19
Hình 3.8 băng thử tạo tải cở nhỏ
(1) thiết bị tạo tải (2) bộ phận đo tải
(3) bộ phận chuyển đổi và mạch điều khiển (4) giá đở thiết b
20
Hình 3.9 Màn hinh kết nối với băng thử hiển thị thông sô động cơ theo tải
21
3.3.2 Thiết kế giá đỡ và lắp máy phát vào trục thiết bị tạo tải
Hình 3.11 Máy phát được lắp đồng trục với thiết bị tạo tải
3.3.3 Cho động cơ điện hoạt động, tạo tải, đo và lập bản số liệu
Việc đo và lấy số liệu được thực hiện nhiều lần trong điều kiện acquy được nạp đầy điện để động cơ đạt được hiệu suất cao nhất và cho ra số liệu ở mỗi lần đo chính xác nhất.
Số liệu hiển thị đồng bộ trên đồng hồ và màn hình. Và số liệu thay đổi liên tục khi ta hay đổi tải cho động cơ.
22
Hình 3.12 Số liệu ghi nhận được khi động cơ điện hoạt động
Số liệu ghi nhận được bao gồm. o điện áp U(V),
o dòng điện (A), o momen xoắn (Nm), o số vòng quay (n)
Từ các thông số thu thập được, ta tính toán Công suất Pout, Pin như sau:
- Công suất đầu ra( P_out) = 𝜋.𝑛.𝑀 30 - Công suất đầu vào. Pin = UI (W)
23 Bảng số liệu trung bình thu được ở mỗi lần đo
Bảng 3.1Kết quả trung bình
Giá trị trung bình
n (rpm) M (Nm) U (V) I (A) P_out (W) P_in (W) ɳ (%)
3351 0.000 48.95 6.53 0.00 319.74 0.00 3206 0.583 48.21 8.89 195.73 428.77 45.65 3004 1.234 47.13 12.92 388.31 608.65 63.80 2802 1.947 45.96 17.58 571.26 807.84 70.71 2670 2.356 45.43 20.19 658.67 917.32 71.80 2604 2.508 45.23 20.76 683.81 939.20 72.81 2404 2.751 45.23 20.82 692.65 941.69 73.55 2200 3.032 45.20 21.05 698.50 951.58 73.40 1996 3.268 45.17 21.07 683.00 951.71 71.77 1802 3.578 45.13 21.07 675.26 951.00 71.01 1598 3.922 45.11 21.02 656.34 948.01 69.23 1398 4.329 45.04 20.98 633.81 944.86 67.08 1198 4.752 44.94 20.93 596.11 940.60 63.38 1000 5.013 44.80 20.87 524.95 935.12 56.14 816 5.231 44.52 20.77 446.87 924.60 48.33
24
3.3.4Đồ thị thể hiện các đường đặc tính
• Đồ thị điện áp tiêu thụ
Hình 3.13: Đồ thị thể hiện điện áp tiêu thụ theo số vòng quay động cơ
Nhận xét:
+ Điện áp tiêu thụ tăng khi tốc độ động cơ tăng
+Từ số vòng quay ở khoản 800v/p đến 2500v/p điện áp tăng chậm khoản gần 2v và tăng nhanh ở số vòng quay >2500v/p
+ Điện áp thấp nhất khoản 44,5v ở tốc độ 800v/p và đạt cực đại là 50v ở tốc độ cực đại khoản 3300v/p
25 • Đồ thị dòng điện tiêu thụ
Hình 3.14 Đồ thị thể hiện dòng điện tiêu thụ theo số vòng quay động cơ
Nhận xét:
+Hiệu điện thế giảm khi tốc độ động cơ tăng
+Ở tốc độ động cơ từ khoản 800 đến < 2500v/p điện thế giảm nhẹ và giảm mạnh khi tốc độ động cơ tăng > 2500v/p
+Điện thế đạt giá trị cực đại khoản 21A ở tốc độ khoản 800v/p và ở mức thấp nhất khoản 6A với tốc độ cực đại đạt 3300v/p
26 • Đồ thị công suất động cơ
Hình 3.15 Đồ thị so sánh giữa công suất đầu vào và đầu ra theo số vòng quay động cơ
Nhận xét:
+Nhìn chung thì công suất đầu vào và công suất đầu đều theo hướng tăng dần sau đó giảm mạnh.
+Ở thời điểm ban đầu, giá trị của công suất đầu ra chỉ đạt được một nữa so với công suất đầu vào cụ thể là : công suất đầu vào (P.in)=910w ở tốc độ 600v/p trong khi đó công suất đầu ra (P.out) chỉ đạt khoản 450w ở cùng số vòng quay.
+Tốc độ tăng thì cả P.out lẫn P.in đều tăng nhưng so với P.in thì giá trị công suất P.out tăng nhanh hơn. ở tốc độ 2500v/p thì P.out đạt 700w và giá trị P.in đạt 960w
+ Khi tốc độ động cơ tăng > 2500v/p thì cả công suất P.in và P.out đều giảm mạnh đến khi tốc độ đạt cực đại khoản 3400v/p thì P.out = 0w còn P.in = 300w
27 • Đồ thị giữa công suất và momen xoắn động cơ
Hình 3.16 Đồ thị công suất đầu ra và momen xoắn động cơ theo số vòng quay
Nhận xét
+Trên đồ thị ta thấy, giá trị công suất đầu ra (P.out) tăng khi tốc độ động cơ tăng và sau đó giảm mạnh. Trong khi đó thì momen xoắn động cơ luôn giảm khi tốc độ động cơ tăng
+ Ở tốc độ động cơ ban đầu, giá trị momen = 5.3 và công suất P.out = 450w. khi tốc độ động cơ tăng và tăng đến khoản 2500v/p thì lúc này giá trị momen chỉ còn khoản 2.8 trong khi đó P.out = 700w
28 • Đồ thị hiệu suất
Hình 3.17 Đồ thị thể hiện hiệu suất động cơ theo số vòng quay
Nhận xét:
+Hiệu suất tăng dần theo tốc độ động cơ và sau đó giảm mạnh
+Hiệu suất từ khoản 43% và tăng đạt giá trị cự đại khoản 72% ở tốc độ động cơ khoản 2500v/p và giảm xuống 0% khi tốc độ động cơ đạt cực đại
29
3.3.5Đồ thị thể hiện khả năng động cơ
•Chọn xe nền là dòng xe số bình dân. VD honda dream 110cc
Bảng 3.2Mức độ tải trọng Trọng lượng không tải 100kg Trọng lượng 50% tải 170kg Trọng lượng 100% tải 240kg Bán kính bánh xe: rb = 0.28m Phương trình cân bằng lực kéo:
Fk = Ff + Fi + Fw +Fj Ff = m.g.f: lực cản lăn. Fi = m.g.sinα : lực cản lên dốc. Fw = 0,625.Cd.Af.v2 : lực cản không khí. Cd = 0.8, Af = 0.4. Fj = m.j : lực cản quán tính chuyển động thẳng. Chọn tỉ số truyền thử nghiệm.
•Tỉ số truyền được chọn phải phù họp với khả năng tải và đạt được vận tốc nhất định.
•Ứng với mỗi tỉ số truyền khác nhau ta thu được vận tốc, khả năng tải và khả năng leo dốc khác nhau
- ở phần này sẽ khảo sát vận tốc, khả nagư tải và khả ăng leo dốc theo tỉ số truyền tương ứng với động cơ đạt giá trị Pmax và Mmax:
- động cơ đạt giá trị công suất cực đại Pmax = 700 W tại số vòng quay nP = 2400 rpm
- động cơ đạt giá trị Moment cực đại Mmax = 5.23 Nm tại số vòng quay nM = 810 rpm
Điều kiện xác định: vận tốc của xe khiPmax và Mmax khi xe chuyển động đều (j = 0 => Fj = 0), trên đường bằng phẳng (α = 0 => Fi= 0).
30 Fk = Ff + Fw(3.2)
Công suất động cơ: P = Fk.v.ɳ (3.3) Từ (3.2) và (3.3) ta có:
P = ((m.g.f + 0,625.Cd.Af.v2).v)/ɳ
m = (P*hs-0.625*Cd*Af*v^3)/(g*f*v) (3.4)
Giải (3.1),(3.4) khi Pmax = 700 W, nP = 2400 rpm ta được đồ thị vận tốc và tải trọng khi Pmax theo tỉ số truyền
31 Giải (3.1),(3.4) khi Mmax = 5.23 Nm, nM = 810 rpm, ta được đồ thi vận tốc và tải trọng khi Mmax theo tỉ số truyền
32 • Khả năng leo dốc theo tỉ số truyền
Điều kiện xác định: + xe chuyển động đều: j = 0 => Fj = 0. + vận tốc thấp v << => Fw ~ 0. + Mmax =5,23 Nm, nM = 810 rpm max max sin sin (5) k f i m t b ax t b b M i mgf mg r M i mgfr m F F F gr
Giải (5) khi I thay đổi ta được đồ thị khả năng leo dốc theo tỉ số truyền
33 Nhận xét
Do đặc tính của động cơ điện là tốc độ và khả năng leo dốc tương đối thấp. Xét 3 đồ thị trên ta thấy rằng:
- Ở tí số truyền nhỏ xe vận tốc cao (hình 3.18) nhưng không có khả năng tải và khả năng leo dốc hay tăng tốc hầu như không thể (hình 3.19 , 3.20)
- Ở tí số truyền lớn, xe leo dốc và khởi động tốt (hình 3.19, 3.20) nhưng dư thừa công suất (hình 2.19), vần tốc ở tí số truyền lớn tương đối tốt phù hợp với đặc tính của xe điện (hình 3.20)
- Dựa vào các điều kiên trên, ta có thể chọn tỉ số truyền trong khoảng từ 5-6 là hợp lý nhất
- Chon tí số truyền thử nghiệm
- Motor kéo tải bánh đà qua bộ truyền đai xích o Số răng đĩa motor n1 = 8
o Số răng đĩa bánh đà n2 = 43
Tỉ số truyền I = n2/n1 =5,375.
Ở tí số truyền này ta xác định vận tốc cực đại của xe máy (thay tỉ số truyền I = 5,375 vào (3.1) khi tốc độ vòng quay thay đổi ta xác định vận tốc tương ứng.
34
Hình 3.21 Biểu đồ vận tốc và khả năng tải theo tốc độ đông cơ
Nhận xét:
- Ở tốc độ cao, xe không có khả năng tải.
- Ở tốc độ thấp xe có khả năng tải lớn.
- Xét ở khối lượng không tải 100 kg. ta nhận đucợ giá trị vận tốc tương ứng v = 12 m/s
- Xét ở khối lượng toàn tải 250 kg, ta nhận được giá trị vận tốc tương ứng v = 9 m/s
3.4 Thiết kế mạch chuyển đổi qua lại giữa máy phát và động cơ 3.4.1 Thiết bị và linh kiện sử dụng trong mạch chuyển đổi
35
Hình 3.22 role 5 chân
+Transistor TIP142 dùng để kích role
Hình 3.23 transistor NPN TIP142
+Arduino uno r3 lập trình cấp nguồn cho transistor theo thứ tự
36 Bang3.3 Thông số kĩ thuật arduino
Vi điều khiển: ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
+Công tắc điều khiển 3 chế độ dạng cần gạt
Hình 3.25 công tắc điều khiển
37
3.4.2.1 Sơ đồ mạch điều khiển máy phát điện
Hình 3.26 Sơ đô mạch máy phát điện
3.4.2.2 Mạch tổng hợp chuyển đổi giữa máy phát và động cơ 3.4.2.2.1 Sơ đồ mạch chuyển đổi 3.4.2.2.1 Sơ đồ mạch chuyển đổi
38
Hình 3.27 Sơ đồ mạch chuyển đổi giữa máy phát và động cơ
3.4.2.2.2 Nguyên lí hoạt động
- Đánh số từ 1 đến 6 cho 6 role, số 7 và 8 là dây kích role chuyển đổi nguồn acquy - Transistor được đánh số thứ tự từ T1,T2,...T6
Chế độ off
+ Máy phát không nạp điện cho acquy do role 6 là role thường mở Chế độ máy phát
+ Bật công tắc sang chế độ máy phát, arduino cấp nguồn cho T4 kích role 6 chế độ máy phát hoạt động
Chế độ động cơ
+Bật công tắc sang chế độ động cơ, arduino cấp nguồn lần lượt cho T5, T6 kích lần lượt cho dây 7,8 xuống mass acquy chuyển từ song song sang nối tiếp
+Arduino tiếp tục cấp nguồn cho T2 và T1 kích chuyển đổi role 123 và 4 +Arduino sau đó cấp nguồn tiếp cho T3 kích role 5
39
Hình 3.28 Mạch chuyển đổi hoàn thiện
3.5. Thử nghiệm thực tế động cơ – máy phát khi có tải 3.5.1.Chọn tải và thiết bị đo tốc độ 3.5.1.Chọn tải và thiết bị đo tốc độ
• Chọn tải
Chọn tải là bộ bánh đà có khối lượng 45 kg. đường kính trung bình 0.155 m. lắp song song với trục motor
40 Bộ bánh đà được đặc nằm trên giá đỡ và nằm song song với máy phát
Hình 3.30 Bộ bánh đà cố định trên cùng một trục
•Thiết bị đo tốc độ của tải Sử dụng cảm biến tiện cận
41 Các thông số của cảm biến
Cảm biến đo vận tốc dựa trên nguyên lí của việc phát hiện kim loại Điện áp hoạt động: 6-36 VDC
Dòng tiêu thụ 300 mA
Khoảng cách phát hiện: 0 – 8 mm Ngõ ra NPN cực thu hở.
42
Hình 3.32b Vị trí đặc cảm biến
Arduino đọc tín hiệu nhận được từ cảm biến, xử lí và hiển thị lên màn hình
Hình 3.33 arduino nhận tín hiệu cảm biến
43
Hình 3.34 sơ đồ mạch cảm biến với arduino
3.5.2 Nguyên lý hoạt động
Cảm biến chưa hoạt động. chân (1) cảm biến ko có tín hiệu. nguồn 5V từ arduino qua điện trở về chân số 2 arduino. Chân số 2 nhận mực tín hiệu HIGH
Khi cảm biến hoạt động, tín hiệu từ chân (1) cảm biến ->chân (1) opto -> diode quang -> chân (2) opto -> mass cảm biến. diode quan hoạt động kích transistor hoạt động, Nguồn 5V -> trở -> chân (4) opto -> chân (3) opto -> mass arduino. Chân số 2 arduino nhận mức LOW. Arduino sẽ nhận sự thay đổi tín hiệu HIGH - LOW của chân số 2 để tính toán tốc độ của bánh đà.
44
Hình 3.35 bánh đà nối với máy phát qua xích đĩa
3.5.3 Thử nghiệm kéo tải
Thử nghiêm động cơ kéo tải.
Moment quán tính của bánh đà 2 2 1 2 I mr kgm Tốc độ gốc ( d / ) 30 n ra s với n: số vòng quay (rpm)
Lấy đạo hàm theo thời gian ta được gia tốc góc
d dt
(rad/s2)
Moment xung lượng bằng tích Moment quán tính của vật đổi với trục đó với vectơ vận tốc gốc
45 L = I
Đạo hàm của Moment xung lượng theo thời gian bằng tổng các Moment của tất cả các ngoại lực tác dụng lên vật xét với trục
2 ( ) 1 r (1) 2 dL d I d I I m M dt dt dt Kết quả thử nghiệm
•Đo tốc độ bánh đà hiển thị trên arduino ta thu được kết quả sau: ( Vùng màu đỏ)
46 •Thử nghiệm lấy số liệu 10 lần đo. Tính giá trị trung bình của 10 lần đo ta được bảng kết quả trung bình
Bảng 3.6 Tốc độ và gia tốc trung bình của bánh đà
•Vẽ đồ thị gia tốc – vận tốc bánh đà theo thời gian
Hình 3.37 đồ thị vận tốc và gia tốc bánh đà theo thời gian
Thời gian (s) Tốc độ bánh đà (rpm) Gia tốc (rad/s^2) 0 0 0.00 0.5 61 12.77 1 293 48.59 1.5 434 29.53 2 523 18.64 2.5 579 11.73 3 605 5.45 3.5 627 4.61
47 Nhận xét
o Gia tốc tăng nhanh lúc khởi động và giảm dần khi tốc độ bánh đà bánh đà bằng ½ tốc độ cực đại.
o Giá trị gia tốc cực đại trung bình: 48.59 (rad/s2)
o Thời gian để đạt được gia tốc cực đại trung bình khoảng 1 (s) o Giá trị tốc độ cực đại trung bình: 627 (rpm).
o Thời gian để đạt được tốc độ cực đại trung bình khoảng 3,5 (s).
- Tổng các Moment ngoại lực tác dụng lên bánh đà chính bằng Moment kéo của động cơ và tổn hao trong hết thống truyền động bánh đà
- Ta sử dụng giá trị cực đại của gia tốc gốc để tính Moment kéo cực đại của động cơ. Từ đó ta tính được lực kéo cực đại của động cơ.
Ta có 2 1 .45.0,155 .48, 59 26, 27( ). 2 k M I Nm 26, 27 169,5( ) 0,155 k k M F N r
Ngoài ra ở phần thử nghiệm công suất – moment động cơ ta xác định được Moment cực đại của động cơ M = 5,23 (Nm)
Với tỉ số truyền i = 5,375 ta tính đươc lực kéo motor phát ra Hiệu suất kéo của Motor thử nghiệm
d 169,5 0,9364 93.64% 181 b k F F
Ở công thức trên, giá trị của Moment ngoại lực ( Moment kéo của Motor) là không đổi Mmt 26, 27(Nm). Giả sử bán kính r không đổi thì gia tốc gốc tỉ lệ nghịch với khối lượng
Nếu ta thay giá trị của rx = 0,28 (m) – tương ứng bán kính của bánh chủ động xe máy. Giá trị m (kg) – khối lượng xe máy thay đổi từ , Khi đó ta tìm được giá trị gia tốc góc tương ứng. 2 2 r k x M m
48 Chuyển giá trị gia tốc góc sang gia tốc dài ( gia tốc của xe máy )
2 d 2 2.26, 27