NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY DỰA TRÊN HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG TỪ Ở KHOẢNG CÁCH TRUNG BÌNH ANALYSIS AND EXPERIMENTS ON MID-RANGE WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM BASED ON MAGNETIC RESONANCE SV Nguyễn Duy Khánh SV Nguyễn Thảo Duy Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội ThS Hà Thị Kim Duyên Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội TS Ngô Mạnh Tiến Viện Vật lý,Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam TS Phạm Thanh Sơn Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Email: sonpt@ims.vast.ac.vn Số điện thoại: 0986973589 TĨM TẮT Truyền tải điện khơng dây cách truyền tải lượng điện từ nguồn phát tới nhiều thiết bị tiêu thụ mà không cần sử dụng dây dẫn Do đó, hệ thống mang đến nhiều thuận tiện cho sống đại Hơn nữa, số trường hợp đặc biệt khơng thể sử dụng dây dẫn truyền lượng không dây lựa chọn tối ưu Hệ thống truyền lượng không dây chia làm ba loại: khoảng cách gần, khoảng cách trung bình khoảng cách xa Trong báo cáo tập trung nghiên cứu hệ thống truyền lượng không dây khoảng cách trung bình, nguyên lý hệ thống dựa hiệu ứng cộng hưởng từ Chúng chế tạo thành công truyền điện không dây khoảng cách 0.5 m, đạt hiệu suất 50% Hệ thống ứng dụng cơng nghiệp sống hàng ngày giúp cho hệ thống điện trở nên gọn nhẹ tăng tính thẩm mỹ Từ khóa: truyền lượng khơng dây; cộng hưởng từ ABSTRACT Wireless power transfer provides a method of transmitting electrical energy from a source to one or more consumer devices without the wires Therefore, these systems bring a lot of convenience to modern life Moreover, in some special cases where wires cannot be used, wireless power transfer is an optimal option The wireless power transfer system is divided into three types: short-range, mid-range and long-range In this paper, we focus on the wireless power transfer system at mid-range, the principle of the system is based on magnetic resonance effect We have successfully fabricated a wireless power transfer system at a distance of 0.5 m, achieving efficiency above 50% This system can be applied in industry and daily life helping the electrical system becomes compact and increase aesthetics Keyword: wireless power transfer; magnetic resonance KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Ra μm Độ nhám bề mặt U V Hiệu điện I A Cường độ dòng điện V m/ph Vận tốc cắt S mm/ph Bước tiến dao t mm Chiều sâu cắt CHỮ VIẾT TẮT KTXH Kinh tế xã hội KHCN Khoa học công nghệ CSDL Cơ sở liệu TKNL Tiết kiệm lượng HMI Human Machine Interface (Giao diện người - máy) GIỚI THIỆU (INTRODUCTION) Truyền tải lượng không dây cách truyền tải lượng điện từ nguồn điện tới thiết bị tiêu thụ điện mà không sử dụng dây truyền dẫn Ngày nay, nghiên cứu công nghệ truyền tải điện không dây vấn đề quan trọng để phát triển hệ thống điện tương lai Việc giảm thiểu chi phí thiết kế, thi cơng cơng trình điện dân dụng cơng nghiệp Từ đó, trình sử dụng điện tiện lợi hơn, hệ thống điện đấu nối dây dẫn phức tạp số lượng thiết bị điện tăng lên Đối với ứng dụng tầm ngắn đại, truyền tải điện cảm ứng (IPT) hệ thống hệ thống sạc không dây cho thiết bị cầm tay thiết bị điện thoại di động thu hút nhiều ý từ năm 1990 2000, tương ứng Công nghệ sạc không dây cho thiết bị điện tử cầm tay đạt đến giai đoạn thương mại hóa thông qua việc mắt tiêu chuẩn Qi Liên minh lượng không dây, bao gồm 135 cơng ty tồn giới [1-sample, 2-Hui, 3] Truyền lượng khơng dâycó thể phân chia theo khoảng cách truyền sau: truyền lượng không dây hoạt động phạm vi milimet tới centimet (Short-range WPT), phạm vi trung bình từ centimet tới met (Mid-range WPT) phạm vi xa từ mét đến km (Long-range WPT) Đối với khoảng cách truyền cự li ngắn phạm vi truyền khoảng cách truyền từ vài mm đến cm tần số hoạt động KHz hiệu suất truyền cao từ 5099% Loại truyền áp dụng nhiều sạc cho thiết bị điện tử yêu cầu khoảng cách gần với tiêu chuẩn Qi đời Khoảng cách trung bình có tần số hoạt động cỡ MHz đạt hiệu suất truyền 10 tới 90%, áp dụng cho hệ thống truyền điện với khoảng cách truyền không lớn phổ biến hộ thông minh, đưa váo áp dụng cho sạc không dây đối phương tiện giao thông Khoảng cách xa đạt hiệu suất thấp < 5% tần số hoạt động phải lớn GHz Phạm vi ứng dụng cho vệ tinh với khoảng cách truyền xa không yêu cầu hiệu suất cao Truyền lượng không dây khoảng cách trung bình gần thu hút ý nhà nghiên cứu, hệ thống đạt hiệu truyền cao khoảng cách truyền mong muốn Hạn chế phát thiết lập cồng kềnh bất động Song gần phát cộng hưởng điện môi để tăng cường hiệu suất hệ thống truyền lượng khơng dây khoảng cách trung bình Phạm đồng nghiệp trình bày hệ thống truyền lượng khơng dây với có mặt hốc cộng hưởng với vật liệu biến hóa có từ thẩm âm để tăng cường hiệu suất hệ thống [Son 2016, Son-2017] Trong báo cáo trình bày hệ thống truyền lượng khơng dây khoảng cách trung bình với cấu trúc bốn cuộn dây có phối hợp trở kháng Các phân tích lý thuyết phương pháp tính tốn thơng số hệ thống để đàm bảo hiệu suất truyền tải tốt thực Chúng tiến hành mô hệ thống truyền lượng không dây gồm bốn cuộn dây phần mềm thương mại CST Studio Suite Dựa kết mô phỏng, chế tạo hệ thống truyền lượng không dây khoảng cách 50 cm với hiệu suất truyền 50% CƠ SỞ LÝ THUYẾT/PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU (THEORETICAL FRAMEWORD/METHODS) Hình sơ đồ hệ thống truyền tải điện không dây gồm bốn cộng hưởng Khoảng cách cuộn phát cộng hưởng phát ký hiệu d12 khoảng cách từ cuộn cộng hưởng nhận đến cuộn thu d34 Khoảng cách hai cộng hưởng phát thu ký hiệu d23, khoảng cách mà quan tâm để truyền tải điện d12 d34 d23 Hình Sơ đồ hệ thống WPT cuộn Hình trình bày sơ đồ mạch đơn giản hóa hệ thống truyền tải điện không dây cộng hưởng từ Các tham số cuộn dây biểu thị phần tử Ri, Li, Ci, (i = - 4) Các hệ số ghép cặp cuộn biểu diễn k12, k23, k34 Hình Mạch tương đương hệ thống WPT cuộn dây Điện áp cấp vào VS , điện trở nguồn tải RS RL Đối với cộng hưởng có hệ số phẩm chất (Q) cao điều kiện trở kháng nguồn / tải thực tế, có R1 Rs R4 RL , ( R1 RS �RS ) ( R1 RL �RL ) Dựa sơ đồ mạch điện Hình ta có Z11 I1 � � � � � � Z I2 � � � 21 � Z 31 I3 � � �� � Z 41 I4 � � � Li Ci 0 Ở tần số cộng hưởng, Z12 Z13 Z 22 Z 23 Z32 Z 33 Z 42 Z 43 1 Z14 � � VS � � � Z 24 � � � � Z 34 � �0 � �� � Z 44 � �0 � (1) Chúng tơi có biểu thức sau đây: Z11 RS ; Z 22 R2 ; Z 33 R3 Z 44 RL ; Z13 Z14 Z 24 ; Z12 j k12 L1L2 ; Z 23 j k 23 L2 L3 ; Z 34 j k34 L3 L4 ; (2) Giải phương trình (1) (2), tìm thấy dịng điện chạy I1 cuộn tải I4 sau: I1 I4 Trong đó: Qi 1 k Q2Q3 k342 Q3Q4 23 VS R � k Q1Q2 k Q3Q4 k Q2Q3 � � �S 12 34 23 k12 k23 k34 Q1Q2 Q2Q3 Q3Q4 jVS � RR k Q1Q2 k Q3Q4 k Q2Q3 � � � S L 12 34 23 (3) Li Ri Khi hệ thống đối xứng, cho Q1 = Q2; Q3 = Q4 k12 k34 , hệ số điện áp nguồn tải hệ thống là: k23k122 Q1Q22 VL I RL RL 2 2 VS I1 RS k12Q1Q2 k23Q2 RS (4) Hiệu suất truyền tải lượng (tỷ lệ công suất đầu POUT công suất đầu vào PIN ) xác định: POUT V / RL 2L S 212 PIN VS / RS (5) KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU/TÍNH TỐN/MƠ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN (RESULTS AND DISCUSSION) Để thiết kế hệ thống trước hết tiến hành mô nhằm đánh giá thông số hệ thống cuộn dây nghiên cứu thay đổi hiệu suất truyền cơng suất đạt cuộn tải khoảng cách cuộn tải cuộn phát thay đổi Kết mơ truyền tải điện khơng dây trình bày cách sử dụng phần mềm mô thiết kế ăng ten CST studio suite khoảng cách truyền khác phạm vi 30-70 cm Nghiên cứu so sánh hệ số phản xạ truyền qua phạm vi 30 cm, 50 cm 70 cm trình bày thảo luận sau CST cơng cụ quen thuộc việc mô chế tạo thiết bị cao tần CST STUDIO SUITE phần mềm hãng CST-Computer Simulation Technology công ty chuyên giải pháp mô điện từ dang 3D nghiên cứu phát triển Đây phần mềm sử dụng rộng rãi việc mô chế tạo anten.Phần mềm thiết kế mô ăng ten CST cung cấp loạt phần mềm mô EM để giải thách thức thiết kế qua phổ điện từ, từ tần số tĩnh tần số thấp đến tần số vi sóng cao tần cho loạt ứng dụng, bao gồm EDA & điện tử, EMC & EMI động hạt tích điện Trọng tâm dịng sản phẩm CST CST STUDIO SUITE®.Sản phẩm bao gồm tồn cơng cụ mô điện từ 3D CST, với số sản phẩm liên quan dành cho lĩnh vực thiết kế cụ thể dây cáp, mạch PCB đồng mơ EM / vi mạch Ngồi ra, CST cịn cung cấp CST BOARDCHECK ™, chương trình kiểm tra quy tắc PCB đọc tập tin mạch phổ biến kiểm tra chúng dựa nguyên tắc thiết kế EMC Antenna Magus®, chương trình làm đơn giản hóa đáng kể q trình thiết kế ăng ten cách cho phép truy cập vào sở liệu lớn tham số ăng-ten xuất liệu sang CST MICROWAVE STUDIO® Hình Hệ thống cuộn phần mềm mô CST Hình sơ đồ hệ thống truyền lượng khơng dây khoảng cách trung bình mô phần mềm CST Hệ thống gồm cuộn dây, với cuộn phát cuộn thu có cấu trúc vịng dây bán kính 15 cm, cuộn cộng hưởng phát cuộn cộng hưởng thu gồm vịng xoắn ốc với bán kính ngồi 20 cm Các kết mô truyền lượng không dây với khoảng cách truyền 50 cm với hệ số phản xạ truyền qua hiển thị hình Mơ kết cho thấy cộng hưởng từ xảy 16 MHz tham số S truyền từ nguồn để cuộn dây 0,72371 Với khoảng cách truyền 30 cm Với khoảng cách truyền 50 cm Với khoảng cách truyền 70 cm Hình Kết mơ hệ thống truyền lượng không dây Với kết thu từ việc mô phần mềm CST chế tạo hệ thống truyền lượng không dây dựa hiệu ứng cộng hưởng từ Hình 5: Cuộn phát Cuộn cộng hưởng phát Cuộn cổng hưởng thu Cuộn thu Máy phân tích phổ Hình 5: Hệ thống truyền lượng không dây dựa hiệu ứng cộng hưởng từ Hình kết đo đạc hệ thống với khoảng cách khảo sát 30 cm, 50 cm 70 cm Với khoảng cách truyền 30 cm thu hiệu suất đạt 72.25% Với khoảng cách 50 cm hiệu truyền giảm xuống khoảng 60.48% Khi khoảng cách truyền tăng lên 70 cm hiệu suất tiếp tục giảm xuống 30.25% Sự giảm xuống hiệu suất truyền dẫn tăng khoảng cách truyền hệ số ghép cặp cộng hưởng phát cuộn cơng hưởng thu suy giảm nhanh chóng tăng khoảng cách truyền dẫn Hình 6: Hiệu suất truyền với khoảng cách (a) 30 cm, (b) 50 cm, (c) 70 cm KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ (CONCLUSIONS) Báo cáo trình bày giải pháp hiệu để cung cấp lượng cho thiết bị điện thông minh điều kiện truyền lượng khác Hệ thống lượng không dây tầm trung nghiên cứu phân tích lý thuyết thực nghiệm Mơ hình mạch thực hệ thống WPT cuộn dây thực tế giới thiệu Sử dụng lý thuyết mạch, mối quan hệ tham số mạch, truyền công suất hệ số ghép, công suất đầu hiệu phân tích Dải làm việc tối ưu cân hiệu khoảng cách khuyến nghị dựa phân tích báo cáo Hệ thống truyền thử nghiệm với khoảng cách trung bình từ 0.3-0.7 m chế tạo Bằng cách điều chỉnh cẩn thận thơng số mạch, truyền lượng qua khoảng cách 0.7 mét với hiệu suất 30.25% Chúng tơi tin hệ thống tìm thấy ứng dụng rộng rãi cơng nghệ không dây tương lai lưới điện thông minh LỜI CẢM ƠN (ACKNOWLEDGMENT) TÀI LIỆU THAM KHẢO (REFERENCE) [1] Duong Phi Thuc March 2015 Analysis and Experiment of High-Efficiency, FreePositioning, Power Division Mid-Range Wireless Power Transfer System Department of Electronic and Radio Engineering Graduate School Kyung Hee University Yongin, Gyeonggi, Korea 446 – 701 [2] Alanson P Sample, Student Member, IEEE, David A Meyer, Student Member, IEEE, and Joshua R Smith, Member, IEEE February 2011 Analysis, Experimental Results, and Range Adaptation of Magnetically Coupled Resonators for Wireless Power Transfer Số 59(2) [3] Dr Morris Kesler WiTricity Corporation 2013 Highly Resonant Wireless Power Transfer: Safe, Efficient, and over Distance [4] S Y R Hui, Fellow, IEEE, Wenxing Zhong, and C K Lee, Member, IEEE September 2014 A Critical Review of Recent Progress in Mid-Range Wireless Power Transfer Số 29(9) [5] Wenxing Zhong, and C K Lee, Member A Critical Review of Recent Progress in MidRange(S Y R Hui, Fellow, IEEE [6] Paulo J Abatti Sérgio, F Pichorim ,Caio M de Miranda Maximum Power Transfer versus Efficiency in Mid-Range Wireless Power Transfer Systems Yeonje Cho 1, Seongsoo Lee l , Seungtaek Jeongl , Hongseok Kim I, Chiuk Songl , Kibum Yoon1, Jinwook Songl , Sunkyu Kongl , Yeojin Yun2 and Joungho Kiml lSchool ofElectrical Engineering, KAIST, S Korea, 2Samsung Display, S Korea 2016 Hiybrid Metamaterial with Zero and Negative Permeability to Enhance Efficiency in Wireless Power Transfer System Zhongtao Liu, Zheng Zhong and Yong Xin Guo 2016 Rapid design approach of optimal efficiency magnetic resonant wireless poer transfer system Jinpeng Guo, Linlin Tan, Han Liu, Wei Wang, and Xueliang Huang 2016 Stabilization Control of Output Power in Double-Source Wireless Power Transfer Systems Without Direct Output Feedback 10 ... điện V m/ph Vận tốc cắt S mm/ph Bước tiến dao t mm Chiều sâu cắt CHỮ VIẾT TẮT KTXH Kinh tế xã hội KHCN Khoa học công nghệ CSDL Cơ sở liệu TKNL Tiết kiệm lượng HMI Human Machine Interface (Giao diện... với vật liệu biến hóa có từ thẩm âm để tăng cường hiệu suất hệ thống [Son 2016, Son-2017] Trong báo cáo chúng tơi trình bày hệ thống truyền lượng không dây khoảng cách trung bình với cấu trúc... suất truyền với khoảng cách (a) 30 cm, (b) 50 cm, (c) 70 cm KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ (CONCLUSIONS) Báo cáo trình bày giải pháp hiệu để cung cấp lượng cho thiết bị điện thông minh điều kiện truyền