W= V2( ) ωr
2.3.1.5. Điều khiển tốc độ tuabin gió bằng cách sử dụng động cơ bước để xoay cánh
bước để xoay cánh
Loài người đã biết sử dụng năng lượng gió từ rất lâu, nhưng ở mức độ hạn chế. Ngày nay các nước vùng ôn đới và hàn đới đã quan tâm và đó cú những thành quả tốt, đặc biệt trong việc sản xuất ra các máy phát điện gió công suất lớn, để hòa vào hệ thống điện quốc gia.
Máy phát điện gió công suất lớn đòi hỏi phải có hệ thống điều tốc tốt, đảm bảo số vòng quay của trục turbine nằm trong giới hạn quy định. Hiện nay, thường dùng phương pháp xoay cánh turbine, điều chỉnh diện tích bề mặt hứng gió của cánh turbine để ổn định tốc độ.
Với máy phát điện gió công suất nhỏ, việc xoay cánh thường hay dùng phương pháp ly tâm của khối lượng quay. Khi tốc độ gió thay đổi sẽ làm tốc độ quay của turbine thay đổi, lực ly tâm của vật quay cũng thay đổi. Nếu gió lớn, vận tốc gió tăng, lực ly tâm tăng lên, tác dụng lên cơ cấu xoay cánh turbine làm giảm diện tích bề mặt hứng gió, dẫn đến hạn chế mức độ tăng tốc độ quay của turbine. Khi gió dịu đi, vận tốc gió giảm xuống, cánh turbine tự xoay dần về vị trí ban đầu, để duy trì tốc độ quay của turbine trong phạm vi cho phép. Kết cấu máy sử dụng lực ly tâm để xoay cánh turbineắtơng đối đơn giản, nhưng có nhược điểm là đáp ứng chậm, độ chính xác điều chỉnh thấp, khoảng biến thiên tốc độ quay của turbine quá lớn.
Qua nghiên cứu động cơ bước, có thể sử dụng nó để xoay cánh turbine cho máy phát điện gió. Nguyên lý làm việc của hệ thống xoay cánh như sau: Đặt cho trục turbine gió một giới hạn tốc độ cho phép; khi tốc độ gió lớn hơn quy định, trục turbine sẽ quay nhanh hơn, bộ phận cảm biến nhận được tín hiệu, chuyển đến bộ điều khiển, bộ điều khiển so sánh với tốc độ
Loan
quay quy định, phát tín hiệu đến động cơ bước, động cơ xoay cánh turbine một góc để giảm bề mặt hứng gió; khi tốc độ gió giảm, động cơ sẽ xoay cánh quay trở lại. Bằng cách này, tốc độ quay của trục turbine được điều chỉnh kịp thời, khoảng dao động của tốc độ quay tương đối nhỏ.
Cơ sở lý thuyết
Việc biến đổi năng lượng gió tuân theo những nguyên lý cơ bản về khả năng sử dụng gió và khả năng tối ưu của các turbine.
Đặt turbine gió trong dòng chảy của không khí, khi không khí đến gần turbine bị ứ lại, áp suất dòng chảy tăng lên và vận tốc giảm, đến khi dòng chảy chạm vào mặt turbine trao cho turbine năng lượng. Dòng chảy phía sau turbine bị nhiễu xoỏy, gõy bởi chuyển động của turbine và sự tác động với cỏc dũng không khí xung quanh.
Về nguyên tắc, dòng chảy phải được duy trì. Do đó, năng lượng turbine thu nhận được bị hạn chế. Trong trường hợp toàn bộ năng lượng gió được turbine thu nhận, thì vận tốc gió đằng sau turbine sẽ bằng không. Muốn cho dòng chảy được cân bằng giữa khối lượng và vận tốc, năng lượng chảy qua turbine phải bị mất mát. Đối với hệ tối ưu, số phần trăm cực đại của năng lượng gió có thể thu nhận được tính theo công thức do Carl Betz đưa ra năm 1927: 2 V 0,593 Ar P 3 0 max =
Trong đó: P là mật độ năng lượng
Ar là diện tích quét của cánh turbine
0
V là vận tộc gió ban đầu - Mật độ năng lượng trên một đơn vị thể tích dòng chảy không khí.
Số 0,593 được gọi là giới hạn Betz hoặc hệ số Betz.
Bằng phương pháp phân tích đơn giản về động lượng đối với động cơ gió trục ngang tìm được hệ số công suất cực đại của nó là 16/27 tức là 59,3%. Điều này đã được Betz chứng minh (1927). Hiển nhiên đây là trường hợp số
Loan
cánh vô hạn (trở lực bằng không) là điều kiện của một động cơ gió lý tưởng. Trong thực tế có 3 nhân tố làm giảm nhỏ hệ số công suất cực đại:
(1) Phía sau turbine gió tồn tại dũng xoỏy (2) Số cánh của turbine gió là có hạn (3) Cd/Cl không bằng 0 Cl là hệ số nâng, Cd là hệ số cản. A . 2 1 L 2 V Cl ρ = Cd = V .A 2 1 2 ρ D trong đó: ρ - mật độ không khí (kg/m3)
V - vận tốc dòng không khí (gió) không bị nhiễu loạn A - Diện tích hình chiếu của cánh (diện tích hứng gió) m2.
L - Lực nâng. D - Lực cản.
Như vậy, khi thay đổi diện tích bề mặt hứng gió của cánh turbine, thì hiệu suất sử dụng năng lượng gió của turbine thay đổi, tức là thay đổi lực tác dụng lờn cỏnh làm quay turne. Khi gió tăng tốc độ, năng lượng gió tăng lên, nhưng công suất trên trục turbine hầu như không tăng lên.
Hệ thống thiết bị khai thác năng lượng gió rất khác nhau về kích thước, hình dạng và dạng năng lượng cuối cùng nhận được. Nói chung hệ thống thiết bị khai thác năng lượng giú cú cỏc phần: Bộ góp sức gió, chuyển động sơ cấp, thiết bị sản sinh năng lượng cuối cùng.
Hệ thống máy phát điện gió, dạng năng lượng cuối cùng là điện năng; bộ gúp giú là turbine gió; chuyển động sơ cấp là chuyển động quay tròn của trục turbine; thiết bị sản sinh điện năng là máy phát điện. Để máy phát điện hoạt động tốt, có thể hoà được vào lưới điện quốc gia, chuyển động sơ cấp - chuyển động quay tròn của trục turbine phải có tốc độ quay hợp lý và ít thay đổi.
Loan
Hiện nay trong các hệ thống tự động thường sử dụng động cơ bước để thực hiện các chuyển động rời rạc.
Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử, đưa các tín hiệu điều khiển vào các cuộn dây stato, theo thứ tự và tần số nhất định. Tổng số góc quay của rụto tương ứng với số lần chuyển mạch, chiều quay và tốc độ quay của rụto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Động cơ bước thực chất là động cơ đồng bộ nhưng không quay liên tục mà làm việc ở chế độ quay rời rạc, có khả năng cố định rụto ở những vị trí cần thiết. Như vậy có thể sử dụng động cơ bước để thực hiện xoay cánh turbine đi một góc nhỏ, tương ứng với tín hiệu điều khiển được truyền đến động cơ.
Thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển tốc độ quay của tuabin
Để kiểm nghiệm lại cơ sở lý thuyết đó nờu ở trên, chúng tôi tiến hành thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển tốc độ quay của trục turbine gió bằng cách sử dụng động cơ bước xoay cánh.
Mô hình thí nghiệm được trình bày trờn Hỡnh 1.
Điều khiển Chuẩn Điều tốc So sánh Hiển thị tốc độ Cảm biến tốc độ Chuyển đổi Quạt Đg cơ φ Đ. kh Bộ B T 380 V φφ
Hình 1. Mô hình thí nghiệm điều khiển tốc độ quay của turbine bằng cách sử dụng động cơ bước để xoay cánh
bă
Loan
- Để tạo nên giú cú tốc độ làm quay turbine, chúng tôi đó dựng một quạt công nghiệp có công suất 2,2 kW, có thể thay đổi vô cấp tốc độ quay từ 50 ữ 2000 v/ph. Tốc độ quay của quạt được thay đổi bằng máy biến tần, có công suất 2,2 kW, phạm vi thay đổi tần số từ 0 đến 75 Hz.
- Cánh turbine được chế tạo từng cánh rời theo tính toán thiết kế. Sử dụng 3 cánh, lắp vào 3 trục để xoay được.
- Trục mang cánh turbine được lắp vào mâm nhờ hai palier có lắp ổ bi. Trên trục mang cánh turbine lắp bỏnh vít, ăn khớp với trục vít. Trục vít lắp trực tiếp trên trục của động cơ bước.
- Động cơ bước được lắp ở mặt sau của mõm gỏ cỏnh turbine, quay cùng với turbine.
- Lắp mõm gỏ cỏnh turbine vào trục quay chính - trục turbine.
- Trên trục quay chớnh cú lắp 5 vành trượt để truyền động điện cho các động cơ bước.
Cuối trục quay chớnh cú lắp bánh răng lớn để truyền động cho máy phát điện.
- Máy phát điện nhận cơ năng từ trục turbine, qua cặp bánh răng tăng tốc. Máy phát điện có tốc độ quay 1000 ÷ 2000 vũng/phỳt.
- Bộ hiển thị tốc độ cho biết tốc độ quay của trục turbine.
- Cảm biến tốc độ nhận biết sự thay đổi tốc độ của trục turbine, truyền tín hiệu về bộ chuyển đổi; tín hiệu được đưa qua bộ so sánh; sau khi so sánh với tốc độ chuẩn, bộ so sánh phát tín hiệu chuyển qua bộ điều khiển; bộ điều khiển tác động lên động cơ bước để xoay cánh turbine.
Ba động cơ bước và bộ truyền trục vít bỏnh vít được chọn cùng loại, để đảm bảo góc xoay của ba cánh là như nhau.