Nghiên cứu thực nghiệm mô hình hệ thống truyền điện không dây công suất nhỏ

TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29. 2016 
59 
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN 
ĐIỆN KHÔNG DÂY CÔNG SUẤT NHỎ 
Trần Hùng Cường1, Lê Phương Hảo1 
TÓM TẮT 
 Truyền tải điện năng không dây là cách truyền tải năng lượng điện từ một nguồn 
điện tới một thiết bị tiêu thụ điện mà không sử dụng dây truyền dẫn, giắc cắm. Hệ thống 
truyền điện có thể dễ dàng dẫn điện đến những nơi mà dây dẫn điện thông thường không 
thể kéo tới được ở một số môi trường đặc biệt với khoảng cách ngắn như viên nuốt ruột 
nội soi dùng trong y tế hoặc một số môi trường hóa chất trong một số hệ thống việc 
truyền điện không dây giúp cho hệ thống điện sẽ trở nên gọn nhẹ, thẩm mỹ, hạn chế 
được việc sử dụng hệ thống dây dẫn và dây cáp phức tạp. Bài báo này chủ yếu phân tích 
nguồn gốc ý tưởng, các phương pháp truyền điện không dây và đưa ra mô hình truyền 
điện không dây, từ đó nêu ra được ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của hệ thống truyền 
điện không dây. 
 Từ khóa: Truyền tải điện không dây, công nghệ điện năng. 
 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
 Điện được xem là một trong bốn phát minh quan trọng nhất của nhân loại (bên 
cạnh lửa, bánh xe và năng lượng nguyên tử), việc phát minh ra điện năng đã làm lịch sử 
nhân loại đã có những bước phát triển vượt bậc. Hiện nay để truyền tải năng điện năng 
thì phương pháp phổ biến nhất vẫn là sử dụng dây dẫn điện. Tuy nhiên, phương pháp 
này thường gây ra tổn hao điện năng lớn do điện trở gây ra (từ 20% - 30% [3]) làm giảm 
hiệu quả của việc truyền dẫn điện năng. Do đó, các vấn đề giảm tổn hao điện năng luôn 
được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Ngày nay, các nghiên cứu để phát triển 
công nghệ điện năng vẫn được quan tâm và thu được nhiều thành tựu, trong đó có công 
nghệ phát triển hệ thống truyền tải điện không dây, đây là vấn đề quan trọng để phát 
triển hệ thống điện trong tương lai [2] [4], việc này sẽ giảm thiểu được chi phí trong thiết 
kế, thi công các công trình về điện dân dụng nên quá trình sử dụng điện sẽ tiện lợi hơn, 
hệ thống điện không phải đấu nối dây dẫn phức tạp khi số lượng thiết bị điện tăng lên. 
Trong sinh hoạt, điện được sử dụng để chiếu sáng, chạy các thiết bị như quạt điện, điều 
hòa, tủ lạnh, máy giặt, nồi cơm, bình nước nóng, tivi, radio Xã hội càng phát triển, 
công nghệ sản xuất thiết bị điện cũng ngày càng phát triển, đặc biệt là các thiết bị điện 
1 Giảng viên khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Hồng Đức 
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29. 2016 
60 
thông minh, nhỏ gọn. Khi đó việc phát triển các thiết bị truyền điện không dây sẽ là một 
giải pháp tối ưu. 
 2. CÁC NGHIÊN CỨU CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY 
 Nikola Tesla là người phát minh ra radio, ông được coi là cha đẻ của truyền dẫn 
không dây. Ông là một trong những người đầu tiên đưa ra ý tưởng truyền năng lượng 
không dây và ông đã chứng minh được việc truyền năng lượng không dây từ rất sớm vào 
năm 1891 [4]. Năm 1893 Nikola Tesla đã biểu diễn sự thắp sáng không dây cho các bóng 
đèn huỳnh quang tại triển lãm Chicago - Mỹ [4]. Tháp Wardenclyffe được ông thiết kế 
chủ yếu cho việc truyền năng lượng điện không dây hơn là truyền điện tín [5]. 
Hình 1. Tháp Wardenclyffy do Nikola Tesla xây dựng 
 Năm 1961 Brown đã đăng bài báo đầu tiên đề xuất việc truyền năng lượng bằng 
sóng viba và năm 1961 ông đã trình diễn mô hình máy bay trực thăng thu năng lượng từ 
chùm tia viba 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 [3] [4]. Việc thử nghiệm truyền năng lượng không 
dây với công suất đến hàng chục kW đã được thực hiện năm 1975 tại Goldstone ở 
California và năm 1997 ở Grand Basin trên đảo Reunion. 
 Năm 2001, công ty Splashpower Anh đã sử dụng các cuộn dây cộng hưởng trong 
mặt phẳng để truyền hàng chục Watt vào các thiết bị khác nhau bao gồm cả đèn chiếu 
sáng, điện thoại di động Năm 2004 phương thức truyền công suất cảm ứng đã được 
sử dụng khá rộng rãi cho nhiều công đoạn khác nhau, được ứng dụng mạnh cho các thiết 
bị bán dẫn, LCD [3] [4] [5]. 
 Ngày nay, công nghệ truyền điện không dây được sử dụng phổ biến trong các thiết 
bị di động, cho phép sạc điện cho các thiết bị điện thông minh dễ dàng mà không cần 
đến dây dẫn. Các hãng công nghệ hàng đầu vẫn đang tiếp tục nghiên cứu và phát triển 
công nghệ mới này. Trong đó, Apple đã được cấp bằng sáng chế với một thiết bị sạc 
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29. 2016 
61 
không dây với phạm vi hoạt động lên đến một mét. Bên cạnh đó, Intel cũng giới thiệu 
công nghệ mới của họ, với một thiết bị từ tính tích hợp trong laptop và có thể cung cấp 
nguồn điện cho những chiếc smartphone đặt gần đó. Ngoài ra, các hãng khác cũng đã 
phát triển thành công công nghệ sạc điện không dây như: Samsung, Nokia 
 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY 
 Hiện nay việc truyền năng lượng không dây được thực hiện dựa trên các phương 
pháp như sau: 
 Phương pháp sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ 
 Năm 1831, Faraday đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường có thể sinh ra 
dòng điện [3]. Thực vậy, khi cho từ thông đi qua một mạch kín thay đổi thì trong mạch 
xuất hiện một dòng điện. Dòng điện đó được gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng đó 
được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. Hiện tượng cảm ứng điện từ của Faraday được 
sử dụng trong việc truyền điện không dây bằng cách đặt hai cuộn dây gần nhau với 
một khoảng cách nhất định [3], khi đó dòng điện trong cuộn dây này sẽ cảm ứng và 
sinh ra dòng điện trong cuộn dây kia mà không có bất kỳ liên hệ vật lý nào ở giữa hai 
cuộn dây. 
Hình 2. Nguyên lý cơ bản để thiết kế hệ thống điện không dây 
 Phương pháp sử dụng nguyên lý truyền sóng điện từ [4] 
 Nguyên lý của truyền sóng điện từ là chuyển đổi điện năng thành ánh sáng dưới 
dạng một tia laser, sau đó bắn chùm tia này đến một mục tiêu tiếp nhận năng lượng, 
chẳng hạn như một tấm pin năng lượng mặt trời được đặt ở vị trí mà điện năng cần được 
truyền đến, khi đó tấm pin năng lượng mặt trời lại thực hiện việc chuyển đổi năng lượng 
từ ánh sáng tia laser để cung cấp điện năng cho thiết bị tiêu thụ điện. Phương pháp này 
có thể truyền điện đi một khoảng cách xa mà không cần hệ thống dây truyền tải. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29. 2016 
62 
 Phương pháp sử dụng nguyên lý truyền sóng viba [4] 
 Sóng viba hay còn gọi là vi sóng (microwave) là các sóng điện từ có bước sóng 
siêu ngắn, có thể tạo ra vi sóng bằng các bộ tạo dao động điện từ có tần số siêu cao. 
Truyền tải điện không dây thông qua sóng viba với một tần số nhất định có thể được 
thực hiện để truyền điện đi một khoảng cách rất xa. Ban đầu điện năng được sản xuất ra, 
sau đó được chuyển thành dạng sóng viba với tần số phù hợp và được truyền đi xa đến 
vị trí tiêu thụ điện, ở đầu cuối hệ thống có một thiết bị thu sóng viba và thiết bị này sẽ 
thực hiện chuyển sóng viba thành điện năng. Với phương pháp này, hiện nay đang được 
các nhà khoa học nghiên cứu để ứng dụng cho việc truyền tải năng lượng điện từ các vệ 
tinh năng lượng mặt trời đến trái đất. 
 4. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VỀ TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY 
 4.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện không dây 
Hình 3. Mô hình mô phỏng hệ thống truyền điện không dây 
 Phía mạch phát 
 Khối nguồn: Khối này sử dụng nguồn nuôi là 12V DC lấy từ máy biến áp hạ áp 
(220V AC -12V DC). 
 Khối mạch tạo dao động và điều chỉnh độ rộng xung: Để tạo dao động và điều 
chỉnh độ rộng xung mạch dùng IC555, vì IC555 luôn có độ rộng xung 50%, để điều 
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29. 2016 
63 
chỉnh độ rộng xung trong khoảng 20% ~ 50% ta lắp thêm diode phân cực thuận D1 để 
đảm bảo dòng nạp qua R1 đến diode nạp thẳng tới tụ mà không qua R2. 
Nguồn 12V 
DC
Mạch tạo dao động 
và điều chỉnh độ 
rộng xung
Khuếch đại
Khung cộng 
hưởng LC
(a) 
(b) 
Hình 4. (a) Sơ đồ khối; (b) Sơ đồ nguyên lý phía mạch phát 
 Khối khuếch đại: khối này sử dụng Mosfet IRF540N để khuếch đại, ngoài ra 
Mosfet còn đóng vai trò như công tắc đóng mở điều khiển dòng cấp vào cuộn LC. 
 Khung cộng hưởng LC: Khung cộng hưởng nhận được dòng qua Mosfet, xuất hiện 
một điện áp V làm khung dao động và xuất hiện sóng điện từ bức xạ ra ngoài môi trường. 
Tần số xung tao bởi IC555 được tính chọn bởi công thức: 
2 1 2
1
ln 2. ( 2 )
f
C R R
1 2
1
T T T
f
 Trong đó: 1 1 2 2ln 2.( ).T R R C và 2 2 2ln 2. .T R C 
 Chọn tần số cộng hưởng: f = 63 kHz 5
1 1
1,58.10
63000
T s
f
 + Tính chọn R2, C: Do chọn xung vuông có độ rộng 50% nên: 
5
1 2 0,79.10
2
T
T T s 
 Với 5 5 5
2 2 2 2 20, 79.10 0, 79.10 ln 2. . . 1,1.10T s R C R C
 Để thỏa mãn chọn: 2 210 1,1C F R  
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29. 2016 
64 
 + Tính chọn R1: Với 51 0, 79.10T s
5 5
5
1 2 2 1 2 1 2
2 2
0,79.10 0,79.10
ln2.(R R ).C 0,79.10 R R R R 0,04
C .ln2 C .ln2
s
  
 Phía mạch thu: 
(a) 
L2
D2
C5 C6 Đèn
7812
GND
VOVI
(b) 
Hình 5. (a) Sơ đồ khối; (b) Sơ đồ nguyên lý phía mạch thu 
 Khung cộng hưởng LC: Để khung cộng hưởng được thì giá trị tụ và cuộn cảm phải 
phù hợp sao cho: 
 . bêL n átc phZ Z = . bêc n huL tZ Z 
 Khối chỉnh lưu: dùng diode xung FR207 để chỉnh lưu nửa chu kỳ. 
 Khối ổn áp: Để đảm bảo nguồn đưa ra tải 12V, ta dụng ổn áp LM78012. 
 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ 
 Bên phát: Khi nguồn 12V được cấp vào mạch sẽ được lọc qua tụ C1 và trực tiếp 
cấp nguồn cho IC555 hoạt động. R1, R2 và C2 được chọn để mạch tạo ra tần số 63kHz. 
Vì IC 555 luôn có độ rộng xung 50%, để điều chỉnh độ rộng xung trong khoảng 20% 
~ 50% ta lắp thêm diode phân cực thuận để đảm bảo dòng nạp qua R1 đến diode nạp 
thẳng tới tụ mà không qua R2. Điện trở R3 tạo điện áp cho IC so sánh ở chấn số 2 và 6 
và C3 lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định. Khi đó xung sẽ được tạo ra ở 
chân số 3 đi qua R4, đồng thời xung được đưa đến chân G của IRF540N. Mosfet khuếch 
đại tín hiệu xung và đưa tới khung cộng hưởng LC. Khung cộng hưởng nhận được dòng 
Khung cộng 
hưởng LC
Chỉnh lưu Ổn áp Tải
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29. 2016 
65 
qua Mosfet, xuất hiện một điện áp V làm khung dao động và xuất hiện sóng điện từ bức 
xạ ra ngoài môi trường. 
 Bên thu: Sóng điện từ bức xạ ra ngoài môi trường với tần số 63kHz cộng hưởng 
với khung LC bên thu tạo ra suất điện động. Điện áp này là xoay chiều, khi qua diode 
FR207 chỉnh lưu nửa chu kì. Để đảm bảo nguồn đưa ra tải là 12V, ta dụng ổn áp 7812. 
Tụ C5 đóng vài trò là tụ lọc nguồn. 
 4.2. Kết quả mô hình thực nghiệm của hệ thống truyền điện không dây 
Hình 6. Kết quả mô hình thực nghiệm của hệ thống truyền điện không dây 
 Mô hình trên hình 6, đã xây dựng hoàn thiện bằng phương pháp thực nghiệm với 
nguyên lý mạch cho trên phần 4.1. Qua thí nghiệm kiểm chứng quá trình hoạt động thì 
mô hình đã truyền được điện năng từ địa điểm này đến địa điểm khác với một khoảng 
cách nhất định làm cho tải (bóng đèn) phía cuộn dây thu hoạt động. Điều này đã chứng 
tỏ rằng điện năng có thể truyền từ nơi này đến nơi khác với khoảng cách nhất định mà 
không cần dây dẫn và phù hợp với quá trình phân tích lý thuyết đã nêu. 
 Đánh giá kết quả đạt được: Khoảng cách của việc truyền dẫn điện phụ thuộc vào 
kích thước cuộn dây và công suất thiết kế trước đó. Khi muốn thay đổi khoảng cách 
truyền dẫn điện phải tính toán lại sơ đồ và thay đổi thiết bị của mô hình. Mô hình chỉ 
phù hợp với các ứng dụng truyền dẫn với khoảng cách nhỏ và tiện dụng như: sạc điện 
thoại, thiết bị nạp điện cho ô tô điện, xe máy điện, tích hợp trong các thiết bị khác như ô 
tô, tàu hỏa, máy bay 
 Đề xuất hướng nghiên cứu mới: Cần cải tiến thiết bị với công suất lớn hơn, chất 
lượng linh kiện lớn hơn để nâng cao hiệu quả và tăng khoảng cách truyền điện không 
dây. Nghiên cứu hệ thống truyền điện không dây sử dụng công nghệ truyền năng 
lượng điện bằng sóng viba, tia lase để có thể tăng khoảng cách truyền dẫn trong 
không gian. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29. 2016 
66 
 5. ĐỀ XUẤT MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN 
KHÔNG DÂY 
 Ứng dụng cho thiết bị sạc điện không dây 
 Có thể áp dụng công nghệ này để phát triển và cải tiến công nghệ sạc điện cho các 
thiết bị như: ô tô điện, điện thoại di động hay các thiết bị cảm ứng không dây khác hoặc 
ở những môi trường khó khăn cho việc kết nối điện qua dây. 
Hình 5. Mô hình truyền điện không dây sử dụng cho các thiết bị điện 
 Truyền tải điện không dây thường tiện lợi hơn so với cách cắm điện qua ổ cắm thông 
thường. Hệ thống này sẽ trở nên rất tiện lợi, nhỏ gọn mà thiết bị vẫn hoạt động được bình 
thường. Phương pháp truyền điện không dây có những ưu, nhược điểm như sau: 
 Ưu điểm: Hệ thống truyền điện không dây sẽ làm sơ đồ đi dây của hệ thống điện 
trở nên gọn nhẹ, không phải dùng các hệ thống dây dẫn và dây cáp phức tạp, có thể dễ 
dàng truyền điện đến những nơi quan trọng mà dây dẫn không thể kéo đến được trong 
các môi trường khó đưa dây dẫn đến như: Một số thiết bị y tế, môi trường khai thác mỏ, 
dưới nước, dung dịch hóa chất[2]. 
 Nhược điểm: Chi phí vốn thực hiện thực tế của hệ thống truyền điện không dây ban 
đầu sẽ cao hơn so với hệ thống truyền điện dây dẫn, do môi trường truyền điện là sóng điện 
từ nên có thể ảnh hưởng tới các hệ thống thông tin liên lạc trong cùng một không gian [5]. 
 Ứng dụng cho thiết bị y khoa 
 Có thể dùng cho các thiết bị hoạt động bằng pin trong y tế. Do tuổi thọ của pin có 
hạn, năng lượng pin để sử dụng lâu dài không phải là một lựa chọn khả thi cho nhiều 
ứng dụng trong các lĩnh vực của y học hoặc kỹ thuật thử nghiệm. Do đó hệ thống này có 
thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị không dùng dây dẫn trong những trường hợp 
cần thiết. Ví dụ như từ mô hình này ta có thể cung cấp năng lượng từ xa đến bộ phận cấy 
ghép, hệ thống liều dùng thuốc men và các ứng dụng y tế khác mà không cần chạm vào 
chúng như viên nang nuốt nội soi di chuyển qua đường tiêu hóa và truyền tải hình ảnh 
bên trong của cơ thể ra bên ngoài [1]. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29. 2016 
67 
 6. KẾT LUẬN 
 Các phương pháp và mô hình thực nghiệm của hệ thống truyền điện không dây 
công suất nhỏ đã được trình bày và hoạt động đúng theo nguyên lý đề xuất, mô hình này 
là cơ sở để phát triển nghiên cứu các hệ thống truyền điện khác để phát triển một công 
nghệ được kỳ vọng để ứng dụng trong các hệ thống điện tương lai. Quá trình nghiên cứu 
và phát triển thành công ứng dụng công nghệ của hệ thống truyền điện không dây sẽ tạo 
ra một bước ngoặt quan trọng trong việc sản xuất và sử dụng thiết bị điện. Khi được sử 
dụng trong đời sống sinh hoạt thì hệ thống truyền điện không dây sẽ giúp giảm thiểu 
được sự bất tiện bởi các hệ thống dẫy dẫn, việc sử dụng các thiết bị điện sẽ trở nên tiện 
dụng hơn rất nhiều. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] M. Silverman, D. Nies, B. Jung, and G. Sukhatme (2002), Staying alive: a docking 
station for autonomous robot recharging, IEEE International Conference on 
Robotics and Automation (ICRA), vol. 1, pp.1050 - 1055,. 
[2] Renil Randy, M.Hariharan, R. Arasa Kumar (May 2014), Secured wireless power 
transmisson using radio frequency signal, International Journal of Information 
Sciences and Techniques (IJIST) Vol.4, No.3. 
[3] Sagolsem Kripachariya Singh, T. S. Hasarmani, and R. M. Holmukhe (April 
2012), Wireless Transmission of Electrical Power Overview of Recent Research 
& Development, International Journal of Computer and Electrical Engineering, 
Vol.4, No.2. 
[4] Vikash Choudhary, Vikash Kumar, Satendar Pal Singh, Deepak Prashar (2011), 
Wireless Power Transmission: An Innovative Idea, International Journal of 
Educational Planning & Administration. ISSN 2249-3093 Volume 1, Number 3, 
pp. 203 - 210. 
[5] S. Sheik Mohammed, K. Ramasamy, T. Shanmuganantham (2010), Wireless Power 
Transmission - A Next Generation Power Transmission System, International 
Journal of Computer Applications (0975 - 8887) Volume 1 - No. 13. 
OVERVIEW OF RESEARCH AND DEVELOPMENT OF 
WIRELESS ENERGY TRANSMISSION SYSTEM 
Tran Hung Cuong, Le Phuong Hao 
ABSTRACT 
 Wireless power transmission is a transmission of electrical energy from a power 
source to a power consumption device without using a transmission line. The system for 
TẠP CHÍ KHOA HỌC, TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 29. 2016 
68 
wireless energy transfer will reduce the cost of the installation of power transmission 
systems, wiring diagrams of power system becomes compact, then the system is not used 
for wiring and cabling, especially it can easily transfer energy to important places. This 
paper mainly analyzes the origin of ideas, the wireless power transmission methods and 
offering wireless power transmission model, from which outlines the advantages and 
disadvantages and the application of wireless power transmission system. 
 Keywords: Wireless power transmission, power technology.