LUẬN văn THẠC sĩ HAY nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động nhiều động cơ ứng dụng trong chuyển động trục cán

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI PID : Proportional Integral Derivative bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, đạo hàm T - Đ : Hệ truyền động Thysistor - động cơ điện một chiều FT :

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN

PGS.TS VÕ QUANG LẠP PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Thị Bích Nga học viên lớp cao học khóa 18 chuyên ngành Kỹ

thuật điều khiển và tự động hóa Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện nay tôi đang công tác tại khoa Điện - Trường Cao đẳng nghề số 1 - BQP

Xin cam đoan: Đề tài “ Nâng cao chất lượng hệ chuyển động nhiều động cơ

ứng dụng trong chuyển động trục cán” dưới sự hướng dẫn của PGS - TS Võ Quang

Lạp là công trình nghiên cứu riêng của tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều được ghi trong danh mục tham khảo, không sử dụng tài lệu nào khác mà không được ghi trong danh mục

Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luân văn đúng như trong đề cương và yêu cầu của giáo viên hướng dẫn Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương được sự giúp đỡ, hướng dẫn

tận tình của thầy PGS - TS Võ Quang Lạp, luận văn với đề tài “Nâng cao chất

lượng hệ điều khiển chuyền động nhiều động cơ ứng dụng trong chuyển động trục cán” đã được hoàn thành

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn PGS - TS Võ Quang Lạp đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ

tác giả hoàn thành luận văn này

Khoa sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập

Tác giả

Nguyễn Thị Bích Nga

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC

iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG CHUYỂN ĐỘNG TRỤC CÁN 2

1.1 Ứng dụng hệ truyền động nhiều động cơ trong máy sản xuất 2

1.2 Đặc tính phụ tải của hệ truyền động nhiều động cơ 2

1.2.1 Đặc tính phụ tải của máy gia công kim loại 2

1.2.2 Đặc tính phụ tải của chuyển động trục cán trong dây chuyền cán liên tục 3

1.3 Phân tích và chọn phương án truyền động cho cho hệ truyền động cán nóng thô 9

1.3.1 Hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều (F - Đ) 9

1.3.2 Hệ truyền động chỉnh lưu Thysistor - động cơ điện một chiều (T - Đ) 10

1.3.3 Hệ thống truyền động vecto biến tần – động cơ không đồng bộ (BT - Đ KĐB ) 11 1.4 Kết luận chương 1 12

CHƯƠNG II: TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG CHO TRUYỀN ĐỘNG TRONG DÂY CHUYỀN CÁN THÔ 13

2.1 Xây dựng hệ truyền động cho dây chuyền cán thô 13

2.2 Tổng hợp hệ truyền động BT - Đ KĐB cho hệ truyền động trong dây chuyền cán thô 14

2.2.1 Mô tả động cơ KĐB ba pha dưới dạng các đại lượng vector không gian 14

2.2.2 Các phương pháp biến đổi các đại lượng điện của động cơ KĐB từ hệ tọa độ của vectơ không gian (a,b,c) về các hệ tọa độ khác 16

2.2.3 Sự biến đổi năng lượng và mômen điện từ 16

2.2.4 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ 18

2.2.5 Cơ sở để định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 21

2.2.6 Tổng hợp hệ truyền động BT - Đ KĐB 25

2.2.7 Mô phỏng hệ truyền động 28

2.3 Kết luận chương 2 31

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH LỰC CĂNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG DÂY CHUYỀN CÁN THÔ 32

3.1 Đặt vấn đề 32

3.2 Xây dựng hệ điều khiển ổn định lực căng với bộ R T dùng PID tuyến tính 32

3.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ ổn định lực căng 32

3.2.2 Tổng hợp mạch vòng 33

3.2.3 Mô phỏng hệ ổn định lực căng 34

3.3 Nâng cao chất lượng hệ điều khiển ổn định lực căng trong hệ điều khiển chuyển động dây chuyền cán thô 38

3.3.1 Tổng hợp hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi 39

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song 47

3.4 Kết luận chương 3 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC I 71

CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ KĐB TỪ HỆ TỌA ĐỘ CỦA VECTƠ KHÔNG GIAN(a,b,c) VỀ CÁC HỆ TỌA ĐỘ KHÁC 71

PHỤ LỤC 2 81

TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN VÀ TỐC ĐỘ 81

PHỤ LỤC 3 86

TÍNH TOÁN CÁC THỐNG SỐ 86

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ ở chế độ cán thô 4

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ ở chế độ cán tinh 6

Hình 1.9 Đặc tính phụ tải khi nối cứng trục cán với hai động cơ 8 Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý tự động điều chỉnh mômen của hai động cơ 8

Hình 1.12 Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - động cơ 10

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ trong chế độ cán

thô dùng BT - Đ KĐB

13

Hình 2.5 Định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông roto

Hình 2.8a Sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá của hệ thống truyền động điện sử

Hình 2.8b Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống điện sử dụng biến tần và

Hình 2.10 Sơ đồ mơ phỏng cấu trúc của hệ thống Matlab Simulink 29

Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 43

Hình 3.12 Sơ đồ khối MRAS dựa trên lý thuyến Lyapunov cho đối tượng

Hình 3.13 Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 45 Hình 3.14 Cấu trúc của phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 46

Hình 3.20 Sự hình thành ô suy luận từ luật hợp thành 50

Hình 3.24 MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đàu ra và hệ số tích phân

Hình 3.28 Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lượng bộ điều khiển PID và bộ

Hình 3.29 Các tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị

Hình 3.30 Sai lệch tốc độ giữa bộ điều khiển mờ thích nghi và bộ điều

Hình P1.3 Biểu diễn vector dòng điện rotor trên hệ tọa độ cố định stator

Hình P1.4 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định stator

(  ,  ) và hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 75

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI

PID : Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, đạo hàm)

T - Đ : Hệ truyền động Thysistor - động cơ điện một chiều

FT : Máy phát tốc

F - Đ : Hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều

BT - Đ KĐB : Hệ thống truyền động vecto biến tần – động cơ không đồng bộ

BT : Biến tần KĐB : Không đồng bộ MRAFC : Model Reference Adaptive Fuzzy Controller (bộ điều khiển mờ thích nghi

theo mô hình mẫu)

FLC : Fuzzy Logic Control (hệ logic mờ )

MỞ ĐẦU

Trong thực tế, nhiều máy sản xuất có yêu cầu chuyển động công suất lớn hoặc những yêu cầu công nghệ chuyển động của máy sản xuất thì người ta thường dùng điều khiển chuyển động bằng nhiều động cơ Những chuyển động này khi làm việc thì điều chỉnh tốc độ có thể là công suất không đổi và mô men thay đổi hoặc khi điều chỉnh tốc độ thì công suất thay đổi và mô men không đổi hay có trường hợp trong quá trình làm việc tốc độ không đổi và mô men thay đổi Với những điều kiện cụ thể của máy sản xuất như vậy thì chuyển động nhiều động cơ là một yêu cầu cần thiết

Từ những yêu cầu trên, đề tài luân văn được nghiên cứu và chọn một hướng chuyển động của nhiều động cơ thích hợp để khảo sát và tính toán, đồng thời nâng cao chất lượng của hệ điều khiển chuyển động này Với cách đặt vấn

đề như vậy nên đề tài luận văn được chọn là: ”Nâng cao chất lượng hệ điều

khiển chuyển động nhiều động cơ ứng dụng trong chuyển động trục cán ”

Nội dung luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động nhiều động cơ ứng dụng chuyển động trục cán

Chương 2: Tổng hợp hệ truyền động nhiều động cơ ứng dụng cho truyền động trong dây chuyền cán thô

Chương 3: Xây dựng hệ điều khiển ổn định lực căng trong hệ điều khiển chuyển động dây chuyền cán thô

Kết luận và kiến nghị

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Bích Nga

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG

CƠ ỨNG DỤNG CHUYỂN ĐỘNG TRỤC CÁN

1.1 Ứng dụng hệ truyền động nhiều động cơ trong máy sản xuất

Trong công nghiệp, hệ truyền động nhiều động cơ được ứng dụng trong hai trường hợp:

- Trường hợp thứ nhất: Máy sản xuất có công suất lớn và rất lớn, trường hợp này nếu dùng một động cơ thì sẽ gặp rất nhiều khó khăn như: khó khăn trong quá trình lắp đặt, quả trình sửa chữa hay khởi động động cơ Vì vậy, trong trường hợp phụ tải lớn và rất lớn thì người ta hay sử dụng nhiều động cơ sẽ

khắc phục được nhược điểm của hệ dùng một động cơ công suất lớn và rất lớn

- Trường hợp thứ hai: Từ yêu cầu công nghệ của máy sản xuất hệ điều khiển chuyển động phải dùng nhiều động cơ Đó là hệ điều khiển chuyển động trong dây chuyền cán kim loại, các hệ điều khiển chuyển động trong công nghiệp dệt, công nghiệp giấy, vv

Trong hệ truyền động nhiều động cơ có thể dùng một loại động cơ, song các động cơ này phải có cùng một đặc tính cơ để quá trình làm việc phụ tải sẽ

được cân bằng trong các động cơ truyền động, trường hợp này được dùng trong

hệ điều khiển chuyển động có yêu cầu điều khiển chất lượng thấp, phụ tải không biến động, không điều chỉnh tốc độ Đối với những hệ điều khiển chuyển động phức tạp thì phải dùng hệ truyền động chất lượng cao mới thỏa mãn được các yêu cầu của máy sản xuất Hệ thống điều khiển chuyển động trục cán kim loại thuộc hệ điều khiển chuyển động này

1.2 Đặc tính phụ tải của hệ truyền động nhiều động cơ 1.2.1 Đặc tính phụ tải của máy gia công kim loại

Đặc tính phụ tải của máy gia công kim loại có dạng như hình vẽ 1 Trong vùng (1) máy làm việc với chế độ tải Mc nặng, vận tốc cắt gọt thấp

0 ≤ Vc ≤ Vgh Việc điều chỉnh tốc độ trong vùng (1) phải đảm bảo để M = Mc =

const Công suất Pc biến thiên Nếu dùng động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp, từ thông không đổi

Hình 1.1: Đặc tính phụ tải máy gia công kim loại

Trong vùng (2) máy sản xuất làm việc với phụ tải Mc bé, tốc độ Vc lớn,

Vc càng tăng thì Mc càng giảm, còn Pc không đổi Nếu dùng động cơ điện một chiều kích từ độc lập để truyền động, khi máy sản xuất làm việc ở vùng (2) việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Φgh ≤ Φ ≤ Φđm Đại bộ phận máy sản xuất làm việc với đặc tính phụ tải theo hai vùng riêng biệt, song cũng có những máy tùy theo công nghệ gia công làm việc cả hai vùng đặc tính phụ tải

Ví dụ, truyền động chính máy tiền cơ năng khi gia công mặt đầu, ban đầu đường kính vật lớn, máy làm việc trong vùng (1), qua quá trình tiện đường kính vật giảm nhỏ dần máy sản xuất chuyển sang vùng (2)

Trong máy gia công kim loại có một hệ truyền động rất quan trọng đó là truyền động cho dây chuyền cán nóng liên tục, hệ truyền động này thường gặp trong những máy cơ khí luyện kim Vì vậy, phần tiếp theo của luận văn này chúng ta sẽ nghiên cứu loại truyền động này

1.2.2 Đặc tính phụ tải của chuyển động trục cán trong dây chuyền cán liên tục

Mô hình dây chuyền cán liên tục được vẽ như hình vẽ 2

Hình 1.2: Mô hình cán liên tục

Dây chuyền chuyển động này có các chế độ làm việc như sau:

(2)

-

Bộ CL

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ ở chế độ cán thô

* Giới thiệu sơ đồ

M1, M2: Hai động cơ kéo trục cán 1 và 2

RT: Bộ điều chỉnh lực căng

R: Bộ điều chỉnh tốc độ

Ri: Bộ điều chỉnh dòng điện

FT1, FT2: Hai máy phát tốc

* Nguyên lý làm việc của khâu đồng tốc Khi các trục cán đồng tốc với nhau thì tín hiệu bộ điều chỉnh lực căng bằng 0 và không có tín hiệu ở đầu ra Trong quá trình làm việc nếu giữa các trục cán xảy ra hiện tượng không đồng tốc thì đầu vào bộ điều chỉnh lực căng

RT xuất hiện tín hiệu U và có tín hiệu ở đầu ra Tín hiệu này đưa đến bộ R

và tới Ri làm thay đổi tín hiệu Udk khi tới bộ biến đổi, bộ biến đổi sẽ điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ M2 dẫn đến thay đổi tốc độ của trục cán hai đồng tốc với tốc độ của trục cán một thì tín hiệu vào RT = 0

Chế độ này trục cán làm việc giai đoạn đầu của quá trình cán Mc lớn,

hệ thống trục cán làm việc trong vùng (1) của đặc tính phụ tải (Hình 1.1) Cụ thể được minh họa ở hình 1.4

M FT

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ ở chế độ cán tinh

* Giới thiệu sơ đồ

M: Động cơ truyền động

RT: Bộ điều chỉnh lực căng

R: Bộ điều chỉnh tốc độ

Riư: Bộ điều chỉnh dòng điện

Rikt: Bộ điều chỉnh dòng kích từ

FT: Máy phát tốc

* Nguyên lý điều chỉnh tốc độ

Trong sơ đồ này, bộ điều chỉnh lực căng RT có thể làm việc hoặc không làm việc Khi giữa các trục xảy ra hiện tượng đồng tốc thì bộ điều chỉnh lực căng không làm việc Khi đó hai vòng phản hồi là phản hồi âm tốc độ và phản hồi dòng điện phần ứng sẽ kết hợp để thực hiện đồng tốc, còn mạch vòng dòng điện kích từ để ổn định dòng kích từ cho động cơ khi điện áp dao động Sự thay đổi dòng kích từ phải có giới hạn cố định Imin để chỉ cho phép giảm từ thông tới một giá trị nào đó

Khi giữa các trục cán xảy ra hiện tượng không đồng tốc thì bộ điều chỉnh lực căng RT làm việc, để tự động điều chỉnh đồng tốc cho các trục cán

Ở chế độ này, sau khi cán thô vật liệu chuyển sang cán tinh, Mc nhỏ, bề mặt trơn bóng Khi Mc bé, máy làm việc với Vc lớn Hệ thống truyền động trục cán làm việc ở vùng (2) của đặc tính phụ tải (Hình 1.1) Cụ thể được thể hiện ở

Hình 1.6: Đặc tính phụ tải của quá trình cán tinh

c) Chế độ cán nối cứng trục động cơ với trục cán

Trường hợp trục cán truyền động nối cứng trục với hai động cơ, có nghĩa

là quá trình cán tốc độ hai động cơ truyền động cho trục cán không đổi, song khi phụ tải thay đổi cần điều chỉnh để cân tải cho hai động cơ truyền động Sơ đồ công nghệ của chế độ cán nối cứng trục được minh họa ở hình 1.7

Đ2 Đ1

ĐC1 ĐC2

Tải

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý nối cứng trục

Đặc tính phụ tải được minh họa như hình 1.9

V c

A

Hình 1.9: Đặc tính phụ tải khi nối cứng trục cán với hai động cơ

Sơ đồ nguyên lý tự động điều chỉnh mômen của hai động cơ được thiết

kế như hình vẽ 1.10

BĐK Dòng điện 1

Nguyên lý làm việc tự động điều chỉnh mômen như sau: Bộ điều khiển PID mạch vòng tốc độ bên ngoài chung cho cả 2 động cơ với thông số cố định, hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện bên trong riêng cho 2 động cơ, bộ điều khiển dòng điện động cơ 1 với thông số cố định, tín hiệu ra của bộ điều khiển này là tín hiệu mẫu, thông số bộ điều khiển dòng của động cơ thứ 2 được hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dòng điện giữa 2 động cơ (Hình 1.10) Nói một cách khác, bộ điều khiển dòng của động cơ thứ 2 là bộ điều khiển thích nghi được thiết kế dựa trên mô hình mẫu được tạo bởi bộ điều khiển dòng động cơ thứ nhất cùng một phần thông số của động cơ đó Với cấu trúc này trong quá trình vận hành, dòng điện động cơ thứ nhất được xem là dòng mẫu, động cơ thứ 2 luôn bám dòng động cơ 1 với sai số nhỏ nhất Có nghĩa phần ứng động của cả hai động cơ luôn bằng nhau

Từ các chế độ truyền động cho trục cán ở trên đã phân tích, trong bản luận văn này chọn chế độ cán nóng thô để tiếp tục nghiên cứu và khảo sát

1.3 Phân tích và chọn phương án truyền động cho cho hệ truyền động cán nóng thô

Như trình bày ở trên, chế độ cán thô thường có mômen cản lớn, trong quá trình cán việc điều khiển tốc độ thì mômen là không đổi và và công suất thay đổi, phạm vi điều chỉnh tốc độ không lớn lắm Với đặc điểm điều khiển phụ tải như trên thì trong thực tế chúng ta thường gặp những hệ thống truyền động như sau:

1.3.1 Hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều (F - Đ)

Hệ thống này về mặt công suất và khả năng điều chỉnh tốc độ hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu của truyền động cán thô Cụ thể là quá trình điều chỉnh tốc

độ thì từ thông kích từ động cơ không đổi và điều chỉnh vận tốc thông qua kích từ của máy phát, trong hệ thống kín cũng đảm bảo được chất lượng của hệ truyền động Song, nhược điểm lớn của hệ này là ồn, hiệu suất thấp và quá trình quá độ lớn vì vậy hệ thống này ngày nay không còn được sử dụng Sơ đồ hệ F

F U F = U Đ Đ I

M ω

Hình 1.11: Hệ truyền động F - Đ

1.3.2 Hệ truyền động chỉnh lưu Thysistor - động cơ điện một chiều (T - Đ)

Ngày nay việc ứng dụng hệ truyền động một chiều T – Đ với mạch vòng phản hồi kín nhằm đảm bảo tốt các chi tiêu tĩnh và động, hệ thống T - Đ ngày càng được sử dụng phổ biến, rộng rãi, nó có khả năng ứng dụng cho hệ truyền động có công suất nhỏ đến công suất lớn

Ưu điểm của hệ này là khắc phục được nhược điểm của hệ F - Đ ở

trên,việc khắc phục nhược điểm của hệ F - Đ là nhờ ưu điểm của việc ứng dụng

bộ Thysistor, cụ thể là: bộ biến đổi T - Đ có hiệu suất lớn, vì vậy hệ thống này đang được sử dụng nhiều trong thực tế

Cấu trúc hệ thống điều khiển T – Đ với hai mạch vòng kín tốc độ quay

và dòng điện như hình vẽ 1.12

Hình 1.12: Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - động cơ

Trong đó:

VF, VR: Hai bộ chỉnh lưu có điều khiển mắc song song ngược Bằng cách điều khiển các nhóm van trong bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra các chế độ dừng, quay thuận, quay ngược của động cơ

RI, Rω: Các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ nó có nhiệm vụ tổng hợp

và tạo ra điện áp điều khiển đưa tới các mạch phát xung Bằng cách lựa chọn các lượng phản hồi, lượng đặt các thông số của bộ điều chỉnh tốc độ Rω và bộ điều chỉnh dòng điện RI thích hợp sẽ đảm bảo chất lượng của hệ thống ở chế

độ tĩnh và động

GVF, GVR: Thiết bị phát xung cho hai bộ chỉnh lưu có điều khiển VF, VR

U*n, Un : Điện áp ứng với tốc độ quay cho trước và điện áp phản hồi tốc

độ quay

U*i, Ui : điện áp ứng với dòng điện cho trước và điện áp phản hồi dòng điện

1.3.3 Hệ thống truyền động vecto biến tần – động cơ không đồng bộ (BT - Đ KĐB )

Hiện nay hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc được sử dụng rất rộng rãi Sơ đồ khối của hệ truyền động này được thể hiện như hình vẽ 1.13

Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB

bằng thiết bị biến tần

Trong sơ đồ này có 2 mạch vòng phản hồi đó là:

- Mạch vòng phản hồi âm tốc độ để ổn định tốc độ để ổn định tốc độ

- Mạch vòng dòng điện để ổn định dòng điện mạch vòng này trong sơ đồ được tích hợp trong khối BT

- Biến tần (BT) là biến tần nguồn áp 3 pha dùng linh kiện bán dẫn Tranzito công suất phương pháp điều khiển biến tần này hiện nay là phương pháp điều khiển theo véc tơ không gian điện áp ra

Đối với các hệ truyền động ứng dụng bộ biến đổi bán dẫn với động cơ thì

hệ thống này là hệ thống mới Hệ thống này có ưu điểm nổi trội so với các hệ thống trên là nhờ ưu điểm của động cơ KĐB rô to ngắn mạch Động cơ này làm việc an toàn, chắc chắn, dễ bảo quản, sửa chữa và giá thành rất rẻ, hiện tại nhờ chế tạo được các biến tần, đặc biệt là biến tần nguốn áp và điều khiển độ rộng xung hoặc điều khiển vector không gian tạo ra điện áp đặt lên động cơ xoay chiều

có dạng trung bình là sin Với việc thay đổi được tần số và tạo được dạng điện

áp thích hợp, vì vậy biến tần nguồn áp làm bộ nguồn rất thích hợp cung cấp cho động cơ KĐB roto ngắn mạch Hệ thống biến tần - động cơ KĐB roto ngắn mạch hiện tại được thiết kế trong hệ thống truyền động điều khiển (hệ thống kín)

Hệ thống này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các hệ thống đã và đang có,

vì vậy nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực trong đó rất thích hợp trong truyền động cho chế độ cán thô Trong bài luận văn này chọn hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều KĐB để truyền động cho hệ điều khiển chuyển động cán thô

1.4 Kết luận chương 1

Qua phân tích đặc điểm, phụ tải của truyền động nhiều động cơ và trong bài luận văn đã chọn chế độ truyền động nhiều động cơ cho chế độ cán thô với

hệ truyền động biến tần - động cơ KĐB roto ngắn mạch Với định hướng trong chương này giúp cho việc tính toán ở chương tiếp theo

CHƯƠNG II:

TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG CHO TRUYỀN ĐỘNG TRONG DÂY CHUYỀN CÁN THÔ

2.1 Xây dựng hệ truyền động cho dây chuyền cán thô

Dựa trên cơ sở sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ ở chế độ cán thô hình 1.3 và qua kết luận trong chương I, luận án đã chọn hệ truyền động

BT - ĐKB để truyền động trục cán ở chế độ cán thô Vậy, sơ đồ nguyên lý hệ điều chỉnh đồng bộ tốc độ ở chế độ cán thô dùng hệ tuyền động BT - ĐKB được thiết kế như hình vẽ sau:

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ trong chế độ cán

thô dùng BT - Đ KĐB

* Giới thiệu sơ đồ

M1, M2: Hai động cơ điện xoay chiều kéo trục cán 1 và 2

RT: Bộ điều chỉnh lực căng

R: Bộ điều chỉnh tốc độ

Ri: Bộ điều chỉnh dòng điện

FT1, FT2: Hai máy phát tốc

* Nguyên lý làm việc của khâu đồng tốc: Tương tự như nguyên lý làm việc của khâu đồng tốc ở sơ đồ nguyên lý hình 1.3

2.2 Tổng hợp hệ truyền động BT - Đ KĐB cho hệ truyền động trong dây chuyền cán thô

Nhằm đạt được các tính năng điều khiển tương tự như động cơ một chiều

ta tiến hành mô tả động có không đồng bộ ba pha trên hệ toạ độ tựa theo từ

thông rotor, nghĩa là chuyển đổi được cấu trúc mạch và các mối quan hệ phức tạp của các đại lượng ba pha thành các tương quan minh bạch (dòng điện ~ từ

thông, dòng điện ~ mômen) như của động cơ một chiều Các phương thức điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha trên cơ sở phương pháp mô tả đó được gọi là phương thức điều khiển tựa theo từ thông rotor (rotor flux orientation)

Phương pháp được thực hiện theo các bước sau:

2.2.1 Mô tả động cơ KĐB ba pha dưới dạng các đại lượng vector không gian

Ta xét động cơ có số đôi cực p=1, trên stator có 3 cuộn dây bố trí lệch nhau

1200 Dây quấn rotor của động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc thực chất là dây quấn nhiều pha, nhưng ta có thể quy về dây quấn 3 pha (hình 2.2)

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ

Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn có dạng:

dt

d i R

k k k

u u

u u

c b a

u u

u u

i i

i i

i i

i i

0 0

0 0

0 0

R R

0 0

0 0

0 0

R R

R R

10

L L L

L L

L

L L

L L

ms ms

ms ms

ms ms

20

L L L

L L

L

L L

L L

mr mr

mr mr

mr mr

2 cos 3

2 cos

3

2 cos cos

3

2 cos

3

2 cos 3

2 cos cos

L

L

T m

m S

Trong đó Lm0()T là chuyển vị của ma trận Lm0()

Thay thế (3-3) vào (3-1) ta được các phương trình cân bằng điện áp viết dưới dạng ma trận rút gọn là:

pL pL

R u

T m

m S

S S



 0

0

(2-4)

2.2.2 Các phương pháp biến đổi các đại lượng điện của động cơ KĐB từ

hệ tọa độ của vectơ không gian (a,b,c) về các hệ tọa độ khác

Các phép biến đổi này được thực hiện ở phụ lục I

2.2.3 Sự biến đổi năng lượng và mômen điện từ

Bỏ qua tổn hao sắt từ và các tổn hao phụ thì năng lượng mà động cơ tiêu thụ sẽ chuyển hóa thành ba phần:

W = WR + WL + WCTrong đó: WR là tổn hao trên các điện trở dây quấn

WL là năng lượng từ trường

WC là năng lượng cơ

Trong khoảng thời gian dt bất kỳ, năng lượng mà động cơ tiêu thụ được xác định theo công thức:

d i

R1.1q 1q 1 1.1d m.2d 1q.

+    L i L i i dt

dt

d i

 Thành phần i k.dk , là thành phần năng lượng từ trường dWL

 Thành phần còn lại là năng lượng cơ

i i i i dt L

dW C   m 1q.2d  1d.2q .

Từ đó ta xác định được mômen điện từ theo công thức:

 q d d q

m C

i i i i L dt

dw d

( )

2

q d d q r q d d q

dt

d j M

 q d d q

k p M p

Khi đó ta có thể quy đổi các thông số về động cơ có một đôi cực theo công thức:

; '

M

Trong đó:

- M’, ’ , j’ , Mc ’ là các đại lượng chưa quy đổi

- M ,  , j , Mc là các đại lượng sau khi quy đổi

2.2.4 Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ

Từ phương trình (P1-29) ta xây dựng sơ đồ cấu trúc của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) như hình 2.3 và hình 2.4 Các tín hiệu phản hồi E1d , E1q , E2d , E2q , được xác định theo các phương trình phi tuyến:

2 2 1

1



2 2 1

1



q n

E2  1. 1

d n

Sơ đồ hình 2.3 mô tả cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ Sơ đồ hình 2.4 mô tả cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ Trong đó các tín hiệu điện áp, dòng điện, từ thông được mô tả bằng các vector Ma trận B0 được xác định theo công thức :

1 0

0

B

-Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ

2.2.5 Cơ sở để định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q)

Trở lại phương trình (P-29) ta có:

0 )

1 (

0

)

1 (

1 2

2 2

2

1 2

2 2 2

s

d m q s d

i L p

T T

i L T

p T

2 0







Hình 2.5: Định hướng từ thông trong hệ tọa độ

tựa theo từ thông roto (d,q)

Từ (2-8) ta xác định được các thành phần của vector dòng điện stator:

d s d

nm

s q

m

d d

i T L

T i

const L

i

1 2 2 2 1

2 1

.

1 2

.

.

d m s r

q d r

i L T k

i k M

q r q

m q q

d m d d

i k i

L L

i

i L L

i

1 1

2 2 2

1 2

2 2

) (

1

0 ) (

Như vậy khi định hướng vector từ thông rotor trùng với trục Od với biên

độ không đổi thì ta rút ra đặc điểm quan trọng là:

- Vector dòng điện rotor luôn vuông góc với vector từ thông rotor

- Thành phần i1d có giá trị không đổi, đóng vai trò là dòng điện từ hoá

- Các thành phần i1q , i2q và mômen M tỷ lệ với nhau và tỷ lệ với tốc độ trượt s

Từ công thức (2-10) ta có thể xác định giá trị i1d theo các thông số định mức của động cơ như sau:

m dm dm r

dm m

sdm r

dm d

L s T k

M L

T k

M i

.

Nếu coi từ thông rotor của động cơ không đồng bộ lúc không tải bằng từ

thông định mức, thì vector dòng điện stator được xác định như sau:

3

3

2 / 3

0 2 1

0 0

1

s q

m d

I T i

I I

I0m : là biên độ của dòng điện không tải

I0 : là giá trị hiệu dụng của dòng điện không tải

2 /

3 là hệ số qui đổi từ 3 pha về hệ 2 pha

Trên cơ sở phân tích như trên, ta xây dựng được sơ đồ điều khiển cho động cơ như hình 2.6 Trong hệ thống này ta thực hiện điều chỉnh vector dòng điện stator theo luật (2-9) nhờ đó mà định hướng được vector từ thông rotor trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) Các đại lượng điều chỉnh được quy đổi từ hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) sang hệ 3 pha (a,b,c) để đưa vào điều khiển bộ nghịch lưu Tín hiệu phản hồi dòng điện được quy đổi từ hệ

3 pha về hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) Các ma trận quy đổi có tham

số phụ thuộc vào góc quay và được xác định theo công thức:

1     



Với

d q

s s

i T i

k

1 2

độ đặt của động cơ  thay đổi tần số của bộ biến tần để thay đổi tốc độ của động cơ

2.2.6 Tổng hợp hệ truyền động BT - Đ KĐB a) Xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền động điện điều khiển vector biến tần và động cơ không đồng bộ

Từ sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ (hình 2.4) và sơ

đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ bằng thiết bị biến tần (hình 2.6), thành lập được sơ đồ cấu trúc chi tiết của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ (hình 2.7)

*

1q i

p

1

Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc chi tiết của hệ thống TĐĐ sử dụngbiến tần và

động cơ KĐB

Trong sơ đồ này ta coi gần đúng bộ biến tần là một khâu khuếch đại có

hệ số khuếch đại là ku Vector E t chứa thành phần phi tuyến xác định theo biểu thức:

r d n

q d

r q n

q q

d d tq

td t

T k

i L

T k i L E

E

E E E

E E

2 2 2 1

1

2 2

2 1

1

2 1

2 1

.

1

.

.

1

1 (

0

)

1 (

1 2

2 2

2

1 2

2 2 2

s

d m q s d

i L p

T T

i L T

p T

   

p T R p W

n



1





1 1

Khâu tạo mômen là một khâu phi tuyến có phương trình:

 2d i1q 2q i1d

k

Ma trận C0 là ma trận quy đổi từ hệ toạ độ vector không gian (a,b,c) về

hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q)

1 0

6 1 6

1 3 2 cos

sin

sin cos

.

1 1

1 1

1 3





C C C

-

-

-

-

Hình 2.8a: Sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá của hệ thống truyền động điện

sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ

Qua sự phân tích trên ta thấy quá trình biến đổi từ thông 2d là không đổi, cho nên động cơ KĐB giống như động cơ 1 chiều kích từ độc lập, do đó

ta chỉ cần khảo sát mạch thay đổi với 2 tham số momen và tần số Vì vậy ta

có sơ đồ cấu trúc rút gọn như hình 2.8b

Hình 2.8b: Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống điện sử dụng biến tần

và động cơ không đồng bộ

Từ sơ đồ cấu trúc trên ta lần lượt tổng hợp các mạch vòng dòng điện , tốc độ để tổng hợp hệ truyền động ổn định tốc độ

b) Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ

Quá trình tổng hợp được thực hiện ở phụ lục II Kết quả:

Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:

k k p T K

p T R p p

K

p T p T R p

i u

n n u

L n

n i

1 1

2

1 1

2

1 1

T p

R

2

Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn môdul đối xứng là:

 

p T

p T T K

T p

R

S S

2



c) Tổng hợp hệ ổn định tốc độ

Với kết quả tổng hợp được bộ điều chỉnh dòng điện và bộ điều chỉnh tốc

độ (theo 2 phương pháp mô đun tối ưu và mô đun đối xứng) việc thành lập hàm truyền hệ ổn định tốc độ được thực hiện như sau:

Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có:

(2-18) Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn môdul đối xứng

ta có:

(2- 19)

2.2.7 Mô phỏng hệ truyền động

Từ sơ đồ 2.8b ta có sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động BT - ĐKB ổn định tốc độ như sau:

n



1

1

1

ω sω ω

2 2 sω sω

1 p 2T 1

1 K

1 p 2T p 2T 1

1 (p)

3 3 sω 2

2 sω sω

1 p 4T 1

1 K

1 p 8T p 8T p 4T 1

1 (p)

WT: Hàm số truyền của bộ BT - ĐKĐB

WCBi: Hàm số truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện W L  p  1 T L p

1

WCBω: Hàm số truyền cảm biến của máy phát tốc W F =K F /(1+T F P)

WRi: Hàm số truyền của bộ điều chỉnh dòng điện  

p

k k p

p i

T p

R

2



a) Chọn và xác định các thông số:

- Các thông số cho trước: phụ lục 3

- Tính toán các thông số: phụ lục 3

b) Tiến hành mô phỏng

Sử dụng công cụ Simulink của Matlab, xây dựng mô hình mô phỏng mạch vòng điều chỉnh dòng điện và điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động với bộ điều chỉnh tốc độ là khâu PI

Hình 2.10: Sơ đồ mơ phỏng cấu trúc của hệ thống Matlab Simulink

c)Kết quả mô phỏng

Hình 2.11: Đáp ứng tốc độ đầu ra của hệ thống

Hình 2.12: Đáp ứng dòng điện đầu ra của hệ thống

2.3 Kết luận chương 2

Kết quả của việc tổng hợp hệ ổn định tốc độ với hai bộ điều chỉnh tốc độ

Rω, nếu dùng tiêu chuẩn môđun tối ưu ta được khâu tỷ lệ P còn nếu dùng tiêu chuẩn mô đun đối xứng ta được khâu PI, thông qua kết quả mô phỏng với bộ điều chỉnh tốc độ là khâu tỉ lệ ta nhận thấy chất lượng tĩnh và động hệ điều chỉnh này đều bảo đảm yêu cầu ứng dụng để điều khiển chuyển động trục cán

Chương tiếp theo chúng ta sẽ tiến hành xây dựng hệ ổn định lực căng trong dây chuyền cán thô