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 2 động cơ (sử dụng 2 động cơ chỉ đạt 70% công suất) Giá thành 150.000 VND 285.000 VND
Qua bảng 3.1, tác giả lựa chọn Driver BTS7960 cho đề tài vì khoảng điện áp sử dụng đáp ứng đủ được yêu cầu cho việc sử dụng lâu dài, dự án sử dụng một động cơ nên việc sử dụng driver XY-160D là hoàn tồn lãng phí trong khi giá thành của driver BTS7960 là tốt hơn cho tần số hoạt động cao hơn.
Lựa chọn driver BTS7960.
3.2.5. Lựa chọn cảm biến đo cường độ dòng điện.
Cảm biến dịng điện có nhiệm vụ đo lại cường độ dịng điện của turbine gió đầu ra, phục vụ cho q trình tính tốn cơng suất hồi tiếp. Turbine gió mơ hình sử dụng trong đề tài có cơng suất tối đa 300W, dòng điện đầu ra là 24 VDC. Ta dễ dàng tính ra được dịng điện cao nhất mà turbine xuất ra với trạng thái gió lý tưởng nhất là:
𝐼 = 𝑃
𝑈 =
300𝑊
24𝑉 = 12,5 𝐴. (3.20)
Trên thị trường có một số loại cảm biến đo dòng điện làm việc dựa trên hiệu ứng Hall như: INA219, ACS712, … và một số loại cảm biến dạng ampe kìm đo gián tiếp cường độ dịng điện dựa trên hiệu ứng từ. Với cường độ dòng điện out 12,5A của turbine gió thì tác giả lựa chọn phương án sử dụng cảm biến ACS712 20A. Đây là phương án an tồn nhất, đảm bảo độ chính xác cao do cảm biến nối cố định trực tiếp vào hệ thống.
36
Hình 3. 10 Cảm biến dịng điện ACS712 20A.
ACS 712 sử dụng hiệu ứng Hall , khi có dịng điện vào Ip thay đổi sẽ làm cho điện áp VIOUT thay đổi. Mối quan hệ tuyến tính giữa dịng Ip và VIOUT được thể hiện qua hình 3.10.
Hình 3. 11 Mối quan hệ giữa Ip và VIOUT.
Từ mối quan hệ trên ta sẽ sử dụng việc đọc ADC từ tín hiệu điện áp VIOUT để tính ra dịng Ip. Vi điều khiển sẽ chuyển đổi giá trị VIOUT từ Analog sang Digital, thông qua các bước sau:
Tính tốn điện áp đầu ra Volt dựa trên giá trị Analog:
𝑉𝑜𝑙𝑡 = 5000. 𝐴𝐷𝐶
37 Tính ra giá trị cường độ dịng điện Amps:
𝐴𝑚𝑝𝑠 =𝑉𝑜𝑙𝑡 − 𝐴𝐶𝑆𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡
𝑚𝑉𝑝𝑒𝑟𝐴𝑚𝑝 (𝐴) (3.22)
Trong đó:
𝐴𝐷𝐶 là giá trị Analog đọc về từ vi điều khiển. 𝐴𝐶𝑆𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 là giá trị bù điện áp (mV).
𝐴𝐶𝑆𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 = 2500 (𝑚𝑉) 𝑚𝑉𝑝𝑒𝑟𝐴𝑚𝑝 là độ phân giải của cảm biến ACS.
𝑚𝑉𝑝𝑒𝑟𝐴𝑚𝑝 = 100 (𝑚𝐴
𝑉 )
3.2.6. Lựa chọn cảm biến đo điện áp.
Điện áp hồi tiếp là giá trị rất quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến sự chính xác của hệ thống. Vì vậy, tác giả sử dụng hai phương pháp để đo giá trị điện áp nhằm tăng độ chính xác, giúp hệ thống hoạt động tốt nhất:
+ Phương pháp 1: Sử dụng cảm biến điện áp: Một loại cảm biến bán sẵn trên thị trường là INA219 với khoảng đo 0 ~ 26 VDC khá rộng hoàn toàn phù hợp điện áp đầu ra tối đa 24 VDC của turbine. Nhược điểm của cảm biến này là, thời gian đáp ứng khá chậm, có tích hợp đo cường độ dịng điện nhưng cơng suất hoạt động tối đa khi đo cùng lúc cả hai chỉ đạt 83,2 W. Tác giả chỉ sử dụng để đo điện áp đầu ra.
38 + Sử dụng bộ chiết áp ứng dụng của mạch phân áp điện trở: Mạch phân áp điện trở là một mạch đơn giản biến điện áp lớn thành điện áp nhỏ hơn. Chỉ sử dụng hai điện trở nối tiếp và một điện áp đầu vào, chúng ta có thể tạo ra một điện áp đầu ra bằng một phần nhỏ của đầu vào. Bộ chia điện áp là một trong những mạch cơ bản nhất trong điện tử.
Hình 3. 13 Mạch phân áp điện trở.
Giá trị điện áp sẽ được đọc Analog về vi điều khiển, sử dụng các cơng thức của định luật Ohm để tính tốn đưa ra giá trị điện áp.
Phương trình phân áp:
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛. 𝑅2
𝑅1+ 𝑅2 (𝑉) (3.23)
Giá trị cường độ dịng điện qua mạch cũng có thể được tính dựa vào định luật Ohm:
𝐼 = 𝑉𝑖𝑛
𝑅1+ 𝑅2 (𝐴) (3.24)
Ưu điểm của phương pháp chiết áp này là thời gian đáp ứng nhanh, có khả năng tính tốn được cả điện áp và cường độ dịng điện. Tuy nhiên, việc sử dụng điện trở thường có thể dẫn đến sai số trong q trình sử dụng lâu dài do giá trị điện trở thay đổi khi nóng lên. Bên cạnh đó, giá trị trả về cảm biến là Analog nên cần phải có một bộ lọc để ổn định tín hiệu, giúp hệ thống hoạt động ổn định.
39
3.3 Thiết kế bộ điều khiển.
3.3.1 Động lực học và hàm công suất của wind turbine. - Phương trình động lực học yaw systems: - Phương trình động lực học yaw systems:
Sử dụng nguyên tắc D’Alembert, một hệ thống động có thể được chuyển đổi thành một hệ thống tĩnh phân tích trong điều kiện cân bằng tĩnh. Trong trường hợp này, đối với mỗi điểm các lực có độ lớn δ𝑚𝑖. 𝑓𝑖 đặt theo hướng ngược lại với gia tốc của nó. Trong đó, 𝑚𝑖 là khối lượng và 𝑓𝑖 là gia tốc. Lực của D’Alembert tên cánh quạt của turbine được thể hiện trong Hình 4.1. Định hướng của cánh quạt và cánh gió đi được thể hiện trong Hình 4.2.
Hình 3. 14 Turbine gió cơng suất nhỏ và lực D’Alembert.
Vận tốc gió tại cánh đi ln lớn hơn vận tốc dòng chảy gần cánh quạt một giá trị là:
𝑈1 = 𝑉1. 𝑘′ (4.1)
Trong đó 𝑘′ là hệ số cảm ứng dọc trục trung bình của turbine gió. Được xác định theo công thức.
40 𝜀(𝑟) = 𝑟 𝑅. 1 3. ( 1 − 𝑘′ 1 + 𝑘′) cos 𝜑 (4.2)
Dựa vào Hình 4.3, ta suy ra được mối quan hệ:
𝑉𝑣𝑡 = √(𝑈1+ 𝑙𝑣𝜂̇ . sin 𝜂)2+ (𝑙𝑣. 𝜂̇ cos 𝜂)2 (4.3)
Góc tới của gió đối với cánh đi gió 𝜂′ :
𝜂′ = 𝑡𝑎𝑛−1(𝑈1. sin 𝜂 + 𝑙𝑣. 𝜂̇
𝑈1. cos 𝜂 ) (4.4)
Ta có phương trình cánh đi gió:
𝐶𝑙𝑣 = 𝐾0. sin 𝜂′ . cos 𝜂′ (4.5)
𝐶𝑑𝑣 = 𝐾0. 𝑠𝑖𝑛2𝜂′ (4.6)
Trong đó 𝐾0 = 2.
Lực nâng lực kéo 𝑅𝑙𝑣 và 𝑅𝑑𝑣 được tính theo cơng thức:
𝑅𝑙𝑣 =1 2. 𝜌. 𝐶𝑙𝑣. 𝑉𝑣𝑡 2. 𝐴𝑡 (4.7) 𝑅𝑑𝑣 =1 2. 𝜌. 𝐶𝑑𝑣. 𝑉𝑣𝑡. 𝐴𝑣 (4.8) 𝐹𝑢 = 𝑅𝑙𝑣. cos η′+ 𝑅𝑑𝑣. sin η′ (4.9) 𝐹𝑣 = 𝑅𝑙𝑣. sin η′− 𝑅𝑑𝑣. cos η′ (4.10)
41 Thay thế các giá trị 𝐶𝑙𝑣, 𝐶𝑑𝑣, 𝑅𝑙𝑣, 𝑅𝑑𝑣 vào công thức của 𝐹𝑢 ta được phương trình lực nâng tại cánh đi gió:
𝐹𝑢 =1
2. 𝐾0. 𝑉𝑣𝑡
2. 𝜌. 𝐴𝑣. (sin η′. cos η′2+ sin η′3) (4.11)
Moment khí động học của cánh đi gió quanh trục k là:
𝑀𝑇𝑘 = −𝑙𝑣.1
2. 𝐾0. 𝑉𝑣𝑡
2. 𝜌. 𝐴𝑣. (sin η′. cos η′2+ sin η′3) (4.12)
Khi đó phương trình chuyển động theo góc yaw của hệ thống sẽ là:
𝑀𝑘 + 𝐼1. γ̈ − 𝑀𝑅𝑘 = 𝑀𝑇𝑘 (4.13)
Trong đó:
𝑀𝑘 là Moment D’Alembert của turbine quanh trục k.
𝑀𝑅𝑘 là Moment khí động học của cánh turbine quanh trục k.
𝑀𝑇𝑘 là Moment khí động học của cánh đi gió quanh trục k. Tương đương với:
𝑀𝑘 + 𝐼1. γ̈ − 𝑀𝑅𝑘 = −𝑙𝑣.1
2. 𝐾0. 𝑉𝑣𝑡
2. 𝜌. 𝐴𝑣. (sin η′. cos η′2+ sin η′3) (4.14)
Với giá trị η rất nhỏ, phương trình có thể được tính bằng:
𝜂′ = 𝜂 +𝑙𝑣. 𝜂̇
𝑈1 (4.15)
Phương trình chuyển động theo góc yaw sẽ được viết lại bằng:
𝑀𝑘+ 𝐼1. γ̈ − 𝑀𝑅𝑘 = −𝑙𝑣.1
2. 𝐾0. 𝑉𝑣𝑡
2. 𝜌. 𝐴𝑣. η′ (4.16)
Moment khí động học của cánh turbine 𝑀𝑅𝑘 được tính tốn chi tiết theo cơng thức (28) trong Tài liệu tham khảo [1].
42 - Hàm công suất đầu ra wind turbine.
Gió được đặc trưng bởi tốc độ và hướng gió, nó cũng bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như vị trí địa lý, đặc điểm khí hậu, độ cao trên mặt đất và địa hình bề mặt. Các turbine gió tương tác với gió, hấp thụ một phần năng lượng động học của gió và biến nó thành năng lượng sử dụng được.
Năng lượng của luồng khơng khí được tính như sau (Borkar and Kulkarni, 2015):
𝑃𝑤𝑖𝑛𝑑 =1
2𝜌𝐴𝑉𝑤𝑖𝑛𝑑
2 (4.17)
Trong đó:
𝑃𝑤𝑖𝑛𝑑 là cơng suất của luồng khí (𝑊).
𝜌 là mật độ khơng khí (𝑘𝑔/𝑚3 trong điều kiện nhiệt độ 150 độ C và áp suất
101,325 kPa).
𝐴 là diện tích quét ngang của turbine (𝑚2).
𝑉𝑤𝑖𝑛𝑑 là vận tốc gió (𝑚/𝑠).
𝜂 là hệ số công suất.
𝜃 là góc lệch của turbine với hướng gió.
Trong các trường hợp thực tế, turbine gió sẽ ln có một hệ số cơng suất nhỏ hơn Betz. Công suất thu được từ gió tính theo góc hướng gió sẽ là:
𝑃𝑚 =1
2𝜌𝐴𝑟𝑉𝑤𝑖𝑛𝑑
3𝐶𝑝(𝜆, 𝛽). 𝜂. 𝑐𝑜𝑠𝜃 (4.18)
Trong đó:
𝑃𝑚 là công suất cơ (𝑊).
𝜌 là mật độ khơng khí (𝑘𝑔/𝑚3 trong điều kiện nhiệt độ 150 độ C và áp suất
101,325 kPa).
43
𝐴𝑟 = 𝜋𝑅2 (4.19)
𝑉𝑤𝑖𝑛𝑑 là vận tốc gió (𝑚/𝑠). η là hiệu suất.
θ là góc lệch so với hướng gió.
𝐶𝑝(𝜆, 𝛽) là hệ số hiệu suất của turbine, 𝜆 là tỉ lệ tốc độ đầu cánh, 𝛽 là góc lật
cánh.
Hệ số 𝐶𝑝 được tính theo cơng thức:
𝐶𝑝 = 0.576 (116 𝜆𝑖 − 0.4𝛽 − 5) 𝑒 21 𝜆𝑖 + 0.0068𝜆 (4.20) 1 𝜆𝑖 = 1 𝜆 + 0.08𝛽− 0.035 𝛽3+ 1 (4.21)
Mối quan hệ giữa moment cơ 𝑇𝑚 và công suất cơ 𝐶𝑝 được cho bởi biểu thức dưới đây (Eid et al., 2006; Omijeh at al., 2013):
𝑇𝑚 = 𝐶𝑝
𝜔𝑚 (4.22)
Trong đó 𝑇𝑚 là moment cơ sinh ra bởi cơng suất (Nm).
3.3.2 Mơ hình tốn học máy phát điện PMSG.
- Phương trình điện áp và dịng điện.
𝑑 𝑑𝑡𝑖𝑑 = 𝑣𝑑 𝐿𝑑− 𝑅𝑠 𝐿𝑑𝑖𝑑+ 𝐿𝑞 𝐿𝑑𝜔𝑒𝑖𝑞 (4.23) 𝑑 𝑑𝑡𝑖𝑑 = 𝑣𝑞 𝐿𝑑− 𝑅𝑠 𝐿𝑑𝑖𝑞 − 𝐿𝑞 𝐿𝑑𝜔𝑒𝑖𝑞 − 𝜆0𝜔𝑒 𝐿𝑞 (4.24) - Moment điện từ.
Moment điện từ trong máy phát PMSG được mơ tả bởi phương trình sau (Rolan at el., 2009):
44
𝑇𝑒 = 1.5𝑝[𝜆0𝑖𝑞+ (𝐿𝑑 − 𝐿𝑞)𝑖𝑑𝑖𝑞](𝑁. 𝑚) (4.25)
Trong đó:
𝐿𝑑 và 𝐿𝑞 là độ tự cảm của máy phát điện trên trục d và q (H).
𝑅𝑠 là điện trở stato (𝛺).
𝑖𝑑 và 𝑖𝑞 là dòng điện trên các trục d và q (A).
𝑣𝑑 và 𝑣𝑞 là điện thế trên các trục d và q (V).
𝜔𝑚 là tốc độ góc rotor (rad/s).
𝜆0 là từ thông của nam châm vĩnh cửu (Wb). p là số cặp cực.
3.3.3 Thuật tốn MPPT P&O tìm điểm cơng suất cực đại cho turbine gió.
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu - Permanent magnet synchronous generator (PMSG) cung cấp một giải pháp tối ưu cho các turbine gió hoạt động với tốc độ gió thay đổi vì tính ổn định và an tồn của nó trong quá trình hoạt động, đồng thời khơng cần nguồn điện một chiều để kích từ. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Permanent magnet synchronous generator (PMSG) ngày càng phổ biến vì chúng có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ, hiệu suất cao, chi phí bảo dưỡng thấp và dễ dàng vận hành (Dalala et al., 2013).
Maximum power point tracking (MPPT) là phương pháp dị tìm điểm làm việc có cơng suất tối ưu của các hệ thống năng lượng điện thơng qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khóa điện tử dùng trong bộ tăng áp boost converter. Maximum power point tracking (MPPT) có nhiều kỹ thuật điều khiển như thuật toán nhiễu loạn và quan sát MPPT P&O, điều khiển tốc độ đầu cánh TSR), điều khiển tối ưu - mối quan hệ - cơ sở ORBC,… Trong các thuật tốn nêu trên thì thuật tốn nhiễu loạn và quan sát MPPT P&O là thuật toán tương đối cơ bản, đơn giản, dễ áp dụng và được sử dụng khá rộng rãi và phổ biến. Đối với thuật toán TSRC, mặc dù đây là thuật toán đơn giản và trực giác nhưng nó phụ thuộc nhiều vào sự chính xác của việc đo lường tốc độ gió, đây là một
45 khó khăn cho thuật tốn này. Đối với thuật tốn ORBC, nhược điểm chính của nó là địi hỏi sự hiểu biết về thơng số của hệ thống một cách chính xác mà những thơng số này thay đổi từ hệ thống này sang hệ thống khác và thậm chí có thể thay đổi theo thời gian nên phải cập nhật liên tục.
Thuật tốn MPPT P&O khơng cần đo lường tốc độ gió, điều này làm giảm nhiều chi phí. Để làm việc với thuật tốn khơng cần sự hiểu biết trước về những thông số của hệ thống, điều này làm cho thuật toán đáng tin cậy và ít phức tạp hơn (Dalala et al., 2013). Vì vậy, phương pháp MPPT P&O được sử dụng vào việc mơ phỏng để tìm điểm cơng suất cực đại của hệ thống máy phát điện gió.
Hình 3. 16 Thuật tốn nhiễu loạn và quan sát (MPPT P&O).
Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (MPPT P&O) được sử dụng thông dụng nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng. Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm tốc độ rotor theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có cơng suất lớn nhất. Nếu sự biến thiên của tốc độ rotor làm cơng suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm. Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại (Penaet al., 2011). Khi MPP được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên tốc độ rotor sẽ dao động xung quanh MPP đó. Phương pháp MPPT P&O cịn gọi là phương pháp “leo đồi” (Hill Climbing).
46
Hình 3. 17 Giải thuật của thuật tốn MPPT P&O ứng dung trong đề tài.
- Thuyết minh giải thuật MPPT P&O:
+ Nếu tăng góc θ, cơng suất thu được tăng, thì chu kì sau tiếp tục tăng tăng góc θ. + Nếu tăng tăng góc θ, cơng suất thu được giảm, thì chu kì sau tăng góc θ.
+ Nếu giảm tăng góc θ, cơng suất thu được tăng, thì chu kì sau tiếp tục giảm tăng góc θ.
47
3.3.4 Sơ đồ khối điều khiển.
+ Sơ đồ khối điều khiển hệ thống:
MODULE SENSOR SPEED MICRO CONTROLLER MPPT CONTROL ESTIMATE MAXIMUM POWER POINT PID CONTROLLER ACTUATOR POWER FEEDBACK
Hình 3. 18 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển.
+ Sơ đồ khối MPPT P&O.
MODULE SENSOR SPEED MICRO CONTROLLER ESTIMATE YAW ANGLE RANGE TRACKING MAXIMUM POWER POINT MAXIMUM POWER POINT SET POINT ACTUATOR POWER FEEDBACK
Hình 3. 19 Sơ đồ khối MPPT P&O Control.
+ Sơ đồ khối PID
YAW ANGLE YAW MISALIGNME NTERROR(t) KI INTEGRAL Σ KP PROPOTIONAL KD DERIVATIVE ENCODER ACTUATOR
48
CHƯƠNG 4. MƠ HÌNH HĨA 4.1 Mơ hình hóa động cơ với đầu ra sau hộp giảm tốc. 4.1 Mơ hình hóa động cơ với đầu ra sau hộp giảm tốc.
Để đơn giản cho việc điều khiển, động cơ và driver được xem như là một khối. Tiến hành kiểm tra mối quan hệ giữa tín hiệu vào và ra của khối này bằng việc cấp xung PWM và ghi lại giá trị vận tốc động cơ.
Hình 4. 1 Kết cấu hệ thống đổi hướng
Sử dụng Arduino Uno có chế độ hiển thị monitor, kết hợp mạch driver IBT, dùng điều khiển động cơ plantet kèm hộp giảm tốc với tỉ số truyền 1 : 139, có gắn encoder có độ phân giải 13 xung/vòng. Động cơ được cấp nguồn 24V quan sát chế độ hiển thị monitor, ghi lại giá trị vận tốc động cơ tương ứng, với thời gian lấy mấu là 10ms.
Khảo sát đáp ứng theo thời gian của khối driver – động cơ:
+ Cấp cho động cơ một điện áp ổn định, ở đây ta cấp PWM = 250, tương đương với 75% ứng với điện áp 24V.
+ Ghi lại giá trị encoder, tính tốn xuất ra giá trị vận tốc đầu ra, chọn thời gian lấy mẫu:
49
𝑇𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 = 10 𝑚𝑠
Hình 4. 2 Mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và tốc độ đầu ra.
Dựa vào đồ thị, ta thấy khơng có độ vọt lố, suy hàm truyền của hệ thống có dạng bậc nhất:
𝑇𝐹 = 𝐾
1 + 𝑇𝑠 (5.1)
Trong đó:
K là hằng số độ lợi của động cơ (RPM/PWM). T là thời gian đáp ứng (s).