ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG CHO CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ

1.1. Giới thiệu chung về công nghệ truyền điện không dây. Truyền điện không dây là công nghệ truyền năng lượng cao từ điểm này đến điểm khác mà không cần dây dẫn. Truyền năng lượng không dây, về cơ bản khác với truyền thông tin không dây trong viễn thông (như radio, TV, Rada, Mobiphone…), ở đó thông tin được biến điệu truyền đi mọi hướng, tín hiệu có trong một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở đầu thu thường rất nhỏ (cỡ nW đến µW)… còn trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây thì độ lớn công suất và hiệu suất truyền năng lượng là quan trọng nhất, năng lượng chỉ truyền theo một chiều xác định.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG

CHO CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ

Giảng viên hướng dẫn : TH.S NGUYỄN THỊ ĐIỆP

Sinh viên thực hiện : TRẦN VĂN HƯNG

Trong thời gian những năm gần đây, công nghệ truyền điện không dây đượcnghiên cứu và phát triển nhằm mang lại các tiện nhiều lợi ích cho người sử dụng điệnnăng trong khoảng cách gần Công nghệ truyền điện không dây với tính năng sử dụngnăng lượng sạch, an toàn, tiện lợi,… có thể ngày càng được ưa chuộng thay thế cho một

số dây dẫn ngắn như: sạc điện thoại, dây cắm tivi, dây dẫn tới bóng đèn, dây cắm quạttreo tường, sạc điện cho ôtô Bước đầu công nghệ này đã đem lại một số thành côngnhất định

Mặc dù công nghệ sạc không dây vẫn còn nhiều điểm cần khắc phục để có thể trởnên phổ biến và ứng dụng cho hầu hết các thiết bị điện Tuy nhiên đây vẫn là một côngnghệ mới, có ứng dụng thực tiễn cao Hiện nay, Mặt khác công nghệ sạc công nghệtruyền điện không dây đã được nghiên cứu và phát triển với nhiều sản phẩm trên thịtrường,, đặc biệt là các sử dụng cho các thiết bị điện tử như sạc điện thoại, cấp điện chotivi, bình nóng lạnh, … Các thiết bị trong công nghiệp như cấp điện cho robot, xe tựhành… Một ứng dụng nổi bật nữa là sạc điện cho ô tô điện, xe đạp điện, xe bus điện

Năng lượng Hhóa thạch sẵn có đang ngày càng cạn kiệt và chúng ta đang hạn chếdùng chúng trên toàn thế giới., cCác thiết bị sạc tích trữ điện như pin, ắc quy bị hỏng vứthằng năm ngày càng một nhiều gây ô nhiễm môi trường., điều Điều đó đã thúc đẩy pháttriển các thiết bị sử dụng năng lượng điện, giảm thiểu các thiết bị tích trữ năng lượng.Một trong những ứng dụng đang được nghiên cứu phát triển mạnh là sử dụng công nghệtruyền điện không dây để sạc cho ô tô điện, xe đạp điện, xe bus điện xe điện, các thiết bịđiện tử phát triển không ngừng

Công nghệ này tuy còn mới ở Việt Nam nhưng chắc chắc trong tương lai không xachúng ta sẽ làm chủ được công nghệ này Với vai trò là sinh viên tự động hoá, việcnghiên cứu công nghệ này là cần thiết và có thể sẽ phục vụ cho công việc sau này

Từ những nhu cầu và ý nghĩa trên, chúng em đã lựa chọn đồ án tốt nghiệp với nội

dung: “Nghiên cứu, thiết kế hệ bộ truyền điện không dây ứng dụng cho các thiết bị điện tử” Trong đó đồ án giới thiệu về công nghệ truyền điện không dây đang được

nghiên cứu hiện nay, tập trung trình bày một số phương pháp và nguyên tắc hoạt động.Bên cạnh đó, đồ án cũng tìm hiểu về công nghệ truyền điện không dây (WPT), xây dựng,thiết kế và thử nghiệm thành công một mô hình hệ truyền điện không dây thực tế

Đề tài có nhiệm vụ chính là:

2 Tính toán, thiết kế hệ truyền điện không dây (mạch lực và mạch điều khiển)

3 Mô phỏng và thực nghiệm

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Công nghệ tự động, đặc biệt là

cô giáo ThS Nguyễn Thị Điệp đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện để em hoàn thành

đồ án này Do thời gian và kiến thức có hạn, nên đồ án còn nhiều thiếu sót, em mong nhận được sự góp ý quý báu từ thầy cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Sinh viên thực hiện

Trần Văn Hưng

NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

NHẬN XÉT (Của hội đồng phản biện) ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY 1

1.1 Giới thiệu chung về công nghệ truyền điện không dây 1

1.2 Phân loại các phương pháp truyền điện không dây 6

1.3 Lịch sử phát triển và thành tựu 9

1.4 Các ứng dụng của truyền điện không dây 10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 12

2.1 Cấu trúc chung 12

2.2 Cơ sở lý thuyết cơ bản 13

2.3 Thiết kế khớp nối cộng hưởng 17

2.3.1 Thiết kế cuộn dây truyền và nhận 17

2.3.2 Thiết kế mạch bù 18

2.4 Thiết kế mạch công suất 25

2.4.1 Mạch phía phát sử dụng chỉnh lưu cầu 1 pha 25

2.4.2 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng 1 pha sơ đồ cầu 28

2.4.3 Giới thiệu về một số linh kiện sử dụng trong mô hình: 32

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 37

3.1 Thiết kế mạch phát 37

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 41

4.1 Kết quả mô phỏng 41

4.1.1 Sơ đồ mô phỏng 41

4.1.2 Kết quả mô phỏng 41

4.2 Kết quả mô hình 42

4.2.1 Hình ảnh mạch thực tế 42

4.2.2 Kết quả đo mạch thực tế 42

4.3 Nghiệm thu kết quả nghiên cứu 43

4.3.1 Đánh giá ảnh hưởng của vật cản trong vùng truyền điện 43

4.3.2 Thực trạng của vấn đề nghiên cứu 44

4.3.3 Đề xuất hướng nghiên cứu mới 44

4.4 Kết luận và kiến nghị 45

Hình 1.1 Mô hình truyền điện không dây sử dụng cho các thiết bị điện 1 Hình 1.2 Nguyên tắc cơ bản truyền điện không

dây 3

Hình 2.1 Cấu trúc chung của hệ thống truyền điện không dây ………12 Hình 2.4 Hệ thống cuộn dây và tụ 18 Hình 2.5 Nguyên lý cơ bản thiết kế hệ thống điện không

Hình 2.12 Mô phỏng mạch chỉnh lưu trên

multisim 41

Hình 4.3 Kết quả thực nghiệm 42 Hình 4.4 Đồ thị điện áp đầu ra 42

Bảng 1 Phân loại các phương pháp truyền điện không dây 8

Bảng 2 Giá trị tụ bù phía sơ cấp 24

Bảng 3 Bảng màu điện trở 36

Bảng 4 Các linh kiện sử dụng trong mạch phát 38

Bảng 5 Các linh kiện sử dụng trong mạch thu 39

Bảng 6 Kết quả biên độ sóng 43

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu chung về công nghệ truyền điện không dây.

Truyền điện không dây là công nghệ truyền năng lượng cao từ điểm này đến điểmkhác mà không cần dây dẫn

Truyền năng lượng không dây, về cơ bản khác với truyền thông tin không dâytrong viễn thông (như radio, TV, Rada, Mobiphone…), ở đó thông tin được biến điệutruyền đi mọi hướng, tín hiệu có trong một dải tần xác định, công suất tín hiệu ở đầu thuthường rất nhỏ (cỡ nW đến µW)… còn trong lĩnh vực truyền năng lượng không dây thì

độ lớn công suất và hiệu suất truyền năng lượng là quan trọng nhất, năng lượng chỉtruyền theo một chiều xác định

Hình 1.1 Mô hình truyền điện không dây sử dụng cho các thiết bị điện.

Ý tưởng về truyền tải điện năng đã được đưa ra từ đầu năm 1900 bởi nhà phát

minh người Serbi, Nikola Tesla, trước khi lưới điện được phổ biến rộng rãi Ngay từ những năm này, “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 ở đầu cuối.

Tuy nhiên sau 17 năm xây dựng (1900-1917), dự án tháp đã bị đình chỉ, bị rút nguồn tài trợ của JP Morgan vì họ phát hiện ý đồ thật sự của Tesla không phải xây dựng tháp viễn thông.

Mơ ước của Tesla xuất phát từ sáng chế trước đó của ông, cuộn dây Tesla (Tesla coil), một phát minh mang tính cách mạng so với thời đại Tesla đã phát triển những cuộn dây đặc biệt này vào năm 1891, trước khi người ta sử dụng những chiếc máy biến áp truyền thống để cung cấp điện cho mọi thứ như hệ thống chiếu sáng đến các mạch điện thoại Những biến áp thông thường không thể chịu được tần

số cao và điện áp cao mà các cuộn dây trong phát minh của Tesla có thể chịu đựng được.

Một cuộn dây Tesla bao gồm hai phần: một cuộn dây sơ cấp và một cuộn thứ cấp, và mỗi cuộn dây có tụ điện riêng Hai cuộn dây và tụ điện được nối với nhau bằng một khe đánh lửa - một khoảng cách giữa hai điện cực để tạo ra tia lửa điện.

Về cơ bản, các cuộn dây Tesla là hai mạch điện mở kết nối với một khe đánh lửa Một cuộn dây Tesla cần một nguồn điện cao áp Một nguồn điện được cung cấp thông qua một biến áp có thể sản xuất một dòng điện với cường độ cần thiết (ít nhất hàng ngàn Vôn)

Nguồn điện được nối với cuộn dây sơ cấp Tụ điện của cuộn dây chính hoạt động như một miếng bọt biển thấm hút các điện tích Cuộn dây sơ cấp tự nó phải có khả năng chịu đựng điện tích rất lớn và sóng điện, do đó chúng thường được làm bằng đồng - một loại dây dẫn điện tốt Các tụ điện được tích tụ nhiều điện tích đến mức kháng không khí trong khe đánh lửa Sau đó, dòng điện đi ra khỏi tụ điện đi xuống cuộn dây chính và tạo ra từ trường

Năng lượng lớn khiến cho từ trường sụt giảm nhanh chóng, tạo ra dòng điện trong cuộn thứ cấp Điện áp bị nén qua không khí giữa hai cuộn dây tạo ra tia lửa ở khe đánh lửa Năng lượng bao phủ giữa hai cuộn dây và tích tụ ở cuộn thứ cấp, tụ điện Điện tích trong tụ điện thứ cấp lên cao và thoát ra dưới dạng hồ quang điện Với điện áp tần số cao có thể thắp sáng bóng đèn huỳnh quang cách xa vài bước chân mà không cần dây điện kết nối.

Nguyên tắc cơ bản của cuộn dây Tesla chính là hiện tượng cộng hưởng, cộng hưởng xảy ra khi cuộn dây chính bắn dòng điện vào cuộn dây thứ cấp đúng thời điểm để tối đa hóa năng lượng chuyển vào các cuộn dây thứ cấp Ngày nay cuộn dây Tesla không còn được ứng dụng thực tế nhiều nữa, song phát minh của Tesla đã làm nên cuộc cách mạng về cách hiểu và sử dụng điện năng.

Hình 1.2 Nguyên tắc cơ bản truyền điện không dây

Từ những suy luận đó của Nikola Tesla, đã có nhiều công trình nghiên cứu, cũng như mô hình về công nghệ truyền điện không dây trong thời hiện đại:

Năm 1961 Brown đã đăng bài báo đầu tiên đề xuất việc truyền năng lượng bằng vi ba Ba năm sau (1961) ông đã trình diễn mô hình máy bay trực thăng thu năng lượng từ chùm tia vi ba để bay ở tần số 2,45 GHz trong dải tần dành cho các

ứng dụng về công nghiệp, nghiên cứu khoa học và y tế, chúng ta gọi là băng tần ISM (Industry, Science, and Medical) Việc thử nghiệm truyền không dây với công suất vài chục kW đã được thực hiện.

Năm 2001, công ty Splashpower ở Anh đã sử dụng Tháp Wardenclyffe do Nikola Tesla xây dựng các cuộn dây cộng Hưởng trong một mặt phẳng để truyền hàng chục Watt vào các thiết bị khác nhau bao gồm cả đèn chiếu sáng,điện thoại di động, PDA, iPod,

Năm 2004 phương thức truyền công suất cảm ứng đã được sử dụng khá rộng rãi cho nhiều công đoạn khác nhau, doanh thu đạt khoảng 1 tỷ USD đối với các lĩnh vực bán dẫn, LCD và chế tạo màn hình plasma.

Năm 2006, các nhà vật lý ở Viện Công nghệ Massachussetts, Mỹ (Massachussetts Institute of Technology, MIT) đã giả định một cách để loại trừ

những khó khăn này bằng cách sử dụng các sóng điện từ "phù du" không phát xạ.

Các sóng này thường được sản sinh cùng với các sóng được sử dụng trong truyền thông không dây hiện nay, nhưng lại phân rã rất nhanh khi chúng phát ra khỏi ăng ten Marin Soljacic và các đồng nghiệp cho rằng nếu máy thu có thể cộng hưởng với

máy phát, "trường phù du" sẽ cảm ứng một dòng điện Bằng cách này, vật không

cộng hưởng được đặt trong trường hoặc là sẽ ngắt tín hiệu hoặc sẽ hấp thụ hầu hết năng lượng sinh ra bởi trường.

Năm 2007, nhóm của Soljacic đã tiến hành thử nghiệm ý tưởng này Dùng lý thuyết đã công bố, họ tạo ra một cặp ăng ten bằng đồng có dạng các vòng Một được nối với hệ thống cấp điện trong khi chiếc còn lại được nối với bóng đèn 60 W đặt cách đó 2 m Khi họ cho một dòng điện xoay chiều chạy qua, nó tạo ra một từ trường và liên kết cộng hưởng với cuộn thứ hai, do đó cảm ứng ra một dòng điện Nhóm của MIT khẳng định rằng dòng điện này có thể thắp sáng bóng đèn với hiệu suất chuyển tải tới 40%, đúng như lý thuyết của họ đã giả định.

Năm 2007, một nhóm nghiên cứu do giáo sư Marin Soljacic ở MIT đã truyền năng lượng không dây để thắp sáng một đèn điện 60W với hiệu suất 40% với khoảng cách 2m, sử dụng hai cuộn dây có đường kính 60 cm, nhóm đã phát triển lý thuyết truyền năng lượng không dây tường minh hơn.

Năm 2008 Intel đã lặp lại các thí nghiệm của Tesla trong năm 1894 và của giáo sư John Boys trong năm 1988 bằng cách cấp điện không dây cho một bóng đèn

ở cự ly gần với hiệu suất đạt 75%.

Năm 2010 tập đoàn Haier biểu diễn TV với màn hình LCD hoàn toàn không dây đầu tiên trên thế giới tại hội chợ CES 2010 trên cơ sở các nghiên cứu của nhóm của giáo sư Marin Soljacic ở MIT về WPT và giao diện số không dây trong nhà.

Tháng 3 năm 2015, các nhà khoa học Nhật Bản đã thực hiện được một bước đột phá trong việc truyền tải năng lượng điện không dây Đây có thể coi là tín hiệu đáng mừng, mở ra khả năng sản xuất điện từ ngoài vũ trụ bằng năng lượng mặt trời

và truyền về trái đất Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng sóng viba để cung cấp 1,8 kW (đủ để chạy một ấm đun nước điện) - qua không khí tới một mục tiêu được chỉ định ở khoảng cách 55 mét (170 feet).

Như vậy có thể thấy, phần lớn các hệ thống truyền năng lượng không dây trườnggần dựa trên nguyên lý cảm ứng từ và cảm ứng điện từ Về sau công nghệ truyền nănglượng 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 chíthiết kế đến cỡ GW) từ vũ trụ về bề mặt trái đất

Các dạng năng lượng không dây:

 Điện không dây: Truyền tải điện năng không dây là cách truyền tải năng lượng

điện từ một nguồn điện với một thiết bị tiêu thụ mà không cần sử dụng dâydẫn Đó là một thuật ngữ chung dùng để chỉ một số công nghệ truyền tải điện khácnhau mà sử dụng điện từ trường biến thiên theo thời gian Truyền không dây rất

hữu ích cho các thiết bị điện trong trường hợp sử dụng dây kết nối là bất tiện, nguyhiểm hoặc bất khả thi Trong truyền tải điện năng không dây, một thiết bị truyềnkết nối với một nguồn năng lượng, chẳng hạn như các đường dây điện nguồn,truyền điện bằng điện từ trường trên một không gian can thiệp để một hoặc nhiềuthiết bị thu, nơi nó được chuyển đổi trở lại thành điện và sử dụng điện.

 Vệ tinh năng lượng mặt trời: Vệ tinh thu năng lượng (SPS) là một khái niệm nhận

năng lượng mặt trời trong không gian và sau đó truyền tới bề mặt trái đất bằngsóng siêu cao tần Tại nơi nhận, năng lượng của sóng siêu cao tần được chuyển đổithành điện năng để sử dụng Mô hình hệ thống SPS bao gồm mặt trời, vệ tinh, bộphát sóng vi ba công suất và rectenna thu nhận chùm tia công suất vi ba Cơ sở của

ý tưởng SPS là sự thu nhận năng lượng mặt trời trong quỹ đạo và truyền nó về mặtđất bằng sóng vi ba, chùm tia laser hay một phương pháp khác nào đó Trong phầnnày ta chỉ bàn về truyền năng lượng dùng sóng vi ba Trong trường hợp này, đầutiên năng lượng mặt trời được chuyển thành điện năng, sau đó năng lượng điệnđược chuyển thành sóng viba Ở nơi nhận sóng vi ba được chuyển đổi trở lại thànhnăng lượng điện Anten chỉnh lưu nhận sóng vi ba trên mặt đất được gọi làrectenna Rectenna nhận sóng vi ba chuyển đổi thành năng lượng điện và sau đóhòa vào mạng lưới

- Tần số:125kHz,13.56kHz

- Cảm ứng điện từ dùng để chỉ 1 từtrường mà tạo ra dòng mới Một bảng sạccho phép tạo ra một từ trường để nạp.Sau đó, môt cộn dây thứ 2 trong một thiết

- Tiêu chuẩn: tiêu chuẩnWPC

- Sử dụng: điện thoạithông minh, máy tínhbảng

- Giá thành: thấp

- Hạn chế: khoảng cáchtruyền ngắn

bị cảm ứng sạc pin cho nó

- Hiệu quả truyền tải điên hơn 90% vàcông nghệ không được coi là có hại chocon người Tuy nhiên, khoảng cáchtruyền dẫn là ngắn

- Hiện nay tiêu chuẩn hóa và áp dụng chosmatphone hay máy tính bảng

- Giai đoạn phát triển:

đang được phát triển

- Tiêu chuẩn: N/A

- Sử dụng RFID, cảm biếnnhỏ

- Hạn chế: có hai đối vớicon người

- Căn cứ vào bức xạ điên từ, công nghệnày có thể truyền tải lên đến 10m, nhưng

nó kém hiệu quả do tính chất đa hướngcủa nó Nâng cao sản lượng để bù đắpthiếu sót này có thể gây hại cho cơ thểcon người

- Như vậy, nó chỉ thích hợp cho các ứngdụng như các mạng cảm biến không dây(WSN) và cảm biến (USN) tiêu thụ mứcnăng lượng thấp

Khớp

- Khoảng cách: một vàimét

- Tần số: 10MHz

- Gía: giá hợp lý

- Hạn chế: kích thước củacuộn dây cần phải được

- Công nghệ này cho phép một cuộn dâyphát một từ trường với tần số cộng hưởng

và sau đó truyền năng lượng cho mộtcuôn dây nhận với cùng tần số cộnghưởng

- Công suất cố thể được truyền ngay cả

giảm với nhửng trở ngại giữa máy phất và máy

thu Không giống như các bức xạ điện từ,

nó không được coi là có hại cho cơ thểcon người

- Công nghệ này được phát triển bởiMarin Soliacic tại MIT vào năm 2007 vàđươc chọn là 1 trong những tương laicông nghệ hang đầu của MIT Mặc dù nỗlực để thương mai hóa công nghệ này,nó

đã được xem là ít hiệu quả so với phiênbản khác của của công nghệ truyền dẫn

và khó khan để thực hiện trên quy mônhỏ hơn Tuy nhiên, những tiến bộ vềmặt kỹ thuật đã sẵn sang cho việc thươngmai hóa

- Hiệu quả của nó là khoảng 50% ở độcao 2m, nếu được cài đặt trong các phòng

cá nhân, các thiết bị di động có thể đượcsạc liên tục

Song

cực

ngắn

- Khoảng cách lên đến100km

- Tần số: một vài GHz(5.8GHz)

- Truyền tải điện: côngsuất cao

- Giai đoạn phát triển:

được phát triển

- Tiêu chuẩn: N/A

- Công nghệ này sử dụng song cực ngắn

để gửi tín hiêu thông qua một ăng ten trênmột khoảng cách dài

- Một nghiên cứu được tiến hành trongnhững năm 1960 bỡi NASA cho các vệtinh năng lượng mặt trời (SPS) dự ántruyền tải điện năng lượng mặt trời đếntrái đất

- Nó đòi hỏi ăng ten khổng lồ, và năng

- Sử dụng: hang không vũtrụ

- Hạn chế: có hại đối vớicon người

lượng có thể được hấp thụ bởi không khíhoặc bị cản trở bởi môi trường.Nănglượng được tạo ra lớn nên nó cũng có hạicho con người

Bảng 1 Phân loại các phương pháp truyền điện không dây

1.3 Lịch sử phát triển và thành tựu.

Từ sựu phát triển của công nghệ truyền điện không dây hiện đại, có thể chia làm 2giai đoạn:

 Giai đoạn đầu (1960 - 1970) với sự bắt đầu là các nghiên cứu của NASA (cơ quan

hàng không và vũ trụ của Mỹ) Những chủ đề thu hút rất nhiều sự quan tâm củaNASA như thu thập năng lượng mặt trời trong không gian và truyền về Trái Đất,hay dự án cung cấp năng lượng điện không dây trong không gian…Giai đoạn nàytập trung chủ yếu phát triển công nghệ truyền không dây dùng trong sóng điện từphát xạ (sóng radio hoặc viba) để truyền năng lượng điện không dây với khoảngcách truyền xa tới vài trăm kilomet Cho đến ngày nay, công nghệ này vẫn đangtiếp tục được phát triển, tuy nhiên do sử dụng sóng với tần số rất cao nên giá thànhrất cao, hiệu suất truyền thấp ảnh hướng không tốt tới môi trường nên công nghệnày chỉ dùng trong một số lĩnh vực đặc thù như các thiết bị sử dụng trong côngnghệ vũ trụ, trong quân đội, hoặc khi công suất rất nhỏ, giá thành thấp hơn vàkhông ảnh hưởng tới môi trường xung quanh như các thiết bị y tế dùng để cungcấp điện không dây cho các thiết bị được đưa vào cơ thể người

 Giai đoạn hai (từ 1970 đến nay): với các nghiên cứu về công nghệ truyền điện

không dây không phát xạ, hay còn gọi là truyền điện không dây truyền gần (near –field WPT) Công nghệ này sử dụng điện trường (Capactive Coupling) hoặc từtrường (Inductive Coupling) để truyền năng lượng điện Khoảng cách truyềnkhông dây đạt từ vài milimet đến vài mét Với việc sử dụng tần số làm việc thấp từkHz đến MHz nên công nghệ truyền điện không dây trường gần dễ dàng đạt được

công suất truyền lớn, hiệu suất truyền cao, giá thành rẻ và an toàn với con người.

Vì vậy hiện nay, công nghệ này đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ đểứng dụng vào công nghiệp cũng như cuộc sống hàng ngày Trong cuộc sống hàngngày, chúng ta đã từng thấy công nghệ này được thương mại hóa trên những bànchải đánh răng bằng điện được sạc không dây, hay bộ sạc Qi không dây trên cácmẫu điện thoại di động cao cấp, và gần đây là bộ sạc không dây cho ô tô điện đã

có những sản phẩm hoàn thiện đầu tiên như bộ sạc không dây của Witricity,Nissan, Toshiba… Công nghệ truyền điện không dây đem lại nhiều tiện lợi và thayđổi cuộc sống con người một cách mạnh mẽ trong tương lai gần

Hình 1.3 Năng lượng điện được truyền không tiếp xúc từ cuộn dây sơ cấp sang cuộn

dây thứ cấp của máy biến áp.

1.4 Các ứng dụng của truyền điện không dây.

Các ứng dụng của công nghệ truyền điện không dây đã được phổ biến trong một sốthiết bị tiêu dung như xe điện, điện thoại di động, máy tính, …vv đã được thử nghiệmtrên các thiết bị y tế cấy ghép yêu cầu điện bên ngoài (thậm chí định kỳ liên tục), và chocác thiết bị vệ sinh điện, chẳng hạn như bàn chải đánh răng và cạo dâu,… mà thườngđược sử dụng gần hoăc thậm chí trong nước

Hình 1.4 Ứng dụng truyền điện không dây cho sạc điện thoại.

Bên cạnh đó nghành giao thông vận tải là nguồn tiêu dùng lớn nhất của nhiên liệu hóathạch trên toàn thế giới, lượng khí thải gây ô nhiễm và tiêu thụ chủ yếu do nghành giaothông vận tải gây ra Hiện nay các nước đang làm mọi cách để giảm nhu cầu nhiên liệuhóa thạch cũng như cắt giảm khí thải ra môi trường Trước tình hình đó, sư phát triển của

xe điện trên toàn thế giới trong thập kỷ qua đã được các nước chú ý và bắt đầu phát triển

Hình 1.5 Các cuộn dây được bố trí bên dưới làn đường dành cho ô tô để sạc điện

không cần dây cáp khi ô tô đang di chuyển

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Cấu trúc chung

Hình 2.1 Cấu trúc chung của hệ thống truyền điện không dây

 Khối nguồn: Khối này sử dụng nguồn nuôi là 12V DC lấy từ máy biến áp hạ

áp (220V AC - 12V DC) hoặc nguồn ác quy 12V DC

 Khối mạch chỉnh lưu AC/DC : Khối này biến đổi dòng năng lượng điện xoay

chiều thành dòng một chiều đơn giản Khi chỉ dùng một diode đơn lẻ để chỉnhlưu dòng điện xoay chiều, bằng cách khóa không cho phần dương hoặc phần

âm của dạng sóng đi qua mạch điện, thì mạch chỉnh lưu được gọi là chỉnh lưunửa chu kỳ hay chỉnh lưu nửa sóng Trong các bộ nguồn một chiều người tahay sử dụng các mạch chỉnh lưu nhiều điốt (2 hoặc 4 điốt) với các cách sắp xếpkhác nhau để có thể biến đổi từ xoay chiều thành một chiều bằng phẳng hơntrường hợp sử dụng một diode riêng lẻ

 Trong mạch phát này ta sẽ sử dụng mạch chỉnh lưu một pha sơ đồ cầu.

 Mạch nghịch lưuKhối DC/AC : Khối này biến đổi dòng điện một chiều thành

dòng điện xoay chiều có tần số cao cấp tới mạch cộng hưởng ra có thể thayđổi được và làm việc với phụ tải độc lập Nguồn một chiều thông thường làđiện áp chỉnh lưu, ắc quy và các nguồn một chiều độc lập khác Trong mạch

này ta dùng mạch nghịch lưu độc lập nguồn dòng sơ đồ cầu một pha.

 Khớp nối cộng hưởng : bên phát và bên thu Tụ C được nối thêm với cuộn dâyphát và cuộn dây thu tạo thành mạch cộng hưởng Năng lượng được truyền đivới tần số là tần số cộng hưởng.Cuộn dây bên mạch phát phát ra một từ trườngvới một tần số cộng hưởng và sau đó truyền năng lượng cho cuộn dây bênmạch thu với cùng tần số cộng hưởng Công suất có thể được truyền ngay cảvới những trở ngại giữa mạch phát và mạch thu Không giống như các bức xạđiện từ, nó không được coi là có hại cho cơ thể con người



 Tải: Bóng đèn

2.2 Cơ sở lý thuyết cơ bản

Hệ thống WPT (Wireless Power Transfer) làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng

từ, nguyên lý làm việc giống như máy biến áp chỉ khác là khớp nối giữa hai cuộn dây là

lỏng lẻo (2 cuộn dây tách rời) Xét hệ thống WPT với hai cuộn dây như Hình 2 2 (chưaxét đến mạch bù để tạo cộng hưởng):

Hình 2.2 Hệ thống WPT hai cuộn dây

công suất trao đổi giữa hai cuộn dây.

P12: công suất tác dụng truyền từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp

Q: tổng công suất phản kháng vào hai cuộn dây

Khi chưa xét đến mạch bù, bỏ qua điện trở cuộn dây và tổn thất từ, có thể tính toánđơn giản công suất trao đổi từ L1 đến L2 như sau:

I1 và I2 là giá trị hiệu dụng của dòng điện của cuộn dây truyền và nhận

φ12 là góc lệch pha giữa ´I1 và ´I2

Công suất tác dụng truyền từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp được tính như sau:

12 1 2sin 12

Hệ thống như Hình 2 có thể truyền công suất tác dụng theo hai chiều Trong các

phân tích sau giả sử công suất được truyền từ phía L1 sang phía L2 Khi φ12 = π/2 nghĩa là

I1 sớm pha hơn I2 ¼ chu kỳ, công suất truyền từ cuộn 1 sang 2 là lớn nhất

Tổng công suất vào 2 cuộn dây:

S S S j L I MI I   j L I MI I 

= j(L I1 12 L I2 222MI I c1 2 os12) (4)Tổng công suất phản kháng vào:

L I



1 2

M k

x x

 



2 12

  



(8)Trong hệ thống này, k tiến tới gần 0, do vậy f(φ12) đạt giá trị lớn nhất khi sin φ12=1hay φ12 = 900 nghĩa là dòng điện cảm ứng ´I2 phải chậm pha hơn dòng ´I1 góc 900

Số bậc của khớp nối ảnh hưởng tới thiết kế mạch bù Ví dụ, mạch nối tiếp – nốitiếp, có 2 cách thiết kế tụ cộng hưởng

 Cách 1: Thiết kế tụ điện cộng hưởng với điện cảm rò làm cho f(φ12) cao hơn Khi

vị trí thay đổi cần điều chỉnh tần số cộng hưởng, tần số chỉ phụ thuộc vào Lm, nếuchỉ có một cuộn dây cộng hưởng có thể làm giảm hiệu suất

 Cách 2: Cộng hưởng với điện cảm tự cảm có thể làm tối đa công suất truyền.

Trong hệ truyền điện không dây, cặp cuộn dây được tách rời k < 0.5, thông thường tụđiện được điều chỉnh để cộng hưởng với điện cảm tự cảm làm cho hệ thống làm việc ởchế độ cộng hưởng để đạt được công suất truyền lớn nhất Trong trường hợp này, hầu hết

từ trường ở trong khe hở giữa 2 cuộn dây Tổn thất do từ trễ trong cuộn dây là không liênquan đến công suất mạch từ Tuy nhiên, tổn thất đồng tỷ lệ với bình phương dòng điện

Để tăng hiệu suất ở một dòng điện nhất định, dòng điện cảm ứng ´I2 phải chậm pha hơn ´I1góc 900 Khi điện áp cảm ứng U´12 trên cuộn dây thứ cấp chậm pha hơn dòng điện ´I1 góc

900, U´ 12 và ´I2 sẽ cùng pha (phía thứ cấp phải có đặc tính của điện trở thuần)

Khi cos φ12 = 0, tổng công suất S1:

Với những phân tích trên, chúng ta có thể tính toán hiệu suất truyền giữa hai cuộn dây ởtần số cộng hưởng Ta có:

Hiệu suất truyền có thể được tính như sau:

2 2

1 2 2

Le Le

1

2 1

1

a a a

2 2

Công thức trên thể hiện hiệu suất truyền sẽ tăng lên khi hệ số chất lượng của cuộndây Q và hệ số hỗ cảm k tăng lên Vì vậy, để tăng hiệu suất truyền ở khoảng cách xa(đồng nghĩa với việc tăng khoảng cách truyền không dây), tần số làm việc của hệ thốngđược tăng lên vài chục kHz đến hàng chục MHz Tuy nhiên, khi tần số làm việc của hệthống tăng lên thì các tổn hao trong mạch điện của hệ thống cũng tăng lên như tổn hao cắttrong các bộ biến đổi làm việc cùng hệ thống, tổn hao trong các cuộn dây do các hiệu ứngcủa dòng điện tần số cao gây ra (skin effect và proximity effect) Vì vậy, việc chọn lựatần số làm việc cho hệ thống WPT là sự thỏa hiệp giữa hiệu suất truyền không dây và tổnhao trong các mạch điện để đạt được hiệu suất cao nhất cho hệ thống

Hình 2.3 Hiệu suất chuyển đổi max giữa 2 cuộn dây.

Hiện nay, các nghiên cứu về công nghệ truyền điện không dây trường gần sử dụnghai vùng tần số cho các ứng dụng khác nhau Với các ứng dụng cần truyền không dâycông suất lớn (hàng chục đến vài trăm kW) và khoảng cách truyền ngắn (dưới 25cm) nhưsạc không dây cho ô tô điện, xe bus điện, cấp điện cho tàu điện… tần số làm việc thườngđược chọn từ vài chục kHz đến vài trăm kHz Ở tần số làm việc thấp, hệ thống WPT vớihai cuộn dây phía sơ cấp và thứ cấp được sử dụng cùng với các tụ điện cộng hưởng đượcđưa thêm vào Với công nghệ hiện tại, công suất của hệ thống này có thể đạt tới hàng

MW (hiệu suất trên 90%) Nhưng do tần số làm việc thấp nên khoảng cách truyền khôngdây chỉ đạt mức xung quanh 20cm, và kích thước các cuộn dây rất lớn

2.3 Thiết kế khớp nối cộng hưởng

2.3.1 Thiết kế cuộn dây truyền và nhận

Với đề tài dừng ở mức độ ngiên cứu truyền điện không dây cho các thiết bị điện tử

ở công suất bé nên việc thiết kế cuộn dây phù hợp có độ tự cảm bé với hệ số tự cảm đượctính như sau:

L=π μ0N2R2

Trong đó :

L : Từ dung (µH)

R : Tán kính trung bình cuộn dây Với giá trị chọn trong mạch R= 5 cm

l : Chiều dài dây quấn Chọn l =157 cm

Theo lý thuyết của 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 km/giây (tương đương với vận tốc ánh sáng).

 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.