Bài thi vận dụng kiến thức liên môn THCS: Sạc điện không dây cho xe đạp điện

BÀI DỰ THI
CUỘC THI VẬN DỤNG KIẾN THỨC LIÊN MÔN
ĐỂ GIẢI QUYẾTCÁC TÌNH HUỐNG THỰC TIỄN
DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ
Tình huống:
Sạc điện không dây cho xe đạp điện, xe máy điện

Sở Giáo dục và Đào tạo tỉnh/thành phố: Thanh Hóa
Phòng Giáo dục và Đào tạo: Huyện Thiệu Hóa
Trường: Trung học cơ sở Thiệu Đô
Địa chỉ: Ba Chè, Thiệu Đô, Thiệu Hóa
Điện thoại: 0373829021
Email:
Thông tin về học sinh:
Họ và tên: Cao Ngọc Na
Ngày sinh: 10/12/2002

Lớp: 9A

Năm học: 2016- 2017
1


Sở Giáo dục và Đào tạo tỉnh/thành phố: Thanh Hóa
Phòng Giáo dục và Đào tạo: Huyện Thiệu Hóa
Trường: Trung học cơ sở Thiệu Đô
Địa chỉ: Ba Chè, Thiệu Đô, Thiệu Hóa
Điện thoại: 0373829021
Email:
Thông tin về học sinh:
Họ và tên: Cao Ngọc Na

Ngày sinh: 10/12/2002

Lớp: 9A

2


1. Tên tình huống:

Sạc điện không dây cho xe đạp điện, xe máy điện
Mỗi ngày chúng em đi xe đạp điện đến trường, có những hôm quên sạc,
tan học 11h30 xe không đi được phải dắt bộ. Các em thấy cũng dùng năng lượng
điện nhưng tại sao điện thoại Nokia Lumia 920 của Mẹ bạn Thùy lớp 7A lại sạc
được điện mà không cần cắm sạc. Trong khi đó xe đạp điện, xe máy điện cũng
dùng điện nhưng lại không có sạc không dây.
Do đó luôn trăn trở tìm tòi và thiết nghĩ: Các em đã được học phần điện ở
môn Vật lý học kỳ 2 lớp 7 và 9, đặc biệt là Chương II - Điện từ học ở Vật lý 9
chắc chắn sẽ có mối liên hệ với nghi ngờ này.
Các em đã biết máy phát điện, máy biến thế. Thực chất là dựa vào hiện
tượng cảm ứng điện từ mà Michael Faraday đã làm thực nghiệm và rút ra được
kết luận là: Khi cho một từ trường biến thiên xuyên qua một vòng dây dẫn thì
trong vòng dây dẫn đó sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng, dẫn đến trong vòng dây
đó sẽ có 1 dòng điện cảm ứng chạy trong dây dẫn.
Với nguyên lý ấy nhóm các em đã bắt tay vào tìm hiểu để giải quyết tình huống
“Sạc điện không dây cho xe đạp điện, xe máy điện”.
2. Mục tiêu giải quyết tình huống
a, Bước 1: Trong phạm vi của bài thi, đưa ra được nguyên lý và các biện pháp
sạc điện không dây cho xe đạp điện, xe máy điện (mô tả cách làm trên lý thuyết)
b, Bước 2: Thực hiện trên thực tiễn để:
- Tham dự cuộc thi khoa học và kĩ thuật cho học sinh THCS

- Mở rộng sạc điện không dây cho các phương tiện tham gia giao thông khác
dùng bình ắc quy như: Xe ô tô điện, xe Buýt, xe máy điện …
- Xây dựng các trạm nạp không dây cho xe đạp điện tại nhà xe các trường học,
các trạm nạp điện không dây cho các phương tiện tham gia giao thông khác đặt
ở các tuyến đường giống như cây xăng hiện nay nhằm từng bước sử dụng nhiên
liệu sạch không gây ô nhiễm môi trường.
- Giúp các phương tiện giao thông chỉ dùng các bình ắc quy nhỏ gọn vì đã sạc
không dây được mọi lúc mọi nơi, từ đó làm giảm tải trọng của phương tiện
nhằm tiết kiệm năng lượng và tăng tuổi thọ các loại phương tiện.
3. Tổng quan về các nghiên cứu liên quan đến việc giải quyết tình huống:
3.1- Nghiên cứu lý luận:
3.1.1. Sưu tầm, nghiên cứu tư liệu để trả lời các câu hỏi:
+ Nguyên lý của máy phát điện, máy biến thế ra sao ?
+ Muốn sạc điện không dây cho xe đạp điện phải cần những thiết bị nào ? Nó
khác với máy biến thế, máy phát điện ra sao ?
+ Ở trong chương trình học thì 2 cuộn sơ và thứ cấp có chung một lõi sắt, nếu
muốn sạc điện không dây thì sạc không dây này sẽ không cùng lõi sắt nữa phải
giải quyết ra sao ?
+ Làm thế nào để biến từ dòng điện xoay chiều (thông dụng) của nhà trường
thành điện 1 chiều của bình ắc quy xe đạp điện học sinh ?

3


+ Làm thế nào để từ trường đủ lớn có thể xuyên trong không gian nhà xe, nạp
điện cho các xe đạp điện, xe máy điện ….. ?
+ Các thiết bị như dây, lõi sắt . Mua ở đâu, số vòng dây như thế nào là đủ … ?
3.1.2 Về máy biến thế:
- Mô hình máy biến thế:

- Máy biến thế hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lí:
Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường (từ trường). Sự biến thiên từ
thông trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điện thế cảm ứng (cảm ứng điện). Dòng điện
được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơ cấp xoay chiều,
và một từ trường biến thiên trong lõi sắt được sinh ra từ đây. Từ trường biến
thiên này tạo ra trong mạch điện thứ cấp một hiệu điện thế thứ cấp xoay chiều.
Như vậy hiệu điện thế sơ cấp có thể thay đổi được hiệu điện thế thứ cấp thông
qua từ trường. Sự biến đổi này có thể được điều chỉnh qua số vòng quấn trên lõi
sắt.
3.1.3 Về máy phát điện:
- Một số máy phát điện trong đời sống

Đi namô ở xe đạp

Máy phát điện gia đình

- Về cấu tạo của máy phát điện:

Nhà máy thủy điện

4


Hình ảnh minh họa cấu tạo của máy phát điện

Các máy phát điện xoáy chiều đều có hai bộ phận chính là nam châm và
cuộn dây. Một trong hai bộ phận đó đứng yên gọi là Stato, bộ phận còn lại có thể
quay được gọi là Rô to. Để làm quay Rôto của máy phát điện người ta dùng tua
bin nước, động cơ nổ, cánh quạt gió….
Khi roto quay sẽ xuất hiện một suất điện động biến thiên trong mạch. Nếu

đưa suất điện động xoay chiều này ra ngoài thì ở mạch ngoài sẽ có dòng điện
xoay chiều.
3.2- Nghiên cứu thực tiễn:
+ Tìm hiểu nhu cầu sạc không dây nếu sản phẩm thành công, xu hướng của xã
hội
+ Sản phẩm này đã có ở trên thị trường chưa, tại sao lại chưa có …
+ Khai thác tối đa các thông tin trên Internet các thiết bị nạp không dây trên
mạng của nước ngoài như: Nạp điện không dây cho tàu cao tốc, xe buýt, điện
thoại … Nhờ sự giúp đỡ của các Thầy Cô giáo, các anh chị là cựu học sinh của
nhà trường đã và đang học Đại học các chuyên ngành điện, tự động hóa, các
xưởng sửa chữa điện ở xã Thiệu Đô, các nhà khoa học.
+ Đề xuất nhà trường, các cơ quan chức năng hỗ trợ để sản phẩm không chỉ
dừng ở lý thuyết.
4. GIẢI PHÁP GIẢI QUYẾT TÌNH HUỐNG
Sạc không dây cho xe đạp điện, xe máy điện sử dụng cảm ứng từ, nó cung
cấp năng lượng cho các thiết bị khi đặt lên trên một bề mặt và không cần dùng
đến cáp nối.
Cụ thể: Thiết bị sử dụng từ trường để chuyển năng lượng qua lại giữa hai đối
tượng khác nhau; một thiết bị sẽ được gắn trong khu vực nhà xe (gọi là sơ cấp),
còn đầu thu năng lượng sẽ được gắn ở bình ắc quy xe đạp điện, xe máy điện (gọi
là thứ cấp).
Cách sạc này loại bỏ việc phải sạc xe qua đêm bằng cáp nối và giúp xe
không phải mang theo một bộ ắc quy thật to mà thay vào đó là 1 chiếc ắcquy

5


vừa phải vì có thể sạc mọi lúc mọi nơi, trong khi vẫn cho phép nó chạy được
quãng đường dài. Từng bước thay thế các năng lượng gây ô nhiễm môi trường.
5. THUYẾT MINH TIẾN TRÌNH GIẢI QUYẾT TÌNH HUỐNG

a, Để sạc điện không dây cho xe đạp điện phải cần 1 thiết bị gắn ở nguồn
điện của nhà xe học sinh (cuộn sơ cấp), mục đích để sinh ra từ trường cực lớn.
Cụ thể: Cuộn sơ cấp khi có dòng điện xoay chiều 220 v (AC) chạy qua sẽ sinh ra
từ trường, tuy nhiên làm thế nào để từ trường đủ lớn có thể xuyên qua không
gian nhà xe trong phạm vi nhất định, mà lại đưa về cuộn thứ cấp chỉ có nhu cầu
điện 1 chiều (DC). Vì vậy phải cần đến 1 máy biến tần đủ lớn để biến đổi thành
dòng điện 1 chiều và sinh ra từ trường lớn.
Về máy biến tần: Bên trong sẽ có bộ chuyển đổi mạch có khả năng đảo chiều
ngược lại hoàn toàn. Cách thức hoạt động cơ bản của bộ biến tần cũng khá đơn
giản. Chủ yếu qua 2 công đoạn sau:
- Công đoạn 1: Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu
và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ
chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Điện đầu vào có thể là một pha hoặc ba pha,
nhưng nó sẽ ở mức điện áp và tần số cố định.
- Công đoạn 2: Điện áp một chiều ở trên sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành
điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Mới đầu, điện áp Một chiều được tạo ra sẽ
được trữ trong giàn tụ điện. Điện áp một chiều này ở mức rất cao. Tiếp theo,
thông qua trình tự kích hoạt thích hợp bộ biến đổi IGBT (IGBT là từ viết tắt của
Tranzito Lưỡng cực có Cổng Cách điện hoạt động giống như một công tắc bật
và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của Biến tần) của Biến tần sẽ tạo ra
một điện áp Xoay chiều ba pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung
(PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay,
tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn
cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.

6


b, Để bình ắc quy xe đạp điện nhận được điện thì bên phía bình phải lắp 1
thiết bị trước khi vào bình (cuộn thứ cấp). Chức năng của cuộn này giống như

máy biến thế, khi có sự biến đổi từ trường sẽ sinh ra dòng điện, khi đó cuộn dây
có điện.
c, Khi cuộn dây lắp ở bình có điện (chỉ những học sinh đăng ký sạc điện
với nhà trường mới được gắn) thì ta phải lắp thêm 1 mạch điện để biến đổi về
phù hợp với nguồn điện của bình, ví dụ xe đạp điện các em đang đi: 48v – 12 ah.
6. Ý NGHĨA CỦA VIỆC GIẢI QUYẾT TÌNH HUỐNG
6.1. Với bản thân:
Sạc điện không dây cho xe đạp, xe máy điện sẽ giúp học sinh các em chỉ
cần đăng kí với nhà trường để sạc ngay trong nhà để xe của học sinh. Như vậy
mỗi buổi trưa hè các em không phải dắt bộ xe về nhà khi hết điện.
6.2. Với xã hội:
Việc giải quyết tình huống: Sạc điện không dây cho xe đạp điện, xe máy
điện giúp các phương tiện tiến tới có thể sạc điện mọi lúc, mọi nơi từ đó giảm
được khối lượng của bình ắc quy, tức là tăng tuổi thọ phương tiện và tiết kiệm
nhiên liệu. Thay thế hoàn toàn công nghệ nạp điện truyền thống bằng dây nối.
Tiến tới thay thế dần các nguồn năng lượng đang gây ô nhiễm môi trường như:
Xăng, dầu … nhờ các trạm sạc không dây như ở trạm xăng, các nhà xe.
Bản thân chúng em bước đầu rất tha thiết mong muốn các Thầy cô, anh
chị cựu học sinh nhà trường, các nhà khoa học tiếp tục giúp đỡ để tình huống có
thể xây dựng thành sản phẩm ban đầu tham gia cuộc thi Khoa học và Kỹ thuật
cho học sinh THCS vào các năm tới.
Thiệu Đô, ngày 10 tháng 12 năm 2016
Học sinh
Cao Thị Ngọc Na

7