Trong bài báo này chúng tôi tập trung nghiên cứu hệ thống truyền năng lượng không dây ở khoảng cách trung bình, nguyên lý của hệ thống dựa trên hiệu ứng cộng hưởng từ.. Chú[r]
(1)CÔNG NGHỆ
Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ●Tập 56 - Số (8/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 44
KHOA HỌC P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
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
Hà Thị Kim Duyên1, Phạm Thị Thanh Huyền1, Đặng Cẩm Thạch1,
Nguyễn Duy Khánh1, Nguyễn Thảo Duy1, Phạm Thanh Sơn2,*
TÓM TẮT
Truyền tải điện không 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 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 0,5m, đạt hiệu suất 50% Hệ thống ứng dụng công 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 0.5m, achieving efficiency above 50% This system can be applied in industry and daily life helping the electrical system becomes compact and increase aesthetics
Keywords: Wireless power transfer; magnetic resonance
1Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam *Email: sonpt@ims.vast.ac.vn
Ngày nhận bài: 15/01/2020
Ngày nhận sửa sau phản biện: 05/6/2020 Ngày chấp nhận đăng: 18/8/2020
KÝ HIỆU
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
Ra μm Độ nhám bề mặt
U V Hiệu điện
I A Cường độ dòng điện
CHỮ VIẾT TẮT
WPT Wireless power transfer KHCN Khoa học công nghệ
1 GIỚI THIỆU
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, q 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 Công nghệ sạc không dây cho thiết bị điện tử cầm tay đạt đến giai đoạn thương mại hóa thơng qua việc mắt tiêu chuẩn Qi Liên minh lượng không dây, bao gồm 135 cơng ty tồn giới [1-4]
(2)P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 56 - No (Aug 2020)● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 45 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 [5-8]
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 cấu trúc hốc cộng hưởng 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
Trong báo này, chúng tơi trình bày hệ thống truyền lượng không 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 30cm với hệ số truyền qua 0,7
2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT/PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
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
giữa hai cộng hưởng phát thu ký hiệu d23,
là khoảng cách mà quan tâm để truyền tải điện
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:
1
11 12 13 14
1 S
21 22 23 24
2
31 32 33 34
3
41 42 43 44
4
Z Z Z Z
I V
Z Z Z Z
I
Z Z Z Z
I
Z Z Z Z
I (1)
Ở tần số cộng hưởng, 0
i i
1 L C
, có biểu thức sau đây:
; ;
; ;
; ; ;
11 S 22 33
44 L 13 14 24
12 12
23 23
34 34
Z R Z R Z R
Z R Z Z Z
Z j k L L
Z j k L L
Z j k L L
(2)
Giải phương trình (1) (2), tìm thấy dòng điện chạy I1 cuộn tải I4 sau:
2
23 34 S
1 2 2 2
S
12 34 23
12 23 34 2 3 S
4 2 2 2
S L
12 34 23
1 k Q Q k Q Q V
I
R
1 k Q Q k Q Q k Q Q
k k k Q Q Q Q Q Q jV
I
R R
1 k Q Q k Q Q k Q Q
(3)
Trong đó: i
i i L Q R
Khi hệ thống đối xứng, cho Q1 = Q2; Q3 = Q4
k12 = k34, hệ số điện áp nguồn tải hệ thống là:
2
23 12 L
2
2 2
S
12 2
L L
S S 3 2
V I k k Q
k R
V I
Q R
R
1 Q Q k Q
R
(4)
Hiệu suất truyền tải lượng η (tỷ lệ công suất đầu POUT công suất đầu vào PIN) xác định:
/ /
2
2
OUT L L
21
IN S S
P V R
S
P V 4R
(5)
d23
d12
(3)CÔNG NGHỆ
Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ●Tập 56 - Số (8/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 46
KHOA HỌC P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU/TÍNH TỐN/MƠ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
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 công 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 - 70cm Nghiên cứu so sánh hệ số phản xạ truyền qua phạm vi 30cm, 50cm 70cm trình bày thảo luận
Hình Hệ thống cuộn phần mềm mơ CST
Hình sơ đồ hệ thống truyền lượng không dây khoảng cách trung bình mơ phần mềm CST (CST STUDIO SUITE) Hệ thống gồm cuộn dây, với cuộn phát cuộn thu có cấu trúc vịng dây bán kính 15cm, cuộn cộng hưởng phát cuộn cộng hưởng thu gồm vịng xoắn ốc với bán kính ngồi 20cm
Hình Kết mơ hiệu suất truyền với khoảng cách 30cm
Các kết mô truyền lượng không dây với khoảng cách truyền 30cm với hệ số phản xạ truyền qua hiển thị hình Mơ kết cho thấy cộng hưởng từ xảy 16MHz tham số S21 truyền
từ nguồn để cuộn dây 0,72
Với kết thu từ việc mô phần mềm CST chế tạo hệ thống truyền lượng không dây dựa hiệu ứng cộng hưởng từ hình
Hình Hệ thống truyền lượng khơng dây dựa hiệu ứng cộng hưởng từ
Hình kết đo đạc hệ thống với khoảng cách khảo sát 30cm, 50cm 70cm Với khoảng cách truyền 30cm thu hệ số truyền qua đạt 0,7 Với khoảng cách 50cm hệ số truyền qua giảm xuống cịn khoảng 0,6 Khi khoảng cách truyền tăng lên 70cm hệ số truyền qua tiếp tục giảm xuống cịn 0,3 Sự giảm xuống hiệu suất truyền dẫn tăng khoảng cách truyền hệ số ghép cặp cuộn cộng hưởng phát cuộn cộng hưởng thu suy giảm nhanh chóng tăng khoảng cách truyền dẫn
Hình Hiệu suất truyền với khoảng cách 30cm, 50cm, 70cm
4 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
(4)P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 56 - No (Aug 2020)● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 47 nghiệm hệ thống chế tạo phù hợp với kết
mơ trước Hệ thống truyền lượng không dây khảo sát với khoảng cách truyền khác từ 0,3 - 0,7m Bằng cách điều chỉnh cẩn thận thông số mạch để đạt phối hợp trở kháng lượng truyền khơng dây qua khoảng cách 0,7m với hệ số truyền qua 0,3 Chúng tin hệ thống tìm thấy ứng dụng rộng rãi công nghệ không dây tương lai lưới điện thông minh
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Duong Phi Thuc, 2015 Analysis and Experiment of High-Efficiency, Free-Positioning, 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, David A Meyer, Joshua R Smith, 2011 Analysis, Experimental Results, and Range Adaptation of Magnetically Coupled Resonators
for Wireless Power Transfer IEEE Transactions on Industrial Electronics Vol 58,
Issue
[3] Morris Kesler, 2013 Highly Resonant Wireless Power Transfer: Safe,
Efficient, and over Distance WiTricity Corporation
[4] S Y R Hui, Fellow, Wenxing Zhong, C K Lee, 2014 A Critical Review of
Recent Progress in Mid-Range Wireless Power Transfer IEEE Transactions on
Power Electronics Vol 29, Issue
[5] Wenxing Zhong, C K Lee, 2014. A Critical Review of Recent Progress in
Mid-Range Wireless Power Transfer IEEE Transactions on Power Electronics Vol
29, Issue
[6] Paulo J AbattiSérgio, F Pichorim, Caio M de Miranda, 2015. Maximum
Power Transfer versus Efficiency in Mid-Range Wireless Power Transfer Systems
Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications Vol 14, No
[7] Yeonje Cho, Seongsoo Lee, Seungtaek Jeong, Hongseok Kim, Chiuk Song, Kibum Yoon, Jinwook Song, Sunkyu Kong, Yeojin Yun, Joungho Kim, 2016
Hiybrid Metamaterial with Zero and Negative Permeability to Enhance Efficiency in
Wireless Power Transfer System 2016 IEEE Wireless Power Transfer Conference
(WPTC)
[8] Zhongtao Liu, Zheng Zhong, Yong Xin Guo, 2016. Rapid design approach
of optimal efficiency magnetic resonant wireless poer transfer system Electronics
Letters 52(4):314-315
[9] Jinpeng Guo, Linlin Tan, Han Liu, Wei Wang, Xueliang Huang, 2016 Stabilization Control of Output Power in Double-Source Wireless Power Transfer
Systems Without Direct Output Feedback IEEE Microwave and Wireless
Components Letters Vol 26, Issue 11
AUTHORS INFORMATION
Ha Thi Kim Duyen1, Pham Thi Thanh Huyen1, Dang Cam Thach1,
Nguyen Duy Khanh1, Nguyen Thao Duy1, Pham Thanh Son2
1Faculty of Electronics Engineering Technology, Hanoi University of Industry 2Institute of Materials Science, Institute of Vietnam Academy of Science and