2.4.2 Thử nghiệm mạch
Sau khi hoàn thành mạch, tiến hành thử nghiệm mạch với các chức năng mới như hiển thị lên máy tính qua kết nối khơng dây và file lưu thẻ nhớ, đồng thời kiểm nghiệm chức năng cơ bản là đo điện áp, cường độ dịng điện và cơng suất.
2.4.2.1 Chức năng đo điện áp, cường độ dịng và cơng suất
Tiến hành kiểm nghiệm độ chính xác khi đo các thơng số của mạch bằng 2 phương pháp: mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng điện Proteus 8.0 và đo thực nghiệm với mẫu thử. Tiến hành kiểm nghiệm bằng mô phỏng với mẫu thử là tín hiệu điện áp vào 12V, tải là điện trở công suất 2,4 . Kết quả mơ phỏng thu được như trên hình 61.
Tiếp tục kiểm tra chức năng đo các thơng số điện áp, cường độ dịng điện và công suất bằng thực nghiệm. Ta sử dụng mẫu thử là 1 quả pin tiểu AA (pin con thỏ) với điện áp của pin là khoảng 1,5V. Kết quả thu được cho thây điện áp đo được khoảng 1,49 đến 1,53V như trên hình 62.
Hình 29: Kết quả kiểm nghiệm mạch với Pin AA2.4.2.2 Chức năng hiển thị bằng kết nối không dây 2.4.2.2 Chức năng hiển thị bằng kết nối không dây
Tiến hành thử nghiệm bằng cách đặt mạch đo tại một vị trí cách máy tính 100m để thử nghiệm bộ thu phát và hiển thị dữ liệu.
Kết quả là bộ thu, phát hoạt động bình thưởng, dữ liệu thu được và hiển thị lên máy tính khơng bị gián đoạn.
Hình 30: Dữ liệu truyền về từ khoảng cách 100m2.4.2.3 Thử nghiệm chức năng lưu kết quả lên thẻ nhớ 2.4.2.3 Thử nghiệm chức năng lưu kết quả lên thẻ nhớ
Với Module đọc thẻ nhớ MicroSD/TF hỗ trợ thẻ nhớ 1G, ta có thể đo và lưu dữ liệu lên thẻ nhớ để phục vụ công tác xử lý và lưu trữ. Dữ liệu có thể được định dạng excel hoặc text tùy yêu cầu xử lý và dung lượng. Em đã tiến hành thử cả 2 phương án, và đều cho kết quả tốt, duy chỉ có điều lưu file trực tiếp dưới dạng Excel chưa thực sự thuận tiện cho việc xử lý do nguyên nhân hiển thị. Vì thế, em quyết định để file lưu dưới định dạng text rồi mới chuyển qua excel để xử lý.
Hình 31: Định dạng file lưu thẻ nhớ dưới dạng Excel
Hình 32: Định dạng file lưu thẻ nhớ dưới dạng text
2.4.3 Đánh giá khả năng làm việc và tính năng của mạch đo mới
2.4.3.1 Khả năng làm việc
Mạch đo được hoàn thiện và chế tạo mới cho thấy khả năng làm việc ổn định, độ chính xác khá cao, độ tin cậy lớn hơn, tính năng mới ưu việt hơn mạch đo đã chế tạo trước đó.
- Độ chính xác đo
- Khả năng cơ động với nguồn Pin rời - Khả năng truyền phát dữ liệu
2.4.3.2 Tính năng và thơng số
Mạch đo mới có các tính năng và thơng số cụ thể như sau: - Giới hạn đo:
• Điện áp: 12V
• Cường độ dịng điện: 5A
• Cơng suất 60W - Độ chính xác:
- Khoảng cách truyền dữ liệu: 100m (có thể lớn hơn)
- Độ chính xác: Chỉ phụ thuộc module cảm biến dịng và có thể hiệu chỉnh
• Độ nhạy module cảm biến dịng: 63 – 190 mV/A
• Sai số đầu ra: 1,5%
- Lưu trữ dữ liệu với dung lượng tối đa 1G
CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM3.1 Mơ hình Windbelt thực nghiệm trong ống khí động 3.1 Mơ hình Windbelt thực nghiệm trong ống khí động
Hình 33: Mơ hình Windbelt trong thử nghiệm trong ống khí động
Do điều kiện thí nghiệm là trong ống khí động, với mục đích khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của Windbelt nên sử dụng mơ hình đã chế tạo với kích thước nhỏ, các thơng số cụ thể như sau:
- Cuộn dây: Sử dụng một cuộn dây 2500 vịng có sợi dây đường kính 0,12mm. Hai đầu của cuộn dây được nối với một diode cầu chỉnh lưu để chỉnh lưu dòng điện thành một chiều và qua 1 tụ lọc phẳng.
- Nam châm: sử dụng 1 cặp nam châm vĩnh cửu có từ trường lớn, có hình dạng dẹt, trịn, kích thước (đường kính x độ dày) là 20x2mm.
- Dây dao động: yêu cầu dây phải mảnh, chắc, chịu được tần suất biến dạng lớn. Có 2 phương án tối ưu đó là sử dụng vài dù hoặc dây film camera. Dây sử dụng có chiều dài 30cm, rộng 1cm.
- Khung: giá lắp đặt các thiết bị được làm từ gỗ ép 3mm, có khả năng điều chỉnh vị trí, hướng, góc làm việc khác nhau.
3.2. Thiết kế, chế tạo mơ hình Windbelt thử nghiệm trong điều kiện thực tế
Windbelt đã được chế tạo và thử nghiệm trong ống khí động cho kết quả hoạt động được ở tốc độ gió thấp, tuy nhiên cơng suất và điện áp sinh ra phụ thuộc vào mức độ ổn định
của gió, các tải (thiết bị điện tử nhỏ, đèn LED…) chỉ vận hành được khi có gió. Vì thế, em đề xuất 2 phương án phát triển, ưu hóa là:
- Về mặt khí động học: Thử nghiệm với mơ hình có kích thước lớn hơn. Nếu thời gian cho phép, có thể tiến hành tối ưu hóa thiết kế để giảm ảnh hưởng bởi độ ổn định của gió.
- Về mặt điện tử: Tiến hành chỉnh sửa, tối ưu các thiết bị như cuộn dây, các mạch đầu ra… Ngoài ra, thực hiện hoàn thiện các chức năng của mạch đo để phục vụ cơng tác đo thực nghiệm ngồi trời.
3.2.1 Cơ sở lý thuyết
3.2.1.1 Cơ sở lý thuyết về mặt khí động
Năng lượng gió mà Windbelt có thể hấp thụ và chuyển đổi thành năng lượng điện được cho bởi công thức:
[4]
Trong đó:
- : Mật độ khơng khí (khối lượng riêng khơng khí) - : Vận tốc dịng khí (gió)
- : Diện tích qt (diện tích khi dây dao động quét được)
Từ công thức trên, ta thấy nếu coi mật độ khơng khí là khơng đổi, điều kiện gió tại cùng một thời điểm, cùng một vị trí sẽ khơng đổi thì năng lườn gió mà Windbelt có thể hấp thụ chỉ phụ thuộc vào diện tích qt
Hình 34: Minh họa diện tích quét của Windbelt
Diện tích quét được tính theo cơng thức:
[4]
Trong đó:
- : Phương trình đường cong dao động của dây (giả thiết có dạng Parabol) - : Chiều dài dây dao động
Từ cơng thức trên, ta có thể dễ dàng thấy được khi tăng chiều dài dây dao động thì diện tích qt của Windbelt tăng, kéo theo năng lượng gió mà nó hấp thụ tăng, dẫn đến tăng cơng suất điện có thể sản sinh.
3.2.1.2 Cơ sở lý thuyết về mặt điện từ
Công suất điện mà Windbelt có thể sản sinh phụ thuộc điện áp và cường độ dòng điện: Tuy nhiên với mỗi tải tiêu thụ, cơng suất này có thể khác nhau, tùy thuộc điện trở của tải. Vì thế giá trị cơng suất phụ thuộc tải, thay vì xác định trực tiếp cơng suất, ta có thể thơng qua giá trị điện áp mà Windbelt sinh được. Giá trị này có thể xác định theo cơng thức lý thuyết như sau:
[5]
Trong đó:
- : Số vịng của cuộn dây - : Tiết diện vòng dây
- : Cảm ứng từ (phụ thuộc nam châm) - : Tần số dao động.
, với là vận tốc gió, d biên độ dao động của flutter.
Ta thấy được điện áp phụ thuộc số vòng dây, tiết diện vịng dây, cảm ứng từ, tần số dao động flutter. Vì thế, để tăng điện áp, ta có thể tăng 1 trong các thơng số trên hoặc tăng tất cả.
3.2.2 Tính tốn sơ bộ
Dự kiến chế tạo mơ hình với thơng số như sau - Chiều dài dây dao động: 700 mm - Kích thước nam châm: mm - Số vòng dây: 500 vịng
- Đường kính vịng dây: 25 mm - Cảm ứng từ của nam châm
3.2.2.1 Năng lượng gió mà Windbelt có thể hấp thụ
Giả sử dây dao động qua 3 điểm với các tọa độ (0;0),(35;1,5),(70;0). Phương trình parabol dao động thu được là:
Năng lượng gió mà Windbelt có thể hấp thụ (ở vận tốc gió 5m/s):
3.3.2.2 Điện áp mà Windbelt có thể sinh ra
Với:
- : Số vòng dây
- : Tiết diện vòng dây - : Cảm ứng từ của nam châm
- : Trong đó là vận tốc gió, biên độ dao động của Windbelt. Thay số ta tính được:
3.2.3 Thiết kế chi tiết
3.2.3.1 Thiết kế khung giá, trụ giữ dây dao động
Để phục vụ thử nghiệm nên phần khung sẽ được chia thành 2 phần là giá đỡ và trụ giữ, có thể lắp ghép và tháo rời riêng biệt. Giá đỡ có dạng tấm mỏng, trụ giữ có dạng khối với các tai được khoan lỗ, 2 chi tiết này được liên kết với nhau bằng bu lơng.
Kích thước cơ bản của giá đỡ:
• Chiều dài: 700mm
• Chiều rộng: 70mm
Hình 35: Giá đỡ Windbelt
Kích thước cơ bản của trụ giữ:
• Chiều dài: 70mm
• Chiều rộng: 50mm
• Chiều cao: 40mm
Khoảng cách giữa 2 giá đỡ (khoảng không gian lắp dây dao động, nam châm và cuộn dây) là 60mm.
3.2.3.2 Thiết kế vị trí lắp dây dao động, nam châm và cuộn dây
Dây dao động chọn là dây camera film và nam châm là chi tiết có sẵn, có thể mua và tận dụng lại, không cần chế tạo. Cuộn dây được thiết kế với đường kính trong lớn hơn đường kính nam châm, chiều cao < ½ khoảng khơng gian giữa 2 giá đỡ.
Thơng số kích thước của dây dao động, nam châm và cuộn dây cụ thể như sau: - Dây dao động: - Chiều dài: 700mm - Chiều rộng: 25mm Hình 37: Dây dao động - Nam châm: - Đường kính: 20mm - Độ dày: 2mm Hình 38: Nam châm - Cuộn dây: - Đường kính ngồi: 50mm
- Đường kính trong: 25mm - Độ dày: 15mm
Hình 39: Cuộn dây 3.2.3.3 Hình vẽ 3D
Thiết kế tổng quan, mơ hình 3D hồn chỉnh
Hình 40: Mơ hình 3D Windbelt
3.2.4 Chế tạo và lắp ghép mơ hình
3.2.4.1 Yêu cầu chế tạo
Dựa trên thiết kế, tiến hành chế tạo và lắp ráp mơ hình thực tế đảm bảo các u cầu: - Đảm bảo đúng kích thước thiết kế
- Dễ tháo lắp, ghép nối - Đảm bảo độ bền, nhẹ
3.2.4.2 Lựa chọn vật liệu
- Khung giá
Khung giá có nhiệm vụ giữ dây dao động và định hình Windbelt, yêu cầu giá đỡ cứng vững, trụ giữ với mặt kẹp dây nhẵn mịn.
Do những yêu cầu như trên và để tiết kiệm chi phí, lựa chọn vật liệu làm khung giá là gỗ.
Hình 41: Gỗ dùng để làm khung giá Windbelt
- Dây dao động, nam châm, cuộn dây Dây dao động chọn là dây Camera film.
Hình 42: Dây camera film dùng làm dây dao động
- Nam châm là loại nam châm đất hiếm NdFeB (hay cịn gọi là Neodymium, nam châm trắng)
Hình 43: Nam châm
- Cuộn dây gồm 2 phần: lõi nhựa và dây cuốn. Lõi nhựa được tận dụng từ lõi cuộn băng tan hoặc lõi cuộn băng y tế. Dây cuốn là dây đồng 0,1mm. Số vòng dây là 500 vòng.
3.2.4.3 Chế tạo chi tiết
- Chế tạo khung giá
Khung giá được chế tạo bằng cách gia công gỗ thô với máy cắt, máy đục; gia công tinh sử dụng máy chà, bào. Tạo lỗ ghép bu lơng bằng khoan.
Hình 44: Các bộ phận khung giá sau khi được chế tạo
- Quấn dây cho cuộn dây
Tiến hành quấn dây thủ cơng, mỗi cuộn dây gồm 500 vịng. Lõi cuộn dây có thể tận dụng những nguyên liệu có sẵn như lõi cuộn băng y tế, lõi cuộn băng tan…
- Chế tạo, ghép nối mạch chỉnh lưu, tụ lọc và các dây dẫn
Hàn nối các linh kiện điện tử để thu dòng điện từ Windbelt. Do dòng điện cảm ứng là điện xoay chiều nên để thu được dòng một chiều cần mạch chỉnh lưu dòng và tụ lọc phẳng điện áp
Hình 46: Mạch chỉnh lưu, tụ bù và dây dẫn lấy dịng từ Windbelt
3.2.5 Lắp ráp mơ hình hồn chỉnh
Tiến hành lắp ghép các chi tiết thành mơ hình hồn chỉnh. Sử dụng các cơng cụ cơ khí và băng keo để lắp ghép các chi tiết.
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM4.1 Thực nghiệm trong ống khí động với mơ hình nhỏ 4.1 Thực nghiệm trong ống khí động với mơ hình nhỏ
Sử dụng mơ hình đã được chế tạo để làm thí nghiệm, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự hoạt động của Windbelt bằng mạch đo điện áp và dịng điện đã được chế tạo. Mục đích là để so sánh với những kết quả đã được khảo sát trong tài liệu tham khảo “Đề tài nghiên cứu ứng dụng nguyên lý hiện tượng Flutter chế tạo mơ hình máy phát điện với cơng suất siêu nhỏ”[2], để từ đó đưa ra phương án tốt nhất nhằm cải tiến công suất Windbelt.
4.1.1 Tiến hành thí nghiệm
4.1.1.1 Thiết bị thí nghiệm
- Mơ hình Windbelt
Sử dụng mơ hình Windbelt đã được thiết kế cùng các thông số đầu vào tương tự để tiện cho mục đích so sánh kết quả.
Cấu tạo mơ hình bao gồm:
• Cuộn dây: Sử dụng một cuộn dây 2500 vịng có sợi dây đường kính 0,12mm. Hai đầu của cuộn dây được nối với một diode cầu chỉnh lưu để chỉnh lưu dòng điện thành một chiều và qua 1 tụ lọc phẳng.
• Nam châm: sử dụng 1 cặp nam châm vĩnh cửu có từ trường lớn, có hình dạng dẹt, trịn, kích thước (đường kính x độ dày) là 20x2mm.
• Dây dao động: yêu cầu dây phải mảnh, chắc, chịu được tần suất biến dạng lớn. Có 2 phương án tối ưu đó là sử dụng vài dù hoặc dây film camera. Dây sử dụng có chiều dài 30cm, rộng 1cm.
• Khung: giá lắp đặt các thiết bị được làm từ gỗ ép 3mm, có khả năng điều chỉnh vị trí, hướng, góc làm việc khác nhau.
- Ống khí động
Trong khn khổ hợp tác giữa hai chính phủ Pháp và Việt Nam nói chung và sự hợp tác giữa Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học ENSMA (Pháp) nói riêng, thiết bị Ống khí động AF 6116 đã được chính phủ Pháp tài trợ, trang bị cho Phịng thí nghiệm khí động lực học T-208 phục vụ cho quá trình học tập, thực hành, nghiên cứu của giảng viên, sinh viên. Ống khí động AF6116 có dải vận tốc làm việc thay đổi liên tục từ 0 đến 38 m/s bằng cách thay đổi vận tốc quay của quạt thông qua bộ biến tần thể hiện bằng bảng điều khiển.
Hình 48: Ống khí động
Thơng số của ống khí động:
• Dạng ống: Ống hở;
• Kích thước tổng: 7110 x 1600 x 2250 mm;
• Tốc độ dịng khí trong ống: 0 – 38 m/s (137 km/h);
• Thay đổi vận tốc dịng liên tục từ 0 đến 38 m/s bằng cách thay đổi vận tốc quay của quạt thông qua bộ biến tần thể hiện bằng bảng điều khiển;
• Số Mach: 0,1;
• Đặc tính buồng thử:
o Dạng kín;
o Diện tích mặt cắt: 400 x 500 mm;
o Chiều dài: 1000 mm;
• Buồng thử được làm hồn tồn trong suốt, có thể đặt vào đó các mẫu thử nhỏ, bên cạnh đó cịn có các lỗ đo áp suất trước và sau buồng thử, bộ hiển thị áp suất, ống Pito…
Khí động được gắn trên một khung đỡ có thể di chuyển và có khóa để cố định ở trong phịng thí nghiệm.
- Mạch đo điện áp, cường độ dịng
Hình 49: Mạch đo
Mạch đo có các thơng số:
• Nguồn cấp: 5V
• Giới hạn đo: 5V – 5A.
• Độ chính xác: 0,01V – 0.01mA.
• Có kết nối hiển thị lên máy tính thơng qua cổng USB với giao thức RS232. - Các thiết bị khác
Ngồi những thiết bị chính nêu trên, để phục vụ việc thí nghiệm được chính xác trong từng trường hợp, cần sử dụng các thiết bị như lực kế để điều chỉnh lực căng dây, thước đo góc để xác định góc tấn… cùng máy tính cá nhân, phần mềm kết nối, hiển thị kết quả trên máy tính.
4.1.1.2 Bố trí và kết nối thiết bị thí nghiệm
Mơ hình Windbelt được đặt cố định trong buồng thử của ống khí động, phương của dây