Xây dựng bộ điều khiển kiểm soát tần số điện áp và phối trộn nhiên liệu của máy phát điện sử dụng biogas

--- NGUYỄN PHƯỚC TÍN XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN KIỂM SOÁT TẦN SỐ - ĐIỆN ÁP VÀ PHỐI TRỘN NHIÊN LIỆU CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG BIOGAS LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành:

-

NGUYỄN PHƯỚC TÍN XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN KIỂM SOÁT TẦN

SỐ - ĐIỆN ÁP VÀ PHỐI TRỘN NHIÊN LIỆU CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG BIOGAS

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 3 năm 2015

-

NGUYỄN PHƯỚC TÍN XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN KIỂM SOÁT TẦN

SỐ - ĐIỆN ÁP VÀ PHỐI TRỘN NHIÊN LIỆU

CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG BIOGAS

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : ………TS.GVC ĐINH HOÀNG BÁCH

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày … tháng … năm …

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN PHƯỚC TÍN Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 30/09/1977 Nơi sinh: Tiền Giang

I- Tên đề tài:

Xây dựng bộ điều khiển kiểm soát tần số - điện áp và phối trộn nhiên liệu

của máy phát điện sử dụng biogas

II- Nhiệm vụ và nội dung:

Thiết kế và thực nghiệm bộ điều khiển điện tử dùng cho động cơ đốt trong sử

dụng nhiên liệu biogas (cải tiến từ động cơ Diesel), làm nguồn động lực cho máy

phát điện Cụ thể:

- Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển bằng điện tử, bao gồm:

+ Điều khiển tỷ lệ phối trộn nhiên liệu (AFR) cho động cơ

+ Điều khiển tần số và điện áp của máy phát theo giải thuật PID

- Nghiên cứu điều khiển kết hợp động cơ với điều khiển máy phát điện

III- Ngày giao nhiệm vụ: 18/8/2014

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/01/2015

V- Cán bộ hướng dẫn: TS.GVC ĐINH HOÀNG BÁCH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

NGUYỄN PHƯỚC TÍN

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn và tri ân:

- TS.GVC ĐINH HOÀNG BÁCH đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn khoa

học và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

- Quý Thầy, Cô đã giảng dạy, hướng dẫn trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM

- Ban Giám Hiệu và các Thầy Cô đồng nghiệp Trường Đại học Tiền Giang

đã tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành khóa học

- Công ty chăn nuôi Trường Thịnh và Trại heo Nam Long, xã Hiệp Hòa, huyện Đức Hòa, tỉnh Long An đã giúp đỡ nguồn kinh phí và hỗ trợ nguồn biogas dành cho thử nghiệm

- Và tất cả các anh, các bạn học viên cùng lớp, những người thân đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến, động viên tôi trong suốt thời gian học tập

Trân trọng

Tp.HCM, ngày 20 tháng 1 năm 2014

NGUYỄN PHƯỚC TÍN

TÓM TẮT

Tại Việt Nam, nhiên liệu biogas đang được ứng dụng rộng rãi để làm nhiên liệu chạy máy phát điện Tuy nhiên, các máy phát điện biogas hiện có, với nhiều lý

do, vẫn đang tồn tại nhiều nhược điểm: động cơ hoạt động không ổn định, điện áp

và tần số máy phát dao động lớn, v.v… làm giảm tuổi thọ của phụ tải

Khi đó, đề tài đã áp dụng bộ điều khiển bằng điện tử, theo giải thuật PID để kiểm soát: tỷ lệ phối trộn nhiên liệu; điện áp; tần số; tình trạng hoạt động của động

cơ, lắp trên máy phát điện nhiên liệu biogas Thực nghiệm cho thấy:

- Chất lượng phối trộn nhiên liệu phù hợp để cung cấp cho động cơ

- Điện áp và tần số máy phát thỏa mãn theo tiêu chuẩn quy định chất lượng điện năng của Chính phủ Việt Nam

Kết quả đạt được trong nghiên cứu này, đóng góp cho việc nghiên cứu sử dụng khí sinh học khi làm nhiên liệu cho máy phát điện

ABSTRACT

In Vietnam, biogas is being widely used as a fuel to run generators However, the existing biogas generator, for various reasons, still exist many drawbacks: the engine operation is not stable, oscillating of voltage and frequency

of the generator are varies widely, etc These reasons have reduced the life of the loads

Because of above reasons, research methods complete control electronically, according to the PID algorithm to control air fuel ration; voltage; frequency; operating condition of the engine was built After testing, the results show that:

- The quality of the fuel mix appropriate to reference value of engines

- Voltage and frequency generators satisfy standards specified power quality

of the Vietnamese Governmen

The results obtained in this study, contributed to the research use of biogas as

a fuel for generators

MỤC LỤC

Trang

Abstract vi

Danh mục các từ viết tắt – ký hiệu xi

Danh mục các bảng xii

Danh mục các biểu đồ - đồ thị - sơ đồ - hình ảnh xiii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2 1.3 Giả thuyết nghiên cứu (Hyppothesis) 2 1.4 Giả thiết (Assumption) 2 1.5 Mục tiêu của đề tài 3 1.6 Nội dung nghiên cứu 4 1.7 Phương pháp nghiên cứu 4 1.8 Ý nghĩa khoa học 4 1.9 Khách thể nghiên cứu 4 1.10 Đối tượng nghiên cứu 4 1.11 Phạm vi nghiên cứu 5 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn nhiên liệu đến đặc tính của động cơ 11

2.1.4 Sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ 12

2.2.3 Chọn kiểu cung cấp và phối trộn nhiên liệu 17

2.3.2 Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID 19

2.4 Điều khiển hoạt động của động cơ theo giải thuật PID 252.5 Máy phát điện và phương pháp điều khiển điện áp ngõ ra 27

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT 323.1 Thiết kế kỹ thuật hệ thống cung cấp và phối trộn nhiên liệu cho động cơ 32

3.1.3 Bộ đo lưu lượng khí nạp (Q a) theo hiệu ứng Venturi 34

3.1.4 Bộ đo lưu lượng biogas (Q f ) theo hiệu ứng orifice 36

3.1.5 Cảm biến vị trí các van (Position sensor) 38

3.1.6 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (Coolant water temperature sensor) 39

3.1.7 Cảm biến tốc độ trục khuỷu (Crankshaft angle sensor) 40

3.1.8 Cảm biến vị trí trục cam (Camshaft position sensor) 40

3.1.9 Công tắc áp suất dầu bôi trơn (Oil pressure switch) 40

3.1.10 Thiết kế kỹ thuật hệ thống điều khiển phối trộn nhiên liệu 41

3.2 Thiết kế kỹ thuật hệ thống điều khiển tần số máy phát điện 48

3.2.2 Hệ thống điều khiển tần số máy phát điện theo giải thuật PID 49

3.2.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển tần số máy phát điện theo PID 52

3.3 Thiết kế kỹ thuật hệ thống điều khiển điện áp máy phát điện 53

3.3.2 Hệ thống điều khiển điện áp theo giải thuật PID 54

3.3.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển điện áp theo PID 563.4 Lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống động cơ và máy phát điện 573.5 Thiết kế kỹ thuật mạch điện tử xử lý trung tâm - ECU 60

3.5.3.2 Mạch giao tiếp với máy tính - PC 67 Chương 4 CHẾ TẠO 684.1 Giới thiệu động cơ và máy phát điện trước khi lắp hệ thống điều khiển 68

4.3 Van bướm tiết lưu biogas (biogas/butterfly valve) 69

4.4 Bướm ga (throttle valve) và van chân không (vaccum valve) 70

4.5.3 Cảm biến tốc độ trục khuỷu (crankshaft angle sensor) 72

4.5.4 Cảm biến vị trí bướm ga, van chân không, van tiết lưu biogas 72

4.5.5 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát (coolant water temperature sensor) 73

4.5.6 Công tắc áp suất dầu bôi trơn (oil pressure switch) 73

4.7 Bộ điều khiển trung tâm (ECU) và tủ điều khiển 74Chương 5 THỰC NGHIỆM 78

5.1 Thực nghiệm đặc tính bộ phối trộn nhiên liệu và kiểm soát AFR 78

5.1.1 Xây dựng đặc tuyến làm việc bộ đo lưu lượng không khí nạp 78

5.1.2 Xây dựng đặc tuyến làm việc bộ đo lưu lượng biogas 82

5.1.3.1 Khả năng giữ ổn định AFR khi lưu lượng khí nạp thay đổi 84

5.2 Thực nghiệm đặc tính điều khiển tần số và điện áp máy phát 90

5.2.1 Bộ điều khiển với K P và K I bằng không 91

5.2.5 Nhận xét về hệ thống điều khiển điện áp và tần số máy phát 95

Chương 6 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO aPHỤ LỤC c

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT – KÝ HIỆU

PID – Propotional – Integral – Derivative: Giải thuật điều khiển PID

AFR (A/F) – Air Fuel Ratio – Tỷ lệ không khí nhiên liệu cung cấp cho động cơ TPS – Throttle Position Sensor – Cảm biến vị trí bướm ga

BPS – Biogas_valve Position Sensor – Cảm biến vị trí van biogas

APS – Air_valve Position Sensor – Cảm biến vị trí van không khí nạp

THW – Cảm biến nhiệt độ nước làm mát

OIL – Công tắc áp suất dầu bôi trơn

ϕ: Tỷ lệ nhiên liệu tương đương của hỗn hợp nhiên liệu

e(t): Tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển PID

u(t): Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PID

V c (t) : Chênh lệch giữa tín hiệu thực và tín hiệu so

V A (t ) : Tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành

L M: điện cảm từ hóa

L σ: điện cảm stator và rotor được quy về stator

R R: điện trở rotor quy về stator

us: (stator Voltage): điện áp stator

Ψ S : (stator flux): từ trường stator

u R : (rotor voltage): điện áp rotor

Ψ R : (rotor flux): từ trường rotor

i s : (stator current): dòng điện stator

R s : (stator resistance): điện trở stator

i R : (rotor current): dòng điện rotor

R R : (stator resistance): điện trở rotor

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.3: Sản lượng khí sinh học ứng với các nguồn chất thải 10

Bảng 2.4: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất 20

Bảng 2.5: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai 21

Bảng 2.6: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick-1 21

Bảng 2.7: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick-2 22

Bảng 2.8: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick-3 22

Bảng 2.9: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick–4 22

Bảng 3.1: Các thông số cơ bản của bộ trộn biogas (ống Venturi) [15] 33

Bảng 3.2: Các thông số cơ bản của lỗ tiết lưu biogas 33

Bảng 4.1: Động cơ và máy phát điện trước khi lắp hệ thống điều khiển 68

Bảng 4.3: Một số đặc điểm của hệ thống sau khi lắp đặt bộ điều khiển 77

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ - ĐỒ THỊ - SƠ ĐỒ - HÌNH ẢNH

Trang Hình 2.1: Ảnh hưởng của tỷ lệ CO2 trong biogas đến tốc độ cháy 8

Hình 2.2: Giới hạn bắt lửa của biogas trong điều kiện tự nhiên 8

Hình 2.3: Ảnh hưởng của tỷ lệ methane đến nhiệt độ ngọn lửa biogas 9

Hình 2.4: Nhiệt trị thấp của biogas và các yếu tố ảnh hưởng 10

Hình 2.5: Quan hệ giữa A/F (theo thể tích hoặc mol) với giới hạn bén lửa 11

Hình 2.6: Đặc tính ngoài của động cơ khi sử dụng nhiên liệu biogas 11

Hình 2.7: Đặc điểm công suất và suất tiêu hao nhiên liệu 12

Hình 2.8: Chuyển đổi động cơ Diesel một xylanh sang sử dụng biogas đốt cháy nhiên liệu bằng bougie (KS Bùi Hoàng Lang Tp.HCM) 14

Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo các hệ thống hòa trộn biogas bằng ống Venturi 15

Hình 2.10: Sơ đồ cấu tạo CHK dạng màng cung cấp nhiên liệu xăng/biogas 15

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý động cơ lưỡng nhiên liệu Diesel/biogas 16

Hình 2.12: Sơ đồ khối của giải thuật PID 18

Hình 2.13: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng chữ S 19

Hình 2.14: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn 20

Hình 2.15: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = k th 20

Hình 2.16: Đáp ứng nấc thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones-Reswick 21

Hình 2.17: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín 23

Hình 2.18: Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ 26

Hình 2.19: Sơ đồ thay thế và quy đổi trong hệ tọa độ không gian vector 28

Hình 2.20: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển phía Rotor 29

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp nhiên liệu biogas cho động cơ 32

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý bộ hòa trộn biogas 33

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý thiết kế bộ hòa trộn biogas [15] 34

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý phép đo lưu lượng khí nạp (m a) 34

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý phép đo lưu lượng biogas (m f ) 36

Hình 3.6: Cảm biến vị trí các van kiểu biến trở 38

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý mạch điện các cảm biến vị trí van 38

Hình 3.8: Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 39

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát 39

Hình 3.10: Mạch điện và dạng xung của cảm biến tốc độ trục khuỷu 40

Hình 3.11: Mạch điện và dạng xung của cảm biến vị trí trục cam 40

Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý điều khiển phối trộn nhiên liệu 41

Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý làm việc của ECU điều khiển hệ thống nhiên liệu 42

Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý điều khiển lượng nhiên liệu cơ bản 43

Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý hiệu chỉnh nhiên liệu theo nhiệt độ động cơ 44

Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý hiệu chỉnh nhiên liệu khi khởi động 45

Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý hiệu chỉnh nhiên liệu theo tốc độ biến thiên của tải 46

Hình 3.18: Lưu đồ giải thuật điều khiển phối trộn nhiên liệu 47

Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lý mạch điện của cảm biến tần số 48

Hình 3.20: Sơ đồ mạch điện của cảm biến tần số với IC-VFC320 48

Hình 3.21: Sơ đồ nguyên lý điều khiển tần số theo giải thuật PID 49

Hình 3.22: Xấp xỉ vi phân của sai số tần số (e f) 50

Hình 3.23: Xấp xỉ tích phân của sai số tần số (e f) 51

Hình 3.24: Lưu đồ giải thuật điều khiển tần số máy phát điện theo PID 52

Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý mạch đo điện áp ra của máy phát điện 53

Hình 3.26: Sơ đồ nguyên lý điều khiển điện áp theo giải thuật PID 54

Hình 3.27: Lưu đồ giải thuật điều khiển điện áp máy phát theo PID 56

Hình 3.28: Lưu đồ giải thuật điều khiển của Master MCU 58

Hình 3.29: Lưu đồ giải thuật điều khiển của Slave MCU 59

Hình 3.30: Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm 60

Hình 3.31: Sơ đồ mạch điện giao tiếp ngõ vào tín hiệu tương tự dạng điện áp 62

Hình 3.32: Sơ đồ mạch điện giao tiếp ngõ vào của các công tắc tín hiệu 63

Hình 3.33: Ngõ ra công suất điều khiển motor bước 64

Hình 3.34: Mạch điện kích từ máy phát 65

Hình 3.35: Mạch công suất các điều khiển khác 66

Hình 3.36: Nguyên lý mạch truyền dữ liệu giữa ECU và PC 67

Hình 4.1: Động cơ và máy phát điện trước khi lắp hệ thống điều khiển 68

Hình 4.2: Bản vẽ thiết kế kỹ thuật bộ trộn biogas 69

Hình 4.3: Vị trí lắp valve tiết lưu biogas 70

Hình 4.4: Xây dựng mô hình 3D van tiết lưu biogas 70

Hình 4.5: Xây dựng mô hình 3D bướm ga và van chân không 70

Hình 4.6: Lắp đặt cảm biến đo lưu lượng khí nạp 71

Hình 4.7: Lắp đặt cảm biến đo lưu lượng biogas 71

Hình 4.8: Lắp đặt cảm biến tốc độ trục khuỷu 72

Hình 4.9: Lắp đặt cảm biến vị trí của các van 72

Hình 4.10: Lắp đặt cảm biến nhiệt độ nước làm mát 73

Hình 4.11: Lắp đặt công tắc áp suất dầu bôi trơn 73

Hình 4.12: Lắp đặt motor bước điều khiển các van 74

Hình 4.13: Tủ điều khiển trung tâm 74

Hình 4.14: Lắp đặt ECU trong tủ điều khiển 75

Hình 4.15: Bên ngoài tủ điều khiển 75

Hình 4.16: Lắp chân tủ điều khiển 75

Hình 4.17: Hệ thống hoàn chỉnh sau khi lắp đặt bộ điều khiển 76

Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý mạch điện bộ đo lưu lượng khí nạp 78

Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm 80

Hình 5.3: Quan hệ giữa lưu lượng khí nạp và chênh lệch điện áp của cảm biến 81

Hình 5.4: Thiết lập mô hình thực nghiệm tương quan giữa m f và dV f 82

Hình 5.5: Quan hệ giữa lưu lượng biogas với chênh lệch điện áp của cảm biến 83

Hình 5.6: Động cơ và máy phát điện dùng trong thực nghiệm 84

Hình 5.7: Khả năng giữ ổn định của bộ hòa trộn khi m a thay đổi 84

Hình 5.8: Khả năng đáp ứng AFR của bộ trộn khi m a thay đổi 85

Hình 5.9: Khả năng đáp ứng của bộ trộn khi thay đổi m a và AFR mong muốn 86

Hình 5.10: Khả năng giữ ổn định AFR khi không thay đổi phụ tải 87

Hình 5.11: Khả năng đáp ứng AFR khi ECU điều khiển cùng lúc cả hệ thống 88

Hình 5.12: Tín hiệu ra của bộ PID với K I và K D bằng không, K P = 4 91

Hình 5.13: Tín hiệu ra của bộ PID ở chế độ không tải 92

Hình 5.14: Tín hiệu ra của bộ PID ở chế độ gia tải 93

Hình 5.15: Tín hiệu ra của bộ PID ở chế độ thoát tải 94

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, khi nguồn nhiên liệu gốc khoáng vật cho động cơ ngày càng cạn kiệt, sản phẩm cháy làm ô nhiễm môi trường, thải nhiều khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính, giá dầu thô luôn biến động và tăng cao,…thì xu hướng sử dụng nhiên liệu

“sạch” cho động cơ đốt trong hiện được các nước trên thế giới quan tâm mạnh mẽ Nhiên liệu khí sinh học (biogas), cũng đang được nhắm đến

Tại Việt Nam, biogas là nguồn năng lượng rất gần gũi ở nông thôn Người dân có thể tạo được nguồn khí này từ tận dụng các loại phế thải chăn nuôi hay các loại rác thải sinh hoạt gốc hữu cơ Nhưng cho đến thời điểm hiện tại, biogas chỉ được sử dụng vào mục đích đun nấu là chủ yếu, hàng triệu m3 biogas trong một năm (tương đương với hàng trăm nghìn lít dầu Diesel) xem như lãng phí

Một số ít công trình nghiên cứu, ứng dụng động cơ chạy bằng biogas trong nước đã thực hiện, nhưng vẫn còn tồn tại nhiều nhược điểm:

- Là các công trình tự phát hoặc chưa nghiên cứu toàn diện

- Hệ thống điều khiển động cơ thuần cơ khí, được thiết kế thô sơ, dẫn đến:

+ Suất tiêu hao nhiên liệu lớn

+ Tần số và điện áp ra của máy phát không ổn định và đáp ứng chậm khi

có thay đổi phụ tải

+ Khí xả động cơ tồn tại nhiều thành phần ảnh hưởng xấu đến môi trường Còn trên thế giới, các máy phát điện chuyên dùng chạy bằng biogas đã được sản xuất và thương mại khá phổ biến Tuy nhiên, các tổ hợp này thường có giá thành cao hơn rất nhiều so với động cơ sử dụng xăng dầu truyền thống, khi sử dụng đòi hỏi biogas phải thỏa mãn một số điều kiện như thành phần nhiên liệu, áp suất cung cấp

Có thể nói, các máy phát điện dùng biogas hiện có, không phù hợp khi sử dụng ở Việt Nam Cho nên, phát triển dòng máy phát chạy bằng biogas có độ tin cậy cao, điều khiển dễ dàng, điện áp và tần số ra ổn định, đáp ứng nhanh, ít tiêu hao nhiên liệu,… là hết sức cần thiết

Do đó, đề tài “Xây dựng bộ điều khiển kiểm soát tần số - điện áp và phối

trộn nhiên liệu của máy phát điện sử dụng biogas” đã được thực hiện

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

- Cung cấp một giải pháp điều khiển cho máy phát điện sử dụng nhiên liệu biogas có dãy công suất vừa và lớn (từ 5 kW trở lên), phục vụ sản xuất, chế biến nông sản,… ở khu vực nông thôn Với các đặc tính ưu thế:

 Chi phí nhiên liệu rất thấp

 Sản phẩm cháy ít ảnh hưởng đến môi trường [15]

 Dễ sử dụng, tự điều chỉnh, điện áp và tần số ra ổn định, đáp ứng linh hoạt với sự thay đổi của nhiên liệu và tải trọng ngoài

 Cung cấp một giải pháp để hạn chế lệ thuộc vào nhiên liệu gốc dầu mỏ

- Gián tiếp khắc phục ô nhiễm, tận dụng chất thải chăn nuôi, xử lý rác thải sinh hoạt, … từ việc điều chế nhiên liệu biogas cung cấp cho động cơ

- Giảm thiểu hiệu ứng nhà kính bởi: ảnh hưởng của khí methane (CH4) có

trong biogas, động cơ sau khi chế tạo phát thải ít carbon dioxide (CO2) [15]

- Có thể chuyển giao và nhân rộng dễ dàng

1.3 Giả thuyết nghiên cứu (Hyppothesis)

Sử dụng bộ điều khiển điện tử: điều khiển phối trộn nhiên liệu; điều khiển kết hợp giữa động cơ và máy phát điện; điều khiển tần số và điện áp ra của máy phát theo giải thuật PID, trên động cơ chạy hoàn toàn nhiên liệu biogas kéo máy

phát điện, sẽ thỏa mãn theo Nghị định 105/2005/NĐ-CP quy định về chất lượng

điện năng:

- Ổn định điện áp -10% đến +5%

- Ổn định tần số ± 0.5 Hz

1.4 Giả thiết (Assumption)

Trong nghiên cứu đã đặt ra các giả thiết:

Bỏ qua ảnh hưởng của góc đánh lửa và tỷ số nén đến hiệu suất và công suất

của động cơ khi làm việc có số vòng quay ổn định 1500 r.p.m, do đó:

- Cố định góc đánh lửa sớm 400 trước điểm chết trên là phù hợp [17], [19]

- Tỷ số nén 17 là phù hợp khi thành phần biogas có hàm lượng CO2 cao

(khoảng 35-44%) [17], [18], [19], [21]

- Tỷ lệ không khí nhiên liệu AFR =9,1 là phù hợp với động cơ có tỷ số nén 17

và góc đánh lửa sớm 400 [15]

- Thiết kế cơ khí của ống Venturi với góc vào 70, góc ra 210, đường kính ống

55 mm, cho tổn thất dòng khí là nhỏ nhất, phù hợp để làm bộ trộn biogas

[15][9]

- Nồng độ methane trong biogas là ổn định và đạt mức 65-70% [2]

1.5 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu tổng quan:

+ Biogas và máy phát điện dùng nhiên liệu biogas

+ Giải thuật PID và sử dụng giải thuật PID trong điều khiển tự động + Các mô hình điều khiển tự động của động cơ dùng nhiên liệu biogas

và khả năng áp dụng PID cho kiểm soát tốc độ, phối trộn nhiên liệu và điện áp ra của máy phát

 Điều khiển phối trộn nhiên liệu

 Điều khiển ổn định tần số và điện áp theo giải thuật PID

 Điều khiển kết hợp động cơ với máy phát điện

Thực nghiệm đặc tính hệ thống điều khiển: trên nền tảng động cơ Diesel một

xylanh 16.5HP, lắp máy phát điện một pha 8 kVA, 220 V, 50 Hz

Kết quả sản phẩm dự kiến:

Cụm máy phát điện dùng hoàn toàn nhiên liệu biogas:

- Động cơ Vikyno 1 xy lanh 16.5 Hp

- Công suất phát điện 5-6 KVA

- Điều khiển phối trộn nhiên liệu và kiểm soát hoạt động của động cơ với máy phát bằng điện tử, theo chương trình

1.6 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển bằng điện tử, bao gồm:

+ Điều khiển tỷ lệ phối trộn nhiên liệu (AFR) cho động cơ

+ Điều khiển tần số và điện áp của máy phát theo giải thuật PID

- Nghiên cứu điều khiển kết hợp động cơ với điều khiển máy phát điện

1.7 Phương pháp nghiên cứu

Thực hiện đề tài theo mô hình tính toán – thực nghiệm Trong đó sử dụng các phương pháp:

- Phương pháp thu thập tài liệu

- Phương pháp kế thừa các công thức và kết quả khoa học đã có

- Phương pháp điều khiển theo giải thuật PID

- Phương pháp điều khiển động cơ theo chương trình

- Phương pháp thử nghiệm động cơ

- Phương pháp quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm

1.8 Ý nghĩa khoa học

Cung cấp một giải pháp điều khiển cho máy phát điện sử dụng 100% biogas:

- Điều khiển phối trộn nhiên liệu bằng điện tử

- “Số hóa” bộ PID để điều khiển tần số và điện áp máy phát

- Điều khiển kết hợp đồng thời giữa động cơ và máy phát điện

1.9 Khách thể nghiên cứu

- Động cơ đốt trong và kỹ thuật điều khiển động cơ đốt trong theo chương trình

- Biogas và khả năng sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

- Tần số và điện áp ra của máy phát điện đồng bộ cỡ nhỏ

1.10 Đối tượng nghiên cứu

- Động cơ đốt trong 1 xylanh nguyên mẫu sử dụng nhiên liệu Diesel, công suất nguyên mẫu khi sử dụng Diesel 16.5 Hp Máy phát điện cỡ nhỏ 5-8 kW

- Biogas sinh khối từ chất thải chăn nuôi

1.11 Phạm vi nghiên cứu

- Không thực nghiệm đánh giá quá trình mài mòn, đánh giá khí thải, đánh giá tiêu hao nhiên liệu thực của động cơ sau khi sử dụng nhiên liệu biogas

- Không tính toán hiệu quả kinh tế của động cơ khi sử dụng nhiên liệu khí

- Không tính toán đến quá trình cháy và ảnh hưởng của nồng độ methane đến

quá trình cháy trong động cơ

* Luận văn này có sử dụng kế thừa các kết quả tính toán thiết kế cơ khí, của

động cơ sử dụng 100% nhiên liệu biogas chuyển đổi từ động cơ Diesel, theo nghiên cứu của tác giả Nguyễn Quang Minh; Đỗ Văn Dũng; Trần Đăng Long trên Tạp chí khoa học công nghệ Đại học Bách Khoa Tp.HCM, số 01, năm 2011 [15]

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nhiên liệu biogas

Trên thế giới, việc nghiên cứu và ứng dụng biogas đã xuất hiện từ lâu Trong

đó, phát triển mạnh nhất ở: Trung Quốc, Ấn Độ, Thụy Điển, Đức, Đan Mạch…

Ở Trung Quốc, tổng sản lượng biogas của cả nước là 2 tỷ m3/năm Biogas chủ yếu được sử dụng vào mục đích đun nấu, thắp sáng hay chạy các động cơ phát điện Đến năm 1979, Trung Quốc đã có 301 trạm phát điện nhỏ sử dụng biogas Năm 2006, có khoảng 22 triệu hầm biogas quy mô gia đình, sản lượng 8,5 tỷ

m3/năm, và có 3.764 cơ sở sản xuất biogas cỡ vừa và lớn trong cả nước, sản lượng

341 triệu m3/năm Có 525 trạm sản xuất khí từ rơm và thân các loại cây trồng trong nông nghiệp, sản lượng hàng năm 0,2 tỷ m3

Các quốc gia như Ấn Độ, Bangladesh, Nepal, Sri Lanka, Indonesia, Việt Nam, Cambodia, Colombia, Ethiopia, Tanzania và nhiều quốc gia đang phát triển khác, cũng đã triển khai rộng rãi các thiết bị biogas quy mô gia đình, sử dụng túi

phân hủy bằng polyethylene Khí sản xuất ra chủ yếu dùng đun nấu, sinh hoạt

Một số nước như Tanzania bắt đầu triển khai chương trình sản xuất biogas quy mô lớn Mô hình này dựa trên việc kết hợp các nguồn nguyên liệu từ chất thải sinh hoạt của cộng đồng và chất thải công nghiệp để tạo biogas cho phát điện kết hợp với sản xuất phân bón

Từ năm 1992, Nepal có 165.000 hệ thống biogas quy mô nhỏ Việc sử dụng nguồn nhiên liệu này, ước tính thay thế khoảng 475.000 tấn củi và 950.000 lít dầu hỏa, giảm được 700.000 tấn khí nhà kính thải vào khí quyển

Ở Ấn Độ, chương trình năng lượng và nước sạch nông thôn đã được triển khai từ những năm 90 của thế kỷ trước Hàng năm có khoảng 200.000 hộ gia đình chuyển từ sử dụng năng lượng củi đốt sang biogas Cho đến nay, quốc gia này đã có đến hơn 2 triệu trạm biogas Chính phủ đã áp dụng hàng loạt giải pháp nhằm khuyến khích người dân sản xuất và sử dụng khí sinh học

Ở Việt Nam, cuối năm 2008 có khoảng 30.000 hệ thống biogas gia đình Cho đến thời điểm này, biogas vẫn chỉ được sử dụng vào việc đun nấu là chủ yếu Các công trình nghiên cứu để ứng dụng biogas vào các mục đích khác như sản xuất điện

năng, thắp sáng, cấp nước… vẫn còn bỏ ngỏ [14][25][27]

2.1.1 Các thông số cơ bản

2.1.1.1 Thành phần

Biogas là một hỗn hợp khí, thành phần chính là methane (CH4), carbon

dioxide (CO2), nitrogen (N2), hydrogen (H2), oxygen (O2), hydrogen sulfide (H2S)

và một số khí chiếm tỷ lệ nhỏ Thành phần của biogas thể hiện trong bảng sau:

(Trung tâm nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học, ĐH Cần Thơ, 2008)

Methane là nhân tố quan trọng, chiếm tỷ lệ lớn, ảnh hưởng đến tính chất của

biogas Các thông số cơ bản của methane:

Bảng 2.2: Các thông số cơ bản của methane

2.1.1.2 Tốc độ cháy trong điều kiện tự nhiên

Một vấn đề quan trọng cần quan tâm trong việc phân tích các loại nhiên liệu khí là tốc độ phát triển của ngọn lửa trong suốt quá trình phản ứng Điều này rất cần thiết khi thiết kế các bộ hịa trộn hỗn hợp và thiết lập thời điểm đánh lửa sớm trong động cơ Sự tác động của nồng độ CO2 đến tốc độ cháy được cho trong hình 1:

(Southeastern Regional Biomass Energy Program,

Handbook on biogas utilization,1988, U.S.)

Hình 2.1: Ảnh hưởng của tỷ lệ CO2 trong biogas đến tốc độ cháy

2.1.1.3 Giới hạn bắt lửa trong điều kiện tự nhiên

Giới hạn bắt lửa cho biết tỷ lệ tối đa và tối thiểu của hỗn hợp khơng khí/biogas mà tại đĩ hỗn hợp sẽ bốc cháy Đây là một thơng số quan trọng trong

quá trình đốt cháy khí sinh học do sự pha lỗng của methane với CO2 và các khí trơ khác

(Southeastern Regional Biomass Energy Program,

Handbook on biogas utilization, 1988, U.S.)

Hình 2.2: Giới hạn bắt lửa của biogas trong điều kiện tự nhiên

0.5 0.6 1.0 1.2 1.4

0.0 0.2 0.4

0 5 10 15 20 25 30

Giới hạn trên

Giới hạn dưới

Tỷ lệ methane trong biogas (% thể tích)

2.1.1.4 Nhiệt độ ngọn lửa khi cháy trong điều kiện tự nhiên

Hình 3 thể hiện mối quan hệ của nhiệt độ ngọn lửa với thành phần của

methane trong biogas Nhiệt độ của ngọn lửa được tạo ra bởi hỗn hợp khơng

khí/nhiên liệu, rất quan trọng để xác định hiệu suất của động cơ Nhiệt độ ngọn lửa

theo lý thuyết của methane, trong một hỗn hợp cháy hồn tồn với khơng khí là

3.4840 F Tuy nhiên, nhiệt độ của ngọn lửa lý thuyết giảm khi nồng độ của các chất

khơng cháy trong biogas tăng lên

(Southeastern Regional Biomass Energy Program,

Handbook on biogas utilization, 1988, U.S.)

Hình 2.3: Ảnh hưởng của tỷ lệ methane đến nhiệt độ ngọn lửa biogas 2.1.1.5 Nhiệt trị

Methane, lượng khí cĩ hàm lượng khá lớn trong biogas, với cơng thức hĩa

học là CH4, là một hydrocarbon đơn giản nhất nằm trong dãy đồng đẳng ankal

Methane nguyên chất khơng mùi

Năng lượng của biogas chủ yếu từ khí methane Methane cĩ nhiệt trị thấp là 9,005 Kcal/m 3, ở 15,5o C, 1 atm Do đĩ nhiệt trị của biogas (65% CH4) khoảng 4,450

– 6,230 Kcal/m 3 Muốn tăng nhiệt trị của biogas thì phải tăng thành phần CH4 bằng cách khử hơi nước, H2S, CO2…

Hình 4 thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt trị thấp của biogas với hàm lượng của hơi nước và CO2:

A-Hàm lượng hơi nước 0 mg/l B-Hàm lượng hơi nước 50 mg/l

A B

2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600

Tỷ lệ methane trong biogas (% thể tích)

(Southeastern Regional Biomass Energy Program,

Handbook on biogas utilization, 1988, U.S.)

Hình 2.4: Nhiệt trị thấp của biogas và các yếu tố ảnh hưởng

2.1.2 Sản xuất

Nguồn nguyên liệu sản xuất biogas:

Nguồn nguyên liệu chính để sản xuất biogas là chất thải hữu cơ, chất thải chăn nuôi, chất thải sinh hoạt, từ các bãi rác Lượng chất thải này luôn hiện hữu cùng với cuộc sống của con người, đồng thời với thế mạnh chăn nuôi hiện có của nước ta, nên có thể xem biogas là nguồn năng lượng với trữ lượng dồi dào Theo nghiên cứu của Trung tâm nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học, ĐH Cần Thơ, trong chương trình khí sinh học quốc gia năm 2008, sản lượng khí ứng với các nguồn chất thải được cho trong bảng 3:

Bảng 2.3: Sản lượng khí sinh học ứng với các nguồn chất thải

Tyû leä methane trong biogas (% theå tích)

Theo tính tốn của Trung tâm, 1 m 3 khối phân hữu cơ cĩ thể tạo ra 20-60 m 3 khí biogas Nếu một hộ chăn nuơi cĩ 10 con heo sẽ sản sinh ra (13) m 3 biogas mỗi ngày, phụ thuộc vào kỹ thuật sinh khí Tĩm lại, một cách gần đúng, 10 heo mỗi

ngày cho ra lượng nhiệt tương đương với lượng nhiệt của (0,72,1) litre Diesel

2.1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn nhiên liệu đến đặc tính của động cơ

(Alder et al., 1989)

Hình 2.5: Quan hệ giữa A/F (theo thể tích hoặc mol) với giới hạn bén lửa

Ở hình 2.5 biểu diễn các đường đặc tính về giới hạn bén lửa, tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu/khơng khí lý thuyết, vùng hỗn hợp hoạt động được cho động cơ đốt cháy

cưỡng bức, đối với nhiên liệu biogas theo thành phần CO 2 và tỷ lệ hỗn hợp khơng

khí/nhiên liệu Trong thực tế dùng biogas, các tỷ lệ A/F mà động cơ đốt cháy cưỡng bức cĩ thể hoạt động được là khoảng từ 610 tùy theo tỷ lệ CO 2 trong nhiên liệu

(Wong J.K.S., 1977)

Hình 2.6: Đặc tính ngồi của động cơ khi sử dụng nhiên liệu biogas

0 10 20 30 40 50

Nghèo

Giới hạn cháy của hỗn hợp giàu

Tỷ lệ A/F (theo thể tích hoặc số mol)

B- Vùng hỗn hợp nghèo

Giàu

Giới hạn cháy của hỗn hợp nghèo Tỷ lệ A/F lý thuyết

7 6 5 3 1

3 4 5 6 7 8 9 10 11

1) 100%CH4 2) 95%CH4 + 5%CO2 3) 90%CH4 + 10%CO2 5) 75%CH4 + 25%CO2 6) 70%CH4 + 30% CO2 7) 60%CH4 + 40%CO2 Bướm ga mở tối đa, moment trung bình Xăng

Tốc độ động cơ (rpm)

Hình 2.7 cho thấy đặc điểm về suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ dùng

biogas Khi thành phần CO 2 trong biogas tăng thì suất tiêu hao nhiên liệu cũng tăng

Hình 2.7: Đặc điểm cơng suất và suất tiêu hao nhiên liệu

2.1.4 Sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ

- Dùng biogas làm nhiên liệu cho động cơ, là biện pháp gián tiếp bảo vệ mơi trường từ việc xử lý cĩ hệ thống các loại chất thải khi sản xuất loại khí này

- Tận dụng được nguồn rác thải sinh hoạt, chất thải chăn nuơi, chất thải trong chế biến thực phẩm… làm nguyên liệu sinh khối Thời gian tái tạo ngắn, nguồn nguyên liệu dồi dào Do đĩ, trữ lượng được coi như là vơ tận Về mặt kinh tế, biogas cĩ giá thành rất thấp (gần bằng khơng)

- Động cơ thải ít CO 2, hơn nữa dùng chủ yếu methane trong biogas làm nhiên liệu, do đĩ giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, là vấn đề mà cả thế giới quan tâm

- Tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu bằng 9.1 cĩ thể cho động cơ hoạt động được khi

nồng độ methane 65%, tỷ số nén động cơ bằng 17 [15]

Tuy nhiên, khi sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ vẫn cịn tồn tại một số nhược điểm:

- Khí H 2 S, siloxane cĩ thể ăn mịn các chi tiết, giảm tính năng của dầu bơi

trơn, sản phẩm cháy của nĩ rất độc cho mơi sinh [25]

CH4 Fuel 1

Fuel 2

Fuel 3

30 40 50 60 70 80 90

3000 5000 7000 9000 1100

Tỷ lệ tương đương của hỗn hợp

(Midkiff et al., 2001)

Fuel 2 Fuel 3 Fuel 1

- Hơi nước, CO 2 tồn tại nhiều trong biogas ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ

ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu [31]

- Việc hóa lỏng để tồn trữ, vận chuyển… hiện nay vẫn còn khó khăn và phức tạp Vì thế, khai thác sử dụng biogas chủ yếu chỉ mang tính tại chỗ, dùng làm nhiên liệu cho các động cơ tĩnh tại

- Do phải sử dụng trực tiếp từ bể chứa (nếu không được hóa lỏng) để chạy động cơ, nên lưu lượng và áp suất cung cấp biogas thường không ổn định và phụ thuộc vào năng suất sinh khối của bể ủ Vì thế, dễ làm thay đổi đặc tính công suất nói chung và gián đoạn sản xuất nói riêng

Trong bối cảnh giá dầu luôn tăng cao, cộng với những ưu điểm vượt trội, nên nhiều nước trên thế giới (trong đó có Việt Nam) đã triển khai ứng dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ ôtô, tàu hỏa… Các nhà khoa học đang hoàn thiện kết cấu động cơ, hệ thống các trạm cung cấp cho phù hợp với loại nhiên liệu mới này

2.2 Các phương án cung cấp nhiên liệu

Hiện tại còn tồn tại một số vấn đề khi sử dụng biogas cho động cơ:

- Nhiên liệu chưa được lọc tạp chất dẫn đến động cơ nhanh chóng bị ăn mòn

do lưu huỳnh có trong biogas

- Không thể áp dụng các phương thức phun biogas vào đường nạp, mà chỉ cung cấp theo kiểu động cơ tự hút Trong khi đó, phun nhiên liệu đã hóa lỏng thì động cơ có hiệu suất nạp cao nhất

- Không có bộ điều tốc phù hợp nên động cơ làm việc không ổn định

- Quá trình cháy không hoàn thiện làm cho tiêu hao nhiều nhiên liệu, khí thải gây ô nhiễm, hiệu suất nhiệt thấp, khó khởi động…

- Kết cấu sau khi cải tạo rườm rà, tính thẩm mỹ và độ tin cậy kém

Các công trình và thiết kế tiêu biểu đã được thực hiện:

2.2.1 Chỉ dùng biogas

Kiểu 1- Phun biogas vào đường nạp theo chương trình

Thực hiện chuyển đổi trên cơ sở động cơ xăng dùng chế hòa khí thông thường hoặc trên động cơ phun xăng điện tử, thậm chí trên động cơ Diesel Nghiên cứu dạng này đã được thực hiện trong nước có thể thấy ở các công trình như:

- Ts Huỳnh Thanh Công, Ths Trần Đăng Long, Ths Nguyễn Quang Minh,

Lọc nén biogas, JICA - ĐH Bách Khoa Tp.HCM, 2011

- Ts Huỳnh Thanh Công, Ths Trần Đăng Long, Ths Nguyễn Quang Minh,

Phun biogas theo chương trình cho động cơ đốt trong, JICA - ĐH Bách Khoa

Tp.HCM, 2011

Kiểu 2- Điều khiển lưu lượng biogas bằng van tiết lưu

Nhiên liệu khí sau khi điều áp được đưa vào đường nạp sau lọc gió, điều khiển lưu lượng bằng một van tiết lưu kết nối cơ khí với bộ điều tốc có sẵn của động cơ Hỗn hợp nhiên liệu được hình thành trong đường nạp Động cơ hoạt động gần giống như một động cơ xăng dùng chế hòa khí Chuyển đổi theo kiểu này đã được Kỹ sư Bùi Hoàng Lang (Tp.HCM) nghiên cứu và ứng dụng trong mảng máy

phát điện cỡ nhỏ phục vụ các trang trại chăn nuôi [*]

[*] Bùi Hoàng Lang, Tp.HCM 2007

Hình 2.8: Chuyển đổi động cơ Diesel một xylanh sang sử dụng biogas đốt cháy

nhiên liệu bằng bougie (KS Bùi Hoàng Lang Tp.HCM)

Kiểu 3- Điều khiển lưu lượng biogas bằng chế hòa khí

Thực hiện chuyển đổi từ một động cơ xăng dùng chế hòa khí hiện có, nhiên liệu khí sau khi điều áp được cấp vào đường nạp (trước bướm ga, sau lọc gió) Hỗn hợp hòa khí được tạo giống như động cơ dùng xăng thông thường Hệ thống đánh lửa được giữ nguyên nhưng có sự điều chỉnh thời điểm sớm/trễ cho phù hợp

Cách này có ưu điểm là thực hiện đơn giản, không thay đổi nhiều đến kết cấu động cơ Chỉ thích hợp với các động cơ nhỏ, một xylanh, công suất thấp, hoạt động với chế độ tải ổn định Chi phí chuyển đổi ít, nên được nhiều bà con nông dân lựa

chọn và ứng dụng làm nguồn động lực nhỏ, tận dụng nhiên liệu có sẵn [3][4][5]

Kiểu 4- Hòa trộn biogas bằng ống Venturi

Ở đây, động cơ có cấu tạo và hoạt động gần giống như một động cơ xăng sử

dụng chế hòa khí Hỗn hợp hòa khí được hình thành trong ống Venturi [19]

Mitzlaff and Klaus Von, Engine for biogas, 1988

Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo các hệ thống hòa trộn biogas bằng ống Venturi 2.2.2 Dùng lưỡng nhiên liệu (dual fuel)

Lưỡng nhiên liệu xăng/biogas:

Ở dạng này, động cơ hoạt động đồng thời bằng hai loại nhiên liệu xăng và biogas, trong đó nhiên liệu cơ bản là biogas, hệ thống đánh lửa bằng bougie vẫn được sử dụng

(Nguồn: tổng hợp)

Hình 2.10: Sơ đồ cấu tạo CHK dạng màng cung cấp nhiên liệu xăng/biogas

Lưỡng nhiên liệu Diesel/biogas:

Trong trường hợp này, nhiên liệu Diesel được dùng làm nhiên liệu cháy mồi Hỗn hợp biogas và khơng khí cĩ tỷ lệ thích hợp được đưa vào đường nạp, một lượng Diesel (từ 10-75%) được phun vào để khởi tạo quá trình cháy

(Nguồn: tổng hợp)

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý động cơ lưỡng nhiên liệu Diesel/biogas

1 3

6 7 8

10a 9

11

1 Lọc không khí

2 Bướm ga

3 Kim phun Diesel

4 Đường dầu hồi

5 Đường dầu Diesel cao áp

6 Cảm biến lưu lượng khí nạp

7 Cụm valve bướm biogas

8 Motor bước điều khiển valve bướm biogas

9 Solenoid valve 10a, 10b Cảm biến áp suất

11 Valve điều áp biogas

12 Bể lọc và dự trữ biogas

13 Motor điều khiển bơm cao áp

14 Bơm cao áp

15 Bể sinh khối biogas

14 13

12

15

2

10b

2.2.3 Chọn kiểu cung cấp và phối trộn nhiên liệu

Qua phân tích của Lê Xuân Thạch (2010) So sánh hiệu quả của các giải

pháp cung cấp biogas cho động cơ đốt trong Tạp chí khoa học và công nghệ - số 2,

ĐH Đà Nẵng, cho thấy những phương án cung cấp nhiên liệu cho động cơ biogas

đều có ưu, nhược điểm nhất định [13] Trong phạm vi đề tài, đề xuất phương án sử

dụng ống Venturi điều khiển bằng điện tử để phối trộn hỗn hợp Thực hiện chuyển đổi nhiên liệu biogas trên nền tảng động cơ Diesel, đánh lửa cưỡng bức bằng bougie, điều khiển động cơ theo chương trình Bởi vì:

a) Khả năng chuyển giao sau khi thực hiện đề tài:

- Chỉ dùng duy nhất biogas nên chi phí nhiên liệu rất thấp, so với dùng lưỡng nhiên liệu xăng/biogas (hoặc Diesel/biogas) phải tiêu tốn lượng nhiên liệu nhất định cho cháy mồi Phương án này có thể áp dụng cho các trang trại chăn nuôi, bãi xử lý rác thải đang có sẵn nguồn biogas trữ lượng dồi dào

- Hướng đến làm nguồn động lực cho máy phát điện, nên chuyển đổi từ động

cơ Diesel để có khoảng vận tốc phù hợp với máy phát (khoảng 1.500÷1.800 rpm)

- Ít phải cải tạo trên động cơ Diesel nguyên thủy [15]

- Chọn phương án điều khiển động cơ theo chương trình để:

 Tạo sự thuận tiện nhất cho người sử dụng

 Có thể điều khiển ổn định tốc độ dễ dàng khi ứng dụng làm nguồn động lực cho máy phát điện

 Đánh lửa và cấp nhiên liệu theo chương trình được sử dụng là ưu thế rất lớn để kiểm soát việc tạo hỗn hợp nghèo, chống kích nổ, đồng nghĩa với kiểm soát được ô nhiễm khí xả

 Kiểm soát được tính không ổn định của nguồn nhiên liệu biogas như chất lượng, áp suất, lưu lượng… để có thể điều khiển động cơ đáp ứng kịp thời

 Tự chẩn đoán được các lỗi trong hệ thống điều khiển động cơ

 Thuận tiện khi chỉnh sửa chương trình trên các động cơ khác nhau

2.3 Giải thuật PID [33][35]

2.3.1 Tổng quan giải thuật PID

PID – Propotional – Integral – Derivative tuy xuất hiện rất lâu, nhưng đến

nay vẫn được xem là giải thuật điều khiển được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng

điều khiển tự động với yêu cầu chính xác (accurate), đáp ứng nhanh (fast response),

ổn định (small overshot) Tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt: giá trị tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D), viết tắt là P, I, và D

Giá trị tỉ lệ (P) xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân (I) xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân (D) xác định tác động

của tốc độ biến đổi sai số Tổng của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình

thông qua một phần tử điều khiển P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay

đổi hiện tại Sơ đồ khối của giải thuật được cho trong sơ đồ sau:

Hình 2.12: Sơ đồ khối của giải thuật PID

Trong đó:

Error (e): là sai số của yếu tố điều khiển trên thực tế với giá trị mong muốn

K P , K I , K D: là các hằng số ứng với từng khâu trong bộ điều khiển

Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố so với giá trị mong muốn và giá trị dao động của hệ thống

Bộ PID được mô tả bằng mô hình vào/ra:

dt

t de T d e T t e K t u

0

1 ) ( )

Phương pháp Ziegler- Nichols là phương pháp thực nghiệm để xác định tham

số của bộ điều khiển, bằng cách dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển Tùy theo đặc điểm của đối tượng điều khiển mà Ziegler-Nichols đã đưa ra hai phương pháp lựa chọn tham số:

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: phương pháp này áp dụng cho các

đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S (hình 2.13) như điều khiển nhiệt độ, tốc độ động cơ…

Hình 2.13: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng chữ S

Thông số của bộ điều khiển được cho trong bảng sau:

Bảng 2.4: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất

kT

T

3.01

T

-

PID

1 22.1

kT

T

1

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai: Phương pháp này áp dụng cho đối

tượng có khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ truyền động dùng động cơ… Đáp ứng quá độ của hệ hở tăng đến vô cùng Phương pháp này được thực hiện như sau:

Hình 2.14: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn

- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại tới hạn (hình 2.15)

- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn k th để hệ kín ở chế độ biên ổn định, tức là hàm đầu ra có dạng dao động điều hòa

- Xác định chu kỳ T th của dao động

Hình 2.15: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = k th

Thông số của bộ điều khiển được cho trong bảng sau:

Bảng 2.5: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai

Hình 2.16: Đáp ứng nấc thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones-Reswick

Phương pháp Chien-Hrones-Reswick đưa ra bốn cách xác định tham số bộ điều khiển cho bốn yêu cầu chất lượng khác nhau:

Bảng 2.6: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick-1

Bảng 2.7: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick-2

Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín không có độ quá điều chỉnh:

Bảng 2.8: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick-3

Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín có độ quá điều chỉnh Δh

không vượt quá 20% so với





t t h

Bảng 2.9: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick–4

2.3.2.3 Phương pháp tối ưu module

Phương pháp tối ưu module là phương pháp lựa chọn tham số bộ điều khiển PID cho đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S Xét

một hệ thống điều khiển kín như trên hình 2.17 Bộ điều khiển R(s) điều khiển cho đối tượng S(s)

Hình 2.17: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín

Phương pháp tối ưu module được áp dụng để chọn tham số bộ điều khiển

PID điều khiển các đối tượng S(s) có bản chất quán tính

Đối với đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc nhất:

Ts

k s S



1)

Phương pháp tối ưu module đưa ra bộ điều khiển là khâu tích phân:

S T

k s R

I

P

)

Trường hợp đối tượng điều khiển có dạng:

)1) (

1)(

1()(

2

T

k s

I

k

T T

1

Đối với đối tượng là khâu quán tính bậc 2:

)1)(

1()(

2

T

k s

s T s

T k

s R

R

I I

1)(

1()(

2

T

k s