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

Mục lục trang Lời nói đầu 1 Chơng 1 Tổng quan về dây chuyền sản xuất cáp điện 2 1.1. Vài nét về sự phát triển của dây chuyền sản xuất cáp điện 2 1.2. Cấu trúc của dây chuyền sản xuất cáp điện 3 1.3. Nguyên lý hoạt động của dây chuyền sản xuất cáp điện 3 Chong 2Thiết kế điều khiển đồng bộ hoá tốc độ và mômen cho các động cơ truyền động 4 2.1. Mô hình các động cơ truyền động 4 2.1.1. Mô hình toán học của động cơ điện một chiều 4 2.1.2. Hệ truyền động nhiều động cơ 7 2.1.2.1. Yêu cầu công nghệ đối với hệ truyền động nhiều động cơ 7 2.1.2.2. Hớng đề tài nghiên cứu 8 2.2. Trình tự tiến hành mô phỏng 9 2.2.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện 9 2.2.2. Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ 11 2.3. Điều khiển đồng bộ hoá tốc độ và mômen cho các động cơ truyền động 13 2.3.1. Các thông số của động của động cơ truyền động 13 2.3.2. Tiến hành mô phỏng bằng Matlab 18 Tài liệu tham khảo 24 Lời nói đầu Sự ra đời và phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật đã đồng hành cùng với sự bùng nổ tiến bộ của kỹ thuật ở lĩnh vực điện - điện tử tin học trong những năm gần đây đã dẫn đến những thay đổi sâu sắc cả về mặt lý thuyết lẫn thực tế của lĩnh vực sản xuất và đời sống. Ngày nay, xà hội ngày cang phát triển nên nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng ra tăng trong mọi lĩnh vực. Do đó ngày càn có nhiều nhà máy thuỷ, nhiệt 4 điện đang đợc xây dựng mới trên khắp cả nớc ta. Khi đó lại đặt ra một vấn đề chuyển 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 các công 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 chuyền hiện đại dây cáp điện sản xuất ra đã đáp ứng đợc yêu cầu của thị trờng. Vì vậy viêc 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 rất quan 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. 5 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 tự động. Giới thiệu về các động cơ truyền động trong dây chuyền: - Động cơ đùn nhựa DM1 ( Extruder ): + Là động cơ một chiều kích từ hỗn hợp với các thông số: P = 150 KW, n = 1750 RPM, U = 380 V + Đợc làm mát bằng động cơ KĐB( 20IM1 ) có thông số: 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 = 0,75 KW, 3ỉ, U = 380 V - Động cơ Traveser 33SM1: + Là động cơ KĐB với các thông số: P = 1.5 KW, n = 2000 RPM, U = 220 V, 3ỉ - Động cơ quấn dâyDM3( Take-up ): + Là động cơ một chiều kích từ hỗn hợp với các thông số: P = 5.5 KW, n = 1750 RPM, U = 380 V + Đợc làm mát bằng động cơ KĐB( 20IM1 ) 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: 6 TAKE-UP CATERPILAR EXTRUDER PAY- OFF 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. * Bộ phận tạo vỏ bọc cho cáp: - Extruder: dùng động cơ 1chiều kích từ hỗn hợp DM1 để tạo vỏ bọc cho dây cáp. * Bộ phận quấn dây: - Caterpilar: là giàn kéo cáp đợc truyền động bởi động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp DM2. - Take-up: là phần quấn cáp đợc truyền động bởi động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp DM3. 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 Cylinder cooling blower. Tuỳ theo cách lắp đầu hình mà ta có thể cho ra 1 hoặc 2 sợi dây cáp. 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 động cơ 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 tiếp tục quấn trụ cáp mới. Trong suốt quá trình từ việc tạo ra sợi cáp đến quấn cáp tốc độ giữa các động cơ truyền động phải đợc thay đổi cho phù hợp với sự thay đổi của mômen( hay chính là sức căng của dây cáp ), và giữa các động cơ luôn phải có một tỉ lệ nhất định giữa tốc độ và mômen để đảm đợc chất lợng cáp. Đặc biệt khi 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 : 7 ce MM dt dw J = (2.1) Trong đó: M e : mômen quay của động cơ M c : mômen cản của cơ cấu thực hiện J: mômen quán tính - Phơng trình cân bằng điện áp : a a aaa E dt di LirU ++= (2.2) L a : điện cảm phần ứng E a : sức điện động sinh ra ở phần ứng r a : điện trở phần ứng - Mômen quay: aMc iCM = (2.3) C M : hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ : từ thông tổng của mạch từ động cơ( gồm từ thông kích từ và từ thông phần phần ứng ). i a : dòng điện phần ứng - Sức điện động phần ứng: Tea CE = (2.4) C e : hệ số phụ thuộc vào kết cấu của động cơ Ta có: 60 .2 dm dm n = (2.5) Trong chế độ xác lập có thể tính đợc tốc độ qua phơng trình cân bằng điện áp phần ứng nh sau: = . . k IRU u dm (2.6) Do đó ta có: dmedmu CiRU += (2.7) 8 dt dw JMM n P n P M P M iRU C ce dm dm dm dm dm dm dm dm dm dmu e = == = = 9550. .2 60. . . (2.9) Đa hệ phơng trình của động cơ một chiều kích từ độc lập về đại l- ợng tơng đối: - Điện áp : nb UU = (2.10) trong đó: U b : đại lợng so sánh cơ bản U n : giá trị định mức của điện áp nguồn - Dòng điện : nb ii = (2.11) trong đó : i b : đại lợng so sánh cơ bản i n : giá trị định mức của dòng điện - Tốc độ : nb = (2.12) trong đó : b : đại lợng so sánh cơ bản n : giá trị định mức của tốc độ - Điện trở : b b b i U r = (2.13) - Mômen : iCM bMb = (2.14) - Từ thông : be b b C U . = (2.15) - Ký hiệu 9 b X X X = * (2.16) - Do đó ta có : ( ) ( ) ( ) dk d cl u u e M u e b bM b b M ce b b cebb U U K R L T C RJ T w MT J M w JT MM dt d M wJ MMM dt d wJ = = = = = = = 2 ** * ** * . . . . . . (2.17) trong đó : T M : hằng số thời gian cơ khí T a : hằng số điện từ của động cơ T c : hằng số thời gian điện cơ U d : điện áp phần ứng T si = T i + T vo + T đk << T T s = 2.T si + T 2.1.2. Hệ truyền động nhiều động cơ 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 xuất liên tục, trong đó vật liệu đồng thời chạy qua nhiều phần truyền động của nhiều thiết bị công nghệ, mỗi một truyền động cần phải làm việc với tốc độ thích hợp hoặc 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 đòi hỏi 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 sản xuất liên tục gồm các yêu cầu cơ bản: 10 - Tất cả truyền động thành phần đều phải giữ tỷ lệ tốc độ không đổi trong cả 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 liệu thay đổi dẫn đến yêu cầu thay đổi tốc độ làm việc thờng tỷ lệ này thay đổi không lớn, 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 vật liệu cao sai số ít. Nh vậy hệ truyền động phải đảm bảo độ chính xác điều chỉnh cao. - Một số vật liệu đợc sản xuất trong dây truyền liên tục có yêu cầu về chủng 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 kết cơ giữa các động cơ thành phần. * Các động cơ liên kết cơ cứng qua hộp giảm tốc yêu cầu đặc tính cơ của từng 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 cả các truyền động cơ còn lại, các truyền động này có nhiệm vụ điều chỉnh gi mômen không đổi. Tốc độ của tất cả các truyền động chạy theo băng còn lực căng 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 mạch vòng nhân tạo trong dây chuyền bằng tín hiệu tỷ lệ với chiều dài, mạch vòng có thể 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 động phải thay đổi phụ thuộc vào đờng kính các cuộn vật liệu, hay nói cách khác là giữ 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 mục 2.1.2.1 chúng ta thấy là rất rộng, rất nhiều vấn đề phải nghiên cứu và có rất nhiều hớng nghiên cứu giải quyết khác nhau ở đây em tập trung nghiên cứu và mô 11 phỏng việc đồng bộ hoá tốc độ hệ truyền động nhiều động cơ với nguồn cấp riêng từng động cơ. Phơng pháp dùng nguồn cung cấp điện áp phần ứng chung có u điểm đơn giản, nhng đối với dây truyền công nghệ có sản phẩm thay đổi nh vật liệu hay bề dày thay đổi, nh vậy tốc độ đầu vào và đầu ra một trục có sự khác biệt, cho nên cần có sự chỉnh định riêng và phơng án dùng nguồn cấp riêng cho từng động cơ thích hợp hơn. Sơ đồ nguyên lý hệ dùng nguồn cấp riêng biệt: Để đo tín hiệu sai lệch tốc độ, ta dùng triết áp P L , 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 PD nếu dùng bộ điều chỉnh có thành phần tích phân thì hệ không ổn định. Từ sơ đồ cấu 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 12 Hình 2.1. Cấu trúc mạch vòng dòng điện tổng quát Sơ đồ cấu trúc: trong đó: T = u u R L : Hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng Sơ đồ tơng ứng: Hình 2.2. Cấu trúc mạch vòng dòng điện rút gọn Từ sơ đồ trên ta có hàm truyền của đối tợng : S oi (p) = )1)(1)(1)(1( /. )( )( uVidk uicl dk i pTpTpTpT RKK pU pU ++++ = ứng với điều kiện : T si = T i + T V +T đk <<T Bỏ qua các thành phần bậc cao ta có S oi (p) = )1)(1( /. usi uicl pTpT RKK ++ Theo tiêu chuẩn Modul tối u ta có hàm truyền hệ kín nh sau: F Moi = 22 .2.21 1 pp ++ 13 [...]... 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 động 2.3.1 Các thông số của động của động cơ truyền động * Động cơ đùn nhựa Các thông số cho trớc: Pđm : công suất địng mức của động cơ 150 kw Uđm : Điện áp... Random Hình 2.10 Tốc độ mô phỏng của các động cơ truyền động Hình 2.11 Dòng điện mô phỏng của các động cơ truyền động 23 Hình 2.12 Chênh lệch tốc độ của động cơ Caterpilar và động cơ Takeup 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:... 2.6 Mô hình mô phỏng các động cơ truyền động 21 * Mô hình động cơ 1( động cơ Extruder) Hình 2.7 Mô hình mô phỏng động cơ Extruder * Mô hình động cơ 2( động cơ Caterpilar ) Hình 2.8 Mô hình mô phỏng động cơ Caterpilar * Mô hình động cơ 3 động cơ Take up) Hình 2.9 Mô hình mô phỏng động cơ Take-up 22 * Kết quả mô phỏng: + Khi tốc độ của các động cơ là nh nhau: - Với tốc độ động cơ Extruder đợc đặt ban... theo môdun tối u và tổng hợp hệ đồng tốc theo nguyên tắc điều chỉnh tốc 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 độ hoặc 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 26 Tài liệu tham... sau: 24 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... 260 0,655.0,055.2.0,01 * Động cơ quấn cáp Các thông số cho trớc: Pđm : công suất địng mức của động cơ 5,5 kw Uđm : Điện áp định mức phần ứng 380 V nđm : Tốc độ quay định mức 1750 V/ph dm : Hiệu suất danh định của động cơ 90% L : Điện cảm phần ứng 0,2 H Ti : Hằng số thời gian máy biến dòng 0,002 S TV : Hằng số tời gian bộ chỉnh lu 0,0025 S Tđk : Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lu 0,0001 S T... 0,048.0,055.2.0,01 * Động cơ giàn kéo 17 Các thông số cho trớc: Pđm : công suất địng mức của động cơ 11kw Uđm : Điện áp định mức phần ứng 380 V nđm : Tốc độ quay định mức 1750 V/ph dm : Hiệu suất danh định của động cơ 90% L : Điện cảm phần ứng 0,2 H Ti : Hằng số thời gian máy biến dòng 0,002 S TV : Hằng số tời gian bộ chỉnh lu 0,0025 S Tđk : Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lu 0,0001 S T... thấy tốc độ có sự tỉ lệ với nhau, sau thới gian quá độ chúng đều ổn định 25 để phù hợp với công nghệ Còn dòng điện trong cả hai trơng hợp thay đổi không đáng kể - Và để nâng cao chất lợng của dây cáp sản xuất ra ta có thể thay đổi quan hệ tốc độ và mômen giữa các động cơ với nhau để phù hợp với yêu cầu - Từ kết quả mô phỏng ta thấy trên mô phỏng khi ta tổng hợp bộ điều khiển theo môdun tối u và tổng... min(Tsi,Tu) = Tsi Rút gọn ta đợc hàm truyền: Ri(p) = 1 + pTu Ru Tu 1 = (1 + ) 2 pK cl K i Tsi / Ru 2 K cl K i Tsi pTu Vậy Ri(p) là khâu tỉ lệ tích phân (PI) 2.2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ Cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ : Hình 2.3 Cấu trúc của mạch điều khiển tốc độ tổng quát Trong đó lấy hàm truyền của mạch vòng dòng điện là khâu quán tính bậc nhất, bỏ qua các thành phần bậc cao Viết gọn sơ đồ... pháp bù điện áp phần ứng 26 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 27 . hợp bộ điều chỉnh tốc độ 11 2.3. Điều khiển đồng bộ hoá tốc độ và mômen cho các động cơ truyền động 13 2.3.1. Các thông số của động của động cơ truyền động. 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.