WO2012026895A2 - Conception et realisation d'un systeme de chargement sans fil des batteries d'un robot - Google Patents

Conception et realisation d'un systeme de chargement sans fil des batteries d'un robot Download PDF

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves
    • H02J50/23—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves characterised by the type of transmitting antennas, e.g. directional array antennas or Yagi antennas
    • H—ELECTRICITY
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    • H02J50/70—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the reduction of electric, magnetic or electromagnetic leakage fields

Definitions

  • NDT non-destructive testing
  • FIG. 1 illustrates one block of a wireless charger by microwave diagram
  • FIG. 2 Illustrates a block diagram of use of the pipeline as a waveguide
  • FIG. 3 Illustrates Y Attenuation of a wave as a function of frequency
  • FIG. 5 Illustrates the block diagram of our RF / DC converter
  • FIG. 8 Illustrates the physical layout of a horn antenna
  • FIG. 1 Illustrates the connection system between the antenna and the magnetron. Detailed description of the invention
  • the wireless battery charger by microwave energy has three parts:
  • An emission station at the beginning of the pipeline consisting of an AC / DC converter, a DC / RF converter (the magnetron) and a transmitting antenna,
  • a robot-level receiving station consisting of an RF / DC converter (RECTENNA) and a receiving antenna.
  • RECTENNA RF / DC converter
  • a waveguide behaves like a high-pass filter as shown in FIG.
  • This horn antenna as shown in Figure 11 connected to the magnetron output to focus the maximum energy inside pipeline, and minimize radio frequency radiation outside the pipeline.
  • the magnetron consists of a cylindrical anode composed of cavities. These are in the axis of a heating cathode. The more cavities, the higher the yield.
  • the electrical energy in the form of an alternating voltage (high and low voltage) is transformed into DC voltage via a step-up transformer, diode and capacitor as shown in Figure 4.
  • the high voltage creates a powerful electromagnetic field.
  • the low voltage creates an electric field that will turn into electromagnetic waves emitted by the antenna.
  • the RF / DC energy converter as shown in Figures 6, 7 and 10, consists of four interconnected blocks:
  • the first block is the receiving antenna, which is entirely responsible for capturing all the microwave energy
  • Antenna is a device that remotely captures electromagnetic waves in a receiving device.
  • the very directional antenna also has very student gain.
  • the second block is the rectification circuit
  • the energy recovery function is generally provided by a rectifier which makes it possible to recover a DC voltage from the radiofrequency carrier received by an antenna array.
  • the rectifying unit is a mounting generally based Schottky diodes characterized by a fast switching time.
  • This reception device allows to recover the microwave energy and convert it into continuous electrical energy.
  • the third is a filtering stage
  • the most successful filter circuit is that using capacitors and coils. The latter is branch following the recovery.
  • This charger adjustable voltage and current uses a voltage regulator to adjust the adjustable maximum charging voltage and the current limiting function to define the maximum load current to be adapted according to the type and capacity of the robot accumulator.
  • the determination of the geometry of the receiving antenna array consists in networking the primary radiating elements in a particular geometrical arrangement making it possible to best meet the requirements imposed in terms of gain, maximum size and diagrams. of radiation.
  • the goal here is to choose the total number of elements and the spacing between them (the pitch of the network) in order to reach the desired gain levels.
  • the radiated power uniformly covers the entire upper surface of the antenna.
  • the patch antenna is a very interesting device in our application that converts electromagnetic waves into electrical energy.
  • the amount of energy recovered depends on the characteristics of the antenna. We will treat in this part the different forms of antennas. If increasing the number of rectification stage, it is theoretically possible to reach a necessary output voltage.
  • a widely used device for guided wave propagation is the circular waveguide. Its quality of recovery is excellent. For this reason, it is used in high frequency. Its use is very responsive in microwave.
  • the electromagnetic power transformer guided by radiated power is the horn antenna. The wave is thus naturally projected in the free space. The horn serves to adapt the impedance of the horn and the vacuum.

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Abstract

Dans le cadre d'élargir la sphère du domaine d'inspection et afin d'assurer son amélioration, nous avons réalisé cet invention, qui porte sur un robot qui assure l'inspection d'un pipeline, mais qui peut rencontrer certains problèmes lors de cet opération. Pour cela et afin d'éviter ce risque majeur, on a eu recours a un système de chargement sans fil des batteries de ce dit robot en se basant sur le fait que le pipeline est utilise comme un guide d'onde et comme une cage faraday afin d'améliorer les performances du système d'inspection.

Description

Conception et réalisation d'un système de chargement sans fil des batteries d'un robot
Problématique
Dans le secteur pétrolière, le transport des produits bruts en hydrocarbure se fait à travers des tubes en acier de différentes natures et diamètres dans le domaine territoire aussi sur que martine ces moyen demeurent les plus efficaces et rentables certains amélioration traitement et revêtement ont été appliques le long et à la circonférence de pipes en vue de les protéger et augmenter leurs dure de vie.
Ce pipeline forme d'un assemblage de tube sera soumis automatiquement aux essais et aux contrôles non destructifs (CND) nous permettant de justifier et de vérifier la qualité de soudures appliquée.
Les techniques avancées pour ce type de contrôle consistant à mettre des « robot » à l'intérieur du tronçon à inspecter avec une technologie très poussée nous permettant diagnostic de la paroi du pipeline. Désormais le robot rencontre, au cours de l'inspection un problème d'autonomie (épuisement de son batterie) on note à titre d'exemple que pour détecter l'état de soudure à l'intérieur du pipeline, le robot doit être équipe par une générateur de rayon X, ou gamma ou d'autre capteur, engendrant dans ce cas un épuisement rapide de ces batteries de tel sorte le robot sera bloque à l'intérieur du pipeline.
Les solutions correctives adoptées pour retiere ce robot sont très conteuses et demande suffisamment de temps ce qui peut ruire à l'avancement des travaux et augmente de revient de projet.
Technique antérieure
Face à ce problème d'épuisement des batteries du robot plusieurs solutions ont été mises en applications.
Mettre à l'intérieur un autre robot sauveur pour attraper le robot d'inspection et de le faire sortir du tronçon du pipeline, ce pendant le deuxième robot peut lui-même être bloqué à l'intérieur. Utilisation des câbles électriques à la place des batteries. L'un parmi les solutions technologiques utilisées parmi ces inconvénients , chute de tension pour des line assez importants de pipe et risque d'explosion en cas de frottement du câble sur un pipe transportant un produit gazeuse, solution non sécurisante.
Chargement des batteries par transfert d'énergie électrique sans fil celle-ci est applicable en cas de courtes distance en utilisant l'air comme conducteur d'énergie elle n'est pas en applicable dans notre cas.
Chargement des batteries par effet inductif ne peut pas être fonctionnel sur de grandes distances, cette technologie ne peut pas être appliquée sur une cage de faraday à cause de la présence du courant de Foucault.
Brève description des figures
La présente invention sera mieux comprise grâce à la description détaillée qui va suivre et qui se réfère aux dessins annexés, qui sont donnés à titre d'exemple nullement limitatif, à savoir :
■ La figure 1 Illustre un schéma bloc d'un chargeur sans fil par micro-onde,
■ La figure 2 Illustre un schéma de principe d'utilisation du le pipeline comme un guide d'onde,
■ La figure 3 Illustre Y Atténuation d une onde en fonction de la fréquence,
■ La figure 4 Illustre le schéma structurel du générateur d'onde électromagnétique,
■ La figure 5 Illustre le schéma synoptique de notre convertisseur RF/DC,
■ La figure 6 Illustre Schéma bloc d'un convertisseur mico-onde -DC,
■ La figure 7 Illustre le schéma bloc de convertisseur micro-onde -DC,
■ La figure 8 Illustre le schéma physique d'une antenne cornet,
■ La figure 9 Illustre le procédé de l 'invention,
■ La figure 10 Illustre le système de connexion entre l antenne et circuit de redressement,
■ La figure 1 1 Illustre le système de connexion entre l 'antenne et le magnétron. Description détaillée de l'invention
La présente invention consiste à charger les batteries d'un robot intelligent sans fil existant à l'intérieur du pipeline en se basant sur le principe de transfert de l'énergie électrique par micro onde un utilisant une source émettrice avec antenne directive et circuit de redressement fixé sur le robot. Cette exploration nous permettre de travailler sur des longueurs très importantes de pipes (d= 6Km).
Le procédé de l'invention, illustré par les schémas de principe des figures 1 et 9.
Pour charger les batteries du robot sans fil, on se base sur le principe de transfert d'énergie électrique par micro onde. Les avantages de cette technique sont le suivantes ; Grande distance, Antenne directive, sécurisé et Antenne miniature.
Comme le montre les figures 1 et 2 Le chargeur des batteries sans fil par l'énergie micro-onde comporte trois parties :
1. Une station d'émission au début de pipeline constituée par un convertisseur AC/DC, un convertisseur DC/RF (le magnétron) et une antenne émettrice,
2. Le pipeline utilisé comme un guide d'onde et comme une cage faraday,
3. Une station de réception au niveau de robot constituée par un convertisseur RF/DC (RECTENNA) et une antenne réceptrice.
Comme le montre la figure 2, lorsque l'énergie micro onde transmet sur une grande distance entre deux points, il est possible d'optimiser la transmission en "guidant" les ondes à partir de l'émetteur jusqu'au récepteur (robot). Comme les ondes sont parfaitement réfléchies par les surfaces métalliques (pipeline), une idée primordiale pour effectuer le guidage est d'installer un tuyau métallique à partir de l'émetteur jusqu'au récepteur. Les ondes émises restent alors confinées à l'intérieur de la conduite.
Le pipeline se comporte comme une cage de Faraday (figure 1), et avec ce phénomène on peut garantir des choses très importantes :
• La focalisation de l'énergie électromagnétique dans le pipeline
• La protection des employeurs et de l'environnement contre le rayonnement électromagnétique . • Transfert d'énergie électrique sur des grandes distances c'est-à-dire le robot peut inspecter des grandes distances même si la batterie est faible.
Pour savoir si un mode est propagatif dans un guide d'onde, il faut calculer sa fréquence de coupure fc et la comparer à la fréquence de travail f:
• Si / est supérieure à fc alors le mode en question est propagatif.
• Si non on à une atténuation d'énergie.
Un guide d'onde se comporte donc comme un filtre passe-haut comme représente la figure 3.
Le principe de notre émetteur d'onde électromagnétique est représenté par le schéma bloc de la figure 5. Un système d'émission (émetteur) ayant une source d'énergie électromagnétique capable de propager le rayonnement dans le pipeline à une grande distance.
Cet antenne cornet comme le montre la figure 11 connecté à la sortie de magnétron pour focaliser le maximum d'énergie à l'intérieur de pipeline, et minimiser le rayonnement radio fréquence au dehors de pipeline.
Le magnétron est constitué d'une anode cylindrique composée de cavités. Celles-ci se trouvent dans l'axe d'une cathode chauffante. Plus il y a de cavités plus le rendement est élevé.
L'énergie électrique, sous la forme d'une tension alternative (haute et basse tension) est transformée en tension continue par l'intermédiaire d'un transformateur élévateur, de diode et de condensateur comme le montre la figure 4. La haute tension crée un champ électromagnétique puissant. La basse tension crée un champ électrique qui va se transformer en ondes électromagnétiques émises par l'antenne.
A la réception, il faut capter le maximum d'énergie électromagnétique qui circule dans le pipeline pour charger les batteries de notre robot d'inspection. Le principe de notre système est représenté par le schéma synoptique de la figure 5.
Le convertisseur d'énergie RF/DC comme indiqué dans les figures 6 ,7 et 10, se compose de quatre blocs liés entre eux :
Le premier bloc est l'antenne de réception, qui est entièrement responsable de la capture de toute l'énergie micro onde,
L'antenne est un dispositif qui permet de capter à distance les ondes électromagnétiques dans un appareil de réception. L'antenne très directive aussi a gain très élèves.
Le second bloc est le circuit de rectification, La fonction de récupération d'énergie est généralement assurée par un redresseur qui permet de récupérer une tension continue à partir de la porteuse radiofréquence reçue par un réseau d'antenne. L'unité de redressement est un montage généralement à base des diodes Schottky caractérisées par un temps de commutation rapide.
Ce dispositif de réception, permet de récupérer l'énergie micro-onde puis la convertir en énergie électrique continue.
Le troisième est un étage de filtrage,
Le circuit de filtrage le plus répondu est celui utilisant des condensateurs et des bobines. Ce dernier est branche à la suite du redressement.
Finalement chargeur de batterie.
Ce chargeur réglable en tension et en courant. Il utilise un régulateur de tension pour ajuster la tension maximum de charge réglable et la fonction de limitation du courant pour définir le courant maximum de charge à adapter selon le type et la capacité de l'accumulateur de robot.
Comme le montre la figure 7 la détermination de la géométrie du réseau d'antenne réceptrice consiste à mettre en réseau les éléments rayonnants primaires suivant une disposition géométrique particulière permettant de répondre au mieux aux exigences imposées en termes de gain, de taille maximale et de diagrammes de rayonnement. L'objectif ici est de choisir le nombre total d'éléments et l'espacement entre ceux-ci (le pas du réseau) afin d'atteindre les niveaux de gain souhaités.
Si les sources sont trop proches les unes des autres, un phénomène de couplage réduit la valeur du gain. Lorsqu'elles sont trop éloignées, des lobes de réseaux apparaissent et réduisent également le gain dans l'axe.
La puissance rayonnée couvre de façon uniforme toute la superficie supérieure de l'antenne.
Après avoir effectué les réalisations d'une antenne avec un réseau des patchs sous différentes forme pour améliorer de plus le gain et la directivité.
L'antenne patch est un dispositif très intéressent dans notre application qui permet de convertir les ondes électromagnétiques en énergie électrique. La quantité d'énergie récupérée dépend des caractéristiques de l'antenne. Nous allons donc traiter dans cette partie les différentes formes d'antennes. Si en augmentant le nombre d'étage de redressement, on a la possibilité théoriquement d'atteindre une tension de sortie nécessaire.
Comme le montre la figure 8, On utilise pour récupérer l'énergie une antenne cornet.
Un dispositif très utilisé pour la propagation d'ondes guidées est le guide d'onde circulaire. Sa qualité de récupération est excellente. Pour cette raison, il est utilisé en haute fréquence. Son utilisation est très répondue en hyperfréquences. Le transformateur de puissance électromagnétique guidé en puissance rayonnée est l'antenne cornet. L'onde est ainsi naturellement projetée dans l'espace libre. Le cornet sert à faire l'adaptation l'impédance du cornet et celle du vide.

Claims

Revendications
1. Dispositif de chargement des batteries d'un robot d'inspection intelligent sans fil existant à l'intérieur du pipeline en se basant sur le principe de transfert de l'énergie électrique par micro onde en utilisant une source émettrice avec antenne directive et circuit de redressement fixé avec une antenne réceptrice sur le robot.
2. Un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend :
- Une station d'émission au début de pipeline constituée par un convertisseur AC/DC, un convertisseur DC/RF (le magnétron) et une antenne émettrice,
- Un pipeline utilisé comme un guide d'onde et comme une cage faraday,
- Une station de réception au niveau du robot constituée par un convertisseur RF/DC et une antenne réceptrice.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que si la fréquence augmente, la portée de transmission d'énergie sans contact augmente.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé que le transfert d'énergie à l'intérieur de pipeline « guide d'onde » se fait quelque soit la conduite linéaire ou en présence des zigzags « coudes ».
5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'émetteur comporte plusieurs fréquences d'émission et aussi plusieurs niveaux de puissances.
6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le magnétron peut changer son emplacement glissière dans le guide d'onde de l'antenne cornet au niveau d'une rainure pour modifier la puissance d'émission, et modifier le mode de propagation.
7. Dispositif selon les revendications 6 et 2, caractérisé en ce que l'antenne présente une rainure pour pivoter l'axe de magnétron selon 360°.
8. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un radiateur est installé autour de l'antenne émettrice pour dissiper l'énergie thermique et refroidir l'antenne.
9. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la dimension de l'antenne est proportionnelle à la dimension du pipeline.
10. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fréquence d'émission est supérieure à la fréquence de coupure de pipeline.
11. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'énergie se propage à l'intérieur de cage de faraday « pipeline ».
12. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'antenne présente des rainures pour glisser et pivoter le sonde suivant la puissance récupérée par le redresseur.
13. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est muni d'un convertisseur micro-ondes - DC à haut rendement.
14. Dispositif selon les revendications 1 à 11, caractérise en ce que le système de transmission se base sur l'énergie micro-onde.
15. Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce que le convertisseur micro-onde /DC est connecté au chargeur de batterie.
16. Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce qu'un système de communication existe entre la station de transmission d'énergie et le robot d'inspection du pipeline.
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