HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY SVTH : NGUYỄN HOÀNG MINH MSSV : 12142154 LÊ NGỌC THI MSSV : 12142346 PHẠM HỒNG PHONG MSSV : 12142187 Khoá : 2012 Ngành : ĐIỆN ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc Tp.Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 07 năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: NGUYỄN HOÀNG MINH MSSV: 12142154 LÊ NGỌC THI MSSV: 12142346 PHẠM HỒNG PHONG MSSV: 12142187 Ngành: Điện – Điện Tử Lớp: 12142CLC Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH ĐT: 0913117659 Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: 1. Tên đề tài: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: 3. Nội dung thực hiện đề tài: Tı̀m hiểu lý thuyết về từ trườ ng, từ thông, các đinh luâ ̣ t liên quan. ̣ Nghiên cứ u, chế tao ca ̣ ́c mach ta ̣ o tâ ̣ ̀n số cao ( dùng vi xừ lý, IC555). Nghiên cứ u các kiểu quấn dây phù hơp. ̣ Sử dung ca ̣ ́c thiết bi đo đa ̣ c đê ̣ ̀ tı̀m giá tri LC phu ̣ ̀ hơp. ̣ Lắp ráp mô hı̀nh ứ ng dung điê ̣ n không dây. ̣ii 4. Sản phẩm: Mô hình mô phỏng hệ thống truyền điện không dây. TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪNiii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên sinh viên: NGUYỄN HOÀNG MINH MSSV: 12142154 LÊ NGỌC THI MSSV: 12142346 PHẠM HỒNG PHONG MSSV: 12142187 Ngành: Điện – Điện Tử Lớp: 12142CLC Tên đề tài: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH NHÂN XÉT ̣ 1. Về nội dung đề tài khối lượng thưc hiệ ̣ n: ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... 2. Ưu điểm: ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... 3. Khuyết điểm: ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................iv 4. Đề nghi cho bả ̣ o vệ hay không? ............................................................................................................................................... 5. Đánh giá loại: ............................................................................................................................................... 6. Điểm:……………….(Bằng chữ:....................................................................................) ............................................................................................................................................... Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên)v CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên sinh viên: NGUYỄN HOÀNG MINH MSSV: 12142154 LÊ NGỌC THI MSSV: 12142346 PHẠM HỒNG PHONG MSSV: 12142187 Ngành: Điện – Điện Tử Lớp: 12142CLC Tên đề tài: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY Họ và tên Giáo viên phản biện: ............................................................................................ ............................................................................................................................................... NHÂN XÉT ̣ 1. Về nội dung đề tài khối lượng thưc hiệ ̣ n: ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... 2. Ưu điểm: ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... 3. Khuyết điểm: ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................vi 4. Đề nghi cho bả ̣ o vệ hay không? ............................................................................................................................................... 5. Đánh giá loại: ............................................................................................................................................... 6. Điểm:……………….(Bằng chữ:....................................................................................) ............................................................................................................................................... Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên phản biện (Ký ghi rõ họ tên)vi LỜI CẢM ƠN Trước hết đồ án tốt nghiệp chính là dấu ấn cho việc đã hoàn thành bốn năm học tập và nghiên cứu, và cũng chính là mốc khởi đầu cho tương lai của chúng em. Để có được những thành quả, những thành công và những kiến thức như ngày hôm nay, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đối với nhà trường, quý thầy cô, gia đình và bạn bè, những người luôn luôn ủng hộ, giúp đỡ, chỉ dẫn và luôn cố gắng tạo mọi điều kiện để chúng em có những thành công trong học tập và trong cuộc sống. Hơn hết, chúng em xin chân thành cảm ơn người thầy đã đồng hành, chỉ dẫn chúng em trong suốt quá trình học, và xuyên suốt khoảng thời gian nghiên cứu về đồ án này thầy Trương Việt Anh. Thầy đã cho chúng em một cái nhìn vào thẳng thực tế cuộc sống, thực tế nhu cầu của xã hội, cùng với sự tận tình giảng dạy, hướng dẫn cho chúng em, cũng như giúp chúng em vượt qua được rất nhiều trở ngại trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện. Nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy Cảm ơn thầy Lê Trọng Nghĩa đã hỗ trợ liên tục chúng em từ đầu khóa học. Cảm ơn sự giúp đỡ hết mình của anh Vũ Đức Toàn. Chúng em biết ơn mỗi sự giảng dạy hướng dẫn của mỗi thầy cô, mỗi người hướng dẫn. Cuối cùng, xin cảm ơn tất cả các bạn, những người đã đồng hành cùng chúng em trong suốt khoá học và trong quá trình thực hiện đồ án này này. Sinh viên thực hiện NGUYỄN HOÀNG MINH LÊ NGỌC THI PHẠM HỒNG PHONGvii TÓM TẮT Trong đề tài nghiên cứu này, chúng tôi bàn về vấn đề truyền năng lượng không dây. Những ứng dụng mà nó sẽ mang lại là vô cùng to lớn trong khá nhiều lĩnh vực như: nhà ở, thiết bị, phương tiện và cả hỗ trợ cung cấp nguồn năng lượng từ ngoài trái đất. Hiện tại có các cách khác nhau để truyền tải điện không dây, ở đây chúng tôi sẽ giới thiệu cho người đọc về cách truyền tải không dây sử dụng phương pháp cảm ứng điện từ. Nhóm sẽ đưa ra những thí nghiệm thực tế, những đề suất để biết được những điểm mạnh, điểm yếu của từng cách áp dụng cho truyền tải điện bằng phương pháp này.viii ABSTRACT In our research, we discuss about the wireless energy transmission. These benefits of applications are tremendous, such as: household furniture, devices, transportation, and the extraterrestrial energy sources usage. At the present, there are different methods to transmit wireless power, and we are going to introduce for you how to transmit it by using inductive coupling through a solenoid. Our group makes a wide range of reality experiments and suggestions that help us find the strong points and weak points of this method.ix MỤC LỤC Trang phụ bìa TRANG Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệm i Trang phiếu nhận xét của giáo viên hướng dẫn ii Trang phiếu nhận xét của giáo viên phản biện iv Lời cảm ơn vi Tóm tắt vii Mục lục ix Danh mục các bảng biểu xii Danh mục các hình ảnh, biểu đồ xiii Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu 1 1.1.1. Thực tế phát triển của thế giới về truyền năng lượng không dây 1.1.2. Đặc điểm chung 1.2. Mục đích đề tài 6 1.3. Nội dung đề tài 6 1.4. Giới hạn đề tài 6 1.5. Phương pháp nghiên cứu 7 1.6. Giá trị thực tiễn 7 1.7. Nội dung của đồ án 8 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Lý thuyết Maxwell 9x 2.2. Hiện tưởng cảm ứng điện từ 9 2.3. Định luật Lenz 9 2.4. Mạch dao động LC 10 2.4.1. Hoạt động của mạch dao động điện từ LC 2.4.2. Biểu thức của điện tích của một bản tụ điện 2.4.3. Biểu thức của điện áp tức thời u giữa hai bản của tụ điện C 2.4.4. Biểu thức của dòng điện I trong mạch dao động điện từ LC 2.4.5. Chu kỳ và tần số dao động riêng của mạch LC 2.5. Năng lượng dao động điện từ trong mạch dao động LC 13 2.5.1. Năng lượng điện trường 2.5.2. Năng lượng từ trường 2.5.3. Năng lượng điện từ 2.6. Điện từ trường 13 Chương 3 THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN KHÔNG DÂY THỰC TẾ 3.1. Cấu tạo cấu hình 1 17 3.1.1. Khối cấp nguồn 3.1.2. Khối tạo xung 3.1.3. Khối IGBT công suất 3.1.4. Cấu tạ cuộn dây phát và thu 3.1.4.1. Cuộn dây phát 3.1.4.2. Cuộn dây thu 3.2. Cấu tạo cấu hình 2 26xi 3.2. Cấu tạo cấu hình 3 29 Chương 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1. Thử nghiệm các loại kết cấu cuộn dây 31 4.1.1. Cuộn dây quấn thành vòng tròn xếp lên nhau không cùng nằm trên mặt phẳng (D = 3.5cm) 4.1.2. Cuộn dây quấn thành vòng tròn xếp lên nhau không cùng nằm trên mặt phẳng (D = 6.5cm) 4.1.3. Cuộn dây quấn xoắn ốc (r = 0.5cm) 4.1.4. Cuộn dây quấn xoán ốc (r = 3.5cm) 4.1.5. Cuộn dây quấn hình trụ tròn 4.1.6. Kết luận thử nghiệm các cách quấn dây 4.2. Thử nghiệm sự liên quan của tần số đến việc truyền điện không dây 41 4.3. Các vật chất cản trở việc truyền điện không dây 45 4.4. Hiệu suất đạt được của mô hình thử nghiệm 47 4.4.1. Thiết kế mô hình 4.4.1.1. Thiết kế ban đầu 4.4.1.2. Thiết kế mô hình hoàn thiện 4.4.2. Hiệu suất 4.4.2.1. Bộ sạc cho mô hình 4.4.2.2. Mô hình đang phát triển Chương 5xii KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1. Kết luận 60 5.2. Hướng phát triển 61 5.2.1. Mục tiêu trước mắt 5.2.2. Mục tiêu lâu dài TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 PHỤ LỤC 66xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thông số cuộn dây phát Bảng 3.2 Thông số cuộn dây thu Bảng 4.1 Bảng khảo sát hiệu năng cuộn dây quấn tròn không cùng nằm trên một mặt phẳng (D=3.5cm) Bảng 4.2 Bảng khảo sát hiệu năng cuộn dây quấn tròn không cùng nằm trên một mặt phẳng (D=6.5cm) Bảng 4.3 Bảng khảo sát hiệu năng cuộn dây quấn xoắn ốc (R = 0.5cm) Bảng 4.4 Bảng khảo sát hiệu năng cuộn dây quấn xoắn ốc (R = 3.5cm) Bảng 4.5 Bảng khảo sát hiệu năng cuộn dây quấn trụ tròn Bảng 4.6 Bảng số liệu tính toán sự liên hệ giữa tần số f và điện áp V Bảng 4.7 Kết quả thử nghiệm sự ảnh hưởng của các loại vật chất xiv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1 Sạc không dây cho xe ôtô điện (Ảnh minh họa) Hình 1.2 Sạc không dây cho xe bus chạy điện (Ảnh minh họa) Hình 1.3 Sạc không dây cho thiết bị di động (Ảnh minh họa) Hình 1.4 Ứng dụng truyền điện không dây cho tòa nhà (Ảnh minh họa) Hình 1.5 Truyền điện không dây lấy năng lượng từ vũ trụ (Ảnh minh họa) Hình 2.1 Cấu tạo mạch LC Hình 2.2 Mạch LC Hình 2.3 Hình ảnh đường sức điện của điện tích âm, điện tích dương đặt xa nhau Hình 2.4 Hình ảnh đường sức điện của hai điện tích cùng dầu (trái dấu) đặt gần nhau Hình 2.5 Quy tắc bàn tay phải Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.2 Sơ đồ mạch tạo xung dùng 16F887 Hình 3.3 Dạng xung xuất ra của vi xử lý Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý nguồn xung kiểu Flyback Hình 3.5 Thông số IGBT 25N120IHL Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý tổng thể của mạch điện thực hiện Hình 3.7 Sơ đồ cuộn dây Hình 3.8 Cuôn dây phátxv Hình 3.9 Cuộn dây thu Hình 3.10 Từ thông qua cuôn dây thu Hình 3.11 Sơ đồ kết nối IC 555 Hình 3.12 Sơ đồ kết nối IC555 để kích IGBT cho mạch Hình 3.13 Mạch tạo xung kích với IC 555 Hình 3.14 Xung ngõ ra IC 555 Hình 3.15 Dạng sóng trên 2 đầu cuộn dây phát Hình 4.1 Cuộn dây tròn D = 3.5cm Hình 4.2 Kết quả thực nghiệm cuộn dây quấn tròn D = 3.5cm Hình 4.3 Cuộn dây tròn D = 6.5cm Hình 4.4 Kết quả thực nghiệm cuộn dây quấn tròn D = 6.5cm Hình 4.5 Cuôn dây quấn xoắn ốc với r = 0.5cm Hình 4.6 Kết quả thực nghiệm cuôn dây quấn xoắn ốc với r = 0.5cm Hình 4.7 Cuôn dây quấn xoắn ốc với r =3.5cm Hình 4.8 Kết quả thực nghiệm cuôn dây quấn xoắn ốc với r = 3.5cm Hình 4.9 Cuộn dây quấn hình trụ tròn Hình 4.10 Kết quả thực nghiệm cuộn dây quấn tròn Hình 4.11 Thử nghiệm liên hệ giữa tần số và điện áp Hình 4.12 Thử nghiệm thực tần số 50kHz Hình 4.13 Thử nghiệm thực tần số 40kHz Hình 4.14 Thử nghiệm thực tần số 30kHz Hình 4.15 Sự ảnh hưởng của nam châm với cuộn dâyxvi Hình 4.16 Mô hình thực tế 1 Hình 4.17 Truyền điện không dây cho đèn bàn học Hình 4.18 Dạng sóng tại chân G của IGBT Hình 4.19 Số liệu đo đạt của cuộn phát Hình 4.20 Dạng sóng ở 2 đầu cuộn thu Hình 4.22 Thử nghiệm với quạt 12V khoảng cách 20cm Hình 4.23 Số lệu đo được với thử nghiệm quạt 12V Hình 4.24 Mạch RFID iii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên sinh viên: NGUYỄN HOÀNG MINH MSSV: 12142154 LÊ NGỌC THI MSSV: 12142346 PHẠM HỒNG PHONG MSSV: 12142187 Ngành: Điện – Điện Tử Lớp: 12142CLC Tên đề tài: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH NHÂN XÉT ̣ 1. Về nội dung đề tài khối lượng thưc hiệ ̣ n: ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... 2. Ưu điểm: ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... 3. Khuyết điểm: ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................iv 4. Đề nghi cho bả ̣ o vệ hay không? ............................................................................................................................................... 5. Đánh giá loại: ............................................................................................................................................... 6. Điểm:……………….(Bằng chữ:....................................................................................) ............................................................................................................................................... Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên)v CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên sinh viên: NGUYỄN HOÀNG MINH MSSV: 12142154 LÊ NGỌC THI MSSV: 12142346 PHẠM HỒNG PHONG MSSV: 12142187 Ngành: Điện – Điện Tử Lớp: 12142CLC Tên đề tài: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY Họ và tên Giáo viên phản biện: ............................................................................................ ............................................................................................................................................... NHÂN XÉT ̣ 1. Về nội dung đề tài khối lượng thưc hiệ ̣ n: ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... 2. Ưu điểm: ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... 3. Khuyết điểm: ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................vi 4. Đề nghi cho bả ̣ o vệ hay không? ............................................................................................................................................... 5. Đánh giá loại: ............................................................................................................................................... 6. Điểm:……………….(Bằng chữ:....................................................................................) ............................................................................................................................................... Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên phản biện (Ký ghi rõ họ tên)ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu. Năng lượng không dây đã được khởi nguồn và nghiên cứu từ rất lâu bởi nhà phát minh người Serbi Nikola Tesla trước khi lưới điện được phổ biến rộng rãi. Ngay từ những năm 1900, “nhà khoa học điên” Tesla đã mơ ước một thế giới không tồn tại dây dẫn điện phức tạp mà sử dụng hệ thống một tháp truyền điện và năng lượng không dây tới mọi ngõ ngách trên thế giới. Nhằm hiện thực hóa viễn cảnh này, Tesla đã bắt tay xây dựng tháp Wardenclyffe cao 29m ở New York. Ngọn tháp này được coi là bước cuối cùng trong hệ thống điện không dây của Tesla, và được kết hợp với phát minh máy thu năng lượng vũ trụ. Nếu thành công, thế giới sẽ được sử dụng điện miễn phí và không giới hạn chỉ bằng một cái antenna thu năng lượng. Hiện nay, các phương tiện dùng điện phát triển ngày càng mạnh, càng rộng rãi, với các ưu điểm vượt trội so với các phương tiện dùng xăng, dầu truyền thống, và lại một lần nữa mọi người lại nghĩ về những gì Tesla đã mơ tưởng. Trên thế giới, đã có vài nước phát triển thành công, và áp dụng việc truyền điện không dây vào đời sống. Nhưng để hiệu năng cao nhất, và có những giải thích toán học hợp lý nhất vẫn là một vấn đề lớn cần nghiên cứu và phát triển. 1.1.1. Thực tế phát triển của thế giới về truyền năng lượng không dây. Nói về sự phát triển phải xem xét đến tương lai của xe điện. Đó chính là mục đích hạn chế tai nạn, phát triển lên các xe tự lái, và song song với đó chính là năng lượng sạch không gây ô nhiễm môi trường. Xe điện là xe sử dụng một động cơ điện để dẫn động thay vì một động cơ đốt trong. Xe điện được biết đến như là một xe không gây ô nhiễm (Zero Emission Vehicle). Trong những năm gần đây, xe điện được chú ý nhiều khi mà vấn đề môi trường ngày càng được quan tâm. Tuy nhiên, làm sao để kéo dài thời gian hoạt động hay quãng đường di chuyển của nó là một bài toán khó.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2 Và chính bài toán khó đã vạch ra một giải pháp mới đó chính là hệ thống truyền điện không dây khi xe đang vận hành. Đã có rất nhiều nước bắt tay vào việc nghiên cứu phát triển vấn đề này và đã đạt được những thành công rất đáng kể. Gần đây nhất, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge đã phát triển một hệ thống sạc không dây có công suất lên đến 20kW, với hiệu suất truyền tải lên đến 90%. Hình 1.1. Sạc không dây cho xe ôtô điện (Ảnh minh họa) Tại Đức, khu vực nhà điều hành vận tải Đức RheinNeckarVekehr GmbH (RNV) đang thực hiện một dự án thí điểm kiểm tra tính khả thi của công nghệ không dây sạc ắc quy của xe bus điện. Các hệ thống lắp trên xe bus sẽ cho phép sạc lại ắc quy không dây khi đón và trả khách tại các điểm dừng xe bus dọc tuyến đường, nhờ thế xe bus có thể được vận hành liên tục mà không cần dừng vào các trạm để sạc điệnĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 Hình 1.2. Sạc không dây cho xe bus chạy điện (Ảnh minh họa) Bên cạnh việc phát triển các hệ thống sạc không dây cho phương tiện, mà bên cạnh đó, truyền điện không dây còn được ứng dụng vào nhiều nhu cầu thực tiễn khác. Đơn giản nhất đó là việc sạc cho các thiết bị di động như điện thoại, laptop, máy tính bảng. Ứng dụng này đã và đang phát triển rất mạnh mẽ và được sự ủng hộ của rất nhiều người. Qualcomm vừa công bố đã thiết kế ra một giải pháp cho phép thiết bị có vỏ kim loại sử dụng sạc không dây bằng cách sử dụng công nghệ Qualcomm WiPower.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 Hình 1.3. Sạc không dây cho thiết bị di động (Ảnh minh họa) Hãy tưởng tượng khi có một bóng đèn có thể hoạt động mà không cần bất kỳ dây dẫn, đây mới chính là mẫu nhà thông minh của tương lai Hình 1.4 Ứng dụng truyền điện không dây cho tòa nhà (Ảnh minh họa)ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5 Các nhà khoa học tại Cơ quan thám hiểm vũ trụ Nhật Bản JAXA vừa thử nghiệm thành công truyền tải năng lượng không dây giúp tiến gần hơn một bước tới việc sản xuất điện từ vũ trụ. Hình 1.5 Truyền điện không dây lấy năng lượng từ vũ trụ (Ảnh minh họa) 1.1.2. Đặc điểm chung Phần lớn các hệ thống truyền năng lượng không dây trường gần dựa trên nguyên lý cảm ứng từ và cảm ứng điện từ. Về sau công nghệ truyền năng lượng không dây trường xa được thực hiện bằng nguyên lý phóng chùm tia công suất (Powerbeam) ở dạng tia vi ba hay tia laser để truyền công suất lớn ( cỡ KW, MW thậm chí thiết kế đến cỡ GW) từ vũ trụ về bề mặt trái đất Tác động đến nhu cầu con người của việc truyền không dây hiện nay chưa mạnh, nhưng khi dân số tiếp tục gia tăng, nhu cầu về điện có thể vượt qua khả năng sản xuất, và điều này sẽ mang lại nhu cầu cao về tìm kiếm nguồn năng lượng bổ xung. Cuối cùng thì năng lượng không dây có thể trở thành một điều cần thiết hơn chỉ là một ý tưởng thú vị. Mặt trời, nguồn năng lượng từ vũ trụ gần nhất, khi đưa các tấm pin mặt trời lên vũ trụ thì ta có thể nhận được nguồn năng lượng liên tục 2424. Và khi áp dụngĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 công nghệ truyền điện không dây, ta có thể cung cấp năng lượng cho bất cứ vùng nào trên mặt đất, cả vùng sâu vùng xa. Tất cả chỉ cần hướng angten phát về trị trí đặt angten thu ở nơi mong muốn. Hơn nữa năng lượng mặt trời không gậy ra các khí có hiệu ứng nhà kính, không ảnh hưởng nhiều đến biến đổi khí hậu, và không tạo ra phế thải độc hại cần phải chôn cất (như năng lượng hạt nhân). 1.2. Mục đích đề tài. Nghiên cứu và xây dựng nên một mô hình sạc không dây. Nắm bắt và hiểu được các nguyên lý, lý thuyết cơ bản của việc truyền điện không dây, từ đó nghiên cứu phát triển tiếp để có thể áp dụng thực tế. Hướng mọi người quan tâm tới việc sử dụng phương tiện điện thay cho phương tiện xăng dầu truyền thống. Toàn bộ đề tài nghiên cứu này sẽ xem xét về nguyên tắc cảm ứng từ trường, đây cũng chính là lý thuyết áp dụng đơn giản nhất của việc truyền điện không dây. Và như ở trên đã nói, phát triển một hệ thống không dây cho nhà ở thì cách sử dụng cảm ứng từ trường chính là cách áp dụng đơn giản và hiệu quả nhất. 1.3. Nội dung đề tài. Lý thuyết về hiện tưởng cảm ứng điện từ. Giới thiệu cách truyền điện không dây. Thi công mô hình sạc xe điện cho mô hình xe lửa. 1.4. Giới hạn đề tài. Do khoảng thời gian nghiên cứu lý thuyết còn hạn chế nên nhóm nghiên cứu chỉ có thể tập trung hoàn thành được một mô hình thực tế. Nhưng về mặt lý thuyết về từ thông, do không có một công thức cụ thể nào cho việc truyền điện khoảng cách xa, và không có máy đo đạt từ thông, nên nhóm làm chỉ dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ. Kết quả và thông số thu được hoàn toàn là do thực tế làm được mà chưa đưa ra được một công thức tính cụ thể.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7 Ngoài ra vì lý do an toàn và chi phí kèm theo nên nhóm chúng em chỉ thiết kế mô hình với nguồn điện cấp 12V và dãi tần số thấp (tránh ảnh hưởng đến sinh lý cơ thể con người) nên hiệu suất sẽ thấp và chỉ truyền được với khoảng cách gần, nhưng đã có thể áp dụng thực tế cho các thiết bị yêu cầu đầu vào thấp như: Sạc pin cho điện thoại, laptop, ipad, v.v.. 1.5. Phương pháp nghiên cứu. Đọc và tìm hiểu các tài liệu liên quan đến việc truyền và sạc điện không dây. Phân tích ,tổng hợp đánh giá các kết quả nhận được . Thử nghiệm từng bước một để tìm ra các quy luật, các ảnh hưởng tác động, đúc kết và phát triển lên mô hình thực tế. 1.6. Giá tri thực tiễn. Trước hết, nghiên cứu và phát triển công nghệ truyền không dây sẽ rất phù hợp với thực tế hiện tại, xe điện thông minh đã được phát triển thành công và đang được áp dụng rộng rãi, nhu cầu về thiết kế nhà thông minh. Ngoài ra nếu có thể phát triễn thành công, chúng ta có thể lấy năng lượng được từ ngoài vũ trụ, đây chính là nguồn năng lượng dồi dào và lâu dài. Ở nước ta, phương tiện xăng dầu truyền thống hầu như là chiếm đa số, phương tiện đi lại sử dụng điện hầu như rất ít được sử dụng. Trước mắt ai cũng sẽ thấy được hậu quả của sự ô nhiễm, vậy tại sao chúng ta không thử thay đổi quan điểm thường ngày hãy suy nghĩ cho tương lai những thế hệ sau, dẹp đi quan điểm về chi phí khi mua phương tiện chạy xăng dầu đời cũ, vẻ bắt mắt bên ngoài mà thay vào đó hãy sử dụng phương tiện điện. Nếu thu hút được sự quan tâm, ắt hẵn rằng các loại xe điện sẽ càng ngày càng phát triển và sẽ đảm bảo được 2 quan điểm thiết yếu của con người, đó là: đẹp và rẽ. Cùng với 2 yếu tố đó, xe điện sẽ cắt giảm mạnh sự ô nhiễm ngày càng tăng hiện nay.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 8 Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ góp phần giải quyết được điểm yếu của phương tiện điện chính là khả năng ổn định duy trì năng lượng khi đang vận hành. Một con đường dành riêng cho xe điện, bạn sẽ không phải lo về vấn đề này nữa. 1.7. Nội dung của đồ án. Chương 1 : Tổng quan Chương 2 : Cơ sở lý thuyết Chương 3 : Thiết kế mạch sạc thực tế Chương 4 : Kết quả thực nghiệm Chương 5 : Kết luận và hướng phát triển của đề tàiĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 9 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Lý thuyết Maxwell Khi có một điện trường biến thiên thì sẽ sinh ra một từ trường biến thiên bao quanh nó, đến lượt từ trường biến thiên này làm cho các hạt mang điện dao động và lại sinh ra một điện trường biến thiên và cứ thế điện trường và từ trường biến thiên được lan truyền trong không gian với vận tốc cỡ 300.000 kmgiây. 2.2. Hiện tượng cảm ứng điện từ Khi có sự biến thiên của từ thông gửi qua diện tích giới hạn bởi một mạch điện kín thì trong mạch xuất hiên dòng điện cảm ứng. (định luật cảm ứng điện từ). Hiện tượng cảm ứng điện từ chứng tỏ: nhờ có từ trường ta có thể tạo ra dòng điện. Dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín phải có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch (định luật Lenz). Từ thông gửi qua vòng dây thay đổi khi dịch chuyển nó trong từ trường. Để tìm biểu thức của suất điện động cảm ứng, ta dịch chuyển một vòng dây dẫn kín (C) trong từ trường để từ thông gửi qua vòng dây thay đổi. Khi đó công của lực từ tác dụng lên dòng điện cảm ứng có giá trị: (2.1) Trong đó: A là công lực từ Ic là dòng điện cảm ứng ϕm là từ thông gửi qua thiết diện vòng dây 2.3. Định luật Lenz Định luật Lenz chỉ ra rằng “dòng điện cảm ứng sinh ra trong dây dẫn có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra chống lại nguyên nhân sinh ra nó”. Theo định luật Lenz, công của từ lực tác dụng lên dòng điện cảm ứng là công cản có giá trị: (2.2)ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 10 Công này được chuyển thành năng lượng của dòng cảm ứng có giá trị: (2.3) Từ đó ta suy ra: (2.4) : là sức điện động cảm ứng 2.4. Mạch dao động LC Hình 2.1. Cấu tạo mạch LC Mạch dao động LC là một mạch điện bao gồm một cuộn dây và một tụ điện mắc song song với nhau (như hình vẽ thứ nhất). Bản thân mạch dao động LC là một mạch không hề dao động trừ phi ta cấp một nguồn điện V hoặc cung cấp một từ thông biến thiên ban đầu vào cho mạch.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 11 2.4.1. Hoạt động của mạch dao động điện từ LC Xét trường hợp điện trở của các dây nối đều không đáng kể. Trong hình vẽ: E là nguồn điện không đổi có suất điện động E. K là một khóa điện có thể đóng sang A hoặc B . L là cuộn cảm thuần có độ tự cảm L. C là tụ điện có điện dung C. Hình 2.2. Mạch LC Ban đầu đóng khóa K sang vị trí A: Tụ điện C được nạp điện. Khi tụ điện C đầy điện thì điện tích của tụ điện C là (2.5) Sau đó đóng khóa K sang vị trí B: Tụ điện C phóng điện qua cuộn cảm L. Dòng điện phóng ra có cường độ biến thiên theo thời gian nên trong cuộn cảm thuần L có một suất điện động tự cảm. Điện tích của tụ điện giảm dần, độ lớn của dòng điện tăng dần. Kết quả là trong mạch có một dòng điện xoay chiều (như dòng điện xoay chiều trong mạch RLC không phân nhánh). 2.4.2. Biểu thức của điện tích của một bản tụ điện. Trong mạch dao động LC có dạng (2.6) Trong đó: q là điện tích tức thời của một bản tụ điện tại thời điểm t (q có đơn vị là C) là điện tích cực dại của tụ điện ( như nói ở trên) ( cũng có đơn vị là C) là tần số góc của dao động điện từ trong mạch, cũng là tần số góc của sự biến thiên điện tích q. là pha ban đầu của q 2.4.3. Biểu thức của điện áp tức thời u giữa hai bản của tụ điện C:ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 12 Nếu chọn chiều dương của dòng điện phù hợp ta có quan hệ giữa u và q như sau: q = C.u Vì C không đổi nên ta có thể viết: (2.7) Đặt thì biểu thức của điện áp u sẽ là: (2.8) Như vậy, trong trường hợp này ta nói: Điện áp tức thời giữa hai bản của tụ điện C biến thiên điều hòa cùng tần số và cùng pha với điện tích q của một bản tụ điện. 2.4.4. Biểu thức của dòng điện i trong mạch dao động điện từ LC: Theo cách chọn chiều dương như trên ta chứng minh được rằng cường độ dòng điện tức thời i là đạo hàm của điện tích q: i = q Lấy đạo hàm biểu thức của q và biến đổi lượng giác ta được: (2.9) Đặt là cường độ cực đại của dòng điện trong mạch LC. Ta được: (2.10) Trong trường hợp này ta nói: Cường độ dòng điện trong mạch dao động điện từ LC biến thiên điều hòa cùng tần số nhưng sớm pha so với điện áp u giữa hai bản tụ điện và cũng sớm so với điện tích q của một bản tụ điện. 2.4.5. Chu kỳ và tần số dao động riêng của mạch LC Ta có: → (2.11) • Chu kỳ dao động riêng của mạch LC là:ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 13 (2.12) • Tần số dao động riêng của mạch LC là: (2.13) 2.5. Năng lượng dao động điện từ trong mạch dao động LC: Xét một mạch dao động điện từ LC đang hoạt động ổn định. Trong mạch dao động LC có năng lượng điện từ bao gồm năng lượng điện trường và năng lượng từ trường. 2.5.1. Năng lượng điện trường: Tích trữ trong tụ điện và có biểu thức là (2.14) 2.5.2. Năng lượng từ trường: Tích trữ trong cuộn cảm và có biểu thức là (2.15) 2.5.3. Năng lượng điện từ: Trong mạch LC bằng tổng của năng lượng điện trường và năng lượng từ trường: (2.16) Thay u và i bằng các biểu thức của chúng (đề cập ở trên) ta chứng minh được: Năng lượng điện từ của mạch dao động LC lý tưởng được bảo toàn (không đổi theo thời gian) và được tính bằng các công thức sau: (2.17)ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 14 2.6. Điện từ trường: Xung quanh một điện tích điểm Q đứng yên có một điện trường (tĩnh).  Tại điểm M cách Q đoạn r có cường độ điện trường E 9.109 Q2 r  trong đó là hằng số điện môi của môi trường đồng chất, cách điện xung quanh Q và chứa M.  Đường sức của điện trường (tĩnh) là những đường không khép kín, có chiều ra khổi điện tích dương và đi vào điện tích âm. Hình 2.3. Hình ảnh đường sức điện của điện tích âm, điện tích dương đặt xa nhau Hình 2.4. Hình ảnh đường sức điện của hai điện tích cùng dầu (trái dấu) đặt gần nhauĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 15 Xung quanh một dây dẫn thẳng có dòng điện không đổi I có một từ trường (tĩnh).  Tại một điểm M cách dây dẫn đoạn r có độ lớn cảm ứng từ B 2 .10 . 7 I r     Đường sức từ của dòng điện thẳng là những vòng tròn đồng tâm (có tâm là một điểm trên dây dân) và nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây. Đường sức từ luôn là các đường cong khép kín. Hình 2.5. Quy tắc bàn tay phải Khi điện tích Q dao động thì xung quanh Q có một điện trường biến thiên (do khoảng cách r thay đổi theo thời gian) Khi trong dây dẫn thẳng có dòng điện xoay chiều thì xung quanh dây dẫn có một từ trường biến thiên(do cường độ dòng điện trong dây biến thiên theo thời gian)ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 16 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN KHÔNG DÂY THỰC TẾ Sơ đồ khối cho hệ thống Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thốngĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 17 Với cách thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống, nhóm sẽ đưa ra 3 cấu hình thử nghiệm. Điểm khác biệt duy nhất giữa các cấu hình chính là ở mạch tạo xung kích cho IGBT. 3.1. Cấu tạo cấu hình 1. 3.1.1. Khối cấp nguồn Với thiết kế mô hình sử dụng điện 12V để cung cấp cho cả mạch điều khiển và mạch công suất, nhóm chọn bộ nguồn cung cấp có sẵn trên thị trường Input 200 240VAC50Hz, Output: 12V10A. 3.1.2. Khối tạo xung Mạch tạo xung: Sử dụng vi điều khiển PIC16F887 dùng chân CPP1 để điều chế xung với tần số có thể lập trình theo yêu cầu. Tần số này sẽ phụ thuộc vào giá trị L và C theo công thức 1 2 f  LC  . Sơ đồ kết nối được thiết kế như hình 3.2. Hình 3.2. Sơ đồ mạch tạo xung dùng 16F887 Vi xử lý 16F887 sẽ được lập trình tạo xung theo tần số, xung được xuất thông qua ngõ ra CPP1. Ở đây xung sẽ có 2 mức 1 và 0 tạo thành xung vuông, khi đó Opto sẽ hoạt động đóng mở theo xung cấp ra từ CPP1.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 18 Hình 3.3. Dạng xung xuất ra của vi xử lý Một số công thức: total on off on off out in T T T T D T V V D    ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 19 Phía công suất sẽ được dùng 4 IGBT mắc song song với nhau, tại ngõ ra ở Opto, chân G sẽ được bơm áp vào và kích dẫn – ngắt IGBT, 4 IGBT vì được mắc song song nên sẽ hoạt động cùng lúc với nhau, kết quả ta sẽ cho phép dòng điện qua cuộn dây sơ cấp L1, dòng điện này sẽ hoạt động theo điều kiện dẫn hoặc ngắt của IGBT nên ở đây ta sẽ tạo ra dc 1 vùng từ trường biến thiên xung quanh cuộn dây sơ cấp L1. Nguyên tác kích dẫn – ngắt cuộn dây sơ cấp L1 sẽ được thiết kế dựa tao nguyên tắc hoạt động của máy biến áp xung. Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý nguồn xung kiểu Flyback 3.1.3. Khối IGBT công suất Sử dụng loại IGBT thông dụng trên thị trường : 25N120 Gồm 4 IGBT mắc song song với nhau, mục đích để đảm bảo nhiệt độ hoạt động lâu dài của hệ thốngĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 20 Hình 3.5. Thông số IGBT 25N120IHL Sơ đồ nguyên lý tổng thể:ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 21ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 22 3.1.4. Cấu tạo cuộn dây phát và thu. 3.1.4.1. Cuôn dây phát Cuộn dây mạch phát được quấn theo nguyên tắc xoắn ốc: Sử dụng dây đồng 1,2mm Quấn từ tâm ra 40 vòng Độ tự cảm L sẽ được tình theo công thức sau: 2 2 (2 2.8 )105 r N L r d   (3.1) (Cuộn dây quấn xoắn ốc trên mặt phẳng) L độ tự cảm (H) r bán kính trung bình của cuộn dây (m) N số vòng dây d độ dày của lớp quấn (bán kính ngoài trừ bán kính trong) (m)ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 23 Hình 3.7. Sơ đồ cuộn dây Từ công thức (3.1) ta lựa chọn giá trị như sau:  r bán kính trung bình cuộn dây:  1 2 4 d d r   (m) (3.2) Cuộn dây sẽ được thiết kế như trên hình 3.7 sau Bảng 3.1. Thông số cuộn dây phát Các thông số Giá trị 1 2 4 d d r   d 0.01m N 40 vòng Giá trị độ tự cảmĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 24 Hình 3.8. Cuôn dây phát 3.1.4.2. Cuộn dây thu Cuộn dây mạch thu sẽ được quấn thành hình tròn để có thể thu được số lượng từ thông phát ra từ cuộn phát là nhiều nhất. Quấn theo kiểu cuộn dây nhiều lớp như hình sau:ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 25 Hình 3.9. Cuộn dây thu Độ tự cảm L sẽ được tính theo công thức sau: (3.3) L = từ dung (µH) r = bán kính trung bình của cuộn dây (in) l = chiều dài của dây quấn (in) N = số vòng d = độ dày của lớp quấn (in)ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 26 Bảng 3.2: Thông số cuộn dây thu Các thông số Giá trị 1 2 4 d d r   1.96 inch L 618.5 inch N 50 vòng d 0.39 inch Giá trị độ tự cảm Từ thông bắn qua cuộn thu: Hình 3.10. Từ thông qua cuôn dây thu 3.2. Cấu tạo cấu hình 2 Ở cấu hình 2 này, ta sẽ tạo xung bằng IC 555, mạch sẽ được thiết kế điều chỉnh được ở tần số thấp và tần số cao để có thể tùy chỉnh . Các thành phần khác giữ nguyên, chúng ta chỉ thay đổi cấu tạo của mạch tạo xung. IC555 sẽ được đấu nối như sau:ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 27 Hình 3.11. Sơ đồ kết nối IC 555 Hình 3.12. Sơ đồ kết nối IC555 để kích IGBT cho mạchĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 28 Hình 3.13. Mạch tạo xung kích với IC 555ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 29 Hình 3.14. Xung ngõ ra IC 555 3.3. Cấu tạo cấu hình 3 Cấu hình cuối này, nhóm sẽ sử dụng IC 3525 để kích cho cuộn dây, theo như lý thuyết tính toán sóng trên cuộn dây phát sẽ được gần như hình sin. Mô phỏng đo đạt ở cuộn dây phát khi không tải sẽ được như hình 3.15.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 30 Hình 3.15. Dạng sóng trên 2 đầu cuộn dây phát Cấu hình này chỉ dừng lại ở việc định hướng phát triển.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 31 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1. Thử nghiệm các loại kết cấu cuộn dây. Ở phần thực nghiệm này, nhóm nghiên cứu sẽ chọn cuộn dây phát là kiểu cuộn dây quấn xoắn ốc, cũng chính là cuộn dây dùng cho mô hình để kiểm tra tính khả thi của các cuôn dây thu. Các cuôn dây thu, sẽ được chọn cùng 1 loại dây đồng , cùng chiều dài là 1m2 để thực nghiệm. Sau khi quấn xong, các cuộn dây sẽ được đấu nối tiếp với điện trở 500Ω cùng với Led hiển thị. Các cách quấn dây thu được kết quả như sau: 4.1.1. Cuôn dây quấn thành vòng tròn xếp lên nhau không cùng nằm trên 1 mặt phẳng (D=3.5cm) Hình 4.1. Cuộn dây tròn D = 3.5cmĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 32 Kết quả thực nghiệm trên cuộn dây Bảng 4.1: Bảng khảo sát hiệu năng cuộn dây quấn tròn không cùng nằm trên một mặt phẳng (D=3.5cm) Cách quấn dây Khoảng cách (cm) Điện áp (ACV) Dây quấn tròn không cùng nằm trên một mặt phẳng D=3.5cm 0.5 0.01 1.0 0.01 1.5 0.00~0.01 2.0 0.00 2.5 0.00 3.0 0.00ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 33 Hình 4.2. Kết quả thực nghiệm cuộn dây quấn tròn D = 3.5cm 4.1.2. Cuôn dây quấn thành vòng tròn xếp lên nhau k cùng nằm trên 1 mặt phẳng (D=6.5cm) Hình 4.3. Cuộn dây tròn D = 6.5cm Kết quả thực nghiệm trên cuộn dây Bảng 4.2: Bảng khảo sát hiệu năng cuộn dây quấn tròn không cùng nằm trên một mặt phẳng (D=6.5cm)ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 34 Cách quấn dây Khoảng cách (cm) Điện áp (ACV) Dây quấn tròn không cùng nằm trên một mặt phẳng D=6.5cm 0.5 0.04 1.0 0.04 1.5 0.03~0.04 2.0 0.01~0.02 2.5 0.01 3.0 0.05 3.5 0.00 Hình 4.4. Kết quả thực nghiệm cuộn dây quấn tròn D = 6.5cmĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 35 4.1.3. Cuộn dây quấn xoắn ốc (r = 0.5cm) Hình 4.5. Cuôn dây quấn xoắn ốc với r = 0.5cm Kết quả thực nghiệm trên cuộn dây Bảng 4.3: Bảng khảo sát hiệu năng cuộn dây quấn xoắn ốc (R = 0.5cm) Cách quấn dây Khoảng cách (cm) Điện áp (ACV) Dây quấn xoắn ốc 0.5 0.01 1.0 0.00~0.01ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 36 R=0.5cm 1.5 0.00 2.0 0.00 2.5 0.00 3.0 0.00 3.5 0.00 Hình 4.6. Kết quả thực nghiệm cuôn dây quấn xoắn ốc với r = 0.5cmĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 37 4.1.4. . Cuộn dây quấn xoắn ốc (r = 3.5cm) Hình 4.7. Cuôn dây quấn xoắn ốc với r =3.5cm Kết quả thực nghiệm trên cuộn dây Bảng 4.4: Bảng khảo sát hiệu năng cuộn dây quấn xoắn ốc (R = 3.5cm) Cách quấn dây Khoảng cách (cm) Điện áp (ACV) Dây quấn xoắn ốc 0.5 0.04 1.0 0.04ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 38 R=3.5cm 1.5 0.03~0.04 2.0 0.03 2.5 0.02 3.0 0.01 3.5 0.01 Hình 4.8. Kết quả thực nghiệm cuôn dây quấn xoắn ốc với r = 3.5cmĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 39 4.1.5. Cuộn dây quấn hình trụ tròn Hình 4.9. Cuộn dây quấn hình trụ tròn Kết quả thực nghiệm trên cuộn dây Bảng 4.5: Bảng khảo sát hiệu năng cuộn dây quấn trụ tròn Cách quấn dây Khoảng cách (cm) Điện áp (ACV) Dây quấn hình trụ tròn 0.5 0.01 1.0 0.01 1.5 0.00~0.01 2.0 0.00ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 40 2.5 0.00 3.0 0.00 3.5 0.00 Hình 4.10. Kết quả thực nghiệm cuộn dây quấn trònĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 41 4.1.6. Kết luận thử nghiệm các cách quấn dây. Theo như kết quả đạt được ta có các kết luận sau:  Cuộn dây phát nên chọn cách quấn sao cho từ thông phát ra là đều và đạt được đỉnh cao nhất => Sau khi thử nghiệm nhóm nghiên cứu kết luận cách quấn dây cuộn phát chọn cách quấn xoắn ốc để cho từ trường xung quanh là đều nhất ở tất cả vị trí  Cuộn dây thu có thể chọn 1 trong 2 cách quấn tròn , hoặc quấn xoắn ốc tròn (rỗng tâm), qua thử nghiệm, cuộn dây xoắn ốc tròn rỗng tâm sẽ cho hiệu năng cao nhất và khoảng cách tiếp nhận từ thông sẽ lớn nhất  Chiều dài dây không đổi, nếu tăng đường kính vòng dây thì từ thông thu được sẽ nhiều hơn. Nhưng nếu tăng quá lớn sẽ không thể đáp ứng được và sẽ không tạo ra được từ trường mắc vòng để tạo ra dòng điện. 4.2. Thử nghiệm sự liên quan của tần số đến việc truyền điện không dây Ở bước thử nghiệm này, nhóm nghiên cứu sẽ sử dụng cuộn dây quấn xoắn ốc để ở phía phát. Ở phía cuộn thu ta sẽ sử dụng cuộn dây quấn tròn 50 vòng đường kính 10cm để thu. Khoảng cách giữa cuộn dây khoảng 22cm. Hình 4.11. Thử nghiệm liên hệ giữa tần số và điện ápĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 42 Bảng 4.6: Bảng số liệu tính toán sự liên hệ giữa tần số f và điện áp V Tần số f (kHz) Điện áp (V) 5 0.3 11 0.5~0.6 15 0.9~1.0 20 1.1~1.2 30 1.2 33 1.2 34 1.1 40 1.1 50 1.0 60 0.8 70 0.5ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 43 Hình 4.12. Thử nghiệm thực tần số 50kHz Hình 4.13. Thử nghiệm thực tần số 40kHzĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 44 Hình 4.14. Thử nghiệm thực tần số 30kHz Kết luận: Theo như kết quả đạt được, chúng ta sẽ thấy tần số sẽ ảnh hưởng đến hiệu năng của việc truyền không dây. Nhưng ở đây tần số không tỷ lệ với điện áp theo một hàm tỷ lệ thuận, mỗi cuộn dây khác nhau sẽ có một tần số truyền khác nhau, nó khiến chúng ta nhớ lại về kiến thức về mạch dao động LC, và được gọi là tần số cộng hưởng của cuộn dây. Ứng với tần số để đạt được điện áp cao nhất đó chính là tần số cộng hưởng. Việc truyền điện không dây nếu ở tần số thấp dưới 1 kHz hầu như không thể nhận được điện áp ở cuộn thu. Tần số càng cao sẽ ảnh hưởng đến việc khoảng cách truyền và nhận được. Nhưng sẽ phụ thuộc vào cách quấn dây của cuộn phát và thu. Lý do này được ấn định bởi lý thuyết sinh ra từ trường xung qua cuộn dây.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 45 4.3. Các vật chất cản trở việc truyền điện không dây. Ở vấn đề thí nghiệm này, ta vẫn sử dụng cuộn dây phát và thu như ở thực nghiệm f và U Bảng kết quả đạt được như sau: Bảng 4.7: Kết quả thử nghiệm sự ảnh hưởng của các loại vật chất Loại vật chất cản trở Sự thay đổi Giấy Không Gỗ Không Sắt Không Nhôm Không Nhựa (Mica) Không Nước Không Nam châm Có Cơ thể con người Không Kết luận: Theo bảng trên, ta nhận thấy được hầu như truyền điện không dây có thể truyền ổn định trong môi trường bình thường. Khi đặt một vật có từ tính cao vào giữa 2 cuộn dây thu và phát ta sẽ làm biến đổi từ trường sinh ra xung quanh cuộn dây thu và dẫn đến từ trường sinh ra trong cuộn dây thu sẽ bị thay đổi,ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 46 Hình 4.15. Sự ảnh hưởng của nam châm với cuộn dây Vậy vấn đề đặt ra, nếu đặt thêm một từ trường nam châm vào giữa khu vực truyền điện theo một chiều hướng hỗ trợ thêm thì hiệu suất có tăng hoặc không. Hoặc khoảng cách truyền tải có được tăng lên không. Vấn đề này sẽ được nghiên cứu ở bài viết nghiên cứu lần sau.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 47 4.4. Hiệu suất đạt được của mô hình thử nghiệm 4.4.1. Thiết kế mô hình 4.4.1.1. Thiết kế ban đầu: Hình 4.16. Mô hình thực tế 1 Kết quả đạt được: Có thể sạc vào cho điện thoại di động với áp đầu vào là 5 volt với dòng 0.15A, ổn định trong suốt quá trình sạc. Hình ảnh thực tế khi cắm vào cho đèn bàn:ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 48 Hình 4.17. Truyền điện không dây cho đèn bàn học Ở mô hình này, nhóm áp dụng cấu hình lập trình kích xung bằng vi xử lý. Vấn đề lớn nhất xảy ra ở đây chính là nhiễu. Khi kích xung, mạch vi xử lý bị nhiễu, tần số cấp ra không chính xác như lập trình. Tần số nhiễu khác biệt khá lớn so với tần số lập trình. Bên phía công suất, khi chạy kích dẫn 4 IGBT song song với nhau, ta sẽ nhận thấy có 1 IGBT nóng hơn rất nhiều so với 3 con IGBT còn lại, mặc dù 4 IGBT cùng mắc song song với nhau. Khi do xung kích ở trên oscilloscope, xung chân kích bị nhiễu tác động nhiều nên không thể do được. Khi chạy IGBT, xuất hiện tiếng rè rất to, và sự sụt áp mạnh của nguồn (24V xuống còn 16V). Khi thay đổi tần số bằng cách đẩy xung ra chân CPP1 thì ta sẽ nhận thấy được tần số không tác động tới điện áp ra trên cuộn dây thu. Lý do chính là mạch kích dẫn chạy theo tần số nhiễu. Nên nếu muốn áp dụng mạch này vào thực tế cần phải xử lý việc nhiễu. Ở phần này, nhóm đã lọc nhiễu thành công cho 4 chân kích IGBT, 4 IGBT đã hoạtĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 49 động đồng thời, nhiệt độ 4 IGBT như nhau, và không xuất hiện tiếng rít. Nguồn vẫn còn hiện tượng sụt áp nhưng thấp hơn 20V ~ 24V. Nhưng khi do tần số ra ở mạch vi xử lý, vẫn không chính xác như lập trình, với một sai số khá lớn. 4.4.1.2. Thiết kế mô hình hoàn thiệnĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 50ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 51ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 52ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 53 Ở mô hình sau này, nhóm dùng cấu hình mạch kích sử dụng IC 555. Hiệu năng hơn hẵn so với sử dụng vi xử lý. Và kèm theo yếu tố khá quan trọng là giá thành khi sử dụng IC 555 là rẽ hơn rất nhiều khi dùng vi xử lý. Hiện tượng nhiễu vẫn còn xuất hiện, nhưng khi sử dụng các cuộn dây lọc nhiễu, thì hầu như không xuất hiện nhiễu trong mạch Tần số xuất ra so vs tần số tính toán chỉ sai số rất bé ±5%. 4.4.2. Hiệu suất 4.4.2.1. Bộ sạc cho mô hình. Mạch phát: Cuộn phát được kích với tần số cộng hưởng 8.5 kHz cho các thông số như sau: f = 8.5 kHz U1 = 12.0V I1 = 0.62A Hình 4.18. Dạng sóng tại chân G của IGBTĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 54 Hình 4.19. Số liệu đo đạt của cuộn phát Mạch thu: Dòng sạc vào pin thu được như sau, khoảng cách giữa 2 cuộn thu – phát là 5cm.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 55 Hình 4.20. Dạng sóng ở 2 đầu cuộn thu Hiệu suất: Pthu = 4.16 0.3 = 1.24 (W) Pphát = 12 0.62 = 7.44 (W) ∆P = 7.44 – 1.24 = 6.2 (W) H = thu phat P P  16.6% Hiệu suất thu được ở mô hình còn khá thấp. Lý do chính ở đây là nằm ở thiết kế các cuộn dây thu và phát không đạt. Kết cấu của cuộn dây phát được thiết kế cho phù hợp với mô hình nên số vòng, cách quấn không phải là tối ưu nhất. Ngoài ra chính là vì cách truyền điện sử dụng nguyên tắc cảm ứng từ trường, khiến tổn hao khá nhiều khi đặt khoảng cách xa.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 56 4.4.2.2. Mô hình đang phát triển Những hình ảnh ban đầu của kế hoạch phát triển đề tài. Cuộn dâyĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 57 Hình 4.21. Cuộn dây dự kiến áp dụng truyền với điện áp 220V Thử nghiệm ban đầu : Nhóm vẫn sử dụng bộ nguồn 12V để kiểm tra kết quả cuộn dây, và sau đây là kết quả thu được.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 58 Hình 4.22. Thử nghiệm với quạt 12V khoảng cách 20cmĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 59 Hình 4.23. Số lệu đo được với thử nghiệm quạt 12VĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 60 MỞ RỘNG CHỨC NĂNG CHO PHÙ HỢP THỰC TẾ Trong bộ điều khiển, nhóm sẽ tích hợp thêm chức năng quẹt thẻ từ. Khi xe tới trạm sạc, tài xế sẽ dùng thẻ để kích hoạt bộ sạc. Bộ sạc sẽ được lập trình khởi động sao cho đủ thời gian sạc sẽ tự ngắt. Sản phẩm hoàn thành: MẠCH RFID + LCD HIỂN THỊ ĐIỀU KHIỂN BẰNG ARDUINOĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 61 Hình 4.24. Mạch RFIDĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 60 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1. Kết luận Sau 5 tháng nghiên cứu, nhóm đã hoàn thành được mục tiêu đặt ra là truyền được năng lượng không dây. Nhưng trước hết, hiệu suất và năng lượng truyền tải vẫn chưa cao, trong khi các nghiên cứu của nước ngoài đã thành công truyền tải được một lượng năng lượng khá lớn, về vấn đề này nhóm sẽ tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong thời gian tới. Còn khá nhiều tài liệu và báo cáo nhóm vẫn chưa thể tìm hiểu hết được trong khoảng thời gian hạn chế này. Các cấu hình sử dụng ở trong đề tài nghiên cứu này, đã chỉ cho thấy được điểm mạnh, điểm yếu của từng cách áp dụng. Nhưng trước hết phải kể đến phương pháp áp dụng việc truyền tải điện không dây, ở đây nhóm sử dụng phương pháp cảm ứng từ trường nên phạm vi sẽ giới hạn. Khi nghiên cứu về phương pháp này, nhóm nghiên cứu phát hiện ra còn có những cách khác để tăng hiệu suất làm việc. Để có thể đạt được hiệu suất tốt nhất, nhóm đã tiếp tục đầu tư cho các thiết bị nghiên cứu. Lên kế hoạch nghiên cứu từng bước một, tất cả thành viên đều mong chờ một kết quả tốt hơn nữa. Về việc áp dụng thực tế, đề tài nghiên cứu này hoàn toàn có thể áp dụng được ngay vào thực tế ứng với việc sạc không dây cho các thiết bị nhỏ như sạc các thiết bị di động, hơn nữa nếu áp dụng cấu hình 2 vào sử dụng thì giá thành khá rẽ. Nhưng khi muốn áp dụng cho một phương tiện lớn, và cần một công suất truyền tải lớn, nhóm sẽ phải nghiên cứu tính toán phát triển hơn vì khi áp dụng thực tế sẽ có rất nhiều vấn đề xảy ra, như nhiễu, nhiệt độ hoạt động, và hơn hết là hiệu suất hoạt động.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 61 5.2. Hướng phát triển. 5.2.1. Mục tiêu trước mắt Nhóm nghiên cứu đang tập trung phát triển hệ thống truyền điện không dây với điện áp cao hơn 220V 50Hz. Tìm hiểu thêm các tài liệu để có những công thức có thể tính toán chính xác mà không phải thực nghiệm nhiều để tối ưu hóa thời gian thực hiện. Với nguyên tắc cảm ứng từ này, nhóm sẽ nghiên cứu phương pháp cảm ứng từ cộng hưởng để tối ưu hóa hiệu suất và khoảng cách truyền. 5.2.2. Mục tiêu lâu dài Còn có những cách khác để truyền tải điện không dây, theo như báo cáo nghiên cứu của các nước trên thế giới đều chứng minh được rằng khoảng cách truyền điện khá xa. Nhưng mỗi cách đều sẽ có những ứng dụng nhất định. Mục tiêu của nhóm đặt ra là có thể dễ dàng áp dụng cho thực tế hiện tại, đơn giản như sạc cho xe, điện thoại, máy tính,.v.v.. và mục tiêu đó nhóm hướng đến việc áp dụng cho ngôi nhà thông minh. Một ngôi nhà mà không cần bất cứ một sợi dây dẫn điện để kết nối các thiết bị với nhau, ngôi nhà mà chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng điện mọi lúc mà không gây nguy hiểm cho người sử dụng. Đây chính là mục tiêu sẽ phát triển trong tương lai của nhóm, và nhóm tin chắc phương pháp cảm ứng từ trường chính là cách thức truyền tải điện không dây hiệu quả nhất cho ứng dụng này.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 66 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: MẠCH RFID, CHƯƠNG TRÌNH SỬ DỤNG CHO RFIDĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 67ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 68 Chương trình lập trình điểu khiển : include SPI.h include MFRC522.h include LiquidCrystal lcd(2, 3, 4, 5, 6, 7); boolean ledStatus = 0; define SS_PIN 10 define RST_PIN 9 define SP_PIN 8 define LED_PIN A0 define LOA A5 MFRC522 rfid(SS_PIN, RST_PIN); MFRC522::MIFARE_Key key; void setup() { Serial.begin(9600); SPI

Định dạng
Số trang	107
Dung lượng	10,4 MB