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

BỘ CÔNG THƯƠNG
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

Ngành

: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ
TỰ ĐỘNG HÓA

Chuyên ngành

: CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG

Lớp

: Đ8 - CNTĐ2

Khoá

: 2013 – 2018

Hà Nội, tháng 12 năm 2017


LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời gian những năm gần đây, công nghệ truyền điện không dây được
nghiên cứu và phát triển nhằm mang lại các tiện nhiều lợi ích cho người sử dụng. điện
năng trong khoảng cách gần. Công nghệ truyền điện không dây với tính năng sử dụng
năng 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 quạt
treo tường, sạc điện cho ôtô... Bước đầu công nghệ này đã đem lại một số thành công
nhất định.
Mặc dù công nghệ sạc không dây vẫn còn nhiều điểm cần khắc phục để có thể trở
nên phổ biến và ứng dụng cho hầu hết các thiết bị điện. Tuy nhiên đây vẫn là một công
nghệ mới, có ứng dụng thực tiễn cao. Hiện nay, Mặt khác công nghệ sạc công nghệ
truyền điện không dây đã được nghiên cứu và phát triển với nhiều sản phẩm trên thị
trường,, đặc biệt là các sử dụng cho các thiết bị điện tử như sạc điện thoại, cấp điện cho
tivi, bình nóng lạnh, … Các thiết bị trong công nghiệp như cấp điện cho robot, xe tự
hành…. 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 chế
dùng chúng trên toàn thế giới., cCác thiết bị sạc tích trữ điện như pin, ắc quy bị hỏng vứt
hằng năm ngày càng một nhiều gây ô nhiễm môi trường., điều Điều đó đã thúc đẩy phát
triển 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 nghệ
truyền điện không dây để sạc cho ô tô điện, xe đạp điện, xe bus điện. xe điện, các thiết bị
điện tử phát triển không ngừng.
Công nghệ này tuy còn mới ở Việt Nam nhưng chắc chắc trong tương lai không xa
chúng ta sẽ làm chủ được công nghệ này. Với vai trò là sinh viên tự động hoá, việc
nghiên 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:


1
2
3

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


DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH
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 1.3. Năng lượng điện được truyền không tiếp xúc từ cuộn dây sơ cấp sang cuộn dây
thứ cấp của máy biến áp.
Hình 1.4. Ứng dụng truyền điện không dây cho sạc điện thoại.
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
Hình 2.1. Cấu trúc chung của hệ thống truyền điện không dây ……………………………12
Hình 2.2. Hệ thống WPT hai cuộn dây
Hình 2.3. Hiệu suất chuyển đổi max giữa 2 cuộn dây.
Hình 2.4. Hệ thống cuộn dây và tụ ...................................................................................18
Hình 2.5. Nguyên lý cơ bản thiết kế hệ thống điện không
dây...........................................19
Hình 2.6. Nguyên lý hoạt động theo Định luật
Lenz..........................................................20
Hình 2.7. Mạch dao động
LC.............................................................................................20

Hình 2.8. Nguyên lý làm việc của các thiết bị gia nhiệt cảm ứng năng lượng điện được
truyền không tiếp xúc từ cuộn dây sang vật cần gia
nhiệt.................................................22
Hình 2.9. Các mạch bù cơ bản.
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý mạch công
suất......................................................................26
Hình 2.11. Sơ đồ dạng sóng của mạch chỉnh lưu cầu 1 pha.............................................26
Hình 2.12. Mô phỏng mạch chỉnh lưu trên
PSIM..............................................................27
Hình 2.13. Kết quả mô phỏng của mạch chỉnh lưu...........................................................27
Hình 2.14. (a) Cấu tạo trong của mosfet, (b) Mosfet IRF540N
Hình 2.15. (a) Kí hiệu của đi ốt, (b) Cấu tạo trong của đi ốt
Hình 2.16. (a ) Tụ hóa, (b) Tụ gốm, (c) Kí hiệu
Hình 2.17. (a) Cấu tạo trong của mosfet, (b) Mosfet
IRFZ44N.......................................32
Hình 2.18. Cấu tạo MOSFET (Kênh dẫn n)......................................................................33
Hình 2.19. Sự tạo thành kênh dẫn của MOSFET..............................................................34
Hình 2.20. Đặc tính Vôn-Ampe của MOSFET...................................................................35
Hình 2.21. (a) Kí hiệu của điốt, (b) Cấu tạo trong của điốt.............................................35
Hình 2.22. (a ) Tụ hóa, (b) Tụ gốm, (c) Kí
hiệu...............................................................36
Hình 3.1. (a) Sơ đồ khối, (b) Sơ đồ nguyên lý phía mạch phát
Hình 3.2. Dạng sóng trên hai đầu cuộn cảm L48
Hình 3.3. (a) Sơ đồ khối; (b) Sơ đồ nguyên lý phía mạch thu9
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch điện thực hiện..................................................40
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng.................................................................................................41

Hình 4.2. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm
multisim.....................................................41
Hình 4.3. Kết quả thực nghiệm..........................................................................................42
Hình 4.4. Đồ thị điện áp đầu ra.........................................................................................42

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
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



Trang 10

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 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.

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
GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

SVTH: Trần Văn Hưng


Trang 11

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

GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

SVTH: Trần Văn Hưng


Trang 12

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
GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

SVTH: Trần Văn Hưng


Trang 13

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.

GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

SVTH: Trần Văn Hưng


Trang 14

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 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.
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 dây
dẫn. Đó là một thuật ngữ chung dùng để chỉ một số công nghệ truyền tải điện khác
nhau mà sử dụng điện từ trường biến thiên theo thời gian. Truyền không dây rất
GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

SVTH: Trần Văn Hưng


Trang 15

hữu ích cho các thiết bị điện trong trường hợp sử dụng dây kết nối là bất tiện, nguy
hiểm hoặc bất khả thi. Trong truyền tải điện năng không dây, một thiết bị truyền
kết 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 nhiều
thiết 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 bằng
sóng siêu cao tần. Tại nơi nhận, năng lượng của sóng siêu cao tần được chuyển đổi
thành điện năng để sử dụng. Mô hình hệ thống SPS bao gồm mặt trời, vệ tinh, bộ
phát 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 mặt
đất bằng sóng vi ba, chùm tia laser hay một phương pháp khác nào đó. Trong phần
này ta chỉ bàn về truyền năng lượng dùng sóng vi ba. Trong trường hợp này, đầu
tiên năng lượng mặt trời được chuyển thành điện năng, sau đó năng lượng điện
được chuyển thành sóng viba. Ở nơi nhận sóng vi ba được chuyển đổi trở lại thành
năng lượng điện. Anten chỉnh lưu nhận sóng vi ba trên mặt đất được gọi là
rectenna. Rectenna nhận sóng vi ba chuyển đổi thành năng lượng điện và sau đó
hòa vào mạng lưới.
 Lò vi sóng
 Tia Laser
1.2.
Phân loại các phương pháp truyền điện không dây.
Phươn
g
phá
p

Khớp
nối
quy
nạp
điệ
n từ

Tính năng

Chi tiết

- Khoảng cách: một vài
mm
Tần
số:125kHz,
13.56kHz
- Truyền tải điện: một vài
W
- Giai đoạn phát triển
:hoàn thành
- Tiêu chuẩn: tiêu chuẩn

- Cảm ứng điện từ dùng để chỉ 1 từ
trường mà tạo ra dòng mới. Một
bảng sạc cho phép tạo ra một từ
trường để nạp. Sau đó, môt cộn
dây thứ 2 trong một thiết bị cảm
ứng sạc pin cho nó.
- Hiệu quả truyền tải điên hơn 90% và
công nghệ không được coi là có
hại cho con người. Tuy nhiên,

GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

SVTH: Trần Văn Hưng


Trang 16

Bức xạ
điệ
n từ

Khớp
nối
cộn
g
hưở
ng
từ

WPC
- Sử dụng: điện thoại
thông minh, máy tính
bảng.
- Giá thành: thấp
- Hạn chế: khoảng cách
truyền ngắn
- Khoảng cách: 1~10m
- Tần số: 125kHz
- Truyền tải điện: lên đến
100MW.
- Giai đoạn phát triển:
đang được phát triển
- Tiêu chuẩn: N/A
- Sử dụng RFID, cảm biến
nhỏ
- Hạn chế: có hai đối với
con người

khoảng cách truyền dẫn là ngắn.
- Hiện nay tiêu chuẩn hóa và áp dụng
cho smatphone hay máy tính bảng.

- Khoảng cách: một vài
mét
- Tần số: 10MHz
- Gía: giá hợp lý
- Hạn chế: kích thước của
cuộn dây cần phải được
giảm.

- Công nghệ này cho phép một cuộn
dây phát một từ trường với tần số
cộng hưởng và sau đó truyền năng
lượng cho một cuôn dây nhận với
cùng tần số cộng hưởng.
- Công suất cố thể được truyền ngay
cả 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 thể con người .
- Công nghệ này được phát triển bởi
Marin Soliacic tại MIT vào năm
2007 và đươc chọn là 1 trong
những tương lai công nghệ hang
đầu của MIT. Mặc dù nỗ lực để
thương mai hóa công nghệ này,nó
đã được xem là ít hiệu quả so với

phiên bản khác của của công nghệ
truyền dẫn và khó khan để thực
hiện trên quy mô nhỏ hơn. Tuy
nhiên, những tiến bộ về mặt kỹ
thuật đã sẵn sang cho việc thương
mai hóa.

GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

- Căn cứ vào bức xạ điên từ, công
nghệ này có thể truyền tải lên đến
10m, nhưng nó kém hiệu quả do
tính chất đa hướng của nó. Nâng
cao sản lượng để bù đắp thiếu sót
này có thể gây hại cho cơ thể con
người.
- Như vậy, nó chỉ thích hợp cho các
ứng dụng như các mạng cảm biến
không dây (WSN) và cảm biến
(USN) tiêu thụ mức năng lượng
thấp.

SVTH: Trần Văn Hưng


Trang 17

- Hiệu quả của nó là khoảng 50% ở độ
cao 2m, nếu được cài đặt trong các
phòng cá nhân, các thiết bị di động

có thể được sạc liên tục.

Song
cực
ngắn

- Khoảng cách lên đến
100km
- Tần số: một vài GHz
(5.8GHz)
- Truyền tải điện: công
suất cao
- Giai đoạn phát triển:
được phát triển
- Tiêu chuẩn: N/A
- Sử dụng: hang không vũ
trụ
- Hạn chế: có hại đối với
con người

- Công nghệ này sử dụng song cực
ngắn để gửi tín hiêu thông qua một
ăng ten trên một khoảng cách dài.
- Một nghiên cứu được tiến hành
trong những năm 1960 bỡi NASA
cho các vệ tinh năng lượng mặt
trời (SPS) dự án truyền tải điện
năng lượng mặt trời đến trái đất.
- Nó đòi hỏi ăng ten khổng lồ, và
năng lượng có thể được hấp thụ

bởi không khí hoặc bị cản trở bởi
môi trường.Năng lượng được tạo
ra lớn nên nó cũng có hại cho 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 2

giai 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 của
NASA 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 này
tập trung chủ yếu phát triển công nghệ truyền không dây dùng trong sóng điện từ
phát xạ (sóng radio hoặc viba) để truyền năng lượng điện không dây với khoảng
cách truyền xa tới vài trăm kilomet. Cho đến ngày nay, công nghệ này vẫn đang
tiếp tục được phát triển, tuy nhiên do sử dụng sóng với tần số rất cao nên giá thành
rất cao, hiệu suất truyền thấp ảnh hướng không tốt tới môi trường nên công nghệ
này chỉ dùng trong một số lĩnh vực đặc thù như các thiết bị sử dụng trong công
GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

SVTH: Trần Văn Hưng


Trang 18

nghệ vũ trụ, trong quân đội, hoặc khi công suất rất nhỏ, giá thành thấp hơn và
không ảnh hưởng tới môi trường xung quanh như các thiết bị y tế dùng để cung
cấp 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 từ
trường (Inductive Coupling) để truyền năng lượng điện. Khoảng cách truyền
không dây đạt từ vài milimet đến vài mét. Với việc sử dụng tần số làm việc thấp từ
kHz 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 để
ứng dụng vào công nghiệp cũng như cuộc sống hàng ngày. Trong cuộc sống hàng
ngày, chúng ta đã từng thấy công nghệ này được thương mại hóa trên những bàn
chải đánh răng bằng điện được sạc không dây, hay bộ sạc Qi không dây trên các
mẫu 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 thay
đổi 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.

GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

SVTH: Trần Văn Hưng

Trang 19

Các ứng dụng của công nghệ truyền điện không dây đã được phổ biến trong một số
thiết bị tiêu dung như xe điện, điện thoại di động, máy tính, …vv đã được thử nghiệm
trên các thiết bị y tế cấy ghép yêu cầu điện bên ngoài (thậm chí định kỳ liên tục), và cho
các thiết bị vệ sinh điện, chẳng hạn như bàn chải đánh răng và cạo dâu,… mà thường
được 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 hóa
thạch trên toàn thế giới, lượng khí thải gây ô nhiễm và tiêu thụ chủ yếu do nghành giao
thông vận tải gây ra. Hiện nay các nước đang làm mọi cách để giảm nhu cầu nhiên liệu
hóa 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.

GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

SVTH: Trần Văn Hưng


Trang 20

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 chỉnh
lưu 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 lưu
nửa chu kỳ hay chỉnh lưu nửa sóng. Trong các bộ nguồn một chiều người ta
GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

SVTH: Trần Văn Hưng


Trang 21

hay sử dụng các mạch chỉnh lưu nhiều điốt (2 hoặc 4 điốt) với các cách sắp xếp
khác nhau để có thể biến đổi từ xoay chiều thành một chiều bằng phẳng hơn
trường 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 thay
đổi được và làm việc với phụ tải độc lập. Nguồn một chiều thông thường là
điện 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 dây
phát và cuộn dây thu tạo thành mạch cộng hưởng. Năng lượng được truyền đi
với tần số là tần số cộng hưởng.Cuộn dây bên mạch phát phát ra một từ trường
với một tần số cộng hưởng và sau đó truyền năng lượng cho cuộn dây bên
mạch thu với cùng tần số cộng hưởng. Công suất có thể được truyền ngay cả
với những trở ngại giữa mạch phát và mạch thu. Không giống như các bức xạ

điện 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 (chưa
xét đến mạch bù để tạo cộng hưởng):

Hình 2.2. Hệ thống WPT hai cuộn dây
Trong đó:
GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

SVTH: Trần Văn Hưng


Trang 22

L1,

điện cảm tự cảm của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp.
L
2

:
, :
21,12:
1 2

S1,

dòng điện chảy trong hai cuộn dây.
điện áp trên cuộn sơ cấp và thứ cấp được sinh ra do hiện tượng hỗ cảm
giữa hai cuộn dây.
công suất truyền đến cuộn L1 và L2.

S
2

:
S3,

công suất được cấp bởi bộ biến đổi điện tử công suất.
S
4

:
S12,
S

công suất trao đổi giữa hai cuộn dây.

2
1

:
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 toán
đơn giản công suất trao đổi từ L1 đến L2 như sau:
& &*
&&*
S&
12 = −U 12 I 2 = − jω MI1 I 2 = ω MI1 I 2 sin ϕ12 − jω MI1 I 2 cosϕ12
*
*
&&
S&21 = −U&21 I&
1 = − jω MI 2 I1 = −ω MI1 I 2 sin ϕ12 − jω MI1 I 2 cosϕ12

(1)
(2)

Với:
I1 và I2 là giá trị hiệu dụng của dòng điện của cuộn dây truyền và nhận.
φ12 là góc lệch pha giữa 1 và 2
Công suất tác dụng truyền từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp được tính như sau:
P12 = ω MI1I 2 sin ϕ12

GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

SVTH: Trần Văn Hưng

(3)


Trang 23

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 L 1 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&
1 + S 2 = j (ω L1 I1 + ω MI 2 ) I1 + j (ω L2 I 2 + ω MI1 ) I 2

=

jω ( L1I12 + L2 I 22 + 2 MI1I 2cosϕ12 )

(4)

Tổng công suất phản kháng vào:
Q = ω ( L1 I12 + L2 I 22 + 2MI1 I 2 cosϕ12 )

(5)

Để tăng hiệu suất truyền, tỷ giữa số công suất tác dụng và công suất phản kháng
phải lớn nhất. Tỷ số này được định nghĩa như sau:
f (ϕ12 ) =

k 1 − cos 2ϕ12
P12
ω MI1 I 2 sin ϕ12

=
=
Q
ω ( L1 I12 + L2 I 22 + 2 MI1I 2cosϕ12 ) x + 1 + 2kcosϕ
12
x

x=

L1 I1
;
L2 I 2

k=

M
L1 L2

(6)

Trong đó:

(k gọi là hệ số hỗ cảm)
Để f(φ12) đạt giá trị lớn nhất thì:
∂f (ϕ12 )
∂ 2 f (ϕ )
= 0; 2 12 < 0
∂ϕ12
∂ ϕ 12

Và nhận được:

GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

SVTH: Trần Văn Hưng

(7)


Trang 24

cosϕ12 = −

2k
x+

1
x

;

sin ϕ12 = 1 −

4k 2
1
( x + )2
x

(8)

Trong hệ thống này, k tiến tới gần 0, do vậy f(φ12) đạt giá trị lớn nhất khi hay φ12 =
90 nghĩa là dòng điện cảm ứng 2 phải chậm pha hơn dòng 1 góc 900.
0

Số bậc của khớp nối ảnh hưởng tới thiết kế mạch bù. Ví dụ, mạch nối tiếp – nối
tiếp, có 2 cách thiết kế tụ cộng hưởng.
 Cách 1: Thiết kế tụ điện cộng hưởng với điện cảm rò làm cho f(φ 12) cao hơn. Khi

vị trí thay đổi cần điều chỉnh tần số cộng hưởng, tần số chỉ phụ thuộc vào L m, nếu
chỉ 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 tụ
điện được điều chỉnh để cộng hưởng với điện cảm tự cảm làm cho hệ thống làm việc ở
chế 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 liên
quan 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 2 phải chậm pha hơn 1
góc 900. Khi điện áp cảm ứng 12 trên cuộn dây thứ cấp chậm pha hơn dòng điện 1 góc 900,
12 và 2 sẽ cùng pha (phía thứ cấp phải có đặc tính của điện trở thuần).
Khi cos φ12 = 0, tổng công suất S1:
2
S&
1 = jω L1 I1 + ω MI1 I 2

(9)

Lý tưởng, mạch bù phía sơ cấp phải bù được công suất phản kháng, nghĩa là làm cho
S3 = ω0 MI1 I 2

công suất S3 là nhỏ nhất hay

(ω0 là tần số cộng hưởng). Từ những phân tích
trên, ta thấy để truyền công suất phía thứ cấp phải cộng hưởng để giảm công suất cuộn
dây, giảm tổn thất trên cuộn dây. Phía sơ cấp phải cộng hưởng để giảm công suất của bộ
biến đổi, giảm tổn thất bộ biến đổi. Do đó, chúng ta truyền công suất ở chế độ cộng
hưởng từ.
Với những phân tích trên, chúng ta có thể tính toán hiệu suất truyền giữa hai cuộn dây ở
tần số cộng hưởng. Ta có:

GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

SVTH: Trần Văn Hưng


Trang 25

U12 = I 2 ( R2 + RLe ) = ω MI1 = ω k L1L2 I1
(10)
Ở đây:
R2
RLe

Q1 = ω L1 / R1

điện trở cuộn thứ cấp
giá trị của điện trở tải.
hệ số chất lượng của dây 1

Q2 = ω L2 / R2

hệ số chất lượng của dây 2

Hiệu suất truyền có thể được tính như sau:
I 22 RLe
RLe
η= 2
=
2
2
I1 R1 + I 2 R2 + I 2 RLe ( R2 + RLe ) 2
+ R2 + RLe
k 2Q1Q2 R2

Đặt

a = RLe / R2

(11)

:
η (a) =

1
1
+2
1
a
+ +1
2
k Q1Q2 a

a+

(12)

Hiệu suất sẽ đạt giá trị lớn nhất khi:
∂η ( a)
∂ 2η ( a)
= 0; 2
<0
∂a
∂a

(13)

Và nhận được:
ηmax =

k 2Q1Q2
aη max = 1 + k 2Q1Q2

(1 + 1 + k 2Q1Q2 ) 2

, tương ứng ở

GVHD: Th.S Nguyễn Thị Điệp

SVTH: Trần Văn Hưng

(14)