Het tekort aan laadpalen belemmert de overschakeling op elektrisch rijden. Maar het kan ook anders. NRC van 4 dec 2016 schrijft over een proef in Rotterdam met snoerloos ‘inductief’ opladen via een laadplaat in de grond. De techniek berust op het verschijnsel dat een wisselend magneetveld een elektrische stroom KAN opwekken. Dat wisselend magneetveld ontstaat door in de laadplaat een wisselstroom door een spoel te sturen. Aan de onderkant van de auto bevindt zich een tweede spoel die het wisselend magneetveld opvangt en daardoor een wisselspanning opwekt, waarmee de batterij van de auto wordt opgeladen. De krant zegt dat in de Rotterdamse proef de afstand tussen de laadplaat en de onderkant van de auto 16 centimeter is. Het rendement zou rond de 90 procent liggen bij een vermogen van 3,3 kilowatt en het volledig opladen duurt een uur of acht.
De combinatie van spoelen lijkt op die bij een transformator.
a) Noem een ander voorbeeld uit het dagelijks leven van inductieve energieoverdracht.
b) Maak een schets van de beide spoelen – van opzij bekeken – als de auto goed boven de laadplaat staat.
c) Vul de schets aan met het veldlijnenpatroon dat veroorzaakt wordt door de spoel in de laadplaat.
d) Wat wordt bij dit opladen bedoeld met het rendement?
e) Hoe kun je in je schets zien dat het rendement van de overdracht van energie niet 100 procent kan zijn?
f) Leg uit waarom het voor een hoog rendement van belang is dat de afstand tussen beide spoelen zo klein mogelijk is.
g) Leg uit waardoor in de secundaire spoel een inductiespanning ontstaat. Gebruik in je antwoord het begrip flux.
In informatie bij de Rotterdamse proef staat dat de frequentie van het lichtnet te laag is voor efficiënte energieoverdracht. Daarom is in de laadplaat een omvormer ingebouwd die de laagfrequente stroom van het lichtnet omzet in een hoogfrequente stroom door de primaire spoel. De in de secundaire spoel opgewekte wisselspanning moet vervolgens worden omgezet in gelijkspanning voor het elektrisch systeem van de auto. Dat gebeurt met een gelijkrichter.
h) Welk verband is er tussen de verandering van flux en de opgewekte inductiespanning?
i) Leg uit waarom het belangrijk is dat de primaire wisselstroom een hoge frequentie heeft.
Uitwerking vraag (a)
Opladen elektrische tandenborstel, elektrische waterkoker.
Uitwerking vraag (b)
Uitwerking vraag (c)
Uitwerking vraag (d)
Het rendement is het gedeelte van het elektrisch vermogen van de wisselstroom in de primaire spoel dat wordt overgedragen naar de secundaire spoel, ofwel η = (Puit / Pin) x 100%.
Uitwerking vraag (e)
De veldlijnen liggen in de secundaire spoel verder uit elkaar dan in de primaire spoel, dat wil zeggen dat de sterkte van het magneetveld in de secundaire spoel kleiner is dan in de primaire spoel. Dus ook de verandering van flux in de secundaire spoel is kleiner dan in de primaire spoel.
Je kunt ook zeggen: niet alle veldlijnen van de primaire spoel gaan door de secundaire spoel.
Uitwerking vraag (f)
Hoe dichter de spoelen zich boven elkaar bevinden, hoe minder het veld in de secundaire spoel verzwakt is ten opzichte van dat in de primaire spoel.
Uitwerking vraag (g)
In een spoel onstaat een inductiespanning als er verandering van flux is. De flux is gelijk aan de sterkte van het magnetisch veld maal de loodrechte doorsnede:
$\Phi = B\cdot A_{\perp}$
Omdat het magnetisch veld in de secundaire spoel voortdurend van sterkte wisselt, wordt daarin voortdurend een inductiespanning opgewekt.
Uitwerking vraag (h)
De inductiespanning is evenredig met de snelheid van fluxverandering:
$U_{ind} \sim \frac{d\Phi}{dt}$
Uitwerking vraag (i)
Hoe groter de frequentie van de wisselspanning in de primaire spoel, hoe groter dus de inductiespanning in de secundaire spoel. Kennelijk wordt met een frequentie van 50 Hz in de primaire spoel geen inductiespanning opgewekt die hoog genoeg is.
