Tài liệu ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TURBINE GIÓ BẰNG CÁCH SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC ĐỂ XOAY CÁNH

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TURBINE GIÓ BẰNG CÁCH SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC ĐỂ XOAY CÁNH CONTROLLING THE SPEED OF WIND TURBINE BY USING SPEED CHANGEABLE ENGINE (STEP ENGINE) TO REVOLVE THE WINGS NGUYỄN VĂN YẾN Đại học Đà Nẵng PHẠM PHONG Học viên cao học khoá 2004-2007 TÓM TẮT Nhược điểm của động cơ gió là khi tốc độ gió thay đổi, tốc độ quay của turbine cũng thay đổi theo. Có thể giữ cho tốc độ quay của turbine ổn định bằng cách xoay cánh turbine, thay đổi diện tích bề mặt hứng gió của cánh. Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển tốc độ quay của turbine gió bằng cách sử dụng động cơ bước để xoay cánh. ABSTRACT A weakness of the wind engine is that when the wind speed changes, the revolving speed of the engine also changes. Rotating speed of turbine can be stablized by rotating the wings of the turbine, changing the surface area of the wings facing the wind. The paper presents the research results of designing, and manufacturing a model of controlling revolving speed of wind turbine by using step engine to revolve the wings. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Loài người đã biết sử dụng năng lượng gió từ rất lâu, nhưng ở mức độ hạn chế. Ngày nay các nước vùng ôn đới và hàn đới đã quan tâm và đã có những thành quả tốt, đặc biệt trong việc sản xuất ra các máy phát điện gió công suất lớn, để hòa vào hệ thống điện quốc gia. Máy phát điện gió công suất lớn đòi hỏi phải có hệ thống điều tốc tốt, đảm bảo số vòng quay của trục turbine nằm trong giới hạn quy định. Hiện nay, thường dùng phương pháp xoay cánh turbine, điều chỉnh diện tích bề mặt hứng gió của cánh turbine để ổn định tốc độ. Với máy phát điện gió công suất nhỏ, việc xoay cánh thường hay dùng phương pháp ly tâm của khối lượng quay. Khi tốc độ gió thay đổi sẽ làm tốc độ quay của turbine thay đổi, lực ly tâm của vật quay cũng thay đổi. Nếu gió lớn, vận tốc gió tăng, lực ly tâm tăng lên, tác dụng lên cơ cấu xoay cánh turbine làm giảm diện tích bề mặt hứng gió, dẫn đến hạn chế mức độ tăng tốc độ quay của turbine. Khi gió dịu đi, vận tốc gió giảm xuống, cánh turbine tự xoay dần về vị trí ban đầu, để duy trì tốc độ quay của turbine trong phạm vi cho phép. Kết cấu máy sử dụng lực ly tâm để xoay cánh turbineắtơng đối đơn giản, nhưng có nhược điểm là đáp ứng chậm, độ chính xác điều chỉnh thấp, khoảng biến thiên tốc độ quay của turbine quá lớn. Qua nghiên cứu động cơ bước, có thể sử dụng nó để xoay cánh turbine cho máy phát điện gió. Nguyên lý làm việc của hệ thống xoay cánh như sau: Đặt cho trục turbine gió một giới hạn tốc độ cho phép; khi tốc độ gió lớn hơn quy định, trục turbine sẽ quay nhanh hơn, bộ phận cảm biến nhận được tín hiệu, chuyển đến bộ điều khiển, bộ điều khiển so sánh với tốc độ quay quy định, phát tín hiệu đến động cơ bước, động cơ xoay cánh turbine một góc để giảm bề mặt hứng gió; khi tốc độ gió giảm, động cơ sẽ xoay cánh quay trở lại. Bằng cách này, tốc độ quay của trục turbine được điều chỉnh kịp thời, khoảng dao động của tốc độ quay tương đối nhỏ. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Việc biến đổi năng lượng gió tuân theo những nguyên lý cơ bản về khả năng sử dụng gió và khả năng tối ưu của các turbine. Đặt turbine gió trong dòng chảy của không khí, khi không khí đến gần turbine bị ứ lại, áp suất dòng chảy tăng lên và vận tốc giảm, đến khi dòng chảy chạm vào mặt turbine trao cho turbine năng lượng. Dòng chảy phía sau turbine bị nhiễu xoáy, gây bởi chuyển động của turbine và sự tác động với các dòng không khí xung quanh. Về nguyên tắc, dòng chảy phải được duy trì. Do đó, năng lượng turbine thu nhận được bị hạn chế. Trong trường hợp toàn bộ năng lượng gió được turbine thu nhận, thì vận tốc gió đằng sau turbine sẽ bằng không. Muốn cho dòng chảy được cân bằng giữa khối lượng và vận tốc, năng lượng chảy qua turbine phải bị mất mát. Đối với hệ tối ưu, số phần trăm cực đại của năng lượng gió có thể thu nhận được tính theo công thức do Carl Betz đưa ra năm 1927 : P max Ar  0,593 V 03 2 Trong đó : P là mật độ năng lượng Ar là diện tích quét của cánh turbine V0 là vận tộc gió ban đầu - Mật độ năng lượng trên một đơn vị thể tích dòng chảy không khí. Số 0,593 được gọi là giới hạn Betz hoặc hệ số Betz. Bằng phương pháp phân tích đơn giản về động lượng đối với động cơ gió trục ngang tìm được hệ số công suất cực đại của nó là 16/27 tức là 59,3%. Điều này đã được Betz chứng minh (1927). Hiển nhiên đây là trường hợp số cánh vô hạn (trở lực bằng không) là điều kiện của một động cơ gió lý tưởng. Trong thực tế có 3 nhân tố làm giảm nhỏ hệ số công suất cực đại: (1) Phía sau turbine gió tồn tại dòng xoáy (2) Số cánh của turbine gió là có hạn (3) Cd/Cl không bằng 0 Cl là hệ số nâng, Cd là hệ số cản. L Cl  1 V 2 . A 2 D Cd = 1 V 2 . A 2 3 trong đó :  - mật độ không khí (kg/m ) V - vận tốc dòng không khí (gió) không bị nhiễu loạn A - Diện tích hình chiếu của cánh (diện tích hứng gió) m2. L - Lực nâng. D - Lực cản. Như vậy, khi thay đổi diện tích bề mặt hứng gió của cánh turbine, thì hiệu suất sử dụng năng lượng gió của turbine thay đổi, tức là thay đổi lực tác dụng lên cánh làm quay turne. Khi gió tăng tốc độ, năng lượng gió tăng lên, nhưng công suất trên trục turbine hầu như không tăng lên. Hệ thống thiết bị khai thác năng lượng gió rất khác nhau về kích thước, hình dạng và dạng năng lượng cuối cùng nhận được. Nói chung hệ thống thiết bị khai thác năng lượng gió có các phần: Bộ góp sức gió, chuyển động sơ cấp, thiết bị sản sinh năng lượng cuối cùng. Hệ thống máy phát điện gió, dạng năng lượng cuối cùng là điện năng; bộ góp gió là turbine gió; chuyển động sơ cấp là chuyển động quay tròn của trục turbine; thiết bị sản sinh điện năng là máy phát điện. Để máy phát điện hoạt động tốt, có thể hoà được vào lưới điện quốc gia, chuyển động sơ cấp - chuyển động quay tròn của trục turbine phải có tốc độ quay hợp lý và ít thay đổi. Hiện nay trong các hệ thống tự động thường sử dụng động cơ bước để thực hiện các chuyển động rời rạc. Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử, đưa các tín hiệu điều khiển vào các cuộn dây stato, theo thứ tự và tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Động cơ bước thực chất là động cơ đồng bộ nhưng không quay liên tục mà làm việc ở chế độ quay rời rạc, có khả năng cố định rôto ở những vị trí cần thiết. Như vậy có thể sử dụng động cơ bước để thực hiện xoay cánh turbine đi một góc nhỏ, tương ứng với tín hiệu điều khiển được truyền đến động cơ. 3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY CỦA TURBINE Để kiểm nghiệm lại cơ sở lý thuyết đã nêu ở trên, chúng tôi tiến hành thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển tốc độ quay của trục turbine gió bằng cách sử dụng động cơ bước xoay cánh. Mô hình thí nghiệm được trình bày trên Hình 1. Hiển thị tốc độ Điều tốc Cảm biến tốc độ Quạt    380 V Bộ BT So sánh Chuyển đổi Chuẩn Điều khiển Đ. kh Hình 1. Mô hình thí nghiệm điều khiển tốc độ quay của turbine bằng sử dụng động cơ bước để xoay cánh Đg cơ - Để tạo nên gió có tốc độ làm quay turbine, chúng tôi đã dùng một quạt công nghiệp có công suất 2,2 kW, có thể thay đổi vô cấp tốc độ quay từ 50 ÷ 2000 v/ph. Tốc độ quay của quạt được thay đổi bằng máy biến tần, có công suất 2,2 kW, phạm vi thay đổi tần số từ 0 đến 75 Hz. - Cánh turbine được chế tạo từng cánh rời theo tính toán thiết kế. Sử dụng 3 cánh, lắp vào 3 trục để xoay được. - Trục mang cánh turbine được lắp vào mâm nhờ hai palier có lắp ổ bi. Trên trục mang cánh turbine lắp bánh vít, ăn khớp với trục vít. Trục vít lắp trực tiếp trên trục của động cơ bước. - Động cơ bước được lắp ở mặt sau của mâm gá cánh turbine, quay cùng với turbine. - Lắp mâm gá cánh turbine vào trục quay chính - trục turbine. - Trên trục quay chính có lắp 5 vành trượt để truyền động điện cho các động cơ bước. Cuối trục quay chính có lắp bánh răng lớn để truyền động cho máy phát điện. - Máy phát điện nhận cơ năng từ trục turbine, qua cặp bánh răng tăng tốc. Máy phát điện có tốc độ quay 1000  2000 vòng/phút. - Bộ hiển thị tốc độ cho biết tốc độ quay của trục turbine. - Cảm biến tốc độ nhận biết sự thay đổi tốc độ của trục turbine, truyền tín hiệu về bộ chuyển đổi; tín hiệu được đưa qua bộ so sánh; sau khi so sánh với tốc độ chuẩn, bộ so sánh phát tín hiệu chuyển qua bộ điều khiển; bộ điều khiển tác động lên động cơ bước để xoay cánh turbine. Ba động cơ bước và bộ truyền trục vít bánh vít được chọn cùng loại, để đảm bảo góc xoay của ba cánh là như nhau. 4. TIẾN HÀNH CÁC THÍ NGHIỆM - Điều chỉnh biến tần, tốc độ quay của quạt thay đổi vô cấp từ 50  2200 v/ph, ứng với vận tốc gió thổi đến cánh turbine từ 0m/s đến 11m/s, tức là 39,6 km/h. - Thí nghiệm thứ nhất, không sử dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ quay của turbine: + Tăng dần tốc độ quay của quạt gió, khi quạt quay khoảng 1000 v/ph, thì turbine bắt đầu quay. Tăng tốc độ quay của quạt, tốc độ quay của turbine cũng tăng theo. + Khi quạt quay đến tốc độ 2200 v/ph, thì tốc độ quay của turbine đạt 950 v/ph, nếu không lắp máy phát điện. + Nếu có lắp máy phát điện và có phụ tải, thì tốc độ quay tối đa của turbine là 400 v/ph. + Giảm dần tốc độ quay của quạt, tốc độ quay của trục turbine cũng giảm. Khi giảm tốc độ quay của quạt xuống dưới 1000 v/ph, thì trục turbine quay chậm dần, sau đó dừng lại. - Thí nghiệm thứ hai, có sử dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ quay của trục turbine: + Ở chế độ không tải (không kéo máy phát điện), cài đặt phần tự động điều chỉnh để có tốc độ quay của trục turbine là 300 v/ph; điều chỉnh biến tần để thay đổi tốc độ quay của quạt gió; theo dõi đồng hồ hiển thị tốc độ và ghi số liệu tốc độ quay của trục turbine. Sau nhiều lần thí nghiệm, chúng tôi ghi được tốc độ quay của trục turbine dao động trong khoảng từ 260 v/ph đến 340 v/ph. + Ở chế độ có tải (kéo máy phát điện, có phụ tải), cài đặt phần tự động điều chỉnh để có tốc độ quay của trục turbine là 280 v/ph; điều chỉnh biến tần để thay đổi tốc độ quay của quạt gió; theo dõi đồng hồ hiển thị tốc độ và ghi số liệu tốc độ quay của trục turbine. Sau nhiều lần thí nghiệm, chúng tôi ghi được tốc độ quay quay của trục turbine dao động trong khoảng từ 250 v/ph đến 310 v/ph. 5. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Sau khi tìm hiểu kỹ lý thuyết về năng lượng gió, về thiết kế chế tạo máy phát điện gió và khả năng làm việc của động cơ bước, chúng tôi đã tính toán thiết kế được máy phát điện gió sử dụng động cơ bước để điều chỉnh tốc độ quay của trục turbine. Để có cơ sở thực tế, trước khi chế tạo máy phát điện gió, chúng tôi đã thiết kế, chế tạo một mô hình thí nghiệm. Đó là một máy phát điện gió sử dụng động cơ bước để điều chỉnh tốc độ quay của trục turbine thu nhỏ, đặt trong phòng thí nghiệm. Gió được tạo bởi một quạt công nghiệp có công suất lớn và có thể thay đổi tốc độ quay của quạt. Mô hình thí nghiệm hoạt động ổn định, thực hiện được những thí nghiệm cần thiết do chúng tôi đặt ra. Qua số liệu thí nghiệm, hệ thống đã hoạt động theo đúng dự kiến của đề tài, cho thấy những định hướng ban đầu là đúng đắn, động cơ bước có thể xoay được cánh để điều chỉnh tốc độ quay của trục turbine trong máy phát điện gió. Điều đó khẳng định rằng: Việc sử dụng động cơ bước để điều chỉnh tốc độ quay của trục turbine trong máy phát điện gió là hợp lý, có thể áp dụng để chế tạo các máy phát điện gió dùng trong thực tế. Hiện tại, theo số liệu thí nghiệm ghi được, tốc độ quay của trục turbine còn dao động trong một khoảng tương đối lớn, khi không có tải là  40 v/ph, khi có tải là  30 v/ph. Với khoảng thay đổi tốc độ của trục turbine như thế, cũng đã chấp nhận được trong máy phát điện gió. Song chúng tôi có thể cải tiến kết cấu, nâng cao độ chính xác chế tạo của hệ thống nhận và truyền tín hiệu điều khiển động cơ bước, để tiếp tục thu nhỏ khoảng dao động tốc độ quay của trục turbine. 6. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình máy phát điện gió, và các kết quả thí nghiệm trên mô hình. Các kết quả trên khẳng định rằng: Sử dụng động cơ bước để xoay cánh turbine, ổn định tốc độ quay của trục turbine là hợp lý. Độ ổn định tốc độ quay của trục turbine sẽ tốt hơn so với dùng lực ly tâm. Kết cấu của máy không phức tạp lắm, có thể tự chế tạo, lắp ráp tại Đà Nẵng. Với kết quả này cho phép chúng ta thiết kế, chế tạo các máy phát điện gió sử dụng ở những vùng có tài nguyên gió, giảm việc nhập khẩu thiết bị từ nước ngoài. Xa hơn nữa, chúng ta có thể chế tạo các máy phát điện gió có công suất lớn, hoà vào lưới điện quốc gia, cung cấp điện năng cho sản xuất và tiêu dùng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] Thân Ngọc Hoàn (2005), Máy điện, Nxb Xây dựng, Hà Nội. Nguyễn Văn May (2005), Bơm, quạt, máy nén, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. Erich Hau Springer (2005), Wind turbine. Springer (1997), Wind Energy. Lysen E.H. (1987), Phong năng khái luận.