, 1, ведомому устройству, 2, и двусторонняя связь с целью управления ведущим устройством, 1, и получения от него обратной связи.
Использование трансформатора позволяет обеспечить повышение скорости двустороннего обмена данными между ведущим и ведомым устройствами до 128 кбит/с.
Использование универсальный асинхронного приемопередатчика (UART) в микроконтроллере повышает технологичность, взаимозаменяемость и ремонтопригодность устройства. Это также влияет на снижение стоимости устройства без потери его функциональности.
Среднее время наработки на отказ составляет не менее 20000 ч.
Полимерное выполнение ведомого устройства в форме пульта, поддерживающего индуктивную связь с ведущим устройством, обеспечивает высокую степень защищенности от пыли и влаги до уровня IP67, а также высокую помехозащищенность.
Мощность пульта, получающего электричество от ведущего устройства, - до 2W.
Полезная модель повышает удобство управления различным электротехническим оборудованием и может содержать набор функций, характерных конкретным производственному или бытовому процессам.