CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Lịch sử nghiên cứu Quạt điện được sản xuất theo cơ chế hoạt động giống như quạt kéo ở vùng trung Đông hồi thế kỉ XIX. Nó là một hệ thống gồm một khung vải bạt, kết nối với một sợi dây dẫn, kéo tới kéo lui để tạo ra luồng gió. Sau cuộc cách mạng công nghiệp vào cuối thế kỉ XIX, các nhà máy thủy lực đã tạo ra quạt dẫn động bằng đai. Họ thực hiện thay trục giữa của quạt bằng máy móc động.
Từ đó, quạt điện được cải tiến dần dần. Một trong những người chế tạo ra chiếc quạt máy đầu tiên là Omar-Rajeen Jumala vào năm 1832. Phát minh của ông được gọi là máy quạt ly tâm, hoạt động giống như máy bơm không khí. Đến khi Thomas Edison và Nikola Tesla phát hiện ra nguồn năng lượng điện vào cuối thế kỉ XIX và đầu thế kỉ XX.
Từ đó quạt chạy bằng cơ học đã được cải tiến thành quạt chạy bằng điện năng. Năm 1882, Philip Diehl đã cho ra mắt quạt điện trần và ông được xem là cha đẻ của chiếc quạt điện ngày nay. Đến nay, quạt điện đã trở thành một thiết bị không thể thiếu trong các hộ gia đình. Hiện nay với sự phát triển của quạt điện đã cho ra mắt những mẫu quạt tiện ích mang khuynh hướng thông minh như: quạt thông gió, quạt làm mát, quạt phun sương, quạt điều hòa hơi nước, quạt không có cánh.
Nhìn chung các kiểu quạt này đều có cấu tạo gần giống nhau, với cấu trúc chính là động cơ quạt thực hiện nhiệm vụ tạo gió, bộ điều khiển cấp năng lượng cho động cơ và một số mẫu quạt có kết hợp thêm bộ tạo sương để tăng độ ẩm. Bộ điều khiển của quạt thường là bộ điểu khiển có cấp được điều khiển bằng tay hoặc remote chứa các mức tốc độ nhất định nên khi sử dụng quạt còn gặp nhiều vấn đề bất cập khi trạng thái nhiệt độ môi trường thay đổi. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mô hình quạt điện thông minh” được lựa chọn với nhiệm vụ mang đến sự thay đổi mới mẻ, tiện lợi trong cuộc sống con người. Đề tài sử dụng luật mờ để điều khiển quạt tự động chạy với các mức tốc độ khác nhau, với hai đầu vào (nhiệt độ và độ ẩm) và hai đầu ra (motor quạt và motor máy bơm nước).2 Các vấn đề đặt ra Hệ thống cơ khí: Sử dụng hệ thống cơ khí sẵn trong quạt: - Hệ thống động cơ quạt (gồm rotor và stator) xoay chiều không đồng bộ 1 pha lấy xung và nguồn từ bộ điều khiển, tạo ra momen quay cho cánh quạt chuyển động.
- Hệ thống máy bơm nước 1 pha xoay chiều, lấy điện từ đầu ra của mạch điều khiển, sử dụng để bơm nước từ đáy quạt lên cung cấp cho dàn mát. - Hệ thống cánh quạt nhận momen quay từ trục và tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa trước và sau cánh quạt, dẫn đến các dòng khí đối lưu từ sau về trước hoặc ngược lại. - Hệ thống bể nước mini cung cấp cho máy bơm. Hệ thống điện: Hệ thống sử dụng điện xoay chiều 1 pha dân dụng ⁓220V - 50Hz.
Hệ thống sử dụng mạch nhận biết điểm 0V và mạch công suất dùng để kích triac để điều khiển quạt và máy bơm. Bộ điều khiển trung tâm dùng Arduino Uno R3 để xử lý tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ và cảm biến độ ẩm để xuất tín hiệu cho mạch công suất. Chương trình điều khiển: Chương trình điều khiển dựa trên luật điều khiển mờ điều khiển có cấp (4 cấp độ) được xây dựng trên các phần mềm hỗ trợ về lập trình và mô phỏng (Arduino IDE và Matlab), có thể xây dựng giao tiếp một app mobile đơn giản dễ sử dụng. Thử nghiệm đánh giá: Sau khi hoàn thành thử nghiệm trên phần mềm Matlab/Simulink để kiểm tra tính ổn định, chất lượng, đảm bảo an toàn và đánh giá.
Hệ thống phải đảm bảo hoạt động ổn định ở các cấp tốc độ.3 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu qua các kênh thông tin, internet, qua các bài viết trong nước và quốc tế về các ứng dụng của điều khiển mờ vào việc điều khiển tốc độ động cơ và đối tượng quạt điện. - Tìm hiểu cách tạo gió của quạt, các loại quạt điện trên thị trường. - Tìm hiểu bộ chuyển đổi giữa ADC, các thiết bị thành phần có trong hệ thống. - Tìm hiểu về vi xử lý và vi điều khiển, các cảm biến nhiệt độ và cảm biến độ ẩm.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng nhiệt độ và độ ẩm đến cơ thể con người thông qua các bài báo đánh giá của nước ta và nước ngoài. - Tìm hiểu cách sử dụng các phần mềm lập trình (Matlab và Arduino IDE) và các phầm thiết kế mô phỏng trên máy tính. - Tìm hiểu về cách mô hình hóa, giúp cho việc tính toán và chọn các trang thiết bị điện vào mạch để điều khiển thiết bị. Phương pháp nghiên cứu mô hình hóa mô phỏng: - Kết quả xây dựng được được thử nghiệm đánh giá trên phần mềm mô phỏng.
Trong khuôn khổ của đồ án này, phần mềm Matlab/Simulink và phần mềm Proteus được sử dụng để mô phỏng đánh giá chất lượng điều khiển.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu Giới hạn nghiên cứu: - Nghiên cứu các loại quạt điện có sẵn sử dụng điện áp AC 220V công suất nhỏ (<100W). - Nghiên cứu các yếu tố để quạt hoạt động như là nhiệt độ, độ ẩm và yếu tố đảo gió. - Nghiên cứu sự ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm trên cơ thể con người ở Việt Nam. - Thiết kế mạch để điều khiển và quạt sử dụng theo kiểu điều khiển có cấp tốc độ.
- Giới hạn đề tài trong phòng từ 15 – 20 m2. 3 Tieu luan Phạm vi nghiên cứu: - Phạm vi nghiên cứu chỉ ở việc thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển trên lý thuyết và đánh giá trên phầm mềm mô phỏng.5 Ý nghĩa thực tiễn Đề tài này mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn đối với đời sống con người. Đối với những ngôi nhà không có điều kiện sử dụng điều hòa không khí làm mát hoặc những hộ gia đình sử dụng thiết bị làm mát trong những căn phòng với diện tích lớn thì luôn ưu tiên sử dụng quạt điện. Đời sống hiện nay mỗi hộ gia đình dù điều kiện kinh tế còn khó khăn hay là khá giả thì họ vẫn luôn sở hữu ít nhất một chiếc quạt điện trong gia đình của mình để làm mát.
Do đó một chiếc quạt tự động có thể vừa tạo mát, vừa tạo ẩm không khí với giá phải chăng luôn luôn là lựa chọn hàng đầu mang lại sự tiện nghi trong những ngày nắng nóng của mỗi hộ gia đình. Quạt hoạt động tiết kiệm năng lượng, nâng cao hiệu suất. Với nền công nhiệp số 4.0 kết nối mọi thứ tự động hoạt động dưới sự giám sát của internet thì quạt điện thông minh là không thể thiếu trong hệ sinh thái này và luôn được nâng cấp phát triển. 4 Tieu luan CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu chung về quạt thông minh 2.i Cấu tạo và nguyên lý chung của các loại quạt a) Cấu tạo Các loại quạt ngày nay đều có cậu tạo đa phần giống nhau ở một số bộ phận: - Cánh quạt: Làm bằng kim loại hay nhựa được tạo dáng để tạo ra gió khi quay - Động cơ diện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha - Lưới bảo vệ: Dụng cụ để bảo vệ cánh quạt và động cơ trước tác động từ bên ngoài - Bộ phận điều chỉnh tốc độ quay và thay đổi hướng gió b) Nguyên lý hoạt động Khi có dòng điện chạy trong dây dẫn quấn trên lõi sắt từ (phe silic) tạo thành một lực tác động lên rotor.
Phe silic thường làm từ tole silic mỏng ghép nhiều miếng lại với nhau. Vị trí các cuộn dây chạy và dây đề được đặt lệch nhau. Đồng thời tác dụng làm lệch pha của tụ điện sẽ tạo ra trong lòng stator các lực hút không cùng phương với nhau. Vì 2 lực hút lệch nhau về phương và thời gian nên tạo ra trong lòng stator một từ trường quay làm cho roto quay được.
Để thay đổi tốc độ của quạt người ta quấn trên đó một số vòng dây chung với cuộn chạy. Khi dòng điện tăng lên hoặc giảm xuống do điện trở của cuộn dây thay đổi sẽ tạo ra nên một từ trường mạnh hoặc yếu hơn, làm cho quạt chạy nhanh hơn hoặc chậm hơn. Bộ điều khiển quạt đa số là bộ điều khiển có cấp bằng tay với các mức tốc độ cố định và chưa được tự động. Chỉ có một số quạt thông minh trên thị trường như: quạt phun sương và quat không cánh được tích hợp bộ điều khiển thông minh tự động cho quạt.
c) Các loại quạt thông minh có trên thị trường 5 Tieu luan - Quạt phun sương: Quạt phun sương có cơ chế nén hơi nước với áp suất cao, tạo thành sương và phả vào không khí. Những hạt sương siêu nhỏ này sẽ giúp cho căn phòng của bạn có độ ẩm nhất định, nhiệt độ phòng có thể giảm được từ 3 - 7 độ tùy vào diện tích. Quạt phun sương có nhiều mẫu mã cao, thấp đa dạng, phù hợp với nhiều loại phòng hoặc căn hộ phổ biến tại Việt Nam. Ngoài ra, loại quạt này cũng có chế độ tiết kiệm điện năng, cũng như tạo ra ion âm giúp cho cơ thể sảng khoái và khỏe khoắn hơn.
Quạt có được tích hợp bảng điều khiển điện tử thông minh giúp con người điều khiển quạt ở các chế độ khác nhau bằng remote. Quạt phun sương tự động đã được thiết kế thông minh nên đề tài này sẽ không nghiên cứu sâu về quạt. Hơn nữa quạt phun sương là một thiết bị hiện đại nên giá thành cao.1 Quạt phun sương - Quạt điện không cánh: Nguyên lý quạt không cánh hoạt động dựa trên lý thuyết khí động học. Áp dụng kiến thức về sự chuyển động của không khí và chênh lệch áp suất.
Ở nơi có áp suất cao khi chuyển về nơi có áp suất thấp, không khí sẽ tạo thành gió. James Dyson đã tạo ra một khu vực có áp suất thấp ở phía trước vành quạt hình tròn. Như vậy, khi luồng không khí phía sau vành quạt lưu thông về trước sẽ tạo thành một luồng gió bởi chênh lệch áp suất. 6 Tieu luan Bên trong đế quạt có chứa một động cơ hiệu suất hoạt động 40W có tốc độ lớn.
Động cơ này chịu trách nhiệm hút không khí vào và đẩy không khí qua một khe hẹp rộng 1.3 mm ở phía vành quạt. Vành khuyên quạt thiết kế cong 16 độ góp phần điều hướng gió và tạo ra luồng gió cực mảnh.