nghiên cứu, thiết kế kỹ thuật và công nghệ chế tạo các hệ thống điều khiển truyền động điện cho máy móc và các thiết bị tàu thủy 6

BỘ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CƠNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ o0o - Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài cấp nhà nước “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO MÁY MÓC VÀ CÁC THIẾT BỊ TÀU THUỶ” (Ứng dụng điện tử công suất lớn) Mã số: KC.06.23.CN Chủ nhiệm Đề tài: Th.s Nguyễn Văn Thắng 6981 08/9/2008 Hà nội, tháng 05/2008 TỔNG CÔNG TY CÔNG NGHIỆP TÀU THUỶ VIỆT NAM CƠNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ o0o BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO MÁY MÓC VÀ CÁC THIẾT BỊ TÀU THUỶ” (ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LỚN) Mã số : KC.06.23.CN Thuộc chương trình : KHCN trọng điểm cấp nhà nước giai đoạn 2001-2005 “Ứng dụng công nghệ tiên tiến sản xuất sản phẩm xuất sản phẩm chủ lực” Chủ nhiệm Đề tài : Th.s Nguyễn Văn Thắng Cơ quan : Cơng ty Cơ khí - Điện - Điện tử tàu thuỷ Cơ quan chủ trì Đề tài : Cơng ty Cơ khí - Điện - Điện tử tàu thuỷ Địa : Tổ - Láng thượng - Đống đa - Hà nội Hà nội, tháng 05/2008 BÀI TÓM TẮT Nội dung: Nghiên cứu, thiết kế, ứng dụng thành tựu công nghệ điện tử công suất giới chế tạo hệ thống điều khiển truyền động điện boong tàu thuỷ đạt chất lượng cao, tính hoạt động ổn định, lắp đặt xuống tàu thuỷ Mục tiêu đề tài: Thiết kế kỹ thuật công nghệ chế tạo hệ thống, thiết bị điều khiển truyền động máy móc tàu thuỷ, chủ động kỹ thuật, cơng nghệ để nhanh chóng tiếp cận hội nhập khu vực giới Phương pháp tiếp cận hướng nghiên cứu: dựa trình độ khoa học kỹ thuật có ngồi ngành cơng nghiệp đóng tàu nước ta Qua khảo sát tình hình cung ứng vật tư thiết bị, kết hợp với việc tìm hiểu tài liệu nước khả kỹ thuật cơng nghệ chế tạo, nhóm Đề tài chọn giải pháp tính tốn, thiết kế hệ thống nguyên lý đặc trưng, lựa chọn phần tử, block, panel có đặc trưng kỹ thuật phù hợp hãng lớn có uy tín nước ngồi tích hợp, ghép nối, hồn thiện sản phẩm đưa xuống tàu áp dụng thử nghiệm, lấy số liệu phân tích, điều chỉnh rút kinh nghiệm Sản phẩm tạo phù hợp với điều kiện làm việc nặng nề máy móc boong tàu thuỷ Đây xem đóng góp quan trọng đề tài Kết đạt được: Hoàn thành nội dung đăng ký, tài liệu nghiên cứu, tính tốn, thiết kế qui trình cơng nghệ thoả mãn tiêu chuẩn qui phạm phù hợp với khả trình độ thiết kế chế tạo nước, chuẩn hoá mẫu mã, module cho thiết bị hệ thống điều khiển truyền động điện ứng dụng điện tử công suất lớn cho máy neo, cần cẩu tàu thuỷ, đưa xuống lắp đặt thử nghiệm hoạt động tàu, làm sở cho việc thiết kế kỹ thuật công nghệ để lâu dài đến chế tạo hệ thống điều khiển truyền động điện cho hầu hết thiết bị boong mà nhập đồng từ nước Kết đề tài mang ý nghĩa khoa học kỹ thuật, kinh tế, xã hội cao, lần đầu biến đổi tần số công suất lớn ứng dụng thành công tàu thuỷ Đề tài đồng thời tạo điều kiện cho trình đào tạo nâng cao trình độ khoa học kỹ thuật lực công nghệ dần bước làm chủ hệ thống điều khiển để tự chế tạo máy móc thiết bị đại với cơng nghệ cao, đóng góp đội ngũ cán kỹ thuật có khả đáp ứng đòi hỏi cấp thiết cơng cơng nghiệp hố, đại hố đất nước nói chung cho ngành cơng nghiệp tàu thuỷ phát triển MỤC LỤC BẢNG KÝ HIỆU .3 MỞ ĐẦU PHẦN I: TỔNG QUAN CHUNG CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN TỬ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG VÀO TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn 1.2 Một số phần tử bán dẫn công suất ứng dụng điều khiển truyền động điện 10 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 14 2.1 Đặt vấn đề hệ truyền động 14 2.2 Khái quát chung điều khiển động khơng đồng rotor lồng sóc 17 2.2.1 Sơ đồ thay phương trình động khơng đồng điều khiển thay đổi tần số nguồn cung cấp 17 2.2.2 Hệ thống điều khiển tần số đặc tính động không đồng 20 2.3 Động không đồng hệ thống điều khiển tần số bù sụt áp điện trở Stator 21 2.3.1 Ảnh hưởng điện trở Stator lên chất đặc tính động 21 2.3.2 Điều khiển tần số với việc bù sụt áp điện trở Stator 25 2.4 Tính chất động hệ thống điều khiển truyền động động không đồng biến đổi tần số 26 CHƯƠNG 3:CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG CHO TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TÀU THUỶ 38 3.1 CÁC BỘ BIẾN TẦN TRỰC TIẾP CHO TÀU THUỶ 38 3.1.1 Nguyên lý hoạt động 38 3.1.2 Phân loại sơ đồ biến tần trực tiếp 39 3.2 CÁC BỘ BIẾN TẦN VỚI KHÂU TRUNG GIAN CHIỀU CHO TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TÀU THUỶ 42 3.2.1 Nguyên lí hoạt động phân loại 42 3.2.2 Phương pháp điều chỉnh điện áp biến đổi 43 3.2.3 Một số đặc thù khác biệt nghịch lưu kiểu dòng áp, phạm vi áp dụng chúng 45 3.2.4 Sơ đồ động lực biến đổi truyền động điện tàu thuỷ 47 3.2.5 Tính tốn biến đổi tần số 49 PHẦN II: THIẾT KẾ KỸ THUẬT VÀ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MÁY NEO VÀ CẦN CẨU TÀU THUỶ .54 CHƯƠNG 1:HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MÁY NEO 54 1.1 1.2 1.3 1.4 Yêu cầu điều kiện làm việc thiết bị neo 54 Đặc tính phụ tải thiết bị neo tàu thuỷ 57 Tính tốn hệ truyền động 62 Sơ đồ thiết kế hệ truyền động điện máy neo 65 CHƯƠNG 2:HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CẦN CẨU TÀU THUỶ 66 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Yêu cầu điều kiện làm việc cần cẩu tàu thuỷ 66 Đặc tính phụ tải yêu cầu hệ truyền động cấu tời nâng hàng 67 Tính chọn động truyền động 74 Kiểm nghiệm công suất động 76 Sơ đồ thiết kế 77 CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN VÀ CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ, PHẦN TỬ CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MÁY MÓC TRÊN BOONG TÀU THUỶ 78 3.1 Phân tích công nghệ lựa chọn giải pháp kỹ thuật để ứng dụng phần tử, thiết bị điện tử công suất lớn cho hệ truyền động điện tàu thuỷ 78 3.2 Chế tạo, lựa chọn tích hợp phần tử thiết bị panel cho hệ điều khiển truyền động điện máy neo cần cẩu 79 3.3 Lắp đặt, thử nghiệm hướng dẫn sử dụng, vận hành hệ thống 80 CHƯƠNG 4:QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO, LẮP ĐẶT, THỬ NGHIỆM CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRÊN BOONG TÀU THUỶ .81 4.1 4.2 4.3 4.4 u cầu quy trình cơng nghệ chế tạo lắp đặt thử nghiệm 81 Sơ đồ quy trình cơng nghệ 82 Các bước thực 83 Các tiêu đánh giá sản phẩm đề tài 88 PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 BẢNG KÝ HIỆU PLC PROGRAMABLE LOGIC CONTROLLER SCADA SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION DCS DITRIBUTED CONTROL SYSTEM PC PERSONAL COMPUTER IC INTERGRATED CHIP CPU CENTER PROCCESING UNIT DTC DIRECT TORQUE CONTROL TĐĐ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CL CHỈNH LƯU NL NGHỊCH LƯU CLĐK CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN BXA BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP XOAY CHIỀU ĐKB ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ĐB ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BBĐ BỘ BIẾN ĐỔI RTLS ROTOR LỒNG SĨC MỞ ĐẦU Thơng tin chung Đề tài: • Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế kỹ thuật công nghệ chế tạo hệ thống điều khiển truyền động điện cho máy móc thiết bị tàu thủy (ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn) • Mã số KC.06.23.CN • Cấp quản lý: Nhà nước • Thuộc chương trình: “Ứng dụng cơng nghệ tiên tiến sản xuất sản phẩm xuất sản phẩm chủ lực” – KC06 Đối với quốc gia nằm ven biển Việt Nam, tàu thuỷ phương tiện vận tải quan trọng vận tải, lưu chuyển hàng hố, thăm dị đại dương, đánh bắt hải sản xa bờ đảm bảo an ninh quốc phòng vùng biển hải đảo Theo chủ trương đại hố ngành cơng nghiệp đóng tàu nội địa hoá sản phẩm ngành tàu thuỷ, ngành CN tàu thuỷ không ngừng nâng cao lực thiết kế, đầu tư chiều sâu, đổi cơng nghệ đóng tàu mới, đồng thời tâm đẩy mạnh phát triển công nghiệp phụ trợ, chế tạo máy móc, thiết bị lắp đặt lên tàu thay cho việc phải nhập ngoại hầu hết Trước yêu cầu thực tế, vấn đề ứng dụng kỹ thuật vi xử lý cơng nghệ tự động hố nhằm tạo sản phẩm có chất lượng, độ tin cậy ổn định cao hệ thống điều khiển tự động hố tàu biển địi hỏi cấp thiết Việc nghiên cứu thiết kế làm chủ công nghệ chế tạo hệ thống điều khiển truyền động điện máy móc, đặc biệt máy móc boong tàu thuỷ ứng dụng thiết bị điện tử cơng suất lớn nhằm góp phần giải u cầu Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu, thiết kế làm chủ công nghệ chế tạo hệ thống thiết bị điều khiển truyền động điện cho máy móc thiết bị tàu thuỷ (đặc biệt máy móc boong) sở ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn Từ bước phát triển đầu nghành cơng nghiệp đóng tàu nước ta việc nghiên cứu hệ thống truyền động điện máy móc, thiết bị tàu thuỷ quan tâm có cơng trình nghiên cứu khoa học chế tạo máy neo; nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cần cẩu tàu thuỷ; nghiên cứu biến tần trực tiếp, …Tuy nhiên, khó khăn khách quan chủ quan, sản phẩm chế tạo tồn vấn đề công suất động điều khiển, kích thước, khối lượng, độ tin cậy hoạt động, …nên chưa thể chuẩn hóa ứng dụng rơng rãi Với việc ứng dụng điện tử công suất lớn hệ thống điều khiển truyền động điện cho máy móc thiết bị tàu thủy, đề tài góp phần giải hạn chế nêu Hiện nay, lĩnh vực điều khiển, tự động hóa giới nói chung nghành cơng nghiệp tàu thủy nói riêng trước thời gian dài; mặt khác, trình độ sản xuất cơng nghiệp nước cịn chưa cao Vì vậy, để sản xuất, chế tạo phần tử, thiết bị truyền động điện - điện tử cơng suất lớn, cần phân tích cơng nghệ có đồng thời tìm hiểu, tham khảo, học hỏi, lựa chọn làm chủ giải pháp kỹ thuật công nghệ, lựa chọn, mua sắm tích hợp thiết bị, phần mềm cơng nghệ từ nước công nghiệp tiên tiến, bắt nhịp với đà phát triển chung giới Với mong muốn góp phần vào phát triển vững chiến lược nội địa hóa nghành cơng nghiệp tàu thủy, gặp nhiều khó khăn, song đề tài hồn thành theo hạng mục nội dung đăng ký Trong báo cáo này, kết mang nội dung khoa học nhấn mạnh sâu phân tích PHẦN I: TỔNG QUAN CHUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN TỬ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG VÀO TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn Trên tàu thuỷ nói riêng, ngành cơng nghiệp sản xuất nói chung, nắm vững đặc tính nâng cao chất lượng điều khiển truyền động điện đóng vai trò quan trọng việc nâng cao suất, chất lượng sản phẩm Đối với tàu thuỷ đòi hỏi độ tin cậy, ổn định, chất lượng điều khiển, phương pháp điều khiển cịn cao nhiều phải đáp ứng yêu cầu riêng (theo công ước quy phạm) Trong năm qua, ngành đóng tàu nước có cơng nghệ tiên tiến truyền thống phát triển Nauy, Hà Lan, Nhật Bản, Hàn Quốc trình độ cao so với Việt Nam, đặc biệt lĩnh vực điều khiển tự động hố Có thể nói trình độ nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật điều khiển đại áp dụng ngày phát triển - Về thiết kế: Với bề dày thiết kế đóng tàu vài trăm năm, việc thiết kế thực chương trình phần mềm đại, mơ phỏng, chạy thử máy tính, qua hệ thống kiểm tra chất lượng ngặt nghèo, việc ứng dụng kết nối mở - Về phương pháp công nghệ: Các phần tử, thiết bị điện tử công suất chế tạo với cơng nghệ cao, ngày hồn thiện chất lượng, kích thước mẫu mã, tính năng, giá thành sản xuất giảm đáng kể so với Inverter sản xuất năm 1970 -1980 - Về phương pháp nghiên cứu ứng dụng: Trải qua hàng trăm năm, lĩnh vực điều khiển tự động ứng dụng, nghiên cứu hàng loạt phương pháp điều khiển, gần hàng loạt phương pháp điều khiển đại xây dựng phát triển như: Điều khiển thích nghi (Adaptive Control), Điều khiển mờ (Fuzzy Control), điều khiển bám (Back Stepping) Các nhà nghiên cứu ứng dụng rộng rãi phương pháp để điều khiển thết bị điện tử công suất lớn cho thiết bị cho ngành cơng nghiệp nói chung Những năm thập kỷ 60 70 kỷ XX, giới tập trung nghiên cứu giải pháp dùng Thyristor để tạo loại biến tần truyền động điện nói chung truyền động điện tàu thuỷ nói riêng, nhằm: Khởi động mềm, điều khiển trơn láng, phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, hoạt động êm Nhưng hệ thống cồng kềnh, chiếm chỗ, địi hỏi điều kiện khó đáp ứng, lại tin cậy dẫn đến xu hướng chuyển sang ứng dụng thuỷ lực truyền động máy móc boong tàu thuỷ coi giải pháp thoả đáng hệ truyền động thuỷ lực có ưu điểm hoạt động êm, dễ điều chỉnh, điều khiển, hệ truyền động có cơng suất lớn khởi động lần cho động truyền động bơm thuỷ lực, không làm ảnh hưởng đến lưới điện, chất lượng điều khiển cao Tuy nhiên hệ thống điều khiển thuỷ lực tồn hạn chế lớn: - Độ va đập lớn - Kích thước lớn, nặng nề - Đường ống thuỷ lực phức tạp - Chi phí lắp đặt, bảo dưỡng lớn, khó thay thế, sửa chữa - Độ tin cậy thấp chi tiết dễ gây cố, đường ống dài nhiều điểm ghép nối Vào thập kỷ 90 người ta nghiên cứu tạo thiết bị điện tử cơng suất có khả đáp ứng yêu cầu hệ thống truyền động điện mà kích thước nhỏ, gọn, độ tin cậy cao, khắc phục nhiều nhược điểm hệ thống truyền động thuỷ lực như: độ va đập, nặng nề, cồng kềnh, nhiều cấu, chi tiết dễ gây cố, thành phần hệ thống tính phức tạp tăng lên gấp nhiều lần (vì phải có động điện lai bơm thuỷ lực, lại cịn có van, ống lớn dẫn đến tận máy móc truyền động v.v) Đã có nhiều hãng sản xuất máy móc, thiết bị nặng quay trở lại với truyền động điện ứng dụng thiết bị điện tử công suất hãng Mab, Tadano (Nhật) Trong năm gần đây, với đà phát triển to lớn lĩnh vực điều khiển tự động, tự động hoá điều khiển tàu thuỷ trọng nghiên cứu đặc biệt nước Vào thập kỷ 70 - 80 ngành đóng tàu Việt nam bắt đầu đóng tàu 1000T nghiên cứu, thiết kế truyền động điện máy móc, thiết bị quan tâm có nhiều cơng trình đóng góp vào việc sản xuất hàng loạt cẩu hàng, máy neo, máy lái cho