Để kiểm nghiệm l i cơ s lý thuyết, mô hình bộ điều tốc turbine gió bằng hệ bánh răng nón được tiến hành chế t o và thử nghiệm như bên dưới.
Hình 5.1.2.1Cấu t o bộ điều tốc
- Cánh turbine được chế t o từng cánh r i, bán kính turbine r = 1m. Ba cánh được lắp trực tiếp vào ba bánh răng nón xoay được.
- Toàn bộ hệ thống được lắp trên một mâm quay cùng trục chính.
- Trên mâm quay trục chính c a turbine gắn bánh răng nón ch động ăn khớp với ba bánh răng lắp với cánh, lắp thêm hệ bánh vít, ăn khớp với trục vít. Trục vít lắp trực tiếp trên trục c a động cơ để điều khiển số vòng quay (động cơ dùng đây là động cơ bước).
- Trục chính c a bánh vít ( bánh răng ch động) được gắn trên mâm quay bằng 2 ổ bi, trục này có thể xoay được để điều khiển hệ bánh răng nón .
- Động cơ bước được cấp điện nh hệ thống thiết kế chổi than lắp trên trục chính. - Hệ m ch điều khiển nhận biết tốc độ và điều khiển để xoay động cơ bước.
Nguyên lý làm việc c a hệ thống xoay cánh như sau: Kết cấu gồm hệ bánh răng nón gắn với hệ thống cánh, trên trục bánh răng ch động gắn thêm hệ trục vít bánh vít, có tác dụng hãm không cho hệ thống cánh xoay ngược l i dưới tác dụng c a gió.
Gán cho trục chính turbine một tốc độ định m c cho phép, đây là tốc độ mà turbine gió luôn đ t công suất tốt nhất. Khi tốc độ gió thay đổi vượt qua tốc độ cho phép, làm cho tốc độ trục chính tăng lên vượt qua tốc độ giới h n ban đầu, bộ phận c m biến nhận được tín hiệu, chuyển đến bộ điều khiển tiến hành so sánh với tốc độ cho phép, sẽ điều khiển trục động cơ bước gắn với trục vít được cho ăn khớp với bánh vít. Trục bánh vít nối cùng với trục bánh răng nón ch động được ăn khớp với ba bánh răng nón gắn ba trục cánh qu t. Khi trục động cơ bước xoay góc thì sẽ truyền sang một số bộ phẩn truyền động như trên để xoay cánh turbine một góc nhằm gi m bề mặt h ng gió, lúc này tốc độ turbine gió sẽ gi m xuống đ m b o cho turbine luôn ho t động an toàn. Khi tốc độ gió gi m, động cơ sẽ xoay ngược l i cánh quay tr l i. Bằng cách này, tốc độ quay c a trục turbine được điều chỉnh kịp th i.
Việc sử dụng hệ bánh răng nón làm nhiệm vụ truyền động xoay cánh như mô hình trình bày đ m b o độ ổn định tối đa c a toàn bộ hệ thống cánh (đây là ưu điểm c a hệ bánh răng nón). Nếu xét trong điều kiện xấu nhất là động cơ bước hoặc hệ m ch điều khiển gặp vấn đề thì toàn bộ hệ thống cánh vẫn cân bằng, góc cánh c a c ba trục vẫn không thay đổi, turbine vẫn có thể ho t động ổn định. Bước răng c a hệ bánh răng nón và hệ trục vít bánh vít càng nhỏ (nghĩa là số răng càng nhiều) thì bộ điều tốc càng linh ho t.
Hình 5.1.2.2Bộ cấp điện cho động cơ bước
Để cấp điện cho động cơ bước, cũng như điều khiển động cơ xoay được các góc như đã tính toán thì ta cần ph i thiết kế bộ cấp điện cho động cơ bước. Bộ cấp điện này gồm hai phần chính:
+ Vành gắn trực tiếp trên mâm quay cùng trục chính: Vành ngoài được thiết kế bằng nhựa cách điện bên trong gắn các thanh đồng được uốn tròn và đặt cách điện với nhau.Với động cơ bước gồm θ dây thì ta sẽ thiết kế thành θ vòng như [hình 5.1.2.2], 6 đầu ra c a động cơ được gắn lên θ thanh đồng tương ng.
+ Vành gắn bộ góp chổi than :Vành này cố định, có nhiệm vụ cho bộ giữ chặt chổi than dùng để cấp điện cho động cơ bước. Bên trong bộ góp chổi than có sử dụng lò xo
đàn hồi, có nhiệm vụ giữ chổi than luôn tiếp xúc tốt với vành chuyển động cùng trục chính, đ m b o cho động cơ bước luôn luôn được cấp điện.
Bộ phận cấp điện cho động cơ bước có vai trò vô cùng quan trọng, việc bộ điều tốc có làm việc hiệu qu hay không phụ thuộc hoàn toàn vào bộ góp này.
5.2 Thí nghi m kh o sát s ho t đ ng c a b đi u t c ng v i s thay đ i t c đ tr c chính
Mô hình turbine gió trục ngang đã được thi công và tiến hành cho thực nghiệm t i khoa cơ khí chế t o máy trư ng đ i học Sư ph m Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, số 1 Võ Văn Ngân, Th Đ c.
Hình 5.2.1Mô hình thí nghiệm
TI N HÀNH CÁC THệ NGHI M
Thí nghiệm đã được thực hiện chế độ có t i và không t i. Tốc độ định m c cài đặt cho động cơ là 5 vòng/s. Có nghĩa là, nếu vận tốc từ 5 vòng/s (hoặc nhỏ hơn 5
vòng/s) thì mặc định động cơ bước nằm t i vị trí turbine đ t vận tốc 5 vòng/s, lúc này cánh turbine luôn vị trí đón gió tốt nhất.
Khi tốc độ trục chính vượt qua 5 (m/s), thì động cơ bước sẽ xoay, làm cánh turbine xoay đi một góc để trục chính tr về với tốc độ định m c 5 vòng/s. Khi vận tốc gió gi m, tốc độ trục chính gi m thấp hơn tốc độ định m c thì động cơ bước xoay về vị trí ban đầu để turbine ho t động tốt nhất.
Lập trình ban đầu cho động cơ bước, góc xoay giá trị nhỏ nhất là θ00 cho mỗi bước xoay c a động cơ. Nghĩa là bộ so sánh sẽ luôn so sánh tốc độ trục chính với tốc độ cho phép, khi tốc độ trục chính vượt qua giới h n cho phép thì turbine sẽ xoay 1 góc θ00
, tiếp tục so sánh nếu vẫn chưa đ t như yêu cầu thì động cơ sẽ tiếp tục xoay cho đến khi tốc độ đ t đến giới h n cho phép.
Ban đầu, ngưng cấp điện cho động cơ bước, di chuyển turbine theo hướng gió, ghi nhận giá trị tốc độ hiển thị tên bộ đếm và xác định các vị trí mà t i đó tốc độ turbine có sự thay đổi. Sau đó tiến hành trình tự các thí nghiệm như [hình 5.2.2]. Tốc độ trục chính được kh o sát chế độ có t i và không t i lần lượt t i các vị trí như [b ng 5 .2]
B ng 5.2Kh o sát góc xoay động cơ bước ng với sự thay đổi tốc độ Chế độ Vị trí Tốc độ trục chính thực tế (v/s) Có t i 1 5 2 6 3 7 Không t i 2 8 3 9
Dùng 3 qu t gió công nghiệp công xuất 380 V đặt 3 vị trí tương ng với đư ng kính cánh turbine. Thí nghiệm được tiến hành như sau:
Chế độ có t i:
Bước 1: Sẽ thay đổi vị trí turbine theo th tự như [hình 5.2.2]: 1 2 3. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vị trí 1: đặt qu t và turbine kh ng cách xa nhất, điều chỉnh góc xoay cánh sao cho turbine quay với tốc độ đ t tối ưu nhất η vòng/s. Đây là tốc độ lập trình định m c, nghĩa là khi đ t tốc độ này (hoặc tốc độ bé hơn) thì cánh turbine cố định, hệ bánh răng nón không ho t động, động cơ bước không thay đổi.
Vị trí 2: Khi đưa turbine tiến về cánh qu t, cách vị trí ban đầu 1.7 m, ban đầu tốc độ turbine tăng từ từ đến khi vượt qua tốc độ η vòng/s (đ t θ vòng/s), ghi nhận sự thay đổi c a góc xoay động cơ bước và tốc độ quay trục chính hiển thị trên bộ đếm.
Vị trí 3: Khi đưa turbine tiến về phía qu t, cách vị trí ban đầu 3.4 m, ban đầu tốc độ turbine tăng từ từ đến khi vượt qua tốc độ η vòng/s (tốc độ đ t θ vòng/s) thì động cơ bước sẽ xoay , ghi nhận sự thay đổi.
Bước 2: Sẽ thay đổi vị trí turbine gió theo th tự ngược l i 3 2 1.
T i mỗi vị trí thì góc xoay động cơ bước thay đổi, ng với sự thay đổi tốc độ trục chính, ghi nhận từng giá trị thay đổi.
Bước 3: Đặt turbine t i vị trí 1, lúc này động cơ bước đã xoay về vị trí ban đầu, đánh dấu trên trục động cơ bước hoặc bánh răng nón để ghi nhận sự thay đổ.i Sau đó, ta sẽ ngưng cấp điện cho động cơ bước, tiến hành di chuyển qu t đến vị trí 3, khi turbine ổn định, ta sẽ cấp điện cho động cơ bước, ghi nhận các giá trị thay đổi.
Bước 4: Đặt turbine t i vị trí 1, lúc này động cơ bước đang vị trí như thực hiện bước 3, đánh dấu trên trục động cơ bước hoặc bánh răng nón để ghi nhận sự thay đổi. Khi tốc độ turbine ổn định, ta sẽ cấp điện cho động cơ bước, ghi nhận sự thay đổi góc xoay động cơ bước.
5.3. K t qu th c nghi m
5.3.1 Ghi nhận kết qu
Kh o sát tốc độ trục chính c a turbine thay đổi theo th tự 1 23 và ngược l i chế độ có t i và không t i thì kết qu góc xoay c a động cơ bước vẫn không thay đổi.
ng với mỗi vị trí, mỗi tốc độ khác nhau, góc động cơ bước có sự thay đổi như [b ng 5.3.1.1]
B ng 5.3.1.1 Giá trị góc xoay động cơ bước ng với sự thay đổi tốc độ trục chính
Chế độ Vị trí Tốc độ trục chính thực tế (v/s) Góc quay động cơ bước(so với vị trí ban đầu) -độ
Kho ng thay đổi c a góc quay Có t i 1 5 0 0 2 6 120 120 3 7 240 120 Không t i 2 8 420 180 3 9 540 120
Kết qu bước 3: Sau khi cấp điện cho động cơ bước, bộ đếm hiển thị tốc độ 7 vòng/s. Sau kho ng th i gian 3 s, tốc độ trục chính gi m xuống còn θ m/s, sau 3 s tốc độ trục chính còn η vòng/s. Như vậy, bộ điều tốc đã thực hiện quá trình xoay cánh hiệu qu . Kết qu bước 4: Sau khi cấp điện cho động cơ bước, bộ đếm hiển thị tốc độ 3 vòng/s. Sau kho ng th i gian 3 s, tốc độ trục chính tăng lên η vòng/s. Như vậy, bộ điều tốc đã xoay cánh một cách hiệu qu .
Tiến hành ngưng cấp điện cho động cơ bước, xoay trục động cơ bước điều khiển góc cánh nghiêng tiến dần về góc kho ng 4η0 so với mặt phẳng quay, khi cho turbine kh i động, ghi nhận cho thấy với cùng một tốc độ gió góc nghiêng cánh càng tiến về gần 4η độ thì tốc độ turbine gi m và t i vị trí này turbine càng dễ dàng kh i độngnhất, vượt quá góc 450 turbine càng khó kh i động và tốc độ turbine đ t rất thấp, xem như
turbin ngừng ho t động. T i vị trí góc nghiêng cánh hợp với mặt phẳng quay một góc 00, thì turbine rất khó kh i động.
B ng 5.3.1.2B ng giá trị biểu diễn góc xoay động cơ ng với tốc độ trục chính
Tốc độ trục chính
n (v/s) 3 4 5 6 7 8 9
Góc xoay động cơ
(độ) 0 0 0 120 240 420 540
Hình 5.3.1Biểu đồ thực nghiệm biểu diễntốc độ trục chính và góc xoay động cơ
[Hình 5.3.1] Biểu diễn sự thay đổi c a tốc độ trục chính và góc xoay động cơ bước.
Khi góc cánh kho ng 4η độ, thì tốc độ turbine chậm l i và t i vị trí này turbine sẽ dễ kh i động nhất. Như vậy, góc cánh chỉ ho t động trong giới h n (00 - 450) thì việc xoay cánh mới đem l i hiệu qu .
5.3.2 Nhận xét kết qu thực nghiệm
Hình 5.3.2 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ trục chính và góc xoay động cơ
bước theo thực nghiệm và theo tính toán lý thuyết.
Dựa vào những dữ liệu ban đầu [Hình 5.3.2], ta thấy quy luật thay đổi c a giá trị góc xoay động cơ bước ng với tốc độ trục chính tương ng trong thực nghiệm hoàn toàn phù hợp so với tính toán lý thuyết dù có sự khác biệt nhỏ. Sự khác biệt này là do theo tính toán theo lý thuyết thì chúng ta tính toán dựa trên sự thay đổi c a giá trị góc tới đã được tối ưu hóa α =[00
- 100]. Còn theo thực nghiệm chúng ta không quan tâm đến giá trị này, thay vào đó ta sẽ điều khiển góc cánh bằng động cơ bước và thực hiện hệ truyền động bánh răng nón để điều tốc, vớigiá trị góc tới không thay đổi. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Do lượng gió không đ cung cấp để có thể thu thập số liệu nhiều hơn, nhưng ban đầu cho thấy các số liệu thực tế phù hợp so với tính toán. Bộ điều tốc turbine gió gồm
hệ bánh răng nón, hệ trục vít bánh vít và động cơ bước điều khiển tốc độ một cách linh ho t.
Khi tốc độ trục chính thấp hơn hoặc cao hơn tốc độ cho phép, động cơ bước sẽ thực hiện quá trình xoay cánh theo góc bước đã lập trình. Sau mỗi lần xoay, bộ đếm tiếp tục so sánh và điều chỉnh đ t đến tốc độ phù hợp. Quá trình thực hiện việc xoay cánh c a động cơ bước được tiến hành theo từng bước nghĩa là động cơ sẽ xoay một góc, bộ đếm so sánh, tiếp tục xoay cánh nếu tốc độ chưa đ t đến quy định. Quá trình này được thực hiện một cách liên tục đến khi tốc độ ổn định. Độ chính xác c a quá trình điều hiển góc xoay phụ thuộc vào độ chính xác c a hệ bánh răng nón, trục vít bánh vít. Bước răng càng nhỏ, khe h bánh răng càng bé thì độ chính xác sẽ tăng, và gi m độ va đập sinh ra trong quá trình điều khiển.
Góc điều khiển động cơ bước tùy thuộc vào số liệu tính toán, góc có thể thay đổi để phù hợp với số liệu. Góc điều khiển động cơ bước hiệu qu nhất là khi góc cánh ho t động trong ph m vi = (00 - 450]. T i vị trí = 00, turbine khó kh i động nhất, =450 là vị trí turbine gió dễ dàng kh i động nhất.
Dựa vào mô hình và thí nghiệm cho thấy quá trình điều khiển đồng bộ c a hệ sẽ giúp turbine gió ho t động một cách hiệu qu . Các góc cánh thay đổi đều, độ ổn định cao. Nếu động cơ bước gặp vấn đề, thì độ ổn định c a hệ cũng không thay đổi, nghĩa là trục hệ trục vít bánh vít sẽ giữ toàn bộ hệ không đổi đây là đặc điểm nổi bật c a bộ điều tốc, ngoài ưu điểm linh ho t, thì nó còn hơn các phương pháp khác tính ổn định. Kết cấu này sử dụng hiệu qu những nơi có tốc độ gió cao,vận tốc gió không ổn định như ngoài biển khơi, bộ điều tốc luôn luôn giữ hệ thống ho t động trong điều kiện tốt nhất, ổn định nhất, b o vệ hệ thống turbine luôn cân bằng với mọi tình huống, đem l i nguồn điện dồi dào cho ngành công nghiệp gió.
K T LUẬN VÀ KI N NGH K T LUẬN
Như vậy, sau hơn 7 tháng nghiên c u, luận văn đã trình bày được cơ s lý thuyết, phân tích tất c các thành phần lực, cách giá trị nh hư ng hiệu suất làm việc c a một turbine gió và tìm cách tối ưu được những đ i lượng này.
Sau khi tìm hiểu kỹ lý thuyết về năng lượng gió, để có cơ s thực tế, một mô hình c a turbine gió với bộ điều tốc sử dụng hệ bánh răng nón được thực hiện để thí nghiệm. Mô hình thí nghiệm đã ho t động, thực hiện được những thí nghiệm cần thiết theo tính toán lý thuyết.
Qua số liệu thí nghiệm, hệ thống ho t động hoàn ổn định, việc sử dụng bộ điều tốc bằng hệ bánh răng nón, trục vít, bánh vít cho toàn bộ hệ ho t động một cách linh ho t, đáp ng hoàn toàn với sự thay đổi tốc độ trục chính, đ m b o kết cấu toàn bộ hệ thống luôn luôn bền vững khi có sự cố. Thiết kế đơn gi n về kết cấu cơ khí cũng như lập trình hệ điều khiển nhưng hiệu qu cao. Tất c các đ i lượng nh hư ng đến turbine đều được quy đổi về hai giá trị duy nhất để điều khiển đó là mối quan hệ giữa tốc độ trục chính turbine và góc quay c a động cơ bước. Với những số liệu thực nghiệm ban