33409 112048 1 pb 1152

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29 2016 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MƠ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY CÔNG SUẤT NHỎ Trần Hùng Cường1, Lê Phương Hảo1 TÓM TẮT Truyền tải điện không dây cách truyền tải lượng điện từ nguồn điện tới thiết bị tiêu thụ điện mà không sử dụng dây truyền dẫn, giắc cắm Hệ thống truyền điện dễ dàng dẫn điện đến nơi mà dây dẫn điện thông thường kéo tới số môi trường đặc biệt với khoảng cách ngắn viên nuốt ruột nội soi dùng y tế số mơi trường hóa chất… số hệ thống việc truyền điện không dây giúp cho hệ thống điện trở nên gọn nhẹ, thẩm mỹ, hạn chế việc sử dụng hệ thống dây dẫn dây cáp phức tạp Bài báo chủ yếu phân tích nguồn gốc ý tưởng, phương pháp truyền điện không dây đưa mô hình truyền điện khơng dây, từ nêu ưu điểm, nhược điểm ứng dụng hệ thống truyền điện khơng dây Từ khóa: Truyền tải điện khơng dây, công nghệ điện ĐẶT VẤN ĐỀ Điện xem bốn phát minh quan trọng nhân loại (bên cạnh lửa, bánh xe lượng nguyên tử), việc phát minh điện làm lịch sử nhân loại có bước phát triển vượt bậc Hiện để truyền tải điện phương pháp phổ biến sử dụng dây dẫn điện Tuy nhiên, phương pháp thường gây tổn hao điện lớn điện trở gây (từ 20% - 30% [3]) làm giảm hiệu việc truyền dẫn điện Do đó, vấn đề giảm tổn hao điện nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Ngày nay, nghiên cứu để phát triển công nghệ điện quan tâm thu nhiều thành tựu, có cơng nghệ phát triển hệ thống truyền tải điện không dây, vấn đề quan trọng để phát triển hệ thống điện tương lai [2] [4], việc giảm thiểu chi phí thiết kế, thi cơng cơng trình điện dân dụng nên trình sử dụng điện tiện lợi hơn, hệ thống điện đấu nối dây dẫn phức tạp số lượng thiết bị điện tăng lên Trong sinh hoạt, điện sử dụng để chiếu sáng, chạy thiết bị quạt điện, điều hòa, tủ lạnh, máy giặt, nồi cơm, bình nước nóng, tivi, radio… Xã hội phát triển, công nghệ sản xuất thiết bị điện ngày phát triển, đặc biệt thiết bị điện Giảng viên khoa Kỹ thuật Cơng nghệ, Trường Đại học Hồng Đức 59 TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29 2016 thơng minh, nhỏ gọn Khi việc phát triển thiết bị truyền điện không dây giải pháp tối ưu CÁC NGHIÊN CỨU CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY Nikola Tesla người phát minh radio, ông coi cha đẻ truyền dẫn khơng dây Ơng người đưa ý tưởng truyền lượng không dây ông chứng minh việc truyền lượng không dây từ sớm vào năm 1891 [4] Năm 1893 Nikola Tesla biểu diễn thắp sáng khơng dây cho bóng đèn huỳnh quang triển lãm Chicago - Mỹ [4] Tháp Wardenclyffe ông thiết kế chủ yếu cho việc truyền lượng điện không dây truyền điện tín [5] Hình Tháp Wardenclyffy Nikola Tesla xây dựng Năm 1961 Brown đăng báo đề xuất việc truyền lượng sóng viba năm 1961 ơng trình diễn mơ hình máy bay trực thăng thu lượng từ chùm tia viba để bay tần số 2,45 GHz dải tần dành cho ứng dụng công nghiệp, nghiên cứu khoa học y tế [3] [4] Việc thử nghiệm truyền lượng không dây với công suất đến hàng chục kW thực năm 1975 Goldstone California năm 1997 Grand Basin đảo Reunion Năm 2001, công ty Splashpower Anh sử dụng cuộn dây cộng hưởng mặt phẳng để truyền hàng chục Watt vào thiết bị khác bao gồm đèn chiếu sáng, điện thoại di động… Năm 2004 phương thức truyền công suất cảm ứng sử dụng rộng rãi cho nhiều công đoạn khác nhau, ứng dụng mạnh cho thiết bị bán dẫn, LCD [3] [4] [5] Ngày nay, công nghệ truyền điện không dây sử dụng phổ biến thiết bị di động, cho phép sạc điện cho thiết bị điện thông minh dễ dàng mà không cần đến dây dẫn Các hãng công nghệ hàng đầu tiếp tục nghiên cứu phát triển cơng nghệ Trong đó, Apple cấp sáng chế với thiết bị sạc 60 TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29 2016 không dây với phạm vi hoạt động lên đến mét Bên cạnh đó, Intel giới thiệu công nghệ họ, với thiết bị từ tính tích hợp laptop cung cấp nguồn điện cho smartphone đặt gần Ngồi ra, hãng khác phát triển thành công công nghệ sạc điện không dây như: Samsung, Nokia… CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY Hiện việc truyền lượng không dây thực dựa phương pháp sau: Phương pháp sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ Năm 1831, Faraday chứng tỏ thực nghiệm từ trường sinh dịng điện [3] Thực vậy, cho từ thơng qua mạch kín thay đổi mạch xuất dịng điện Dịng điện gọi dịng điện cảm ứng Hiện tượng gọi tượng cảm ứng điện từ Hiện tượng cảm ứng điện từ Faraday sử dụng việc truyền điện không dây cách đặt hai cuộn dây gần với khoảng cách định [3], dịng điện cuộn dây cảm ứng sinh dòng điện cuộn dây mà khơng có liên hệ vật lý hai cuộn dây Hình Nguyên lý để thiết kế hệ thống điện không dây Phương pháp sử dụng nguyên lý truyền sóng điện từ [4] Nguyên lý truyền sóng điện từ chuyển đổi điện thành ánh sáng dạng tia laser, sau bắn chùm tia đến mục tiêu tiếp nhận lượng, chẳng hạn pin lượng mặt trời đặt vị trí mà điện cần truyền đến, pin lượng mặt trời lại thực việc chuyển đổi lượng từ ánh sáng tia laser để cung cấp điện cho thiết bị tiêu thụ điện Phương pháp truyền điện khoảng cách xa mà không cần hệ thống dây truyền tải 61 TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29 2016 Phương pháp sử dụng nguyên lý truyền sóng viba [4] Sóng viba hay cịn gọi vi sóng (microwave) sóng điện từ có bước sóng siêu ngắn, tạo vi sóng tạo dao động điện từ có tần số siêu cao Truyền tải điện khơng dây thơng qua sóng viba với tần số định thực để truyền điện khoảng cách xa Ban đầu điện sản xuất ra, sau chuyển thành dạng sóng viba với tần số phù hợp truyền xa đến vị trí tiêu thụ điện, đầu cuối hệ thống có thiết bị thu sóng viba thiết bị thực chuyển sóng viba thành điện Với phương pháp này, nhà khoa học nghiên cứu để ứng dụng cho việc truyền tải lượng điện từ vệ tinh lượng mặt trời đến trái đất MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VỀ TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY 4.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện khơng dây Hình Mơ hình mơ hệ thống truyền điện khơng dây Phía mạch phát Khối nguồn: Khối sử dụng nguồn nuôi 12V DC lấy từ máy biến áp hạ áp (220V AC -12V DC) Khối mạch tạo dao động điều chỉnh độ rộng xung: Để tạo dao động điều chỉnh độ rộng xung mạch dùng IC555, IC555 ln có độ rộng xung  50%, để điều 62 TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29 2016 chỉnh độ rộng xung khoảng 20% ~ 50% ta lắp thêm diode phân cực thuận D1 để đảm bảo dòng nạp qua R1 đến diode nạp thẳng tới tụ mà không qua R2 Nguồn 12V DC Mạch tạo dao động điều chỉnh độ rộng xung Khuếch đại Khung cộng hưởng LC (a) (b) Hình (a) Sơ đồ khối; (b) Sơ đồ nguyên lý phía mạch phát Khối khuếch đại: khối sử dụng Mosfet IRF540N để khuếch đại, ngồi Mosfet cịn đóng vai trị cơng tắc đóng mở điều khiển dịng cấp vào cuộn LC Khung cộng hưởng LC: Khung cộng hưởng nhận dòng qua Mosfet, xuất điện áp V làm khung dao động xuất sóng điện từ xạ ngồi mơi trường Tần số xung tao IC555 tính chọn cơng thức: 1 f   T  T1  T2  ln 2.C2 ( R1  R2 ) f Trong đó: T1  ln 2.( R1  R2 ).C2 T2  ln 2.R2 C2 Chọn tần số cộng hưởng: f = 63 kHz  T  1   1, 58.10 5 s f 63000 + Tính chọn R2, C: Do chọn xung vng có độ rộng 50% nên: T T1  T2   0, 79.105 s Với T2  0, 79.10 5 s  0, 79.10 5  ln 2.R2 C  R2 C  1,1.10 5 Để thỏa mãn chọn: C2  10 F  R2  1,1 63 TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29 2016 + Tính chọn R1: Với T1  0, 79.10 5 s  ln 2.(R1  R2 ).C2  0,79.105 s  R1  R2  0,79.105 0,79.105  R1   R2  0,04 C2 ln C2 ln2 Phía mạch thu: Khung cộng hưởng LC Chỉnh lưu Ổn áp Tải (a) D2 7812 VI GND L2 VO C6 C5 Đèn (b) Hình (a) Sơ đồ khối; (b) Sơ đồ nguyên lý phía mạch thu Khung cộng hưởng LC: Để khung cộng hưởng giá trị tụ cuộn cảm phải phù hợp cho: Z L Z c bên phát  = Z L Z c bên thu  Khối chỉnh lưu: dùng diode xung FR207 để chỉnh lưu nửa chu kỳ Khối ổn áp: Để đảm bảo nguồn đưa tải 12V, ta dụng ổn áp LM78012 Nguyên lý hoạt động sơ đồ Bên phát: Khi nguồn 12V cấp vào mạch lọc qua tụ C1 trực tiếp cấp nguồn cho IC555 hoạt động R1, R2 C2 chọn để mạch tạo tần số 63kHz Vì IC 555 ln có độ rộng xung  50%, để điều chỉnh độ rộng xung khoảng 20% ~ 50% ta lắp thêm diode phân cực thuận để đảm bảo dòng nạp qua R1 đến diode nạp thẳng tới tụ mà không qua R2 Điện trở R3 tạo điện áp cho IC so sánh chấn số và C3 lọc nhiễu giữ cho điện áp chuẩn ổn định Khi xung tạo chân số qua R4, đồng thời xung đưa đến chân G IRF540N Mosfet khuếch đại tín hiệu xung đưa tới khung cộng hưởng LC Khung cộng hưởng nhận dòng 64 TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29 2016 qua Mosfet, xuất điện áp V làm khung dao động xuất sóng điện từ xạ ngồi mơi trường Bên thu: Sóng điện từ xạ ngồi mơi trường với tần số 63kHz cộng hưởng với khung LC bên thu tạo suất điện động Điện áp xoay chiều, qua diode FR207 chỉnh lưu nửa chu kì Để đảm bảo nguồn đưa tải 12V, ta dụng ổn áp 7812 Tụ C5 đóng vài trị tụ lọc nguồn 4.2 Kết mơ hình thực nghiệm hệ thống truyền điện khơng dây Hình Kết mơ hình thực nghiệm hệ thống truyền điện khơng dây Mơ hình hình 6, xây dựng hồn thiện phương pháp thực nghiệm với nguyên lý mạch cho phần 4.1 Qua thí nghiệm kiểm chứng trình hoạt động mơ hình truyền điện từ địa điểm đến địa điểm khác với khoảng cách định làm cho tải (bóng đèn) phía cuộn dây thu hoạt động Điều chứng tỏ điện truyền từ nơi đến nơi khác với khoảng cách định mà không cần dây dẫn phù hợp với trình phân tích lý thuyết nêu Đánh giá kết đạt được: Khoảng cách việc truyền dẫn điện phụ thuộc vào kích thước cuộn dây cơng suất thiết kế trước Khi muốn thay đổi khoảng cách truyền dẫn điện phải tính tốn lại sơ đồ thay đổi thiết bị mơ hình Mơ hình phù hợp với ứng dụng truyền dẫn với khoảng cách nhỏ tiện dụng như: sạc điện thoại, thiết bị nạp điện cho tơ điện, xe máy điện, tích hợp thiết bị khác ô tô, tàu hỏa, máy bay… Đề xuất hướng nghiên cứu mới: Cần cải tiến thiết bị với công suất lớn hơn, chất lượng linh kiện lớn để nâng cao hiệu tăng khoảng cách truyền điện không dây Nghiên cứu hệ thống truyền điện không dây sử dụng công nghệ truyền lượng điện sóng viba, tia lase để tăng khoảng cách truyền dẫn không gian 65 ... T1  T2   0, 79 .10 5 s Với T2  0, 79 .10 5 s  0, 79 .10 5  ln 2.R2 C  R2 C  1, 1 .10 5 Để thỏa mãn chọn: C2  10  F  R2  1, 1 63 TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29 2 016 ... R1: Với T1  0, 79 .10 5 s  ln 2.(R1  R2 ).C2  0,79 .10 5 s  R1  R2  0,79 .10 5 0,79 .10 5  R1   R2  0,04 C2 ln C2 ln2 Phía mạch thu: Khung cộng hưởng LC Chỉnh lưu Ổn áp Tải (a) D2 7 812 ... tính chọn cơng thức: 1 f   T  T1  T2  ln 2.C2 ( R1  R2 ) f Trong đó: T1  ln 2.( R1  R2 ).C2 T2  ln 2.R2 C2 Chọn tần số cộng hưởng: f = 63 kHz  T  1   1, 58 .10 5 s f 63000 + Tính