Đề tài nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ 3 pha bằng biến tần sử dụng cho hệ thống bơm nước năng lượng mặt trời

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẬM KĨ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ PHA BẰNG BIẾN TẦN SỬ DỤNG CHO HỆ THỐNG BƠM NƯỚC NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI GVHD: PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH SVTH: NHÓM 4 LÊ VĂN KIÊN THÁI VĂN LÝ TRẦN NGUYỄN DUY LÂM NGUYỄN ĐỨC NGHĨA 18142318 18142336 18142325 18142343 LỜI CẢM ƠN Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH, giáo viên hướng dẫn báo cáo nhóm Dưới hướng dẫn, bảo tận tình thầy, đặc biệt ý tưởng góp ý kiến học, cung cấp tài liệu, nhóm hoàn thành mục tiêu đề báo cáo Bên cạnh đó, nhóm chúng em hết lòng biết ơn nhà trường tạo điều kiện cho chúng em học tập thời gian bệnh Covid-19 diễn biến phức tạp xin cảm ơn bạn nhóm báo cáo khác nhiệt tình hỗ trợ kiến thức kinh nghiệm cho nhóm Mặc dù đạt mục tiêu đề thời gian hạn chế, lượng kiến thức lớn nên nhóm khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì nhóm mong nhận nhiều ý kiến đánh giá, góp ý thầy bạn để nhóm phát triển hồn thiện thêm đề tài Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn! Trân trọng TP HCM, Tháng 06 năm 2021 GIỚI THIỆU NỘI DUNG TIỂU LUẬN Tính cần thiết đối tượng  Máy bơm thiết bị dùng điện để biến đổi điện thành  Máy bơm sử dụng rộng rãi, thiếu: • Ngành cơng nghiệp dùng để cấp nước làm mát, nhà máy điện nguyên tử, hút dầu mỏ… • Trong xây dựng hồ chứa nước, giếng nước, đào đất… • Trong nông nghiệp phục vụ cho chăn nuôi trồng trọt… • Trong sinh hoạt sử dụng hệ thống nước cho sống người… Còn sử dung nhiều ngành khác phòng cháy chữa cháy, y tế…  Hiện nay, xã hội ngày phát triển công nghệ đời, việc cạnh tranh ngắt chất lượng, giá cả, tuổi thọ, vận hành êm tính ưu việt sản phẩm  Xu hướng sử dụng nguồn lượng ngày ưa chuộng  Để đáp ứng việc cung cấp nước phục vụ cho trồng trọt vùng sâu vùng xa cịn khó khăn việc truyền tải điện, giảm thiểu chi phí, thuận tiện đảm bảo an tồn  Đề tài nhằm đề xuất phương án thiết kế “Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Pha Bằng Biến Tần Sử Dụng Cho Hệ Thống Bơm Nước Năng Lượng Mặt Trời” nhằm đáp ứng yêu cầu Mục tiêu báo cáo Điều khiển tốc độ động pha thông qua điều chỉnh lưu lượng nước máy bơm kết hợp với hệ thống lượng mặt trời Nhiệm vụ Thiết kế máy bơm có cơng suất 1500w bơm nước vào bồn chứa 20000 lít để trữ nước cho việc tưới ớt Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu thực tiễn • Phương pháp quan sát khoa học • Phương pháp điều tra Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết • Phương pháp phân tích tổng thích hợp thuyết • Phương pháp phân loại hệ thống hóa lý thuyết • Phương pháp cách thức hóa Phạm vi nghiên cứu Trong trồng trọt phục vụ cho khu vực khơng có điện, giảm chi phí sản xuất nơng nghiệp, bơm nước tự động… Kết đạt Giúp tiết kiệm nhiều chi phí đặc biệt vào mùa khơ, lượng nước trồng trọt ổi Hệ thống tưới nước tự động tạo giá trị cảnh quan Tiết kiệm thời gian nhân công so với việc thực tưới tiêu phương pháp thủ công Hệ thống đầu tư, lắp đặt cố định, đảm bảo tuổi thọ lâu dài cho thiết bị Bố cục Nội dung báo cáo gồm chương: • Chương 1: Tổng quan máy bơm • Chương 2: Nguyên lý vận hành hệ thống điều khiển đề xuất • Chương 3: Xác định thông số thiết kế hệ thống điều khiển • Chương 3: Mơ kết nhận xét • Chương 4: Kết luận MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY BƠM 1.1 Lịch sử phát triển 1.1.1 Thời kỳ Lưỡng Hà 3000 năm trước Công nguyên 1.1.2 Người Ai Cập 2000 năm TCN 1.1.3 Người Hy Lạp - Thế kỷ thứ III đến kỷ thứ I trước Công nguyên 1.2 Máy bơm ngày 1.2.1 Bơm bánh (Gear Pump) 1.2.2 Máy bơm ly tâm (Centrifugal Pump) 1.2.3 Máy bơm nước (Savery Pump) 1.2.4 Bơm hướng trục (Axial Flow Pump) 1.2.5 Bơm điện từ (Electromagnetic Pump) 1.2.6 Một số máy bơm 1.3 Nguyên lý hoạt động 1.4 Phân tích ưu nhược điểm loại máy bơm 1.5 Đánh giá lựa chọn máy bơm phù hợp với yêu cầu thực tiễn dự án 11 CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỀ XUẤT 13 2.1 Nguyên lý vận hành 13 2.2 Hệ thống điều khiển 13 CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ TRONG MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 14 3.1 Yêu cầu lượng nước 14 3.2 Nguồn nước 14 3.3 Bố trí hệ thống 15 3.4 Tính Dung Lượng Lưu Trữ Nước 15 3.5 Hướng vị trí lắp đặt dàn pin PV 15 3.6 Tốc độ dòng chảy thiết kế cho máy bơm 16 3.7 Tính tốn TDH cho máy bơm 16 3.8 Chọn máy bơm 16 3.9 Chọn pin lượng mặt trời 17 3.10 Chọn biến tần 18 3.11 Thiết kế điều khiển 18 CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 23 4.1 Mô điều khiển 23 4.1.1 Các sơ đồ hệ thống 23 4.1.2 Kết mô 26 4.2 Đánh giá sơ đồ mạch điều khiển 28 4.3 Giải thích nguyên lý hoạt động 28 4.4 Đề xuất giải pháp 29 4.5 Đánh giá lợi ích việc cải tiến sơ đồ 31 KẾT LUẬN 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Vận chuyển nước thời kì Lưỡng Hà Hình Vận chuyển nước thời kì Ai Cập Hình Vận chuyển nước thời kì Hy Lạp Hình Máy bơm trục vít Hình Máy bơm trợ lực Hình Máy bơm bánh Hình Máy bơm ly tâm Hình Máy bơm hướng trục Hình Máy bơm hỏa tiễn Hình 10 Cấu tạo máy bơm Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 13 Hình Cánh đồng ớt sừng 14 Hình Bể chứa nước 15 Hình 3 Máy bơm chìm 4ST6-20 17 Hình Pin Mono 250W 17 Hình Biến tần Mitsubishi FR-D740-3.7K 18 Hình Sơ đồ mạch boost 19 Hình Bố trí pin lượng mặt trời mái tơn 20 Hình Tổng xạ mặt trời theo tháng thu xoay hướng nam (kwh/m2/ngay) 20 Hình Góc vĩ độ địa điểm khảo sát 21 Hình 10 Bảng tra tổn thất áp suất đường ống 22 Hình Sơ đồ nối dây 23 Hình Khối mơ phương pháp đề xuất 23 Hình Khối mơ mạch boost DC-DC 24 Hình 4 Khối thuật tốn theo dõi điểm cơng suất cực đại MPPT 24 Hình Khối mô mạch nghịch lưu 25 Hình Khối điều chế cấp xung cho mạch nghịch lưu 25 Hình Khối đo đạc quan sát 26 Hình Cơng suất pin mặt trời sử dụng MPPT 26 Hình Điện áp ngõ mạch boost DC-DC 27 Hình 10 Điện áp dịng điện ngõ nghịch lưu 27 Hình 11 Thay đổi tốc độ động momen 28 Hình 12 Máy bơm ly tâm CDX 120/20 29 Hình 13 Sơ đồ nối dây cải tiến 30 Hình 14 Cảm biến siêu âm 30 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY BƠM 1.1 Lịch sử phát triển Cách vận chuyển nước thời kỳ cổ đại: Bất kể sử dụng lĩnh vực máy bơm có chung mục đích để vận chuyển, nước, chất lỏng từ nơi đến nơi khác Chúng ta tìm hiểu trình hình thành phát triển máy bơm nước từ công cụ thô sơ đến thiết bị bơm nước đại ngày 1.1.1 Thời kỳ Lưỡng Hà 3000 năm trước Công nguyên Nền văn minh Lưỡng Hà vùng đất cổ xưa thuộc khu vực Iran, Thổ Nhĩ Kỳ, Iraq Syria ngày Đây văn minh biết tới với nhiều thành tựu nhiều lĩnh vực khác nông nghiệp, chữ viết, sản xuất rượu, phát minh bánh xe, hóa động vật Hình 1 Vận chuyển nước thời kì Lưỡng Hà Thiết bị vận chuyển nước thời kỳ giống bập bênh, đặt cạnh sông, suối hay hồ nước Nó gồm đầu gắn với xơ chứa nước, đầu lại gắn với vật nặng đối trọng Khi cần gạt kéo xuống, xô đầy nước, bạn thả cần gạt, xô nước đưa lên cao nhờ đối trọng, lúc cần kéo xô nước vào sử dụng 1.1.2 Người Ai Cập 2000 năm TCN Chiếc máy bơm nước gia đình nhân loại gọi Shadoof, phát minh người Ai Cập 2000 năm trước Công nguyên Shadoof xô buộc vào sợi dây gậy dài, giúp kéo nước từ giếng sâu Hình Vận chuyển nước thời kì Ai Cập Mặc dù Shadoof khơng mơ tả xác hoạt động máy bơm, chứng lịch sử chứng minh người ln tìm kiếm thiết bị để giúp vận chuyển nước dễ dàng, tốn sức lực 1.1.3 Người Hy Lạp - Thế kỷ thứ III đến kỷ thứ I trước Công nguyên Trong văn minh Hy Lạp, thiết bị vận chuyển nước có tiến lớn Từ kỷ thứ III đến kỷ thứ trước Công nguyên thời kì văn minh Hy Lạp phát triển rực rỡ nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ, chiến tranh nghệ thuật Các kỹ sư người Hy Lạp cổ đại phát minh bánh xe nước, sử dụng để tưới tiêu tạo lượng Hình Vận chuyển nước thời kì Hy Lạp Cũng thời đại nhà khoa học Archimedes phát minh thiết bị mang tính đột phá: Máy bơm trục vít Tuy phát minh đơn giản hữu dụng sử dụng tới ngày vùng nông thôn khơng có điện Hình Máy bơm trục vít Một đóng góp đáng kể khác thời đại phát minh Ctesibus người Ai Cập Ông phát minh máy bơm trợ lực, loại máy bơm vận hành tay Thiết bị bao gồm ống xi lanh hình trụ, với pít tơng gắn bên sử dụng để hút nước qua van Hình Máy bơm trợ lực Công suất định mức Điện áp đầu vào Điện áp đầu Dòng điện đầu vào Dòng điện đầu Tần số đóng cắt PN Vin Vo Iin Io fS 1500 W 88,2 V 450 V 17A 3,4 A 100kHz Độ gợn dòng điện (thường lấy 10% dòng tải): ΔIr = 10%Io = 10% x 3,4 = 0,34 (A) (tự chọn) Độ gợn sóng: ΔVo = 4% x Vo =0.04 *450 = 18 V Chu kỳ làm việc Vout = 𝑽𝒊 𝟏−𝑫 =⇒𝑫=𝟏− 𝑽𝒊𝒏 𝑽𝒐𝒖𝒕 =𝟏− 𝟖𝟖.𝟐 𝟒𝟓𝟎 = 0,8 Cuộn cảm yêu cầu: 𝑳= 𝑽𝒊𝒏 (𝑽𝒐 −𝑽𝒊𝒏 ) 𝑽𝒐 𝒇𝑺 𝚫𝑰𝒓 = 𝟖𝟖,𝟐.(𝟒𝟓𝟎−𝟖𝟖,𝟐) 𝟒𝟓𝟎.𝟏𝟎𝟎.𝟏𝟎𝟑 𝟎,𝟑𝟒 Tụ điện yêu cầu: C = 𝑰𝒐 𝑫 𝚫𝑽𝒐 𝒇𝑺 = = 𝟐, 𝟏(𝒎𝑯) chọn 3.3 mH 𝟑,𝟒.𝟎,𝟖 𝟏𝟖.𝟏𝟎𝟎.𝟏𝟎𝟑 = 1.51 𝝁F chọn: 𝝁F Hình Sơ đồ mạch boost 19 Hình Bố trí pin lượng mặt trời mái tơn Hình Tổng xạ mặt trời theo tháng thu xoay hướng nam (kwh/m2/ngay) 20 Hình Góc vĩ độ địa điểm khảo sát 21 Hình 10 Bảng tra tổn thất áp suất đường ống 22 CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 4.1 Mô điều khiển 4.1.1 Các sơ đồ hệ thống Hình Sơ đồ nối dây Sơ đồ mô thể hình Hình Khối mơ phương pháp đề xuất Sơ đồ mô gồm khối chức năng:  Khối mô mạch boost DC-DC: 23 Hình Khối mơ mạch boost DC-DC  Khối theo dõi điểm công suất cực đại pin mặt trời (MPPT): Hình 4 Khối thuật tốn theo dõi điểm công suất cực đại MPPT  Khối mô mạch nghịch lưu 24 Hình Khối mơ mạch nghịch lưu  Khối điều chế cấp xung cho mạch nghịch lưu  Hình Khối điều chế cấp xung cho mạch nghịch lưu Khối đo đạc quan sát 25 Hình Khối đo đạc quan sát 4.1.2 Kết mô Hình Cơng suất pin mặt trời sử dụng MPPT 26 Hình Điện áp ngõ mạch boost DC-DC Hình 10 Điện áp dòng điện ngõ nghịch lưu 27 Hình 11 Thay đổi tốc độ động momen 4.2 Đánh giá sơ đồ mạch điều khiển Mô cho thấy hệ thống tương đối ổn định (có nhiều ngun do) 4.3 Giải thích ngun lý hoạt động Từ sơ đồ nối dây ta thấy, pin mắc nối tiếp song song tạo điện áp định mức 88,2 V, dịng định mức 17,56 A cơng suất khoảng 1500W Sau đó, cấp vào Bộ tăng áp boost để xác định điểm làm việc tối ưu với cường độ ánh sáng yếu thông qua phương pháp dị tìm điểm cơng suất cực đại MPPT Phương pháp MPPT sử dụng để trì điểm làm việc nguồn điện pin điểm có cơng suất lớn MPP xác định xác đến 97% điểm MPP Vout = 𝑽𝒊 𝟏−𝑫 Đối với MPPT có nhiều giải thuật khác nhau, giải thuật có ưu điểm khuyết điểm riêng Giải thuật P&O giải thuật tương đối bản, đơn giản dễ áp dụng sử dụng rộng rãi Về bản, phương pháp MPPT điều chỉnh hệ số làm việc D để tạo điện áp ngõ mong muốn, khoảng 450 V kết nối với bus DC sau nối vào biến tần Tại bus DC kết nối với mạch (gồm mạch cảm biến điện áp mạch điều khiển) Tại thời điểm, công suất pin mặt trời P1 = Pđmcơ (cơng suất động cơ) điện áp Bus DC số (khoảng 450 V) Tại thời điểm khác, công suất pin mặt trời P2 > Pcơ điện áp Bus DC sẽ tăng lên (> 450 V) mạch điều khiển có chức tăng tần số tốc 28 độ động tăng lên Pcơ tăng lên, điện áp bus DC giảm xuống trì mức 450 V Tại thời điểm khác, công suất pin mặt trời P3 < Pcơ điện áp Bus DC sẽ giảm xuống (< 450 V) mạch điều khiển có chức giảm tần số tốc độ động giảm xuống Pcơ giảm, điện áp bus DC giảm tăng trì mức 450 V 4.4 Đề xuất giải pháp Hiện khu vực mà trồng ớt đa số người dân nơng dân, hầu hết nhà có máy bơm để bơm nước nên sử dụng máy bơm chạy dầu Diesei để vận chuyển từ hồ chứa vào hệ thống nhỏ giọt để tưới nước cho Vì vậy, để cải tiến thay máy bơm máy bơm ly tâm tiết kiệm chi phí lâu dài khơng gây nhiễm mơi trường CHỌN BƠM LY TÂM     Hãng sản xuất: Ewara Mã sản phẩm: CDX 120/20 Công suất: 1,5KW / 2,0HP Cột Áp: 18 - 32m Lưu Lượng: 10,8 - 2,4m³/h Nguồn điện: 3Pha / 380V / 50Hz Ống vào/ra: 32/25mm Xuất Xứ: Trung Quốc Nhiệt độ nước: Lên tới 70°C Chủng loại: Bơm Ly Tâm Đầu Inox Bảo hành: Chính hãng 12 tháng  3.150.000đ        Hình 12 Máy bơm ly tâm CDX 120/20 Đối với hệ thống điều khiển ban đầu biến tần đặt gần với bơm chìm độ sâu cách mặt đất 40 m đặt cách ly tốt với nước để hệ thống hoạt động bình thường 29 Hình 13 Sơ đồ nối dây cải tiến Đối với hệ thống điều khiển cải tiến, có máy bơm gồm máy bơm chìm máy bơm ly tâm Vì biến tần hoạt động theo nguyên tắc điều biến độ rộng xung so sánh điện áp sin chuẩn, có tần số tần số điện áp nghịch lưu mong muốn, với điện áp dạng cưa dạng tam giác tần số cao khoảng ÷ 10 kHz Khi đặt biến tần xa động khả xuất sóng hài lớn, mà sóng hài giá trị lớn với tần số sóng tam giác Tác động sóng hài làm đánh thủng cách điện đường dây từ biến tần đến động cách điện bên động Sóng hài cịn tạo tượng hiệu ứng bề mặt tượng xu hướng dịng điện xoay chiều phân bổ dây dẫn với mật độ dòng điện gần bề mặt dây dẫn lớn so với gần lõi Nó làm cho điện trở dây dẫn tăng lên gây tổn hao dẫn đến điện áp giảm nhanh truyền xa Cho nên, để khắc phục điều ta đặt vào sau biến tần cuộn cảm tần số cao để lọc tần số sóng mang Module Siêu Âm JSN-SR04T 5V Chống Thấm Nước Hình 14 Cảm biến siêu âm 30 JSN-SR04T-2.0 cảm biến đo khoảng cách siêu âm, khoảng cách đo từ 20cm600cm, sai số khoảng 2mm Sản phẩm bao gồm cảm biến siêu âm mạch điều khiển Đầu dò cảm biến sản xuất theo quy trình cơng nghiệp, chống thấm nước, hiệu suất ổn định tương thích với tất MCU có thị trường Thơng Số Kỹ Thuật   Kích thước: 41mm x 28.5 x 12mm Dải điện áp hoạt động: -10 ~ 70 độ C  Tổng dòng điện: 30mA  Điện áp hoạt động: 3-5.5VDC  Công suất: