1 KW WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM DESIGN AND HUMAN HEALTH EFFECT

Year 2021, Volume: 9 Issue: 3, 856 - 865, 21.09.2021

Ali Ağçal Tuğba Halime Doğan

https://doi.org/10.21923/jesd.936058

Abstract

Wireless Power Transfer (WPT) is currently a popular and current issue in the world. WPT is used in situations where interconnected cables are difficult to use and pose a danger. In WPT, electrical energy is transmitted by magnetic field instead of cables. In this study, a WPT system design was made at the outer diameter of 50 cm- 50 cm, 1 kW power, and 20 kHz frequency. The analytical solution of the circuit was made in MATLAB program. The circuit is installed on MATLAB/Simulink and the output is set to be 1 kW power. The coil design of the system was made with ANSYS® Maxwell 3D program using the finite element method (FEM)In WPT systems, as the distance between the receiver and the transmitter coil increases, the coupling factor decreases. It has been observed that the efficiency of the energy transfer decreases when the air gap falls below the critical air gap value. In this study, the efficiency of WPT was obtained as 89.4% from 17 cm air gap. In addition, the effect of the WPT system on human health was examined using the ANSYS® HFSS and Maxwell 3D program according to IEEE and ICNIRP standards.

Keywords

Wireless Energy Transfer, Magnetic Resonance Coupling, Series Series Topology, Human Health Effects.

1 KW GÜCÜNDE KABLOSUZ ENERJİ TRANSFER SİSTEMİ TASARIMI VE İNSAN SAĞLIĞINA ETKİLERİ

Abstract

Kablosuz enerji transferi (KET) günümüzde dünyada güncel ve popüler bir konudur. Birbirine bağlı kabloların kullanımının zor olduğu ve tehlike arz ettiği durumlarda kullanılır. Kablosuz güç aktarımında elektrik enerjisi kablolar yerine manyetik alan ile iletilir. Bu çalışmada, 20 kHz frekansında 1 kW gücünde 50 cm-50 cm dış çapında bir KET sistem tasarımı yapılmıştır. Devrenin analitik çözümü MATLAB programında yapılmıştır. Devre MATLAB/Simulink üzerinde kurulup çıkışı 1 kW güç olacak şekilde ayarlanmıştır. Sistemin bobin tasarımı ANSYS® Maxwell 3D programı ile sonlu elemanlar yöntemi (SEY) kullanılarak yapılmıştır. Alıcı ve verici bobin arasındaki mesafe arttıkça bağlantı faktörünün azaldığı ve buna bağlı olarak belirli bir mesafeden (kritik hava aralığı) sonra enerji aktarımında verimin azaldığı gözlemlenmiştir. Bu çalışmada KET’de güç aktarım verimi 17 cm mesafeden %89.4 olarak elde edilmiştir. Ayrıca tasarlanan KET sisteminin insan sağlığına olan etkileri ANSYS® HFSS ve Maxwell 3D programı kullanılarak IEEE ve ICNIRP standartlarına göre incelenmiştir.

Keywords

Kablosuz Enerji Transferi, Manyetik Rezonanslı Kuplaj, Seri Seri Topoloji, İnsan Sağlığına Etkilerİ

References

• Pashei, A., Aydın, E., Polat, M., Yıldırız, E., Aydemir, M.T., 2016. Elektrikli araçlar için temassız güç aktarım sistemleri,” EMO Bilimsel Dergi, 6(11), 1-12.
• Ağçal, A., 2014. Kablosuz enerji transferinde farklı hava aralıkları ve karakteristik empedanslara göre verim analizi, Yüksek lisans tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Türkiye.
• Ağcal, A., Bekiroğlu, N., ve Özçıra, S., 2018. Manyetik rezonanslı kuplaj ile kablosuz enerji transferinde hizalanmış ve hizalanmamış durumların limitlerinin incelenmesi. Fırat Üniv. Fen Bilimleri Dergisi, 3(30), 67-73.
• Kurs, A., Karalis, A., Moffatt, R., Joannopoulos, J.D., Fisher, P., Soljacic M., 2007. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances, Science, 317, 83–86.
• Brown W.C., 1969. Experiments involving a microwave beam to power and position a helicopter, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 5, 692-702.
• Covic G.A., Boys, J.T., 2013. Modern trends in inductive power transfer for transportation applications. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 1(1), 28-41.
• Doğan Z., Özsoy M., İskender İ., 2019. Manyetik rezonansa dayalı kablosuz güç transferi için yeni bir nüve geometrisi, Fen Bilimleri Dergisi, 7(4), 1012-1024.
• IEEE, 2019. Standard for safety levels with respect to human exposure to electric, magnetic, and electromagnetic fields (0 Hz to 100 kHz).
• Imura T. ve Hori Y., 2011. ‘maximizing air gap and efficiency of magnetic resonant coupling for wireless power transfer using equivalent circuit and Neumann formula. IEEE Trans. Ind. Electron., 58(10), 4746-4752.
• International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection(ICNIRP), 2010. Guidelines for limiting exposure to time-varying electric and magnetic fields for low frequencies (1 Hz–100 kHz). Health Phys., 99, 818–836.
• Karakaya, U., 2007. Motor control via wireless energy and information transfer. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Türkiye.
• Narayanamoorthi, R., 2020. Cross ınterference free dual frequency wireless power transfer using frequency bifurcation for dynamic biomedical ımplants. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 63(1), 286-293.
• Rafiei, M., Boudjadar, J., Griffiths M.P., Khooban M.H., 2021. Deep learning-based energy management of an all-electric city bus with wireless power transfer." IEEE Access 9, 43981-43990.
• Tesla, N., 1900. Apparatus for transmission of electrical energy, U.S. Patent No. 649,621
• Xiao, C., Bin C., Chunmao L., 2021 A fast construction method of resonance compensation network for electric vehicle wireless charging system. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 70, 1-9.