Phương pháp cảm ứng điện từ trong truyền năng lượng không dây

Một phương pháp truyền năng lượng điện đến một khoảng cách mà không sử dụng môi trường dẫn điện được gọi là truyền tải điện không dây. Vào năm 2011, một số thí nghiệm thành công đã được thực hiện trong phạm vi vi sóng với công suất vài chục kilowatt, trong khi hiệu suất đạt khoảng 40%.

Điều này xảy ra lần đầu tiên vào năm 1975 tại California và lần thứ hai vào năm 1997 trên đảo Reunion. Khoảng cách dài nhất là khoảng một km, một thí nghiệm đã được thực hiện để nghiên cứu khả năng tiết kiệm năng lượng của một ngôi làng mà không cần sử dụng cáp truyền thống.

Về mặt công nghệ, các nguyên tắc truyền tải điện trên một khoảng cách bao gồm, tùy thuộc vào khoảng cách truyền, sau đây. Ở khoảng cách ngắn ở công suất thấp - phương pháp cảm ứng và cộng hưởng, chẳng hạn như trong thẻ RFID và thẻ thông minh. Ở khoảng cách lớn và ở công suất cao - phương pháp bức xạ điện từ định hướng trong phạm vi từ UV đến lò vi sóng.

Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn về phương pháp cảm ứng. Truyền năng lượng không dây thông qua cảm ứng điện từ ngụ ý việc sử dụng trường điện từ gần ở khoảng cách tương xứng với 17% bước sóng. Điểm mấu chốt là năng lượng của trường gần không tự phát ra, chỉ có bức xạ nhỏ và tổn thất điện trở.

Cảm ứng điện động làm việc như thế này. Khi một dòng điện xoay chiều đi qua cuộn sơ cấp, có một từ trường xoay quanh nó, đồng thời tác dụng lên cuộn dây thứ cấp, tạo ra một EMF biến đổi và theo đó là dòng điện xoay chiều.

Để đạt được hiệu quả cao hơn, vị trí tương đối của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp phải đủ gần. Nếu trong điều kiện thí nghiệm, cuộn thứ cấp bắt đầu di chuyển ra khỏi cuộn sơ cấp, thì phần từ trường chạm tới cuộn thứ cấp và qua các vòng của nó sẽ trở nên nhỏ hơn.

Khi cuộn dây thứ cấp bị loại bỏ, ngay cả ở một khoảng cách nhỏ, khớp nối cảm ứng giữa các cuộn dây cuối cùng sẽ trở nên nhỏ đến mức phần lớn năng lượng được truyền từ trường sẽ bị tiêu hao vô cùng kém hiệu quả và nói chung là vô ích.

Một hệ thống tương tự được trình bày ở dạng đơn giản nhất. trong một máy biến áp điện cổ điển. Xét cho cùng, một máy biến áp là thiết bị đơn giản nhất để truyền tải điện không dây, vì các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của nó không được kết nối với nhau. Việc truyền năng lượng từ sơ cấp sang thứ cấp được thực hiện trong đó thông qua một quá trình gọi là cảm ứng lẫn nhau. Chức năng chính của máy biến áp là tăng hoặc giảm điện áp cung cấp cho cuộn sơ cấp.

Trong các bộ sạc không tiếp xúc cho thiết bị di động, cho bàn chải đánh răng điện và trong cảm ứng, chỉ có các phương pháp cảm ứng điện động lực được thực hiện. Bất lợi trong việc truyền năng lượng theo cách này là hành động hiệu quả là rất nhỏ. Để đạt được hiệu quả phù hợp, máy phát và máy thu phải được đặt rất gần nhau, gần với nguyên tắc chúng có thể tương tác hiệu quả với nhau.

Để tăng hiệu quả của phương pháp cảm ứng, rất hữu ích khi đưa hiện tượng cộng hưởng điện vào một hệ thống như vậy, điều này sẽ làm tăng khoảng cách truyền hiệu quả. Với việc bổ sung một mạch dao động vào mạch cộng hưởng, nó bằng hành động của nó đến một mức độ nào đó làm tăng khoảng cách truyền hiệu quả. Để cộng hưởng xảy ra, các vòng lặp máy phát và máy thu phải được điều chỉnh theo cùng tần số chung.

Hiệu suất của một hệ thống như vậy có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách điều chỉnh dạng sóng của dòng điều khiển, làm lệch nó từ dạng hình sin sang dạng không chuyển tiếp, dạng xung.

Truyền năng lượng xung sau đó được thực hiện trong một số chu kỳ và công suất đáng kể có thể được truyền trong các điều kiện như vậy từ mạch LC này sang mạch khác và với hệ số ghép thấp hơn so với không sử dụng mạch cộng hưởng. Hình dạng của các cuộn dây không thay đổi, và trong mọi trường hợp chúng là các hình xoắn ốc phẳng hoặc solenoids một lớp với các tụ điện được kết nối với chúng, cần thiết để điều chỉnh phần tử nhận theo tần số cộng hưởng của máy phát.

Theo truyền thống, cảm ứng điện động cộng hưởng được sử dụng trong bộ sạc pin không dây của thiết bị di động, như điện thoại di động và cấy ghép y tế, cũng như trong xe điện. Các thiết bị sạc cục bộ sử dụng lựa chọn một cuộn dây phát cụ thể từ một bộ cuộn dây đa lớp.

Trong trường hợp này, hiện tượng cộng hưởng hoạt động cả trong mạch của bảng phát của bộ sạc và trong mạch thu của mô đun sạc được cài đặt trên thiết bị sạc, để hiệu quả truyền và nhận năng lượng được tối đa hóa. Công nghệ của cấu hình này là phổ biến và có thể được sử dụng để sạc không dây các thiết bị khác nhau được trang bị bộ thu cộng hưởng thích hợp.

Kỹ thuật của kế hoạch này được áp dụng như là một phần của tiêu chuẩn sạc không dây Qi. Tiêu chuẩn này cung cấp hai tùy chọn để truyền năng lượng: công suất thấp - từ 0 đến 5 watt và công suất trung bình - lên đến 10 watt. Tiêu chuẩn được phát triển sau năm 2008 bởi Hiệp hội điện không dây (WPC) cho việc truyền năng lượng cảm ứng lên đến 4 cm.

Thiết bị có hỗ trợ Qi bao gồm một máy phát có cuộn dây phẳng (được đặt phía sau tấm), được kết nối với nguồn điện cố định và một máy thu tương thích được lắp đặt bên trong thiết bị sạc (cũng ở dạng cuộn dây phẳng). PKhi sử dụng bộ sạc, thiết bị được kết nối được đặt trên tấm phát. Trong trường hợp này, nguyên tắc cảm ứng điện từ giữa hai cuộn dây phẳng này, như trong một máy biến áp, được áp dụng.

Qi được sử dụng ngày nay trong một số thiết bị: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Yota Devices. Mục tiêu của tập đoàn là tạo ra một tiêu chuẩn duy nhất cho công nghệ sạc cảm ứng để biến bộ sạc không dây thành một thuộc tính quen thuộc của các địa điểm công cộng, như quán cà phê, sân bay, đấu trường thể thao, v.v.

Cảm ứng điện động lực cộng hưởng cũng được sử dụng để trực tiếp cung cấp năng lượng cho các thiết bị không có pin bên trong. Chúng bao gồm thẻ RFID và thẻ thông minh không tiếp xúc. Một nguyên tắc tương tự cho việc truyền năng lượng điện được áp dụng. trong máy biến áp Tesla - từ mạch sơ cấp - cuộn cảm - đến bộ cộng hưởng nằm bên trong nó. Bản thân máy biến áp Tesla cũng hoạt động như một máy phát năng lượng không dây, chỉ tĩnh điện hơn điện từ.