ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN DÙNG BIOGAS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ-CƠNG NGHỆ ****0O0**** NGUYỄN THANH TÙNG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN DÙNG BIOGAS Tp Hồ Chí Minh Tháng 08 năm 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ-CƠNG NGHỆ ****0O0**** ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN DÙNG BIOGAS Chuyên ngành: Điều khiển Tự Động Giáo Viên Hướng Dẫn: Sinh Viên Thực Hiện: Ths Lê Văn Bạn Nguyễn Thanh Tùng Tp.Hồ Chí Minh Tháng 08 năm 2008 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING NONG LAM UNIVERSITY FACULTY OF ENGINEERING & TECHNOLOGY ****0O0**** AUTOMATIC CONTROL FREQUENCY AND VOLTAGE OF ELECTRICAL GENERATOR USING BIOGAS ENGINE Major: Automation Department Advisor: Master Ban Van Le Student: Tung Thanh Nguyen Ho Chi Minh, city August, 2008 LỜI CẢM TẠ Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến:  Ban giám hiệu trường Đại Học Nông Lâm Tp HCM, Ban chủ nhiệm môn Điều Khiển Tự Động, tất thầy khoa Cơ Khí Cơng Nghệ tận tình giảng dạy, giúp tơi có kiến thức năm Đại Học  ThS Lê Văn Bạn, người thầy ln tận tình hướng dẫn, động viên tơi q trình thực tập hồn thành khóa luận  Trung tâm lượng Trường Đại Học Nơng Lâm Tp Hồ Chí Minh Cùng anh chị làm việc tạo điều kiện hết lòng giúp đỡ tơi q trình thực tập  Tồn thể bạn lớp DH04TD hỗ trợ, giúp đỡ động viên thời gian làm đề tài  Con thành kính ghi ơn ba mẹ người thân gia đình ln tạo điều kiện động viên trình học tập trường Nguyễn Thanh Tùng Tháng 08 năm 2008 - ii - TÓM TẮT Đề tài: ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN DÙNG BIOGAS Hiện thị trường xuất nhiều loại máy phát điện dùng biogas, nhiên máy phát điện dùng biogas có điện áp tần số điều khiển ổn định Trong đề tài nghiên cứu thực việc điều khiển tự động điện áp tần số, bao gồm : - Thiết kế chế tạo hệ thống lọc hòa trộn khơng khí với biogas - Thiết kế mạch điện cho hệ thống điều khiển điện áp tần số - Thiết kế mạch điều khiển động DC để điều khiển lưu lượng khí gas Đã điều khiển điện áp tần số nguồn điện máy phát điện chạy biogas trường hợp khơng tải có tải dựa trình điều khiển tự động vi xử lý phận khác như: hệ thống lọc hòa trộn khơng khí với biogas, cánh bướm điều chỉnh gas, động 12 V DC Kết đạt được: ổn định nguồn điện phát từ máy phát điện mức điện áp U = 217 V – 228 V tần số F = 50 Hz – 51 Hz Điều khiển động DC quay theo hai hai chiều ngược Sinh viên thực hiện: Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Thanh Tùng Ths Lê Văn Bạn - iii - SUMMARY Thesis: AUTOMATIC CONTROL FREQUENCY AND VOLTAGE OF ELECTRIC GENERATOR USING BIOGAS ENGINE Today in the world have many types electric generator using biogas engine, but a little of them have voltage and frequency control system This thesis carried out and researched for voltage and frequency, consistent of: - Design and manufacture biogas and air filter and mixer system - Design circuit for voltage and frequency control system - Design circuit to control DC motor of biogas and air flow Succeed in controlling voltage and frequency of electric generator using biogas in of non load and load to found on process autonmatic controlling to used microprocessor and orther components: biogas and air filter and mixer system, butterfly’s wing to control gas’s flow, motor DC 12 V… Result: stable the voltage and frequency of electric generator with value of voltage U = 217 V – 228 V and F = 50 Hz – 51 Hz, cotrolled to motor DC 12 V rotatory two other direction Student: Advisor: Tung Thanh Nguyen Master Ban Van Le - iv - MỤC LỤC TRANG Trang tựa i Lời cảm tạ ii Tóm tắt iii Mục lục v Danh sách hình viii Danh sách bảng x Chương MỞ ĐẦU Chương TRA CỨU TÀI LIỆU 2.1 Máy phát điện xoay chiều 2.1.1 Cấu tạo 2.1.1.1 Máy phát điện xoay chiều 2.1.1.2 Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng 2.2 Giới thiệu vi xử lý ATMEGA16 2.2.1 Cấu tạo 2.2.2 Sơ đồ chức chân 2.2.2.1 Sơ đồ chân 2.2.2.2 Chức chân 2.2.3 Đặc điểm vi xử lý ATMEGA16 2.3 Giới thiệu thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) 2.3.1 Chọn loại LCD hiển thị 10 2.3.2 Chức chân LCD 10 2.4 Linh kiện bán dẫn IC số 11 2.4.1 Linh kiện bán dẫn 11 2.4.1.1 MOSFET (Metal – Oxide – Semiconductor Field Effect Transistor) 11 2.4.1.2 MOSFET IRF540 -v- 2.4.2 IC ổn áp LM7805 12 2.5 Giới thiệu puly biến tốc 14 Chương PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN 15 Chương THỰC HIỆN ĐỀ TÀI - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 16 4.1 Thiết kế phần cứng khí 19 4.1.1 Sơ đồ khối chung máy phát điện dùng biogas 19 4.1.2 Thiết kế hệ thống lọc khí biogas 19 4.1.2.1 Hệ thống lọc khí biogas 20 4.1.2.2 Bộ phận hòa trộn khơng khí với biogas 21 4.1.2.3 Bộ phận điều khiển kiểm soát lưu lượng 21 4.1.2.4 Lắp ráp phần cứng 22 4.2 Phần cứng điện tử 24 4.2.1 Sơ đồ khối chung hệ thống điều khiển từ thiết bị phần cứng 25 4.2.2 Mạch điều khiển động DC 25 4.2.2.1 Sơ đồ mạch nguyên lý 25 4.2.2.2 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển động 25 4.2.3 Mạch nhận tín hiệu điện áp 27 4.2.4 Mạch nhận tín hiệu tần số 27 4.2.5 Mạch hiển thị giá trị đo 28 4.2.6 Mạch liên kết nút nhấn 29 4.2.7 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch điều khiển 30 4.3 Thiết kế mạch nạp cho vi xử lý 31 4.3.1 Sơ đồ mạch nguyên lý 31 4.3.2 Sơ đồ bố trí linh kiện 31 4.3.3 Giới thiệu phần mềm lập trình cho vi xử lý họ AVR 32 4.3.4 Giới thiệu phần mềm nạp chương trình cho vi xử lý họ AVR 32 4.4 Hồn thành phần điện tử 33 33 4.5 Thực phần mềm - vi - 4.5.1 Lưu đồ giải thuật cho hệ thống 34 4.5.2 Kết thu chạy chương trình 35 4.5.3 Lưu đồ giải thuật cho khối đo điện áp 37 4.6 Khảo nghiệm sơ theo tần số điện áp nguồn lưới 38 4.7 Lựa chọn mơ hình thiết bị mơ máy phát điện 38 4.7.1 Cấu tạo thiết bị mô máy phát điện 39 4.7.2 Nguyên lý hoạt động 39 4.7.3 Khảo sát thiết bị mô máy phát điện 40 4.7.4 Kết thu thiết bị điều khiển 41 4.8 Nhận xét, thảo luận kết 41 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 41 5.1 Kết Luận: 42 5.2 Đề nghị: 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 PHỤ LỤC - vii - DANH SÁCH CÁC HÌNH TRANG Hình 2.1 Máy phát điện SAMDI Hình 2.2 Stator Hình 2.3 Mặt cắt rotor cực lồi Hình 2.4: Sơ đồ khối MPĐ đồng Hình 2.5 Phụ tải cảm tính Hình 2.6 Sơ đồ khối ATMEGA16 Hình 2.7 Sơ đồ chân ATMEGA16 Hình: 2.8 Hình dáng thiết bị hiển thị LCD Hình 2.9 Sơ đồ chân thiết bị hiển thị LCD 10 Hình 2.10 Cấu tạo MOSFET loại NPN 12 Hình 2.11 MOSFET IRF540 12 Hình 2.12 Hình dạng chức chân IRF540 13 Hình 2.13 Mạch kích nguồn dương cho IRF540 dùng OPTO 14 Hình 2.14 Hình dạng ngồi cấu tạo LM7805 14 Hình 2.15 Sơ đồ mạch nguồn +5 VDC 14 Hình 2.16 Puly biến tốc 15 Hình 4.1 Sơ đồ khối chung máy phát điện biogas 19 Hình 4.2 Mơ hình hệ thống lọc khí biogas 20 Hình 4.3 Hệ thống lọc khí biogas 21 Hình 4.4 Bộ phận hòa trộn khí – gas 22 Hình 4.5 Cánh bướm dùng để kiểm sốt điều khiển lưu lượng hỗn hợp khí – gas 22 Hình 4.6 Lưu lượng kế 23 Hình 4.7 Áp kế chữ U 23 - viii - Luận Văn Tốt Nghiệp Bộ môn Điều Khiển Tự Động Vi xử lý Run = S Đ Đo điện áp U tần số F Hiển thiĐgiá trị U F lên LCD U > 220 V S S U < 220 V Đ Đ Set Motor Set Motor Reset Motor nghịch thuận nghịch Reset Motor thuận STOP Hình 4.26 Lưu đồ giải thuật cho toàn hệ thống (tiếp theo) 4.5.2 Kết thu chạy chương trình: 36 Luận Văn Tốt Nghiệp Bộ môn Điều Khiển Tự Động Khi cấp nguồn vi xử lý bắt đầu hiển thị hình 4.25a, phím NEXT nhấn tiếp tục hiển thị thông tin trường, khoa, môn tên đề tài, tên giáo viên hướng dẫn, tên người thực (hình 4.25b, 4.25c, 4.25d, 4.25e, 4.25f, 4.25g, 4.25h) nút RUN nhấn tiếp tục hiển thi giá trị đo điện áp tần số đồng thời điều khiển động DC có chênh lệch điện áp với mức 220 V a, b, c, d, e, f, g, h, i, Hình 4.27 Kết thu chạy chương trình 4.5.3 Lưu đồ giải thuật cho khối đo điện áp: Đo điện áp U tần số F 37 Luận Văn Tốt Nghiệp Bộ môn Điều Khiển Tự Động lap0, lap1, B, C, Dem = Dem Incr Dem Do B=0 For Lap1 = To 30 A = Getadc(7) B=B+A Next Lap1 U = B \ 30 Incr lap S S Lap = (prescale = 8) Đ Đ Hiển thị giá trị U Hiển thị giá trị F lên LCD lên LCD RETURN Hình 4.28 Lưu đồ giải thuật cho khối đo điện áp tần số 4.6 Khảo nghiệm sơ theo tần số điện áp nguồn lưới Đối với mạng lưới nguồn điện hộ gia đình, thơng thường ổn định mức điện áp U = 220 V tần số F = 50 Hz Trong trình thử nghiệm thu giá trị điện áp dao động từ 119 V – 221 V, tần số dao động từ 50 Hz – 51 Hz Qua trình kiểm tra chạy thử mạch điều khiển thu kết sau: Bảng 4.2: Kết thu trình thử nghiệm lưới điện 220 V 38 Luận Văn Tốt Nghiệp Bộ môn Điều Khiển Tự Động Điện áp Tần số Thời gain đáp ứng (V0) (Hz) (s) 119 – 220 50 – 51 221 – 220 51 – 50 Khoảng dao động điện áp từ 119 V – 221 V tần số từ 50 Hz – 51 Hz chấp nhận mạng lưới điện gia đình Tuy nhiên mạng lưới điện tương đối ổn định khơng thích hợp để kết luận việc điều khiển đạt yêu cầu, cộng với việc nguồn nhiên liệu biogas không đủ để sử dụng máy phát điện, cần phải sử dụng thiết bị mô máy phát điện để tạo thuận lợi cho việc thử nghiêm mạch điều khiển 4.7 Lựa chọn mơ hình thiết bị mơ máy phát điện: 4.7.1 Cấu tạo thiết bị mô máy phát điện: Vì điều kiện thời tiết khơng thuận lợi cho việc hình thành khí biogas nên khơng có đủ lượng gas cần thiết cho máy phát điện hoạt động, ta dùng thiết bị mô máy phát điện để kiểm tra việc điều khiển đáp ứng vi xử lý việc điều khiển điện áp tần số Hình 4.29 Mơ hình thiết bị mơ máy phát điện 39 Luận Văn Tốt Nghiệp Bộ môn Điều Khiển Tự Động Hình 4.30 Cấu tạo thiết bị mô máy phát điện (1) Động AC (2) Đai thang (3) Puly tự động căng dây đai lò xo (4) Lò xo (5) Máy phát điện (6) Puly biến tốc (7) Nền máy gỗ (8) Bộ điều khiển hiển thị (9) Động DC (10) Nguồn AC 220 V 4.7.2 Nguyên lý hoạt động: Máy phát điện kéo động AC đai thang (hay gọi dây curoa) Puly máy phát điện loại puly đặt biệt, tăng giảm đường kính núm vặn phía sau Chức loại puly để thay đổi tốc độ quay máy phát điện, từ làm thay đổi điện áp máy phát, giúp cho việc điều khiển dễ dàng Trong q trình thay đổi đường kính làm cho dây đai bị chùn lại, cần bố trí thêm phận tự điều chỉnh độ căng dây đai lò xo 40 Luận Văn Tốt Nghiệp Bộ môn Điều Khiển Tự Động 4.7.3 Khảo sát thiết bị mô máy phát điện: Thiết bị mô máy phát điện truyền động từ động AC có vận tốc n = 1450 vòng/phút, ta tăng đường kính puly lên số vòng quay máy phát điện giảm lại kéo theo điện áp giảm xuống, từ vi xử lý điều khiển động DC quay theo chiều thuận để mở cánh bướm gas, ngược lại ta giảm đường kính puly số vòng quay máy phát điện tăng lên kéo theo điện áp tăng lên, từ vi xử lý điều khiển động DC quay nghịch để đóng cánh bướm gas Động DC dừng lại điện áp máy phát điện đưa giá trị 220 V 4.7.4 Kết thu thiết bị điều khiển: Qua trình kiểm tra thu kết thay đổi điện áp từ giá trị 220 V, tần số 50 Hz tới giá trị khác thời gian đáp ứng xử lý hoạt động cho động DC vi xử lý ngắn, không vượt qua thời gian 0.5 giây khoảng dao động điện áp 217 V – 228 V Bảng 4.3: Kết thiết bị điều khiển hiển thị LCD Điện áp Tần số Thời gian đáp ứng (V) (Hz) (s) 220 – 217 51 – 50 0,13 220 – 219 51 – 50 220 – 228 51 – 50 0,26 220 – 221 51 – 50 4.8 Nhận xét, thảo luận kết quả: Trong trình chạy kiểm tra kết quả, điều chỉnh điện áp máy phát mô xuống 200 V lớn 230 V nên kết thu hạn chế Thời gian đáp ứng vi xử lý nhanh, trung bình chênh lệch V thời gian đáp ứng t = 0,0379 s 41 Luận Văn Tốt Nghiệp Bộ môn Điều Khiển Tự Động Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết Luận: Sau thời gian tháng, đề tài thực yêu cầu dặt là: thiết kế chế tạo điều khiển điện áp tần số nguồn điện phát từ máy phát điện dùng biogas, dùng vi xử lý để xử lý yêu cầu đề tài, lập trình hiển thị thông số cần thiết lên LCD  Phần cứng khí: thiết kế chế tạo hệ thống lọc khí biogas từ nguyên vật liệu ban đầu  Phần cứng điện tử: thiết kế mạch điện tử Mạch điều khiển dùng để , xử lý giá trị điện áp tần số nguồn điện, hiển thị thông tin trường, đề tài thông số mà đề tài yêu cầu Mạch công suất dùng để điều khiển động DC 12 V với mục đích điều chỉnh lưu lượng khí gas vào máy phát điện  Phần mềm: viết chương trình điều khiển để điều khiển hệ thống làm việc ổn định Điều khiển lưu lượng khí gas vào máy phát điện, hiển thị đầy đủ thông tin liên quan đến đề tài lên hiển thị LCD Do thời gian thực đề tài ngắn, kinh nghiệm làm việc khơng nhiều, có nhiều vấn đề nên khơng thể tránh khỏi sai sót thực đề tài 5.2 Đề nghị: - Cần nghiên cứu nhiều thiết kế trộn lọc khí để động đạt hiệu suất cao lượng khí thải ảnh hưởng đến mơi trường - Phổ biến kỹ thuật xây dựng hầm ủ, khuyến khích người dân sử dụng biogas thay xăng chạy máy nổ phát điện, vừa thu hiệu kinh tế cao vừa chủ động nguồn lượng, đồng thời giảm ô nhiễm môi trường chăn nuôi nơi vùng sâu vùng xa - Khi hoạt động, động kéo phải khởi động loại nhiên liệu ban đầu nó, sau chuyển sang dùng nhiên liệu biogas Trước ngừng hoạt động 42 Luận Văn Tốt Nghiệp Bộ môn Điều Khiển Tự Động phải chuyển loại nhiên liệu ban đầu động kéo để tự động đẩy hợp chất có thành phần khí biogas ngồi nhằm tăng tuổi thọ cho động - Cần phải khảo sát nhiều để lấy kết tốt 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Minh Thường Nguyễn Đức Hoàng Kiêm, 2007 Thiết kế hoàn thiện động sử dụng khí biogas Luận văn tốt nghiệp Khoa Kỹ Thuật Giao Thông Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM Nguyễn Văn Nhờ, 2005 Điện tử công suất Nhà suất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Nguyễn Văn Triều, 2007 Nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu biogas cho động Honda GX120 Đề tài nghiên cứu khoa học khoa Cơ Khí Giao Thơng trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Phạm Mạnh Cường Nguyễn Văn Khang, 1997 Cơ sở Kỹ thuật điện Trường Đại học Giao Thơng Vận Tải Hà Nội Hồng Hữu Thuận Đỗ Quang Đạt Kỹ thuật điện đại cương Nhà xuất Đại học Trung Học chuyên nghiệp PHỤ LỤC Chương trình điều khiển: $regfile = "m16def.dat" $crystal = 1000000 Config Int1 = Falling Enable Interrupts On Int1 Demts Config Adc = Single , Prescaler = Auto Config Timer1 = Timer, Prescale = On Timer1 Demtg '************************* KHAI BAO CAU HINH LCD ************************* Config Lcd = 16 * Config Lcdpin = Pin , Db7 = Portb.4 , Db6 = Portb.5 , Db5 = Portb.6 , Db4 = Portb.7 , E = Portb.3 , Rs = Portb.2 '******************** KHAI BAO CUC************************ Dim Dem As Integer, Lap As Byte, Lap1 As Byte Dim Nutnhan As Bit Dim U As Word, A As Word, B As Word Dim F As Integer Declare Sub Hienthi() Cursor Off Config Porta = Input Config Portc = Output Config Portd = Input Set Portd.2 CAC BIEN TOAN Thuan Alias Portc.3 Nghich Alias Portc.2 Set Porta.3 Set Porta.2 Mainprogram: Cls Locate 1, Lcd "Welcome to you" Locate 2, Lcd "Press NEXT" Do Loop Until Pina.3 = Cls Call Hienthi Do Loop Until Pina.2 = Enable Int1 Enable Timer1 Start Adc Dem = Cls '************************** MAIN ********************************* Do B=0 For Lap1 = To 30 A = Getadc(7) B=B+A Next Lap1 PROGRAM U = B \ 30 If U > 220 Then Set Portc.0 Reset Portc.1 Set Portc.2 Reset Portc.3 Else Reset Portc.0 Reset Portc.2 End If If U < 220 Then Reset Portc.0 Set Portc.1 Reset Portc.2 Set Portc.3 Else Reset Portc.1 Reset Portc.3 End If Loop End '************************* CHUONG ************************* Sub Hienthi() Cls Locate 1, Lcd "Please wait" Waitms 1000 Locate 1, 12 Lcd "." Waitms 1000 TRINH HIEN THI Locate 1, 13 Lcd "." Waitms 1000 Locate 1, 14 Lcd "." Waitms 1000 Locate 1, 15 Lcd "." Waitms 1000 Locate 1, 16 Lcd "." Lowerline Lcd " " Cls Locate 1, Lcd "TR.DH NONG LAM" Lowerline Locate 2, Lcd "TP.HO CHI MINH" Wait Locate 1, Lcd "KhoaCK_CN-BMDKTD" Lowerline Locate 2, Lcd " DT TOT NGHIEP:" Wait Cls Locate 1, Lcd "DK D.A & T.SO TU" Locate 2, Lcd "MPD DUNG BIOGAS" Wait Cls Locate 1, Lcd "GVHD:" Lowerline Locate 2, Lcd "LE VAN BAN" Wait Cls Locate 1, Lcd "SVTH:" Locate 2, Lcd "NG THANH TUNG" Wait Cls Locate 2, Lcd "Press RUN:" End Sub '************************** chuong *************** Demts: Incr Dem Return Demtg: Incr Lap If Lap >= Then Cls Lcd "DIEN AP = " ; U ; "V" Lowerline Lcd "TAN SO = " ; Dem ; "Hz" Trinh Dieu Khien Tan So Dem = Lap = End If Return '******************************* THE ******************************** END ... TẮT Đề tài: ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN DÙNG BIOGAS Hiện thị trường xuất nhiều loại máy phát điện dùng biogas, nhiên máy phát điện dùng biogas có điện áp tần số điều khiển ổn... khí để chạy máy phát điện tự động điều chỉnh điện áp tần số dòng điện phát từ máy phát để sản xuất nguồn điện 1.2.2 Yêu cầu  Ghi nhận lưu lượng áp suất khí biogas cần để chạy máy phát điện vòng... việc điều khiển tự động điện áp tần số, bao gồm : - Thiết kế chế tạo hệ thống lọc hòa trộn khơng khí với biogas - Thiết kế mạch điện cho hệ thống điều khiển điện áp tần số - Thiết kế mạch điều khiển