ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TURBINE GIÓ BẰNG CÁCH
SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC ĐỂ XOAY CÁNH
CONTROLLING THE SPEED OF WIND TURBINE BY USING SPEED
CHANGEABLE ENGINE (STEP ENGINE) TO REVOLVE THE WINGS NGUYỄN VĂN YẾN
Đại học Đà Nẵng
PHẠM PHONG
Học viên cao học khoá 2004-2007 TÓM TẮT
Nhược điểm của động cơ gió là khi tốc độ gió thay đổi, tốc độ quay của turbine cũng thay đổi
theo. Có thể giữ cho tốc độ quay của turbine ổn định bằng cách xoay cánh turbine, thay đổi
diện tích bề mặt hứng gió của cánh. Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô
hình điều khiển tốc độ quay của turbine gió bằng cách sử dụng động cơ bước để xoay cánh.
ABSTRACT
A weakness of the wind engine is that when the wind speed changes, the revolving speed of
the engine also changes. Rotating speed of turbine can be stablized by rotating the wings of
the turbine, changing the surface area of the wings facing the wind. The paper presents the
research results of designing, and manufacturing a model of controlling revolving speed of
wind turbine by using step engine to revolve the wings.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
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 đã có 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.

V
0,593
Ar
P
3
0max

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 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 dòng xoáy
(2) Số cánh của turbine gió là có hạn
(3) C
d
/C
l
không bằng 0
C

A - Diện tích hình chiếu của cánh (diện tích hứng gió) m
2
.
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 lên cánh 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 gió
có các 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 góp gió 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.
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 rôto tương
ứng với số lần chuyển mạch, chiều quay và tốc độ quay của rôto 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 rôto 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.
3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY
CỦA TURBINE
Để kiểm nghiệm lại cơ sở lý thuyết đã nêu ở trên, chúng tôi tiến hành thiết kế, chế tạo

Bộ
B T
380
V





Hình 1. Mô hình thí nghiệm điều khiển tốc độ quay của
turbine bằng sử dụng động cơ bước để xoay cánh - Để tạo nên gió có tốc độ làm quay turbine, chúng tôi đã dùng một quạt công nghiệp có
công suất 2,2 kW, có thể thay đổi vô cấp tốc độ quay từ 50 ÷ 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 bánh 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 mâm gá cánh turbine, quay cùng với turbine.
- Lắp mâm gá cánh turbine vào trục quay chính - trục turbine.
- Trên trục quay chính có lắp 5 vành trượt để truyền động điện cho các động cơ bước.
Cuối trục quay chính có 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 vòng/phút.
- 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
5. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Sau khi tìm hiểu kỹ lý thuyết về năng lượng gió, về thiết kế chế tạo máy phát điện gió và
khả năng làm việc của động cơ bước, chúng tôi đã tính toán thiết kế được máy phát điện gió sử
dụng động cơ bước để điều chỉnh tốc độ quay của trục turbine.
Để có cơ sở thực tế, trước khi chế tạo máy phát điện gió, chúng tôi đã thiết kế, chế tạo một
mô hình thí nghiệm. Đó là một máy phát điện gió sử dụng động cơ bước để điều chỉnh tốc độ
quay của trục turbine thu nhỏ, đặt trong phòng thí nghiệm. Gió được tạo bởi một quạt công
nghiệp có công suất lớn và có thể thay đổi tốc độ quay của quạt. Mô hình thí nghiệm hoạt
động ổn định, thực hiện được những thí nghiệm cần thiết do chúng tôi đặt ra.
Qua số liệu thí nghiệm, hệ thống đã hoạt động theo đúng dự kiến của đề tài, cho thấy
những định hướng ban đầu là đúng đắn, động cơ bước có thể xoay được cánh để điều chỉnh
tốc độ quay của trục turbine trong máy phát điện gió. Điều đó khẳng định rằng: Việc sử dụng
động cơ bước để điều chỉnh tốc độ quay của trục turbine trong máy phát điện gió là hợp lý, có
thể áp dụng để chế tạo các máy phát điện gió dùng trong thực tế.
Hiện tại, theo số liệu thí nghiệm ghi được, tốc độ quay của trục turbine còn dao động
trong một khoảng tương đối lớn, khi không có tải là  40 v/ph, khi có tải là  30 v/ph. Với
khoảng thay đổi tốc độ của trục turbine như thế, cũng đã chấp nhận được trong máy phát điện
gió. Song chúng tôi có thể cải tiến kết cấu, nâng cao độ chính xác chế tạo của hệ thống nhận
và truyền tín hiệu điều khiển động cơ bước, để tiếp tục thu nhỏ khoảng dao động tốc độ quay
của trục turbine.

6. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình máy phát điện gió, và
các kết quả thí nghiệm trên mô hình. Các kết quả trên khẳng định rằng: Sử dụng động cơ bước
để xoay cánh turbine, ổn định tốc độ quay của trục turbine là hợp lý. Độ ổn định tốc độ quay
của trục turbine sẽ tốt hơn so với dùng lực ly tâm. Kết cấu của máy không phức tạp lắm, có thể
tự chế tạo, lắp ráp tại Đà Nẵng.
Với kết quả này cho phép chúng ta thiết kế, chế tạo các máy phát điện gió sử dụng ở