Tiêu chí so sánh Truyền thơng có dây Truyền thơng
không dây
Song song Nối tiếp
Nhiễu Khơng Khơng Có
Tốc độ truyền nhận
Nhanh Nhanh Phụ thuộc vào kết
nối internet Khả năng quản lý
dữ liệu Thấp Cao Cao
Khoảng cách truyền Ngắn Xa Bất cứ nơi nào có internet Mở rộng thiết bị truyền nhận Khơng Có Có Ứng dụng trong
cơng nghiệp Khơng Có Có
Dây tín hiệu Số dây phụ thuộc vào số bit Từ 2 – 4 dây tùy loại cổng vật lý sử dụng Không
Giao thức Đơn giản Phức tạp Phức tạp
Ứng dụng trong
18 Giao tiếp với các
thiết bị cảm biến trên trị trường
Khơng Có Có
Qua bảng, tác giả lựa chọn phương án sử dụng chuẩn truyền thơng có dây ở dạng nối tiếp, theo chuẩn công nghiệp dưới dạng cổng vật lý là RS485 vì hệ thống điện gió thường lắp ở những nơi hẻo lánh nên rất khó khăn trong việc truyền thông internet.
Lựa chọn: Phương án sử dụng truyền thơng nối tiếp, có dây thơng qua cổng
vật lý RS485.
2.3. Thiết kế bộ điều khiển, giải thuật xác định hướng gió.
2.3.1. Lựa chọn giao thức truyền thơng.
Bảng 2.7 Tiêu chí lựa chọn giao thức truyền thơng. Tiêu chí so sánh
MODBUS PROFIBUS Foundation
Fieldbus Data rate Not specified PA: 31.25kbps DP: 9.6Kbit/S to 12 Mbit/S H1: 31.25Kbits HSE: 100 to 1000 Mbits/S Comunication
type MASTER/SLAVE MASTER/SLAVE
Peer to Peer
Single Multi-master
cable Media access
algorithm Token passing Token passing Token passing Media support 32 slaves max
(4000 feet) With repeater 247
slaves
PA: 256 per Network DP : 127 per Network 32 devices per segment (1900m) Data determination --- --- Có
19
Bus powered --- PA YES Yes
Physical layer
standar Not specified RS485, IEC 61158-2 IEC 61158 Qua bảng, tác giả lựa chọn phương án sử dụng giao thức truyền thơng MODBUS vì đây là chuẩn sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp, phù hợp với rất nhiều thiết bị cảm biến hiện có trên thị trường.
Lựa chọn: Phương án sử dụng chuẩn giao thức truyền thông MODBUS.
2.3.2. Lựa chọn giao thức truyền thơng MODBUS.
Bảng 2.8 Tiêu chí lựa chọn dạng giao thức truyền thơng MODBUS. Tiêu chí
so sánh
MODBUS ASCII MODBUS RTU MODBUS TCP/IP
Đọc trực tiếp tin nhắn
Có Khơng Khơng
Tốc độ Chậm Nhanh Nhanh
Characters ASCII 0…9 and A..F Binary 0…255 Binary 0…255 Error check LRC Longitudinal Redundancy Check CRC Cyclic Redundancy Check Frame
start Character 3.5 chars silence
20 Gap in
message 1 sec
1.5 times char length
Qua bảng, tác giả lựa chọn phương án sử dụng giao thức truyền thơng MODBUS RTU thơng qua cổng vật lý RS485 vì đây là chuẩn truyền cho khoảng cách tốt nhất, giao thức RTU sử dụng phổ biến trong giao tiếp công nghiệp, có thể giám sát lỗi của hệ thống cảm biến từ đó báo cáo về MASTER tình trạng của hệ thống
Lựa chọn: Phương án sử dụng chuẩn giao thức truyền thông MODBUS
RTU.
2.3.3. Lựa chọn giải thuật xác định điểm công suất cực đại.
Thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại MPPT (Maximum Power Point Tracking) là phương pháp dị tìm các điểm làm việc tối ưu của hệ thống PV thơng qua việc đóng mở các van của các linh kiện bán dẫn trong các bộ chuyển đổi theo thời gian từ đó thu nhận được giá trị công suất lớn nhất ở đầu ra của hệ thống. Điểm làm việc với công suất tối ưu được gọi là điểm công suất cực đại MPP (Maximum Power Point).
Bảng 2.9 Tiêu chí lựa chọn giải thuật xác định điểm công suất cực đại. Tiêu Tiêu
chí so sánh
Thuật tốn nhiễu loạn và quan sát Thuật toán dẫn điện gia tăng INC
Lưu đồ thuật
toán
Thời
21 lấy mẫu Đối tượng so sánh
Sự biến thiên điện áp
Giá trị điện dẫn tức thời I/V Giá trị điễn dẫn gia tăng ∆I /∆V
Mức độ dao
động
Phương pháp INC cho kết quả tốt hơn khi cho thấy mức độ dao động cơng suất ít hơn so với MPPT P&O
Qua bảng, tác giả lựa chọn phương án sử dụng thuật toán nhiễu loạn và quan sát (Perturb and Observe - P&O) vì đây là thuật tốn đơn giản, nhưng đạt hiệu quả cao, đối tượng giám sát của thuật toán là điện áp ngõ ra, có thể dễ dàng sử dụng cảm biến hồi tiếp về vi điều khiển, tuy kết quả có thấp hơn thuật tốn INC nhưng vẫn nằm trong mức cho phép.
Lựa chọn: Phương án sử dụng thuật toán nhiễu loạn và quan sát (Perturb
22
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ 3.1. Thiết kế cơ khí cho trục xoay yaw. 3.1. Thiết kế cơ khí cho trục xoay yaw.
3.1.1. Tính tốn chọn cơng suất động cơ.
- Tính tốn tải trọng gió tác dụng lên turbine ứng với trục turbine vng góc với hướng gió bởi vì đây là lúc diện tích tiếp xúc của tồn bộ thân turbine với gió là lớn nhất. Động cơ xoay trục yaw cần có đủ momen để thắng được lực cản gió.
+ Cơng suất đặc trưng cho động cơ:
𝑃𝑑𝑐 > 𝑃𝑦𝑐 (3.1)
Với:
𝑃𝑦𝑐 = 𝑃𝑡𝑑 =𝑃𝑐𝑡.𝛽
𝜂 (3.2)
+ Hiệu suất bộ truyền động:
𝜂 = 𝜂𝑑𝑟. 𝜂𝑜𝑙 (3.3)
Tra bảng ta có:
𝜂𝑑𝑟 = 0,98 là hiệu suất bộ truyền đai răng.
𝜂𝑜𝑙 = 0,99 là hiệu suất ổ lăn.
Thay số ta được hiệu suất bộ truyền động:
𝜂 = 0,9702.
+ Tải trọng tương đương:
𝛽 = 1
23
𝐹 = 𝐴 . 𝑃 (3.4)
Trong đó:
A là phần diện tích tiếp xúc với gió gây ra momen xoay (𝑚𝑚2).
Hình 3. 1 Diện tích diện tích chịu tải A trọng gió của mơ hình.
P là áp lực gió (𝑁/𝑚𝑚2).
Với áp lực gió được tính theo cơng thức:
𝑃 = 𝐶𝑒. 𝐶𝑑. 𝑄𝑠. 𝑙𝑤 (3.5)
𝐶𝑒 là hệ số kết hợp chiều cao, độ tiếp xúc và độ giật của gió. Tra từ bảng 16-
G trong UBC ứng với 3 kiểu tiếp xúc liên quan đến địa hình. Chọn kiểu địa hình B (địa hình có nhà cửa, cây cối hay có sự khơng đồng đều.
𝐶𝑒 = 1,6.
𝐶𝑑 là hệ số áp lực. Hệ số lực cản tiêu chuẩn của ống trụ dài là:
24
𝑄𝑠 là hệ số áp lực trì trệ của gió. Tính theo cơng thức
𝑄𝑠 = 0,613. 𝑉2. (3.6)
𝑙𝑤 là hệ số quan trọng Thường:
𝑙𝑤 = 1.
Tải trọng gió tác dụng lên turbine tính theo cơng thức trên sẽ là:
𝐹 = 15,6 𝑁.
Xem như tải trọng tập trung tại vị trí xa nhất của turbine (ứng với momen xoắn lớn nhất) thì moment xoắn gây ra chuyển động xoay theo chiều gió là:
𝑀 = 𝐹. 𝑑 = 8280 𝑁𝑚𝑚. (3.7)
Khi thay đổi trạng thái chuyển động, tubine gió sẽ sinh ra một moment quán tính cản trở chuyển động xoay.
Vì vậy, motor cần cung cấp một moment sau hộp số lớn hơn hoặc bằng 𝑀 để có thể giữ turbine ổn định trong lúc xoay. Việc tính tốn chính xác momen quán tính cho một biên dạng bất kì như trong hình là rất khó khăn. Vì vậy, tác giả quyết định sau khi thiết kế sẽ được tính tốn lại để chọn động cơ sau. Momen xoắn trên trục bánh bị động:
𝑇𝑑𝑐 𝑙𝑡 < 9,55. 106.𝑃𝑏𝑑
𝑛𝑏𝑑 (3.8)
Nếu chọn tỉ số truyền của bộ truyền đai là u = 3.75. Với tốc độ quay nhanh nhất của động cơ là 𝑛𝑑𝑐 = 65 𝑣/𝑝ℎ. Suy ra tốc độ của bánh bị động được
tính theo cơng thức. Tỉ số truyền bộ truyền đai
𝑢 =𝑛𝑏𝑑
25 Suy ra:
𝑛𝑏𝑑 = 17,3 𝑣/𝑝ℎ.
Công suất trên trục bánh bị động:
𝑃𝑏𝑑 = 15 𝑊.
Suy ra công suất trên trục động cơ:
𝑃𝑑𝑐 = 𝑃𝑏𝑑
𝜂 = 15,46 𝑊. (3.10)
Vậy động cơ chọn cần có thơng số:
{𝑇ố𝑐 độ độ𝑛𝑔 𝑐ơ 𝑠𝑎𝑢 ℎộ𝑝 𝑔𝑖ả𝑚 𝑡ố𝑐 𝑛𝑑𝑐 = 65 𝑣ị𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡.
𝐶ơ𝑛𝑔 𝑠𝑢ấ𝑡 𝑡ố𝑖 𝑡ℎ𝑖ể𝑢 𝑃𝑑𝑐 > 15,46 𝑊.
Dựa vào các tiêu chí đó ta chọn được động cơ kèm hộp giảm tốc là: Động cơ Plannet 24V 60W 65rpm, với hộp số có tỉ số truyền 1:139.
26 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của hệ thống.
Động cơ Trục công tác
U 3.75
P(W) 60 58,212
N(rpm) 65 17,33
T(Nmm) 8815,38 32078,74
3.1.2. Tính tốn bộ truyền đai răng.
+ Tính tốn cơng suất thiết kế theo cơng thức:
𝑃𝑑𝑟 = 𝐾0. 𝑃 = 58,212.1,6 = 93,1392 𝑊 (3.11)
Với:
P là công suất truyền W.
𝐾0 là hệ số tải trọng. Tra theo bảng 4.11, với động cơ làm việc là động cơ DC, hệ thống làm việc liên tục, chọn:
𝐾0 = 1,6.
+ Chọn dạng đai phụ thuộc vào cơng suất và số vịng quay theo hình 4.28. Chọn đai có gờ hình trịn, đai dạng XL.
Bước răng được tính theo cơng thức thực nghiệm:
𝑝 = 𝑘𝜋 √𝑃1. 𝐶𝑟 𝑛1 3 = 8,26 𝑚𝑚. (3.12) Thực tế, ta chọn bước răng: 𝑝 = 5 𝑚𝑚. Trong đó: 𝑘 với đai gờ hình trịn thì:
27
𝑘 = 25.
𝐶𝑟 là hệ số tải trọng động, có giá trị trong khoảng 1,3 … 2,4 (giá trị lớn với thiết bị làm việc có va đập, hoặc quá tải cục bộ thường xuyên). Tác giả chọn:
𝐶𝑟 = 1,5.
+ Xác định số răng bánh đai.
Chọn số răng 𝑧1của bánh đai chủ động theo bảng 4.12: Với dạng đai XL số răng nhỏ nhất của bánh chủ động, ứng với số vòng quay bánh chủ động nhỏ hơn 900 v/p là 10 răng. Vì vậy ta chọn số răng chủ động bằng với số răng của đĩa encoder.
𝑧𝑐𝑑 = 𝑧𝑒𝑛 = 60 𝑟ă𝑛𝑔.
Từ đó, với tỉ số truyền u =3,75. Ta tính được số răng bánh bị động sẽ là:
𝑧𝑏𝑑 = 𝑢. 𝑧𝑐𝑑 = 225 𝑟ă𝑛𝑔. (3.13)
+ Xác định chiều rộng đai.
𝑏𝑤 = 𝑃𝑑. 𝑏𝑝
𝑝𝑠. 𝐾𝑚 (3.14)
Trong đó:
𝑃𝑑 là cơng suất thiết kế. Với:
𝑃𝑑 = 60𝑊.
𝑃𝑠 là công suất tải của đai tiêu chuẩn, tra bảng.
𝑏𝑝 chiều rộng đai tham chiếu, tra bảng. Với đai dạng XL, hệ số 𝑏𝑝:
𝑏𝑝 = 25,4.
𝐾𝑚 là hệ số xét đến ảnh hưởng góc ơm đai tra theo bảng 4.14. Với hệ số u = 3,75, chọn:
28
𝐾𝑚 = 0,4.
Suy ra, chiều rộng đai 𝑏𝑤 = 7,47 𝑚𝑚. Chọn bề rộng đai:
𝑏𝑤 = 7,9 𝑚𝑚. + Số răng ăn khớp: 𝑧𝑚 = 𝑧1. 𝛼 3600 = 23 𝑟ă𝑛𝑔. (3.15) 𝛼 = 180 − 57,3𝑑2−𝑑1 𝑎 = 1390. (3.16) Trong đó:
𝑧1 là số răng bánh đai nhỏ. (răng).
𝑑2, 𝑑1 là đường kính vịng chia bánh đai lớn và nhỏ. (mm)
𝑑1 = 38,17 𝑚𝑚.
𝑑2 = 139,02 𝑚𝑚.
𝑎 là khoảng cách trục. (mm)
𝑎 = 141,16 𝑚𝑚. 𝛼 góc ơm đai. (độ)
+ Kiểm tra cơng suất thiết kế theo công thức:
𝑃𝑑 < 𝑃𝑠𝐾𝑚𝐾𝑏 (3.17)
Trong đó, 𝐾𝑏 là hệ số xét đến ảnh hưởng chiều rộng đai, tra bảng 4.15, với dạng đai XL kí hiệu đai 031, chiều rộng đai 𝑏𝑤 = 7,9 𝑚𝑚, hệ số:
29 Sau kiểm nghiệm, công suất thiết kế được đảm bảo.
+ Khoảng điều chỉnh khoảng cách trục, bao gồm khoảng điều chỉnh trong Ci và ngoài Cs. Giá trị giới hạn của giá trị khoảng cách trục được điều chỉnh cho trong bảng.
3.1.3. Kiểm nghiệm độ bền của trụ chống.
Vì đường kính khớp nối giữa turbine và trụ tháp là 55 mm. Đề tài sử dụng ống thép rỗng đường kính 55mm bề dày 3mm.
Phân bố tải trọng dọc do trọng lượng trụ và phần thân turbine trên đỉnh trụ.
𝑤𝑣 = 𝑤𝐼𝐹 + 𝐴(𝑧). 𝑦 (3.18)
Trong đó:
𝑤𝐼𝐹 là tải phân phối của toàn bộ khối lượng turbine.
𝐴(𝑧) là diện tích mặt cắt ngang ở độ cao z. 𝑦 là khối lượng riêng vật liệu tháp.
Sơ đồ phân bố lực của trụ ống:
30
Hình 3. 4 Kiểm nghiệm khả năng chịu bền của trụ tháp.
Qua phần mềm SolidWorks Simulation, ta kiểm nghiệm chuyển vị của trụ thép đường kính 55 mm là gần như bằng 0, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho turbine phía trên.
31
3.1.4 Kết quá của thiết kế trên phần mềm Solidworks.
Sau q trình tính tốn, tác giả đưa ra được thiết kế:
Hình 3. 5 Cơ cấu xoay trục yaw.
3.2. Các thiết bị điện.
3.2.1. Lựa chọn encoder trong module cảm biến.
Module cảm biến bao gồm 8 cảm biến đặt cách đều trên một đường trịn nên tiêu chí lựa chọn encoder bao gồm:
+ Encoder thiết kế nhỏ gọn, giảm khối lượng của module.
+ Encoder cần độ chính xác cao do vận tốc gió là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến cơng suất đầu ra của turbine.
32 + Số lượng encoder sử dụng trong bộ module khá nhiều nên yếu tố giá cả cần được cân nhắc.
Dựa trên các tiêu chí nêu ở trên và giá cả trên thị trường hiện tại. Lựa chọn encoder tương đối 2 kênh với 400 xung/vịng.
Hình 3. 6 Encoder tương đối 400 xung.
3.2.2. Lựa chọn encoder sử dụng trong hệ thống xoay turbine.
Hệ thống xoay của turbine càng có sự chính xác về góc thì mức độ hướng gió của turbine càng cao từ đó cải thiện được tối đa cơng suất gió sản sinh ra. Hệ thống xoay hoạt động liên tục vì vậy sai số của vị trí sẽ được cộng dồn lâu ngày dẫn đến sai lệch lớn và nhanh chóng cần calib lại.
Hệ thống đơi khi cần có những khoảng nghỉ cho việc sửa chữa, nâng cấp vì vậy, encoder cần có được khả năng ghi nhớ được vị trí hiện tại của turbine so với vị trí gốc. Đảm bảo chính xác của hệ thống. Vì vậy, encoder absolute là lựa chọn hàng đầu cho dự án. Nhưng vì đây là version 1 của hệ thống turbine gió nên kinh phí cho một encoder absolute là khá lớn, vì vậy tơi chọn một encoder tương đối 200 xung/vòng và bộ vi điều khiển được cấp nguồn riêng nhằm đảm bảo vị trí cho hệ thống.
33
Hình 3. 7 Encoder tương đối 200 xung.
3.2.3. Lựa chọn vi điều khiển.
Vi điều khiển lựa chọn cần có tần số đọc nhanh nhất lớn hơn tần số đóng ngắt của hai chân tín hiệu trên encoder. Nhưng nếu encoder có số xung cao việc ngắt liên tục hai chân tín hiệu A, B sẽ tạo cho hệ thống một tần số ngắt rất lớn. Vì vậy, để giảm tần số đóng ngắt ta sử dụng đóng ngắt bằng timer. Tần số đóng ngắt bằng timer cần có tần số cao hơn khoảng 4 lần tần số tạo ra bởi 1 kênh A hoặc B của encoder.
Trong đề tài, ở module cảm biến đo gió:
+ Ứng với sức gió cấp 5 (tức tốc độ lớn nhất), tốc độ của cánh quạt module cảm biến là 𝑣 = 30 vòng/s.
+ Encoder sử dụng với đĩa xung là:
𝑝 = 400 𝑥𝑢𝑛𝑔
𝑣ò𝑛𝑔.
Vậy số xung trong 1s mà 1 cảm biến trả về là 𝑓 = 𝑣. 𝑝 = 12000 xung/s,
tương đương với 12000Hz. Suy ra tần số ngắt của timer sẽ là:
𝐹 ≥ 4. 𝑓 = 4.12000 = 48000 𝐻𝑧. (3.19)
Hệ thống sử dụng 2 vi điều khiển làm 2 slave và 1 master. Hai slave có nhiệm vụ đóng ngắt timer để đọc được tốc độ trục quay của cảm biến và gửi về master. Vì vậy, slave cần có tần số lớn hơn 48kHz. Bên cạnh đó, vi điều khiển đóng vai trị master ngồi
34 cần có tấn số như slave, thì cần có thêm số lượng chân đảm bảo đủ để kết nối các thiết bị feedback như cảm biến đo điện áp, cảm biến đo dòng điện, driver, ….
Lựa chọn của đề tài dựa trên các tiêu chí trên:
Hình 3. 8 Hai loại Arduino sử dụng trong đề tài.
3.2.4. Lựa chọn driver.
Động cơ sử dụng trong đề tài sử dụng điện áp 24 VDC. Vì vậy driver cần có khả năng phân phối được đủ áp cho động cơ hoạt động bình thường.
Turbine điện gió là một hệ thống hoạt động ở môi trường khắc nghiệt so với các hệ thống trong nhà. Vì vậy, tuổi thọ và sự ổn định cần được đưa lên hàng đầu. Tác giả lựa chọn so sánh hai loại Driver điều khiển động cơ BTS7960 43A và driver cầu XY - 160D.
35 Bảng 3.2 So sánh thông số kỹ thuật Driver BTS7960 và Driver XY-160D.
Thông số kỹ thuật Driver BTS7960 Motor Driver XY-160D
Điện áp đầu vào 5 VDC đến 27 VDC 7 VDC đến 24 VDC
Dòng điện tải mạch 43A 20A
Điện áp logic 3,3 VDC đến 5VDC Logic High: 3 ~ 6,5 VDC Logic Low: 0 ~ 0,8 VDC Tần số hoạt động 25kHz 10kHz Số động cơ 1 động cơ