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.
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

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
l
là hệ số nâng, C
d
là hệ số cản.

A .

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
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 trên Hình 1.

- Để tạo nên gió có

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
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 bánh vít được chọn cùng loại, để đảm bảo góc
xoay của ba cánh là như nhau.

4. TIẾN HÀNH CÁC THÍ NGHIỆM
- Điều chỉnh biến tần, tốc độ quay của quạt thay đổi vô cấp từ 50 ÷ 2200 v/ph, ứng với vận tốc
gió thổi đến cánh turbine từ 0m/s đến 11m/s, tức là 39,6 km/h.
- Thí nghiệm thứ nhất, không sử dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ quay của turbine:
+ Tăng dần tốc độ quay của quạt gió, khi quạt quay khoảng 1000 v/ph, thì turbine bắt
đầu quay. Tăng tốc độ quay của quạt, tốc độ quay của turbine cũng tăng theo.
+ Khi quạt quay đến tốc độ 2200 v/ph, thì tốc độ quay của turbine đạt 950 v/ph, nếu
không lắp máy phát điện.
+ Nếu có lắp máy phát điện và có phụ tải, thì tốc độ quay tối đa của turbine là 400 v/ph.
+ Giảm dần tốc độ quay của quạt, tốc độ quay của trục turbine cũng giảm. Khi giảm tốc
độ quay của quạt xuống dưới 1000 v/ph, thì trục turbine quay chậm dần, sau đó dừng lại.
- Thí nghiệm thứ hai, có sử dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ quay của trục turbine:
+ Ở chế độ không tải (không kéo máy phát điện), cài đặt phần tự động điều chỉnh để có
tốc độ quay của trục turbine là 300 v/ph; điều chỉnh biến tần để thay đổi tốc độ quay của
quạt gió; theo dõi đồng hồ hiển thị tốc độ và ghi số liệu tốc độ quay của trục turbine. Sau
nhiều lần thí nghiệm, chúng tôi ghi được tốc độ quay của trục turbine dao động trong
khoảng từ 260 v/ph đến 340 v/ph.
+ Ở chế độ có tải (kéo máy phát điện, có phụ tải), cài đặt phần tự động điều chỉnh để có
tốc độ quay của trục turbine là 280 v/ph; điều chỉnh biến tần để thay đổi tốc độ quay của

những vùng có tài nguyên gió, giảm việc nhập khẩu thiết bị từ nước ngoài. Xa hơn nữa, chúng
ta có thể chế tạo các máy phát điện gió có công suất lớn, hoà vào lưới điện quốc gia, cung cấp
điện năng cho sản xuất và tiêu dùng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Thân Ngọc Hoàn (2005), Máy điện, Nxb Xây dựng, Hà Nội.
[2] Nguyễn Văn May (2005), Bơm, quạt, máy nén, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[3] Erich Hau Springer (2005), Wind turbine.
[4] Springer (1997), Wind Energy.
[5] Lysen E.H. (1987), Phong năng khái luận.