Báo cáo nghiên cứu khoa học: " ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHỞI ĐỘNG TUABIN KHÍ М15Э-OM5 BẰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN LIÊN HOÀN" pptx

Trong quá trình hoạt động 80 giây, động cơ khởi động làm việc ở hai chế độ: giai đoạn đầu động cơ làm việc ở chế độ kích từ độc lập, sau đó chuyển sang làm việc ở chế độ kích từ hỗn hợp

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHỞI ĐỘNG TUABIN KHÍ М15Э-OM5 BẰNG

THE CONTROL OF THE М 15Э-OM5 GAS TURBINE STARTER MOTOR

THROUGH CONSECUTIVE CONTROL STRUCTURE

Nguyễn Phùng Quang

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Nguyễn Ngọc Dĩnh

Nhà máy X50 T ổng Cục CNQP

đoạn hoạt động của động cơ trong quá trình khởi động tua bin Kết quả nghiên cứu được mô

ABSTRACT

The paper presents the research result and the design of control structure for the

ships The model of direct current motor and its regulator is performed adequately for each period of operation of motor during the gas turbine starting The investigation results verified by the simulation using Matlab shows that the process modeling and the design of the control structure are accurately made to be adapted to the technical requirements of the equipment

1 Đặt vấn đề

Tổ hợp động cơ tuabin khí loại М15Э-OM5 được sử dụng làm hệ động lực lai chân vịt trên tàu biển Việc quay động cơ tuabin khi khởi động được thực hiện bằng động cơ điện một chiều chuyên dụng ГСР-СТ-18000 Trong quá trình hoạt động (80 giây), động cơ khởi động làm việc ở hai chế độ: giai đoạn đầu động cơ làm việc ở chế

độ kích từ độc lập, sau đó chuyển sang làm việc ở chế độ kích từ hỗn hợp cho đến hết quá trình khởi động Động cơ được cấp nguồn từ tổ hợp nắn dòng khởi động ΤΠС-60К-1,7КДЖ việc chuyển chế độ làm việc của động cơ được thực hiện từ chương trình điều khiển khởi động tua bin Tuy nhiên do được chế tạo từ năm 1990, nên hệ thống điện điều khiển có kết cấu rất phức tạp, linh kiện thuộc thế hệ cũ Sau nhiều năm đưa vào khai thác sử dụng, hiện nay độ tin cậy và tính ổn định của tổ hợp nắn dòng không cao Bài báo này giới thiệu các kết quả nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển cho động cơ

khởi động tuabin khí М15Э-OM5 làm tiền đề cho việc cải tiến thay thế cấu trúc điều khiển cũ đang được sử dụng hiện nay

2 Động cơ khởi động ГСР-СТ-18000 và biểu đồ thời gian khởi động tuabin

Mạch phần ứng của động khởi động được nhận nguồn từ kênh 1, cuộn kích từ

T ẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009

của động cơ nhận nguồn từ kênh 2 của tổ hợp nắn dòng như hình 1 Sự biến đổi dòng điện trong mạch phần ứng và mạch cuộn kích từ của động cơ được thể hiển như biểu đồ

thời gian các thông số ra của tổ hợp nắn dòng như hình 2

- Trong kho ảng thời gian t<t 1 (t 0 ÷t 1 ), điện áp kênh 2 lớn hơn điện áp kênh 1đi

ốt D1 bị chặn, động ở chế độ động cơ kích từ độc lập Trong khoảng thời gian t = t 1 ÷t 2 ,

điện áp kênh 1 lớn hơn điện áp kênh 2đi ốt D2 bị chặn, động cơ chuyển sang hoạt động

ở chế độ động cơ kích từ hỗn hợp Trong khoảng thời gian t = t3÷t4 bắt đầu quá trình

đốt cháy nhiên liệu, năng lượng khí đốt đảm nhiệm quay tuabin Đến thời điểm t4 hệ

thống khởi động động cơ sẽ ngắt động cơ khởi động, kết thúc quá trình khởi động tuabin

Từ sơ đồ cấu trúc của hệ thống ta có sơ đồ mạch thay thế như hình 3

Hình 3 Sơ đồ thay thế động cơ khởi động tuabin

a) Sơ đồ thay thế cấu trúc của hệ thống

b) Sơ đồ thay thế động cơ làm việc ở chế độ kích từ độc lập

c) Sơ đồ thay thế động cơ làm việc ở chế độ kích từ hỗn hợp

3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển liên hoàn quá trình khởi động tuabin từ t = t ÷t

Chung

Kênh II

Kênh I

-+

+

-+

+

KP

KPB

D1 D2 R

L 3

L 1

L 2

Hình 1 S ơ đồ cấu trúc của hệ thống

t, ( s )

I dI, A

200 1000

60

0

50

0 20

t, ( s )

t, ( s )

t 1 t 2

t = 80 (s)

U dI, V

t 3 t 4

I dII, A

t 0

Hình 2 Biểu đồ thời gian lý tưởng các thông số ra của tổ hợp

khi khởi động tuabin Trong đó: I dI Dòng tải và U dI Điện áp ra kênh 1,I dII Dòng kênh 2

a)

Mô hình đối tượng làm việc ở chế độ kích từ độc lập tương ứng với giai đoạn t<t 1

- Phương trình dòng điện phần ứng

được

mô t ả dưới dạng hàm truyền đạt như sau:

(1 )(1 ) ( (1 )) (1 )(1 ) ( (1 ))

- Phương trình dòng điện kích từ

1

A

R T s

+ +

- Phương trình suất điện động cảm ứng : e s A( ) = k eψ ωM m( )s (3)

- Phương trình mô-men điện từ: m s M( ) =k MψM A i s( ) (4)

- Phương trình cân bằng mô-men trên trục động cơ

( )

dt

Hàm truyền đạt của khâu điều khiển dòng phần ứng và dòng kích từ I

1 1

( )

IA

R s

i∗ s i s T s k T s

( )

Ik

R s

i ∗ s i s T s k T s

Mô hình đối tượng làm việc ở chế độ kích từ hỗn hợp tương ứng với giai đoạn t>t 1

Mô hình trạng thái mô tả đối tượng:

được mô tả trên không gian trạng thái như sau:

−









•

x A x Bu

y C x Du

(7)

Trong đó: f A1

m

i

x i

ω

−

 

 

=  

 

: Vectơ trạng thái;

-kI

T

u u m

 

=  

 : Vectơ đầu vào;

A f

i y i

 

=  

 : Vectơ đầu ra Trong đó:iA dòng điện phần ứng; if1 dòng điện kích từ; ωm tốc độ động cơ; ukI điện áp

cấp cho phần ứng từ trạm nắn dòng; mT

Trong đó ma trận hệ thống A, ma trận điều khiển B và các ma trận đầu ra C,D:

mô men tải

-A =

M

k

J

ψ ψ ψ

;

2

2

0

1

-f f f f

L L

L L L

L L

L L L

J

−

−

; C = 1 0 0

0 0 1

 ;

0 0

D =

0 0

 

 

 

Bộ điều khiển phản hồi trạng thái K được thiết kế theo phương pháp

T ẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009

Roppenecker là: -0.0249 -3.0996 -0.0151

-0.4086 -6.5146 -5.3900

Từ cấu trúc điều khiển của đối tượng trong hai giai đoạn t<t1 và t>t1 ta thu được

sơ đồ cấu trúc điều khiển liên hoàn của động cơ khởi động tuabin trong cả quá trình như hình 4

Hình 4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển liên hoàn cho động cơ khởi động tuabin

4 Các kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng kiểm chứng trên Matlab & Simulink với các thông số của động cơ khởi động như sau: UAđm = 60 V, IAđm= 1000 A, Uktđm = 40 V, Iktđm

n

= 34 A, đcđm = 9000 v/p, RA = 0,04 Ω; LA = 0.001 H, Rf1 = 1,15 Ω; Lf1 = 0.047 H, Rf2 = 0,03 Ω; Lf2 = 0.010 H, Rf3 = 0,006 Ω, Lf3 = 0.012 H, Lm = 1.8, J = 1 kg.m

K ết quả mô phỏng đối tượng trong giai đoạn làm việc ở chế độ kích từ độc lập

2

Hình 5 Đáp ứng dòng phần ứng

c ủa đối tượng trong giai đoạn t<t

Hình 6 Đáp ứng dòng kích từ

c ủa đối tượng trong giai đoạn t<t

1

ết quả mô phỏng đối tượng trong giai đoạn làm việc ở chế độ kích từ hỗn hợp

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

thoi gian[s]

Gia tri dat

Dap ung dong phan ung giai doan t<t1

0 5 10 15 20 25 30 35

Thoi gian[s]

Gia tri dat

Dap ung dong kich tu giai doan t<t1

Hình 7 Đáp ứng dòng phần ứng

trong giai đoạn t>t

Hình 8 Đáp ứng dòng kích từ trong giai đoạn t>t

1

K ết quả mô phỏng quá trình làm việc của đối tượng với cấu trúc điều khiển liên

hoàn tro ng hai giai đoạn t<t

1

1 và t>t 1 được ghép với nhau

Hình 9 Đáp ứng dòng phần ứng

trong c ả quá trình khởi động

Hình 10 Đáp ứng dòng kích từ trong c ả quá trình khởi động

Hình 11 a) Bi ểu đồ thời gian tăng trưởng dòng điện phần ứng b) Bi ểu đồ thời gian lý tưởng các thông số ra của tổ hợp khi khởi động tuabin[4]

5 Kết luận

-200

0

200

400

600

800

1000

Thoi gian[s]

Gia tri dat

Dap ung dong phan ung t>t1

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Thoi gian [s]

Gia tri dat

Dap ung dong phan ung t>t1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 -200

0 200

400

600

800

1000

Thoi gian[s]

t=t1=2s thoi diem chuyen mo hinh cua doi tuong

Thoi diem t=t3

Thoi diem t=t4 Dap ung dong phan ung qua trinh khoi dong

0 10 20 30 40 50 60 70 80 -5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Thoi gian [s]

Dap ung dong kich tu ca qua trinh Gia tri dat

Thoi diem ngat dong co khoi dong t=t4 Thoi diem t=t3

T ẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009

Từ đặc điểm cấu trúc thực tế của động cơ khởi động, đối tượng được xây dựng theo hai mô hình: mô hình hàm truyền đạt và mô hình trên không gian trạng thái tương ứng với hai cấu trúc điều khiển phản hồi đầu ra và phản hồi trạng thái Giải pháp điều khiển này đã cho phép ta xây dựng được một cấu trúc điều khiển liên hoàn cho đối tượng bằng cách chuyển tiếp giá trị phản hồi đầu ra của mô hình hàm truyền đạt sang

mô hình không gian trạng thái thông qua các biến trạng thái, đây là một phương pháp điều khiển có thể áp dụng để điều khiển cho các đối tượng có cấu trúc tương tự

Các kết quả mô phỏng so sánh với đặc tính lý thuyết hình 11 của tài liệu kỹ thuật

[4] ta thấy rằng thời gian phát triển dòng phần ứng đạt đến giá trị xác lập là 5,5 giây, như vậy đảm bảo được yêu cầu đặt ra Tại các thời điểm t = t1, t = t3, t = t4

Qua kết quả mô phỏng cho phép ta khẳng định rằng phương pháp điều khiển cho đối tượng là phù hợp, có thể áp dụng làm cơ sở nghiên cứu để thiết kế bộ điều khiển

mới thay thế cho hệ thống điều khiển cũ, góp phần giải quyết những vấn đề cấp thiết như đã được trình bày ở trên

trên đặc tính

của tài liệu không được thể hiện, điều này cũng dễ hiểu vì đáp ứng được xây dựng một cách lý tưởng và thể hiện ở chế độ xác lập

[1] Nguyễn Doãn Phước (2007), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB khoa học và kỹ

thuật, Hà Nội

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[2] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink, NXB khoa học và kỹ thuật, Hà

Nội

[3] Nguyễn Phùng Quang (2006), Truyền động điện thông minh NXB khoa học và kỹ

thuật, Hà Nội

[4] Эксплуатационная документация на агрегаты выпрямительные ТПС-60к- 1,7 кдж техническое описание и инструкция по эксплуатации 2 ДЖ 947.279.ТО [5]

[6]

Групповая система управления техническими средствами техническое описание 1241РЭ-079-010-ТО

Групповая система управления техническими средствами катера албом схем Электрических 1241РЭ-079-010-ТО