Thiết kế và điểu khiển hệ thống turbine gió quy mô hộ gia đình

b�n v� cơ khí i BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ ĐIỂU KHIỂN HỆ THỐNG TURBINE GIÓ QUY MÔ HỘ GIA ĐÌNH NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH Sinh viên thực hiện Mssv Lớp Lê Thanh Long 1711030017 17DCTA1 Trương Hoài Thương 1711030058 17DCTA1 Phạm Vũ Bảo 1711030063 17DCTA1 TP HCM, ngày tháng năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ix TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung của luận văn là nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển hướng góc đón.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ ĐIỂU KHIỂN HỆ THỐNG TURBINE GIĨ QUY MƠ HỘ GIA ĐÌNH NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH Sinh viên thực hiện: Mssv: Lớp: Lê Thanh Long 1711030017 17DCTA1 Trương Hoài Thương 1711030058 17DCTA1 Phạm Vũ Bảo 1711030063 17DCTA1 TP.HCM, ngày tháng năm 2021 i TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung luận văn nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển hướng góc đón gió turbine nhằm mục đích tối ưu hóa lượng điện đầu Điểm đặc biệt luận văn thiết kế cấu xoay đơn giản theo module, giảm thời gian bảo dưỡng làm sở cho phát triển mơ hình điện gió Phịng thí nghiệm Cơ Điện Tử Các cơng việc bao gồm: Lựa chọn phương án; tính tốn, thiết kế chế tạo khí cấu xoay turbine; thiết kế module điện; thiết kế giải thuật điều khiển; mô hình hóa mơ hoạt động, đáp ứng, thông số đầu hệ thống qua phần mềm MATLAB, SolidWorks ix MỤC LỤC PHIẾU ĐĂNG KÝ ii PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ iii LỜI CAM ĐOAN vi LỜI NÓI ĐẦU vii LỜI CẢM ƠN viii TÓM TẮT LUẬN VĂN .ix MỤC LỤC x DANH MỤC HÌNH ẢNH xiii DANH MỤC BẢNG BIỂU xv CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Phát triển ngành điện Việt Nam .1 1.1.1 Tiêu thụ nhu cầu sử dụng điện .1 1.1.2 Tổng quan sản lượng điện 1.2 Năng lượng gió giới Việt Nam 1.2.1 Năng lượng gió giới 1.2.2 Năng lượng gió Việt Nam 1.3 Các nghiên cứu nước 1.3.1 nguyên cứu nước 1.4 Cấu tạo chung tuabin gió 1.5 Các vấn đề liên quan 1.5.1 Sơ đồ nguyên lý 1.5.2 Các loại giải thuật 10 1.5.3 Mục tiêu đề tài 10 x 1.5.4 Trình tự cơng việc cần thực trình làm luận văn .11 CHƯƠNG LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 13 2.1 Thiết kế khí 13 2.1.1 Lựa chọn cấu xoay turbine 13 2.1.2 Lựa chọn truyền 13 2.1.2 Lựa chọn kiểu tháp đỡ turbine 14 2.2 Thiết kế điện 15 2.2.1 Lựa chọn cách thức xác định hướng gió 15 2.2.2 Lựa chọn cấu trúc điều khiển 16 2.2.3 Lựa chọn chuẩn truyền thơng tín hiệu 17 2.3 Thiết kế điều khiển, giải thuật xác định hướng gió 18 2.3.1 Lựa chọn giao thức truyền thông 18 2.3.2 Lựa chọn giao thức truyền thông MODBUS 19 2.3.3 Lựa chọn giải thuật xác định điểm công suất cực đại 20 CHƯƠNG THIẾT KẾ 22 3.1 Thiết kế khí cho trục xoay yaw 22 3.1.1 Tính tốn chọn cơng suất động 22 3.1.2 Tính tốn truyền đai 26 3.1.3 Kiểm nghiệm độ bền trụ chống 29 3.1.4 Kết thiết kế phần mềm Solidworks .31 3.2 Các thiết bị điện 31 3.2.1 Lựa chọn encoder module cảm biến .31 3.2.2 Lựa chọn encoder sử dụng hệ thống xoay turbine 32 3.2.3 Lựa chọn vi điều khiển 33 3.2.4 Lựa chọn driver 34 xi 3.2.5 Lựa chọn cảm biến đo cường độ dòng điện 35 3.2.6 Lựa chọn cảm biến đo điện áp 37 3.3 Thiết kế điều khiển .39 3.3.1 Động lực học hàm công suất wind turbine 39 3.3.2 Mơ hình tốn học máy phát điện PMSG 43 3.3.3 Thuật tốn MPPT P&O tìm điểm cơng suất cực đại cho turbine gió .44 3.3.4 Sơ đồ khối điều khiển .47 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA 48 4.1 Mơ hình hóa động với đầu sau hộp giảm tốc 48 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 50 5.1 Thiết kế khí 50 5.1.1 Kết thiết kế gia công phận yaw system .50 5.1.2 Kết thiết kế gia công phương pháp in 3d module thử nghiệm 50 5.2 Điều khiển công suất hồi tiếp .51 Công suất hồi tiếp .51 CHƯƠNG KẾT LUẬN 53 6.1 Cơng việc hồn thành 53 6.2 Vấn đề giải tương lai .53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 xii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Sản lượng điện công suất lắp đặt theo nguồn năm 2019 Hình Nhà máy điện gió Tuy Phong – Bình Thuận .4 Hình Nhà máy điện gió Phú Q – Bình Thuận Hình Nhà máy điện gió Bạc Liêu .5 Hình LIDAR scanner Hình Tua bin gió bão Hình Tua bin gió khơng trung Hình cấu tạo tua bin Hình Sơ đồ nguyên lý hoạt động Tunbin .9 Hình 10 Turbine gió 300W – 24 VDC 11 Hình Module cảm biến hướng gió kết hợp tự thiết kế 16 Hình Diện tích diện tích chịu tải A trọng gió mơ hình 23 Hình Động DC planet 24V – 60W, encoder 13 xung,hộp số 1:139 25 Hình 3 Sơ đồ phân bố lực trụ tháp 29 Hình Kiểm nghiệm khả chịu bền trụ tháp 30 Hình Cơ cấu xoay trục yaw 31 Hình Encoder tương đối 400 xung 32 Hình Encoder tương đối 200 xung 33 Hình Hai loại Arduino sử dụng đề tài .34 Hình Driver BTS7960 Driver XY-160D .34 Hình 10 Cảm biến dịng điện ACS712 20A 36 Hình 11 Mối quan hệ Ip VIOUT 36 Hình 12 Cảm biến INA219 37 Hình 13 Mạch phân áp điện trở 38 Hình 14 Turbine gió cơng suất nhỏ lực D’Alembert 39 Hình 15 Khí động học biều đồ vận tốc cho cánh đuôi gió 40 Hình 16 Thuật tốn nhiễu loạn quan sát (MPPT P&O) 45 Hình 17 Giải thuật thuật tốn MPPT P&O ứng dung đề tài 46 Hình 18 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .47 xiii Hình 19 Sơ đồ khối MPPT P&O Control 47 Hình 20 Sơ đồ khối điều khiển PID 47 Hình Kết cấu hệ thống đổi hướng 48 Hình Mối quan hệ điện áp đầu vào tốc độ đầu 49 Hình Đồ thị đáp ứng hệ tuyến tính bậc 49 Hình Mơi trường SolidWorks 51 Hình Môi trường Repetier Host 51 Hình Kết 51 Hình Dịng điện đầu vào trước sau lọc Kalman 52 xiv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Tiêu chí lựa chọn cấu xoay turbine .13 Bảng 2.2 Tiêu chí lựa chọn cấu truyền động cho hệ thống 13 Bảng 2.3 Tiêu chí lựa chọn tháp đỡ turbine 14 Bảng 2.4 Tiêu chí lựa chọn cách thức xác định hướng gió .15 Bảng 2.5 Tiêu chí lựa chọn cấu trúc điều khiển 16 Bảng 2.6 Tiêu chí lựa chọn chuẩn truyền thơng tín hiệu 17 Bảng 2.7 Tiêu chí lựa chọn giao thức truyền thơng 18 Bảng 2.8 Tiêu chí lựa chọn dạng giao thức truyền thơng MODBUS 19 Bảng 2.9 Tiêu chí lựa chọn giải thuật xác định điểm công suất cực đại 20 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật hệ thống .26 Bảng 3.2 So sánh thông số kỹ thuật Driver BTS7960 Driver XY-160D 35 xv CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Phát triển ngành điện Việt Nam 1.1.1 Tiêu thụ nhu cầu sử dụng điện Tổng lượng tiêu thụ Việt Nam tiếp tục tăng nhanh năm qua để phục vụ cho phát triển kinh tế đất nước Sự tăng trưởng phù hợp với cơng nghiệp hóa đại hóa hội nhập kinh tế tồn cầu Việt Nam sau cơng đổi năm 1986 Xét việc tiêu thụ điện theo lĩnh vực cơng nghiệp, giao thơng vận tải dân dụng ba ngành tiêu thụ điện nhiều Ngành thương mại dịch vụ công nông lâm nghiệp tiêu thụ phần tương đối nhỏ 1.1.2 Tổng quan sản lượng điện Sản lượng điện hàng năm tăng 20 lần, từ 8,6 TWh vào năm 1990 đến 240,1 TWh vào năm 2019 Tỷ lệ tăng hàng năm giai đoạn rơi vào khoảng 12-15%, gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng GDP Thủy điện, khí tự nhiên than nguồn lượng cho sản xuất điện Than chiếm tỷ trọng cao nguồn lượng Mặc dù vậy, từ đầu năm 2019, tỷ trọng lượng tái tạo hệ thống lượng tăng lên đáng kể; phần nhiều nhờ vào lượng mặt trời; vậy, lượng gió đà phát triển Hình 1 Sản lượng điện công suất lắp đặt theo nguồn năm 2019 (Theo Báo cáo thường niên EVN 2019) 1.2 Năng lượng gió giới Việt Nam 1.2.1 Năng lượng gió giới Nhận thức tầm quan trọng lượng tái tạo nói chung lượng gió nói riêng, phủ nhiều nước giới đầu tư tiền nhân lực vào việc nghiên cứu đưa vào sử dụng thực tiễn lượng gió, giúp giảm căng thẳng lượng nước Tổng lượng công suất sản xuất giới vào năm 2009 159,2GW với 340 TWh lượng, xác nhận mức tăng trưởng 31% năm, số lớn thời điểm kinh tế toàn cầu gặp nhiều khó khăn Chẳng hạn vào năm 2009, điện gió chiếm chiếm 8% tổng số điện sử dụng Đức, số lên đến 14% Ailen 11% Tây Ban Nha 1.2.2 Năng lượng gió Việt Nam Việt Nam nằm khu vực cận nhiệt đới gió mùa với đường bờ biển dài gần 3000km Đây điều kiện thuận lợi nhằm phát triển lượng gió Trong chương trình đánh giá nguồn lượng cho châu Á, Việt Nam có tiềm gió lớn hẳn quốc gia lân cận (Thái Lan, Lào, Campuchia) Trong có tới 8,6% diện tích lãnh thổ đánh giá có tiềm tốt đến tốt để xây dựng trạm điện gió cỡ lớn với tổng tiềm 513.360 MW, tức lớn 200 lần cống suất thủy điện Sơn La 10 lần công suất dự báo ngành điện vào năm 2020 Còn xét tiêu chuẩn xây dựng trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ phát triển kinh tế Việt Nam có đến 41% diện tích nơng thơn phát triển (Con số Campuchia, Lào, Thái Lan 6% 13% 9%) Tại Việt Nam, Các khu vực phát triển lượng gió phân bố khơng toàn lãnh thổ Hai vùng tiềm để phát triển lượng gió Sơn Hải – Ninh Thuận vùng đồi cát độ cao 60 – 100m phía Tây Hàm Tiến đến Mũi Né – Bình Thuận Tại đây, tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam đơng nam lên đến 98% với vận tốc trung bình đạt -7 m/s, xây dựng nhà máy – 3.5MW Thực tế nơi dân cư thưa thớt, thời tiết khơ nóng, người dân tự chế tạo số máy phát điện gió cỡ nhỏ để phục vụ mục đích thắp sáng - Hàm cơng suất đầu wind turbine Gió đặc trưng tốc độ hướng gió, bị ảnh hưởng số yếu tố vị trí địa lý, đặc điểm khí hậu, độ cao mặt đất địa hình bề mặt Các turbine gió tương tác với gió, hấp thụ phần lượng động học gió biến thành lượng sử dụng Năng lượng luồng khơng khí tính sau (Borkar and Kulkarni, 2015): 𝑃𝑤𝑖𝑛𝑑 = 𝜌𝐴𝑉𝑤𝑖𝑛𝑑 2 (4.17) Trong đó: 𝑃𝑤𝑖𝑛𝑑 cơng suất luồng khí (𝑊) 𝜌 mật độ khơng khí (𝑘𝑔/𝑚3 điều kiện nhiệt độ 150 độ C áp suất 101,325 kPa) 𝐴 diện tích quét ngang turbine (𝑚2 ) 𝑉𝑤𝑖𝑛𝑑 vận tốc gió (𝑚/𝑠) 𝜂 hệ số cơng suất 𝜃 góc lệch turbine với hướng gió Trong trường hợp thực tế, turbine gió ln có hệ số cơng suất nhỏ Betz Cơng suất thu từ gió tính theo góc hướng gió là: 𝜌𝐴𝑟 𝑉𝑤𝑖𝑛𝑑 𝐶𝑝 (𝜆, 𝛽) 𝜂 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑃𝑚 = (4.18) Trong đó: 𝑃𝑚 cơng suất (𝑊) 𝜌 mật độ khơng khí (𝑘𝑔/𝑚3 điều kiện nhiệt độ 150 độ C áp suất 101,325 kPa) 𝐴𝑟 diện tích che phủ cánh quạt (𝑚2 ) 42 𝐴𝑟 = 𝜋𝑅2 (4.19) 𝑉𝑤𝑖𝑛𝑑 vận tốc gió (𝑚/𝑠) η hiệu suất θ góc lệch so với hướng gió 𝐶𝑝 (𝜆, 𝛽) hệ số hiệu suất turbine, 𝜆 tỉ lệ tốc độ đầu cánh, 𝛽 góc lật cánh Hệ số 𝐶𝑝 tính theo cơng thức: 21 116 𝐶𝑝 = 0.576 ( − 0.4𝛽 − 5) 𝑒 𝜆𝑖 + 0.0068𝜆 𝜆𝑖 (4.20) 1 0.035 = − 𝜆𝑖 𝜆 + 0.08𝛽 𝛽 + (4.21) Mối quan hệ moment 𝑇𝑚 công suất 𝐶𝑝 cho biểu thức (Eid et al., 2006; Omijeh at al., 2013): 𝑇𝑚 = 𝐶𝑝 𝜔𝑚 (4.22) Trong 𝑇𝑚 moment sinh cơng suất (Nm) 3.3.2 Mơ hình tốn học máy phát điện PMSG - Phương trình điện áp dịng điện 𝐿𝑞 𝑑 𝑣𝑑 𝑅𝑠 𝑖𝑑 = − 𝑖𝑑 + 𝜔𝑒 𝑖𝑞 𝑑𝑡 𝐿𝑑 𝐿𝑑 𝐿𝑑 (4.23) 𝑣𝑞 𝑅𝑠 𝐿𝑞 𝑑 𝜆0 𝜔𝑒 𝑖𝑑 = − 𝑖𝑞 − 𝜔𝑒 𝑖𝑞 − 𝑑𝑡 𝐿𝑑 𝐿𝑑 𝐿𝑑 𝐿𝑞 (4.24) - Moment điện từ Moment điện từ máy phát PMSG mô tả phương trình sau (Rolan at el., 2009): 43 𝑇𝑒 = 1.5𝑝[𝜆0 𝑖𝑞 + (𝐿𝑑 − 𝐿𝑞 )𝑖𝑑 𝑖𝑞 ](𝑁 𝑚) (4.25) Trong đó: 𝐿𝑑 𝐿𝑞 độ tự cảm máy phát điện trục d q (H) 𝑅𝑠 điện trở stato (𝛺) 𝑖𝑑 𝑖𝑞 dòng điện trục d q (A) 𝑣𝑑 𝑣𝑞 điện trục d q (V) 𝜔𝑚 tốc độ góc rotor (rad/s) 𝜆0 từ thông nam châm vĩnh cửu (Wb) p số cặp cực 3.3.3 Thuật tốn MPPT P&O tìm điểm cơng suất cực đại cho turbine gió Máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu - Permanent magnet synchronous generator (PMSG) cung cấp giải pháp tối ưu cho turbine gió hoạt động với tốc độ gió thay đổi tính ổn định an tồn q trình hoạt động, đồng thời khơng cần nguồn điện chiều để kích từ Máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu Permanent magnet synchronous generator (PMSG) ngày phổ biến chúng có nhiều ưu điểm kích thước nhỏ, hiệu suất cao, chi phí bảo dưỡng thấp dễ dàng vận hành (Dalala et al., 2013) Maximum power point tracking (MPPT) phương pháp dị tìm điểm làm việc có cơng suất tối ưu hệ thống lượng điện thông qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khóa điện tử dùng tăng áp boost converter Maximum power point tracking (MPPT) có nhiều kỹ thuật điều khiển thuật tốn nhiễu loạn quan sát MPPT P&O, điều khiển tốc độ đầu cánh TSR), điều khiển tối ưu - mối quan hệ - sở ORBC,… Trong thuật toán nêu thuật tốn nhiễu loạn quan sát MPPT P&O thuật toán tương đối bản, đơn giản, dễ áp dụng sử dụng rộng rãi phổ biến Đối với thuật toán TSRC, thuật toán đơn giản trực giác phụ thuộc nhiều vào xác việc đo lường tốc độ gió, 44 khó khăn cho thuật tốn Đối với thuật tốn ORBC, nhược điểm địi hỏi hiểu biết thông số hệ thống cách xác mà thơng số thay đổi từ hệ thống sang hệ thống khác chí thay đổi theo thời gian nên phải cập nhật liên tục Thuật tốn MPPT P&O khơng cần đo lường tốc độ gió, điều làm giảm nhiều chi phí Để làm việc với thuật tốn khơng cần hiểu biết trước thông số hệ thống, điều làm cho thuật toán đáng tin cậy phức tạp (Dalala et al., 2013) Vì vậy, phương pháp MPPT P&O sử dụng vào việc mô để tìm điểm cơng suất cực đại hệ thống máy phát điện gió Hình 16 Thuật tốn nhiễu loạn quan sát (MPPT P&O) Thuật toán nhiễu loạn quan sát (MPPT P&O) sử dụng thông dụng nhờ đơn giản thuật toán việc thực dễ dàng Thuật toán xem xét tăng, giảm tốc độ rotor theo chu kỳ để tìm điểm làm việc có cơng suất lớn Nếu biến thiên tốc độ rotor làm công suất tăng lên biến thiên giữ nguyên chiều hướng tăng giảm Ngược lại, biến thiên làm cơng suất giảm xuống biến thiên có chiều hướng thay đổi ngược lại (Penaet al., 2011) Khi MPP xác định đường cong đặc tính biến thiên tốc độ rotor dao động xung quanh MPP Phương pháp MPPT P&O gọi phương pháp “leo đồi” (Hill Climbing) 45 Hình 17 Giải thuật thuật tốn MPPT P&O ứng dung đề tài - Thuyết minh giải thuật MPPT P&O: + Nếu tăng góc θ, cơng suất thu tăng, chu kì sau tiếp tục tăng tăng góc θ + Nếu tăng tăng góc θ, cơng suất thu giảm, chu kì sau tăng góc θ + Nếu giảm tăng góc θ, cơng suất thu tăng, chu kì sau tiếp tục giảm tăng góc θ + Nếu giảm tăng góc θ, cơng suất thu giảm, chu kì sau tăng tăng góc θ 46 3.3.4 Sơ đồ khối điều khiển + Sơ đồ khối điều khiển hệ thống: MODULE SENSOR SPEED MICRO CONTROLLER ESTIMATE MAXIMUM POWER POINT MPPT CONTROL PID CONTROLLER ACTUATOR POWER FEEDBACK Hình 18 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển + Sơ đồ khối MPPT P&O MODULE SENSOR SPEED MICRO CONTROLLER ESTIMATE YAW ANGLE RANGE TRACKING MAXIMUM POWER POINT SET POINT ACTUATOR MAXIMUM POWER POINT POWER FEEDBACK Hình 19 Sơ đồ khối MPPT P&O Control + Sơ đồ khối PID KP PROPOTIONAL YAW ANGLE YAW MISALIGNME NTERROR(t) KI INTEGRAL Σ ACTUATOR KD DERIVATIVE ENCODER Hình 20 Sơ đồ khối điều khiển PID 47 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA 4.1 Mơ hình hóa động với đầu sau hộp giảm tốc Để đơn giản cho việc điều khiển, động driver xem khối Tiến hành kiểm tra mối quan hệ tín hiệu vào khối việc cấp xung PWM ghi lại giá trị vận tốc động Hình Kết cấu hệ thống đổi hướng Sử dụng Arduino Uno có chế độ hiển thị monitor, kết hợp mạch driver IBT, dùng điều khiển động plantet kèm hộp giảm tốc với tỉ số truyền : 139, có gắn encoder có độ phân giải 13 xung/vòng Động cấp nguồn 24V quan sát chế độ hiển thị monitor, ghi lại giá trị vận tốc động tương ứng, với thời gian lấy mấu 10ms  Khảo sát đáp ứng theo thời gian khối driver – động cơ: + Cấp cho động điện áp ổn định, ta cấp PWM = 250, tương đương với 75% ứng với điện áp 24V + Ghi lại giá trị encoder, tính tốn xuất giá trị vận tốc đầu ra, chọn thời gian lấy mẫu: 48 𝑇𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 = 10 𝑚𝑠 Hình Mối quan hệ điện áp đầu vào tốc độ đầu Dựa vào đồ thị, ta thấy khơng có độ vọt lố, suy hàm truyền hệ thống có dạng bậc nhất: 𝑇𝐹 = 𝐾 + 𝑇𝑠 (5.1) Trong đó: K số độ lợi động (RPM/PWM) T thời gian đáp ứng (s) Hình Đồ thị đáp ứng hệ tuyến tính bậc 49 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 5.1 Thiết kế khí 5.1.1 Kết thiết kế gia công phận yaw system - Trụ tháp lựa chọn dạng trụ trịn rỗng với đường kính ban đầu ϕ56 + Vì ổ lăn chọn hệ thống loại ổ lăn KOYO có đường kính ϕ55 Nên phải tiến hành tiện tinh để giảm đường kính ngồi trụ thơ Với đường kính lớn ϕ56 chiều dài 1500 mm Cần phải định tâm hai đầu trụ, trụ thép đúc nên tồn sai số lệch tâm điểm Vị trí lắp đặt ổ lăn cách đỉnh tháp 800 mm nên để dễ dàng gia công lắp đặt, tác giả định tiện thô 660 mm đầu tiên, chấp nhận sai số đường kính ϕ54 H9/d9 60 mm dùng để lắp ổ lăn tiến hành tiện tinh với sai số ϕ55 H7/g6 + Trên đoạn 200m tiến hành tiện vào rãnh sâu 1mm để định vị trí vịng phe ϕ55 - Phần đế sau hàn với trụ tháp để đảm bảo độ vững trình hoạt động, tác giả hàn thêm chân để cố định chuyển vị thân tháp - Phần gá động hàn từ thép khoét rãnh để phục vụ mục đích căng đai 5.1.2 Kết thiết kế gia công phương pháp in 3d module thử nghiệm Module sensor thiết kế phần mềm SolidWorks, sau chuyển sang phần mềm Repetier Host với thông số setup sẵn để tạo mẫu Sau đó, thuê đơn vị bên ngồi in Kết gia cơng q trình in thể Hình 6.1, 6.2, 6.3 Repetier Host ứng dụng để chuyển file STL từ phần mềm thiết kế thành file GCODE, để nạp vào máy in 3D Các thông số quan trọng cần setup phần mềm: + Nhiệt độ đầu mũi in: 180°C – 200°C + Nhiệt độ bàn in: 45°C - 55°C + Chiều rộng bàn in: 150 mm x 150 mm x 226 mm + Độ dày lớp mực in đầu tiên: 0,1 mm 50 + Độ dày lớp lớp mực in: 0.2 mm + Độ đặc lớp support: 40% + Tốc độ mũi in: 30 mm/s Hình Mơi trường SolidWorks Hình Mơi trường Repetier Host Hình Kết 5.2 Điều khiển công suất hồi tiếp Công suất hồi tiếp - Hồi tiếp giá trị dòng điện: Điện áp hồi tiếp trả từ cảm biến dòng điện ACS712 giá trị analog, hàm analogRead(A0) Arduino có vai trog ghi lại giá trị đầu vào Vì giá trị analog đọc liên tục thời gian ngắn kết hợp với phương pháp so sánh độ chênh lệch mức áp 51 chân A0 Arduino với điện áp chuẩn 5V, gây tượng nhiễu lớn, từ làm cho hệ thống hoạt động khơng ổn định (đường màu xanh) Chính vậy, tác giả lựa chọn sử dụng lọc Kalman để lọc lại tín hiệu analog đầu vào hệ thống (đường màu đỏ) Hình Dòng điện đầu vào trước sau lọc Kalman Qua đồ thị trên, ta thấy giá trị điện áp trả sau lọc ổn định nhiều Hệ thống hoạt động ổn định - Hồi tiếp điện áp: Hồi tiếp điện áp phần quan trọng việc tính tốn công suất đầu turbine Tác giả lựa chọn hai phương pháp hồi tiếp điện áp: + Đọc tín hiệu từ cảm biến điện áp: INA219 Trả giá trị thông qua giao tiếp I2C + Đọc trực tiếp tín hiệu analog qua cầu phân áp với điện trở 𝑅1 = 100𝐾 𝑅2 = 10𝐾 Qua thực nghiệm thực tế, điện áp hồi tiếp giá trị cảm biến điệp áp INA219 giá trị sau lọc Kalman cầu phân áp hoàn toàn giống Nhưng thời gian hồi tiếp INA219 chậm so với phương pháp đọc trục tiếp từ cầu phân áp Ưu điểm cảm biến khả làm việc lâu dài, bị ảnh hưởng nhiệt độ so với cầu phân áp 52 CHƯƠNG KẾT LUẬN 6.1 Cơng việc hồn thành Luận văn hồn thành cơng việc sau: + Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cấu xoay trục yaw turbine gió PMSG 300W + Thiết kế, chế tạo khung tháp module cảm biến hướng gió + Áp dụng chuẩn truyền thông công nghiệp RS485 với giao thức MODBUS RTU + Ứng dụng giải thuật P&O dị tìm điểm cơng suất cực đại 6.2 Vấn đề giải tương lai + Chạy thực nghiệm mơ hình + Cải thiện phần khí hệ thống bao gồm phận che chắn cấu truyền động khỏi tác động môi trường + Thêm tủ điện, bao bọc đường dây tín hiệu để chống nhiễu + Cải thiện thiết kế cảm biến hướng gió để tích hợp khả đo tốc độ gió phục vụ nhu cầu quan trắc + Ứng dụng Enthernet để quản lý, giám sát từ xa + Phát triển giải thuật MPPT P&O, sử dụng liệu quan trắc nhằm dự báo trước hướng gió, tối đa khả đáp ứng turbine 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Narayana, M., Putrus, G A., Leung, P S., Jovanovic, M., & McDonald, S (2012) Development of a model to investigate the yaw behaviour of small horizontal axis wind turbines Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 226(1), 86-97 [2] Nguyễn, V X., Hoàng, Đ T., Vũ, T H., & Nguyễn, T C (2016) Một giải pháp bảo mật cho giao thức Modbus TCP phịng chống cơng vào hệ thống SCADA sử dụng giao thức Bản B Tạp chí Khoa học Công nghệ Việt Nam, 4(1) [3] Tấn, N V., Quân, D M., Tuấn, T A., Kiên, P V., Lâm, L H., & Long, H H (2018) So sánh thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại phương pháp mơ thực nghiệm Tạp chí KH&CN Đại học Đà Nẵng, Số, 11, 64-68 [4] Soetedjo, A., Lomi, A., & Mulayanto, W P (2011, July) Modeling of wind energy system with MPPT control In Proceedings of the 2011 International Conference on Electrical Engineering and Informatics (pp 1-6) IEEE [5] Sơn, N T., Danh, T H., Lợi, N P., Thành, Q Đ., & Nhân, L (2019) Tìm điểm cơng suất cực đại máy phát điện gió PMSG 200 W Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, 11-20 [6] Annoni, J., Bay, C., Johnson, K., Dall'Anese, E., Quon, E., Kemper, T., & Fleming, P (2019) Wind direction estimation using SCADA data with consensusbased optimization Wind Energy Science, 4(2), 355-368 [7] Trịnh, C., & Lê, V U (2006) Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí NXB giáo dục [8] De Zutter, S., De Kooning, J D., Samani, A E., Baetens, J., & Vandevelde, L (2017, August) Modeling of active yaw systems for small and medium wind turbines In 2017 52nd International Universities Power Engineering Conference (UPEC) (pp 1-6) IEEE 54 Thông số Yêu cầu kỹ thuật: 300W Tỷ số truyền 1:3,75 Tốc độ gió tối đa 10m/s Trụ hàn với đế Thân trụ gắn thêm chân để chống Turbin gió trục ngang Công suất Gá truyền động gắn vng góc với phận căng đai Tiện tinh 660mm, đường kinh 54H9d9 Tiếp tụ tiện tinh 60mm, đường kính 5H7g6 để lắp ổ lăn 20 90 0.2 64 788 54H9/d9 660 10 11 12 15 1500 A B 20 20 709 65 500 A Tỷ lệ 1:3 200 42 C Tỷ lệ : 42 g6 R50H7/ 10 C 10 R22.25H7/g6 12.37 10 130 120 20 24 24.75 76 100 13 B Tỷ lệ : 56 14 16 15 Stt Tên Cánh quạt Nắp Trụ 17 Chú thích 18 Encoder Encoder 200 xung 5VDC Động Đông Phalet 24v 60w Chande Belt Đế trụ 500x500x20 Dây đai ren Hex bolt nut gradea_iso_ISO - 4161 - M6x90 - N Vít M6 x 90 Hex flange nut gradea_iso_ISO - 4161 - M6 - N Bu lông M6 10 Thanh truyền động Bánh bị động 12 Gá động chữ U 13 SKF_1211 ETN9 Vòng Bi SKF 1211 15 Hex bolt gradeab fine_iso_ISO 8765 - M10x1.0 x 100 x 26-N Vít M10 x 100 16 Hex flange nut gradea_iso_ISO - 4161 - M10 - N Bu Lông M10 17 Countersunk flat head cross recess screw_iso_ISO 7046-1 - M4 x 16 - Z - 16N Vít M4 x 16 Vít lục giác M10 x 25 Bu lông M10 20 Gá kẹp thân 21 Hex nut style gradeab_din_Hexagon Nut ISO 4032 - M10 - W - N 14 98541A171_BLACK-FINISH STEEL EXTERNAL RETAINING RING_98541A171 22 Socket head cap screw 4762_din_EN ISO 4762 M10 x 25 - 25N 23 Bánh Truyền Encoder 23 11 Bánh truyền encoder 22 socket head cap screw 4762_din_EN ISO 4762 M10 x 25 - 25S 21 18 20 55 X 1500 19 19 Số lượng có vịng ren 1 Vòng then 55 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Thiết kế điều khiển hệ thống turbin gió quy mơ hộ gia đình Chức Thiết kế 84 Họ tên Lê Thanh Long Trương Hồi Thương Vít M10 x 25, đầu lục giác Phạm Vũ Bảo Hướng dẫn Duyệt Chữ ký Ngày Số lượng Khối lượng Tờ: A0 Số tờ: Tỷ lệ TURBIN GIĨ Trường Đại Học Cơng Nghệ Tp.HCM M C 220 uF D+ C 220 uF D+ R60 1K R60 1K A3 GND C 33pF D 1N4007 GND C 33pF A2 D 1N4007 A1 ~5 A7 0-RX A6 1-TX TX RX DC MOTOR 5V A15 A4 A0 A5 ~3 B0 Vin A0 RESET ~11 GND LH25767 GND ON / OFF Vin U1 GND LH25767 GND ON / OFF Vin U2 12 IORCF 5V GND AREF SDA FB OUT FB OUT 5V R60 1K R60 1K Inductor 47uH GND M1 M2 I- M- DIRVER A3 Inductor 47uH 24V IBT_2 D 1n4007 D 1n4007 M+ I+ A15 A14 A13 A12 A2 VCC POWER CIRCUIT D+ D+ ~6 L_PWM A14 GND GND Vin C 100nF C 100nF ARDUINO MEGA 2560 5V VCC GND 12 GND GND R60 1K R60 1K AREF SDA SCR 5V R60 1K R60 1K A15 A14 A13 A12 Vin ARDUINO MEGA 2560 12 IORCF 3V3 ~10 B3 5V ~9 A3 ENCODER ENCODER 5V IP- IP+ GND GND SCL Vs 5V GND GND GND C 0.1 uF 5V 5V SHURT 100 L1 YAV MORTOR L2 M L3 GND R60 1K R60 1K A9 A8 SCL SSA 5V VOUT A15 A14 A13 A12 GND A7 0-RX A11 A10 A6 1-TX TX RX CONVERTER 24 VDC POWER FEEDBACK SSA A0 A1 GND VIOUT VCC R60 1K R60 1K AREF SDA SCR 5V VCC GND IN- IN+ IP- IP- IP- IP+ FILTER ACS712 IP+ CF 0.1 nF IP+ GND MASTER - SLAVE 5V A9 A8 A11 A10 A2 GND 13 A13 5V ~9 EN R_PWM ARDUINO MEGA 2560 3V3 ~10 MS_EN A6 0-RX A7 1-TX TX RX A5 A1 A1 ~5 A12 A4 ~3 A2 A0 ~6 A9 A1 ~5 A8 5V ~9 SL1_EN A0 ~6 GND 13 GND A11 Vin ARDUINO MEGA 2560 A2 GND 13 A1 ~5 A10 R_IS L_IS EN R_EN L_EN EN 3V3 ~10 B1 5V 10K 10K 24V 10K A6 1-TX TX A5 A3 RESET ~11 B2 10K A4 ~3 A4 RESET ~11 B4 SL1_EN A5 A5 A0 ~6 SCR A9 A4 ~3 A6 RESET ~11 B6 3V3 ~10 B5 5V ~9 GND SL1_EN 5V VCC GND DE RE RO DE RE RO DE RE RO R60 1K R60 1K AREF SDA SCR 5V 5V VCC VCC VCC R60 1K R60 1K A9 A8 A6 1-TX TX A7 0-RX RX A15 A14 A13 A12 A11 A10 Vin ARDUINO MEGA 2560 A2 GND 13 A1 ~5 A8 R_PWM RPWM LPWM L_PWM 5V VCC GND GND M2 M1 M2 M1 GND GND 10K A5 A7 A0 ~6 A7 5V GND VCC VCC VCC IORCF 3V3 ~10 B7 5V ~9 GND B A GND DE DI VCC RE RO B A VCC GND RO DI DI DE GND DE RE B A RE R60 1K R60 1K AREF SDA SCR GND VCC 12 RO 5V VCC GND 13 A11 A4 ~3 A8 RESET ~11 B8 SL1_EN 0-RX A A0 10K 10K 10K 10k 10k 10k RX B B0 Phase 5V GND GND VCC GND VCC VCC 5V GND GND VCC GND VCC GND VCC A5 B4 A4 GND B 5V A B3 B A3 5V A B2 A2 B1 GND 5V A A1 GND B 5V A B0 A0 B GND 5V A VCC VCC TTL - MODBUS RTU - RS485 DE RE RO DE RE RO B A GND RE DE DI VCC GND DI RO B A DE VCC RE RO GND 5V A3 12 IORCF A3 IORCF ENCODER WIND DIRECTION SENSOR VCC VCC A10 Phase 24v Phase GND P- P+ 10K 10K 10K 10K 10K 10K 10K 20k 20k 20k 10K 10K 10K 20k GND 10k 10k 10K 20k 20k 20k 20k 20k B 20k 20k GND 20k GND VCC 20k 20k VCC 20k B5 ENCODER ENCODER 5V ENCODER GND ENCODER B7 A7 GND VCC GND VCC SL ENCODER 5V ENCODER GND ENCODER B A B A B6 A6 B A ... NGHIỆM 50 5.1 Thiết kế khí 50 5.1.1 Kết thiết kế gia công phận yaw system .50 5.1.2 Kết thiết kế gia công phương pháp in 3d module thử nghiệm 50 5.2 Điều khiển công suất... đầu vào điều khiển 1.5.3 Mục tiêu đề tài Chính lý trên, tác giả đặt mục tiêu phải thực luận văn: + Thiết kế chế tạo, lập trình thử nghiệm cấu xoay trục yaw turbine gió hộ gia đình + Thiết kế, ... Turbine gió 300W – 24 VDC + Turbine gió hộ gia đình với tổng khối lượng 10Kg + Vận tốc gió giới hạn: Cấp tương đương với vận tốc gió 30 km/h (10 m/s) + Khi vận tốc gió vượt ngưỡng cho phép, turbine