điều khiển đồng bộ hoá tốc độ và mômen cho các động cơ truyền động trang bị điên cáp điện

Nguyên lý hoạt động của dây chuyền sản xuất cáp điện 3Chong 2Thiết kế điều khiển đồng bộ hoá tốc độ và mômen cho các động cơ 2.1.1.. Yêu cầu công nghệ đối với hệ truyền động nhiều động c

Mục lục

trang

Chơng 1 Tổng quan về dây chuyền sản xuất cáp điện 21.1 Vài nét về sự phát triển của dây chuyền sản xuất cáp điện 2

1.3 Nguyên lý hoạt động của dây chuyền sản xuất cáp điện 3Chong 2Thiết kế điều khiển đồng bộ hoá tốc độ và mômen cho các động cơ

2.1.1 Mô hình toán học của động cơ điện một chiều 4

2.1.2.1 Yêu cầu công nghệ đối với hệ truyền động nhiều động cơ 7

Lời nói đầu

Sự ra đời và phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật đã đồng hànhcùng với sự bùng nổ tiến bộ của kỹ thuật ở lĩnh vực điện - điện tử tin học trongnhững năm gần đây đã dẫn đến những thay đổi sâu sắc cả về mặt lý thuyết lẫnthực tế của lĩnh vực sản xuất và đời sống

Ngày nay, xà hội ngày cang phát triển nên nhu cầu tiêu thụ điện ngàycàng ra tăng trong mọi lĩnh vực Do đó ngày càn có nhiều nhà máy thuỷ, nhiệt

điện đang đợc xây dựng mới trên khắp cả nớc ta Khi đó lại đặt ra một vấn đềchuyển tải điện năng sao cho tổn thất công suất là ít nhất để nâng cao hiệu quả

sử dụng điện Điều đó liên quan đến công nghệ sản xuất cáp điện đòi hỏi cáccông ty sản xuất cáp điện không ngừng nâng cao chất lợng sản phẩm Trong đó

có công ty LG – VNIACABLE với sự hợp tác với Hàn Quốc với dây chuyềnhiện đại dây cáp điện sản xuất ra đã đáp ứng đợc yêu cầu của thị trờng Vì vậyviêc điều khiển dây chuyền sản xuất cáp lại càng quan trọng hơn để đảm bảo đ-

ợc chất lợng cáp sản xuất ra

Đặc biệt dây chuyền sản xuất cáp điện gồm có nhiều động cơ truyền

động nên việc điều khiển đồng bộ hoá tốc độ và mômen cho các động cơ là rấtquan trọng, điều này quyết định đến chất lợng của dây cáp

Bài thiết kế môn học của em gồm có các phần sau:

Chơng 1 trình bày về tổng quan dây chuyền sản xuất cáp điện

Chơng 2 trình bày về điều khiển đồng bộ hoá tốc độ và mômen cho các

động cơ truyền động

Chơng 1 Tổng quan về dây chuyền sản xuất cáp điện 1.1 Vài nét về sự phát triển của dây chuyền sản xuất cáp điện

Dây chuyền sản xuất cáp điện có thể chia làm hai tủ điều khiển:

- Tủ điều khiển chính gồm : điều khiển động cơ đùn nhựa( Extruder ),

điều khiển nhiệt độ, điều khiển động cơ kéo( Caterpilar )

- Tủ điều khiển phụ gồm: điều khiển thu dây, điều khiển chuyển cuộn thu

P = 1,5 KW, 3ỉ, U = 380 V

- Động cơ giàn kéo DM2( Caterpilar ):

+ Là động cơ một chiều kích từ hỗn hợp với các thông số:

P = 11 KW, n = 1750 RPM, U = 380 V + Đợc làm mát bằng động cơ KĐB( 13IM2 ) có thông số:

P = 0,4 KW, 3ỉ, U = 380 V

- Các động cơ đùn nhựa, động cơ giàn kéo, động cơ quấn dây đợc đo tốc

độ bởi các các máy phát tốc lần lợt là: TG1, TG2, TG3 đều có thông số:

U = 30V, n = 1000 RPM

1.2 Cấu trúc của dây chuyền sản xuất cáp điện

Cấu trúc của dây chuyền sản xuất cáp điện đợc thể hiện nh hình sau:

NL

Hình 1.1 Cấu trúc dây chuyền sản xuất

* Bộ phận tạo sợi cáp gồm:

- NL: là khu vực cho nguyên liệu vào để tạo sợi cáp

- Pay-off 1, 2: bộ phận này dùng để xoắn cáp lại với nhau

1.3 Nguyên lý hoạt động của dây chuyền sản xuất cáp điện

Đầu tiên nguyên liệu đợc đa vào nấu nóng chảy sau đó đa khuôn định hình

và đợc kéo thành sợi Trong quá trình này có kết hợp làm lạnh bằng các Cylindercooling blower Tuỳ theo cách lắp đầu hình mà ta có thể cho ra 1 hoặc 2 sợi dâycáp Qua phần PAY-OFF 1 và PAY- OFF 2 các dây cáp đợc xoắn với nhau( nếu

là cáp xoắn ) hoăc đi riêng rẽ( nếu là cáp 1 sợi) Rồi sau đó cáp đi qua phần độngcơ đùn nhựa( Extruder ) để phun lớp nhựa bọc dây cáp Tiếp tục cáp đợc kéo bởi

động cơ giàn kéo( Caterpilar ) qua phần Traveser đến phần trụ quấn cáp(

Take-up ) Sau khi cáp đợc quấn đầy trên 1 trụ thì sẽ tự động thay trụ mới vào và tiếptục quấn trụ cáp mới

Trong suốt quá trình từ việc tạo ra sợi cáp đến quấn cáp tốc độ giữacác động cơ truyền động phải đợc thay đổi cho phù hợp với sự thay đổi củamômen( hay chính là sức căng của dây cáp ), và giữa các động cơ luôn phải cómột tỉ lệ nhất định giữa tốc độ và mômen để đảm đợc chất lợng cáp Đặc biệtkhi cáp đợc quấn vào trụ việc đồng bộ hoá tốc độ và mômen là rất quan trọng

Chơng 2 Thiết kế điều khiển đồng bộ hoá tốc độ và mômen cho

các động cơ truyền động

2.1 Mô hình các động cơ truyền động

2.1.1 Mô hình toán học của động cơ điện một chiều

- Phơng trình cân bằng mômen :

M dt

dw

Trong đó:

Me: mômen quay của động cơ

Mc: mômen cản của cơ cấu thực hiện J: mômen quán tính

- Phơng trình cân bằng điện áp :

a

a a a

dt

di L i r







.

k

I R

dm

R

dw J M M

n

P n

P M

P M

i R U C

c e

dm

dm dm

dm dm dm

dm dm

dm

dm u e

2

60

.

- Tõ th«ng :

b e

b b

C

U



u e M

u e

b

b M b

b M

c e b

b

c e b b

U

U K R

L T C

R J T w

M T J

M

w J T

M M dt

d M

w J

M M M dt

d w J

.

.

2.1.2.1 Yêu cầu công nghệ đối với hệ truyền động nhiều động cơ

Truyền động nhiều động cơ thờng đợc sử dụng trong dây truyền sản xuấtliên tục, trong đó vật liệu đồng thời chạy qua nhiều phần truyền động của nhiềuthiết bị công nghệ, mỗi một truyền động cần phải làm việc với tốc độ thích hợphoặc tốc độ không đổi gắn với yêu cầu chung của cả hệ

Tuỳ thuộc vào sản phẩm, kích thớc, vật liệu cũng nh yêu cầu chất lợng đòihỏi các cấu trúc của hệ truyền động điện đơn giản hay phức tạp

Trong sản xuất công nghiệp, chúng ta thờng gặp ở các máy cán liên tục,máy xeo giấy, trong công nghiệp dệt và sản xuất thuỷ tinh, v.v…

Đặc tính của truyền động nhiều động cơ cho các dây truyền công nghệ sảnxuất liên tục gồm các yêu cầu cơ bản:

- Tất cả truyền động thành phần đều phải giữ tỷ lệ tốc độ không đổi trongcả chế độ tĩnh và động, ta gọi là yêu cầu đồng bộ hoá tốc độ

- Đối với dây chuyền sản xuất các vật liệu thay đổi, hoặc bề dày vật liệuthay đổi dẫn đến yêu cầu thay đổi tốc độ làm việc thờng tỷ lệ này thay đổi khônglớn, vùng điều chỉnh tốc độ O(2:1 đến 6:1).

- Một số dây truyền yêu cầu chất lợng sản phẩm cao nh độ đồng đều vậtliệu cao sai số ít Nh vậy hệ truyền động phải đảm bảo độ chính xác điều chỉnhcao

- Một số vật liệu đợc sản xuất trong dây truyền liên tục có yêu cầu vềchủng loại, tính chất đặt ra yêu cầu phải giữ sức căng không đổi Vì vậy yêu cầu

hệ truyền động phải điều chỉnh cả tốc độ và cả lực kéo

Đối với hệ đồng bộ hoá tốc độ việc điều chỉnh phụ thuộc vào loại liên kếtcơ giữa các động cơ thành phần

* Các động cơ liên kết cơ cứng qua hộp giảm tốc yêu cầu đặc tính cơ củatừng động cơ phải tuyệt đối cứng

* Các động cơ liên kết mềm với nhau qua băng vật liệu có tiết diện

lớn, lực cân bằng truyền qua vật liệu cứng nh vậy việc đồng bộ hoá tốc độ

có thể dùng đặc tính cơ của các động cơ thành phần mềm

* ở các vật liệu băng của nó không truyền đợc lực kéo Nh vậy truyền

động chính trong hệ sẽ điều chỉnh tốc độ và phát tín hiệu đặt tốc độ cho tất cảcác truyền động cơ còn lại, các truyền động này có nhiệm vụ điều chỉnh gimômen không đổi Tốc độ của tất cả các truyền động chạy theo băng còn lựccăng giữa các cơ cấu truyền động do các mạch điều chỉnh xác định

* Nếu không đo đợc mạch vòng trực tiếp lực kéo, ngời ta phải tạo mạchvòng nhân tạo trong dây chuyền bằng tín hiệu tỷ lệ với chiều dài, mạch vòng cóthể hiệu chỉnh tốc độ của từng động cơ trong truyền động

* ở dây truyền sản xuất vật liệu mỏng dễ đứt nh giấy, vật liệu tổng hợp,v.v… thì tất cả các truyền động thành phần phải đợc giữ tốc độ không đổi Ơ đây

ta dùng phơng pháp đồng bộ bám tức là điều chỉnh tất cả các truyền động có tỷ

lệ tốc độ không đổi theo chiều chuyển động của vật liệu

* Đối với truyền động có cuộn cuốn cuộn nhả yêu cầu tốc độ truyền độngphải thay đổi phụ thuộc vào đờng kính các cuộn vật liệu, hay nói cách khác làgiữ tốc độ dài băng vật liệu không thay đổi

2.1.2.2 Hớng đề tài nghiên cứu

Vấn đề đồng bộ hoá tốc độ trong các dây truyền công nghệ nêu trong mục2.1.2.1 chúng ta thấy là rất rộng, rất nhiều vấn đề phải nghiên cứu và có rất nhiềuhớng nghiên cứu giải quyết khác nhau ở đây em tập trung nghiên cứu và môphỏng việc đồng bộ hoá tốc độ hệ truyền động nhiều động cơ với nguồn cấpriêng từng động cơ

Phơng pháp dùng nguồn cung cấp điện áp phần ứng chung có u điểm đơngiản, nhng đối với dây truyền công nghệ có sản phẩm thay đổi nh vật liệu hay bềdày thay đổi, nh vậy tốc độ đầu vào và đầu ra một trục có sự khác biệt, cho nêncần có sự chỉnh định riêng và phơng án dùng nguồn cấp riêng cho từng động cơthích hợp hơn.

Sơ đồ nguyên lý hệ dùng nguồn cấp riêng biệt:

Để đo tín hiệu sai lệch tốc độ, ta dùng triết áp PL, lúc đó bộ đo sai lệch tốc

có hàm truyền là khâu tích phân Bộ điều chỉnh về tốc độ dài phải là P hoặc PDnếu dùng bộ điều chỉnh có thành phần tích phân thì hệ không ổn định Từ sơ đồcấu trúc ta có hàm truyền của hệ hở:

2.2 Trình tự tiến hành mô phỏng

2.2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện

Hình 2.1 Cấu trúc mạch vòng dòng điện tổng quát

Sơ đồ cấu trúc:

1 )(

1 )(

1 (

/ )

(

) (

u V

i dk

u i cl dk

i

pT pT

p T pT

R K K p

U

p U

)(

1 (

/

u si

u i cl

pT p

T

R K K

Soi p Ri

).

( 1

( Moi

Moi

F Soi

) 1

)(

1 (

p R

K pK

pT pT

u i cl

u si

Ri(p) = ( 1 1 )

2

/

2

1

u si

i cl

u u u

si i cl

u

pT T

K K

T R R

T K pK

Cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ :

Hình 2.3 Cấu trúc của mạch điều khiển tốc độ tổng quátTrong đó lấy hàm truyền của mạch vòng dòng điện là khâu quán tính bậcnhất, bỏ qua các thành phần bậc cao

Viết gọn sơ đồ ta có:

Hình 2.4 Cấu trúc mạch điều chỉnh tốc độ rút gọnTrong đó:

So =

) 1

( ) (

T K K

K R

FMo = 2 2

2 2 1

So p R

).

( 1

) 1

( ) (

p K

pR

pT p

T K K

u

s c

T K K

u s

c i

2

) (

Vậy R(p) là khâu tỉ lệ tích phân (P)Sau khi tổng hợp ra các bộ điều chỉnh, ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống

điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều nh hình vẽ

Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều

2.3 Điều khiển đồng bộ hoá tốc độ và mômen cho các động cơ truyền

T®k : H»ng sè thêi gian m¹ch ®iÒu khiÓn bé chØnh lu 0,0001 S

T : H¾ng sè thêi gian m¸y ph¸t tèc 0,001 S

Ta cã:

1750 55

, 9 60

dm

dm dm

2 , 0

2

.

u si

i cl

u u

pT T

K K

T R

1 1 ( 18 , 3 ) 17 , 4

1 1 ( 0046 , 0 018 , 0 38 2

17 , 4 048 , 0

p



Tc = 2 2

08 , 2

048 , 0 45 , 2 ) (K 

JR u

= 0,027 S

027 , 0 4 , 1

048 , 0 ).

u T K

027 , 0 08 , 2 018 , 0

T®k : H»ng sè thêi gian m¹ch ®iÒu khiÓn bé chØnh lu 0,0001 S

T : H¾ng sè thêi gian m¸y ph¸t tèc 0,001 S

Ta cã:

1750 55

, 9 60

R =

0,5(1-29

380 ) 9 , 0 1 ( 5 , 0

dm

dm dm

2 , 0

2

.

u si

i cl

u u

pT T

K K

T R

1 1

( 37 , 2 ) 305 , 0

1 1

( 0046 , 0

JR u

= 0,375 S

375 , 0 07 , 2

655 , 0 ).

u T K

375 , 0 07 , 2 241 , 0

TV : H»ng sè têi gian bé chØnh lu 0,0025 S

T®k : H»ng sè thêi gian m¹ch ®iÒu khiÓn bé chØnh lu 0,0001 S

T : H¾ng sè thêi gian m¸y ph¸t tèc 0,001 S

Ta cã:

1750 55

, 9 60

380 ) 9 , 0 1 ( 5 , 0

dm

dm dm

2 , 0

2

.

u si

i cl

u u

pT T

K K

T R

1 1

( 189 , 1 ) 153 , 0

1 1

( 0046 , 0

JR u

= 0,75 S

75 , 0 07 , 2

31 , 1 ).

u T K

R

Ud =  K

75 , 0 07 , 2 482 , 0



2.3.2 Tiến hành mô phỏng bằng Matlab

* Mô hình mô phỏng

Hình 2.6 Mô hình mô phỏng các động cơ truyền động

* Kết quả mô phỏng:

+ Khi tốc độ của các động cơ là nh nhau:

- Với tốc độ động cơ Extruder đợc đặt ban đầu là khối Step

Hình 2.12 Chênh lệch tốc độ của động cơ Caterpilar và động cơ Take-up

Đờng màutím: động cơ Extruder

Đờng màu xanh lá cây: động cơ Caterpilar

Đờng màu đỏ: động cơ Take-up+ Khi đặt các tốc độ động cơ truyền động nh sau:

- VDC1 = 0.75.VDC2; VDC2 =VDC3 = 1

- Còn mômen các động cơ đợc giữ nguyên:

MDC1 = 1; MDC2 = 0.5; MDC3 = Random

Ta có kết quả nh sau:

Hình 2.13 Tốc độ mô phỏng các động cơ khi đã thay đổi tốc độ

Hình 2.14 Dòng điện mô phỏng khi thay đổi tốc độ

* Nhận xét:

- Ta thấy giữa các động cơ truyền động có sự quá độ về tốc độ thời

điểm ban đầu là khác nhau, nhng sau khi ổn định thì tốc độ của chúng đợc giữ không đổi và nh nhau Điều đó rất phù hợp với yêu cầu của công nghệ

- Khi VDC1 = 0.75.VDC2; VDC2 =VDC3 = 1và giữ mômen không đổi thì khi đó ta thấy tốc độ có sự tỉ lệ với nhau, sau thới gian quá độ chúng đều ổn định

để phù hợp với công nghệ Còn dòng điện trong cả hai trơng hợp thay đổi không

độ hệ truyền động nhiều động cơ với nguồn cung cấp riêng từng động cơ thì đã

đáp ứng đợc yêu cầu của hệ truyền động nhiều động cơ: Cần đồng bộ tốc độhoặc điều chỉnh tốc độ sau có thể nhanh hơn hoặc chậm hơn động cơ trớc một

đại lợng cần thiết, khi đó khắc phục đợc nhợc điểm của hệ dùng phơng pháp bù

điện áp phần ứng

Tài liệu tham khảo

[1] Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Phạm Quốc HảI – Dơng Văn Nghi

Điều chỉnh tự động truyền động điện – NXB KHKT – 2004

[2] Bùi Quốc Khánh - Nguyễn Văn Liễn - Nguyễn Thị Hiền

Truyền động điện – NXB KHKT

[3] Tài liệu về dây chuyền sản xuất cáp điện của nhà máy LG – VINACABLE