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CPGEI (Doutorado): Caio Marcelo de Miranda-25/10/16

Defesa Pública de Doutorado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
Quando 25/10/2016
das 14h00 até 18h00
Onde Sede Central: Sala B-205
Nome do Contato Prof. Sérgio Francisco Pichorim
Participantes Prof. Sérgio Francisco Pichorim, Dr. Orientador - UTFPR
Banca examinadora:
Prof. Sérgio Francisco Pichorim, Dr. Presidente - UTFPR
Prof. Carlos Antonio França Sartori, Dr. - EPEN-USP
Prof. Marlio do Couto Bonfim, Dr. - UFPR
Prof. Bertoldo Schneider Junior, Dr. - UTFPR
Prof. Antonio Carlos Pinho, Dr. - UTFPR
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Determinação da frequência de autorressonância por onda estacionária em enrolamentos solenoidais e proposta de um sistema autorressonante de transferência de energia sem fio utilizando bobinas bifilares abertas

Resumo: Comuns em projetos de engenharia elétrica, bobinas solenoidais com núcleo de ar e camada simples de enrolamento podem apresentar frequência de autorressonância por efeitos de onda estacionária. A compreensão e determinação destas frequências é portanto de primordial interesse para os profissionais envolvidos com estes componentes. Neste trabalho é apresentada uma teoria que visa explicar o comportamento deste componentes quando em autorressonância por onda estacionária, sendo também desenvolvida uma equação prática que pode determinar tais valores de frequência. O comportamento da impedância nestes componentes também é discutido e demonstrado, onde, baseado nesta teoria, duas novas configurações são apresentadas: uma bobina com ambos terminais abertos e uma bobina com ambos terminais aterrados. Através de uma abordagem didática correlaciona-se o enrolamento com um tubo de ar ressonante, e explica-se o que é registrado em termos de impedância e fase em um analisador vetorial de impedâncias ao conectar em seus terminais um enrolamento que apresenta autorressonância por onda estacionária. Uma análise da transferência de energia sem fio em circuitos ressonantes magneticamente acoplados é também apresentada, onde é destacada a relação entre eficiência, transferência relativa de potência e impedância refletida em circuitos com 2 e 4 bobinas. Um sistema de transferência de energia sem fio, utilizando bobinas bifilares abertas, é proposto. O sistema possui algumas vantagens uma vez que, a bobina bifilar aberta, ao contrário de uma bobina convencional, possui uma autorressonância série. Portanto, o sistema se comporta como um circuito contendo indutor e capacitor em série. Ainda, uma vez que o circuito dispensa o uso de capacitores, possibilita-se uma menor dimensão das unidades transmissora e receptora, além de se evitar eventuais danos aos capacitores em aplicações envolvendo maiores potências.
Palavras-chave: Bobinas com Núcleo de Ar, Autorressonância, Onda Estacionária, Comportamento da Impedância, Transferência de Energia sem Fio, Bobinas bifilares abertas

Determination of the self-resonant frequency by stationary-waves in solenoid coils and proposal of a self-resonant wireless power transfer system using open bifilar coils

Abstract: Common in electrical engineering projects, air-core single-layer solenoid coils can present self-resonant frequencies due to stationary waves effects. The comprehension and determination of these frequencies is of primordial interest for the professionals evolved with these components. In this work, a theory that aims to explain these components behavior at standing wave self-resonance is presented, a practical equation that can determine such frequency values is also developed. The impedance behavior in these components is also discussed and demonstrated, where, based in this theory, two new configurations are presented: a coil with both terminals open and a coil with both terminals grounded. Through a didactic approach the coil and a resonant air-pipe are correlated, and it is explained what is registered in terms of impedance and phase on a vector impedance analyzer when a standing wave self-resonant coil is connected on its terminals. An analysis of the wireless energy transfer in magnetically coupled resonant circuits is also presented, being emphasized the relation between efficiency, relative power transfer and reflected impedance in 2 and 4-coils circuits. A wireless power transfer system using open bifilar coils is proposed. The proposed system has the advantages that the open bifilar coil, different from a conventional coil, has a series self-resonance. Thus, the system behaves as a series-inductor capacitor circuit. Also, since the circuit avoids capacitors, it allows a smaller transmitter and receptor units dimensions, besides avoiding eventual damages to capacitors in higher power applications.
Keywords: Air-Core Coils, Self-Resonance, Stationary-Waves, Impedance Behavior, Wireless Power Transfer, Open Bifilar Coils

Lista de publicações:

MIRANDA, C. M.; PICHORIM, S. F. Self-resonant frequencies of air-core single-layer solenoid coils calculated by a simple method. Electr. Eng. (Berlin print), v. 97, p. 57-64, 2015.

ABATTI, P. J.; PICHORIM, S. F; MIRANDA, C. M. Maximum power transfer versus efficiency in mid-range wireless power transfer systems. J. of Microw. Optoelectron. and Electromagn. Appl., v. 14, p. 157-169, 2015.

MIRANDA, C. M.; PICHORIM, S. F. A self-resonant 2-coil wireless power transfer system using open bifilar coils. IEEE Trans. Circuits Syst. II, Exp. Briefs, 2016.

PICHORIM, S. F.; MIRANDA, C. M. Bobinas bibifilares para a transmissão de energia sem fio. 2016. Depósito BR 10 2016 004778 1.

MIRANDA, C. M.; PICHORIM, S. F. A bobina bifilar de Tesla como um sensor biotelemétrico autorressonante. In: XXIII Congresso Brasileiro em Engenharia Biomédica (CBEB) - Porto de Galinhas PE. Porto de Galinhas - PE, 2012. v. 23.

MIRANDA, C. M.; PICHORIM, S. F. Sensor biotelemétrico de deslocamento por autorressonância de onda estacionária. In: XXIV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica (CBEB). Uberlândia-MG, 2014. p. 24.

PICHORIM, S. F.; MIRANDA, C. M. Pode uma bobina ter resistência negativa ? --- Aspectos didáticos da medição de impedâncias em R.F. In: MOMAG 2014: XXVI SBMO - Simpósio Brasileiro de Micro-ondas e Optoeletrônica e XXI CBMag - Congresso Brasileiro de Eletromagnetismo. Curitiba -Paraná, 2014

MIRANDA, C. M.; PICHORIM, S. F. Self-resonant frequencies, standing waves, and impedance behavior of air-core helical solenoidal coil. In: International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA) - IEEE APWC. Turim - Itália, 2015. p. 1296-1299.

MIRANDA, C. M.; PICHORIM, S. F. Análise e desenvolvimento de um enlace indutivo ressonante com 4 bobinas para fins biomédicos. In: XXV Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica (CBEB). Foz do Iguaçu - PR, 2016. v. 26. (aceito)

MIRANDA, C. M.; PICHORIM, S. F. Modified 3-coil wireless power transfer system with one transmitter and two receivers. In: 12th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications(INDUSCON). Curitiba - Paraná, 2016. v. 12. (aceito)

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