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

BỘ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CƠNG TY CƠ KHÍ - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU THUỶ o0o - BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU “TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ TRÊN BOONG ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT LỚN” Thuộc 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 Thực chuyên đề: THS NGUYỄN VĂN THẮNG 6981-1 08/9/2008 Hà nội, tháng 05/2008 Tổng quan phương pháp kỹ thuật công nghệ chế tạo thiết bị boong ứng dụng điện tử công suất lớn MỤC LỤC I Mở đầu II Các thiết bị boong tàu thuỷ III Tình hình nghiên cứu nước 1.Tình hình nghiên cứu ứng dụng nước 2.Tình hình nghiên cứu ứng dụng nước IV Đặc điểm yêu cầu công nghệ chế tạo thiết bị điện tử công suất để điều khiển truyền động điện máy neo boong tàu thuỷ Lựa chọn động : Động không đồng 2.1 Phương trình đặc tính 2.2 Ảnh hưởng thay đổi tần số lưới cấp cho động .10 2.3 Sơ đồ cấu trúc mô tả cho động không đồng 12 2.3.1 Mô tả tốn học động khơng đồng 12 2.3.2 Xây dựng vector không gian 15 2.3.3 Chuyển vị tuyến tính hệ toạ độ 17 2.3.4 Mơ hình động hệ toạ độ cố định gắn với stator 18 Công nghệ chế tạo điều khiển thiết bị boong 22 4.1 Mơ hình điều khiển máy neo 22 4.2 Mơ hình tốn học điều khiển 22 4.3 Sơ đồ khối điều khiển máy neo 25 4.4 Sơ đồ khối chi tiết điều khiển 25 4.5 Công nghệ chế tạo 27 4.5.1 Khối chỉnh lưu : 27 4.5.2 Khối nghịch lưu : 31 4.5.3 Khối mạch điều khiển van công suất : 39 4.5.4 Khối nhớ chương trình điều khiển 40 4.6 Qui trình cơng nghệ chế tạo 41 4.7 Công nghệ lắp ráp khối 43 4.8 Mô Matlab 44 4.8.1 Mơ hình tổng thể: 44 4.8.2 Mơ hình bảng chọn : .45 4.8.3 Mơ hình khối tính dịng điện: 48 4.8.4 Mơ hình khối tính điện áp: .48 4.8.5 Mơ hình khối ước lượng từ thông stator: .49 4.8.6 Mơ hình khối ước lượng mơmen: 49 4.8.7 Kết mô phỏng: 50 VI Tài liệu tham khảo 54 KC06.DA.23.CN Tổng quan phương pháp kỹ thuật công nghệ chế tạo thiết bị boong ứng dụng điện tử công suất lớn I Mở đầu Chủ trương nước ta phát triển mạnh mẽ ngành cơng nghiệp đóng tàu Đây hướng tất yếu khơng cho ngành đóng tàu mà cho ngành cơng nghiệp nói chung Ngành cơng nghiệp đóng tàu nước ta đạt thành tựu to lớn thời gian qua Từ 22 đơn vị năm 1996, đến có 75 đơn vị thành viên hoạt động nhiều lĩnh vực khác Được đạo sát Đảng, Chính phủ, Nhà nước Bộ Giao thơng Vận tải, ngành đóng tàu Việt Nam tiến bước dài quan trọng, trì mức tăng trưởng bình qn 30-35% Từ chỗ đóng tàu vận tải cỡ nhỏ, đến ta đóng tàu có trọng tải lớn , chất lượng cao, mẫu mã đẹp, vận chuyển hàng hoá khắp nơi giới Đặc biệt, ta đóng thành cơng nhiều sản phẩm : tàu chở dầu 3500DWT, tàu cao tốc, tàu tuần tra 30 hải lý/h, tàu khách 120 chỗ ngồi, tàu chở hàng 6500DWT – 11,500DWT, tàu container 1016 TEU, Năm 2004 ta kí hợp đồng đóng 15 tàu hàng rời trọng tải 53,000DWT cho chủ tàu Anh Quốc, 6500DWT đến 22,000DWT cho Tổng Công ty Hàng hải Việt Nam nhiều hợp đồng đóng với chủ tàu Mỹ, CHLB Đức, Italia, Nhật Bản, Ba Lan, Hàn Quốc, Trung Quốc Trước tiềm ngành đóng tàu nước ta, cộng thêm với xu nội địa hố sản phẩm ngành đóng tàu, từ thiết kế kết cấu vỏ tàu trang thiết bị sử dụng tàu, nhu cầu cần phải chế tạo thiết bị sử dụng tàu ngày trở nên thiết Một thiết bị cần nội địa hố thiết bị sử dụng boong tàu thuỷ ứng dụng Điện tử công suất lớn Như ta biết, tàu trọng tải lớn thiết bị sử dụng boong phải đạt công suất lớn để đảm bảo cho vận hành đắn tàu Hiện nay, thiết bị sử dụng boong, phần lớn ứng dụng động công suất rất lớn để thực việc chuyền động Đặc điểm động dòng khởi động lớn Nếu thiết bị đóng tải trực tiếp từ nguồn điện lưới máy phát KC06.DA.23.CN Tổng quan phương pháp kỹ thuật công nghệ chế tạo thiết bị boong ứng dụng điện tử công suất lớn tàu không đủ đảm bảo công suất cho thiết bị Nguồn điện lưới bị sụt nghiêm trọng, ảnh hưởng đến vận hành thiết bị điện khác tàu, gây nguy hiểm tổn thất lượng điện lớn Để giải tình trạng trên, giới xuất nhiều phương pháp để thực việc vận hành an tồn cho động cơng suất lớn, có phương pháp điều khiển động điểu khiển riêng Ưu điểm phương pháp giữ mơ men khởi động lớn dịng khởi động – 1.5 dòng điện định mức thiết bị Đây mảng cần triển khai nghiên cứu chế tạo để sử dụng ngành đóng tàu với điều kiện làm việc đặc biệt khắt khe ngành công nghiệp khác, đồng thời đóng góp vào q trình nội địa hố ngành cơng nghiệp đất nước II Các thiết bị boong tàu thuỷ • Cẩu hàng : trang thiết bị tàu thuỷ dùng để bốc xếp hàng hoá vật tư tàu với cảng tàu với tàu khác Cẩu hàng KC06.DA.23.CN Tổng quan phương pháp kỹ thuật công nghệ chế tạo thiết bị boong ứng dụng điện tử cơng suất lớn nhiều loại thường có cấu trúc bao gồm: cấu, phận phù hợp khác • Cẩu xuồng cứu sinh : loại cẩu dùng để nâng hạ xuồng cứu sinh xuống cấp cứu loại xuồng khác • Tời nâng hạ thang mạn: Đây loại tời dùng để nâng hạ thang bên mạn tàu tàu cập cảng • Thang máy : có loại thang chở hàng thang chở người • Máy lái : có nhiều loại khác nhau: Máy lái điện-thuỷ lực, điện- khí, • Máy neo mũi, neo đuôi : thiết bị dùng để giữ tàu cố định vùng neo đậu biển, sông, nơi mà tàu dừng để sửa chữa hay chờ đợi để ăn hàng Máy neo thường thiết kế đặt mũi tàu, phần tàu • Tời dây, tời kéo : thiết bị tời dùng để kéo, buộc tàu cố định vào cầu cảng vào tàu khác • Chân vịt mũi : ngồi hệ thống lái tàu, tàu thuỷ tuỳ thuộc yêu cầu cụ thể thường có thêm chân vịt mũi, thiết bị hỗ trợ cho trình làm manơ tàu III Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.Tình hình nghiên cứu ứng dụng nước 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 Vào năm 70-80, ngành đóng tàu nước ta bắt đầu đóngnhững tàu trọng tải 1000T nghiên cứu thiết kế truyền động điện máy móc, thiết bị quan tâm có cơng trình đóng góp vào việc sản xuất hàng loạt cẩu hàng, máy neo, máy lái cho tàu thuỷ Tuy nhiên, mạch điều khiển phần lớn rơle, công tắc tơ thiết bị điện tử điều khiển khơng chuẩn hố nên cịn nhiều hạn chế: KC06.DA.23.CN Tổng quan phương pháp kỹ thuật công nghệ chế tạo thiết bị boong ứng dụng điện tử công suất lớn khối lượng lớn, kích thước cồng kềnh, khó điều khiển, khơng tin cậy mơi trường tàu thuỷ Sau thời gian dài, đơn vị tập trung vào nghiên cứu hệ thống điều khiển thuỷ lực , khí nén Phương pháp điều khiển có phần dễ dàng lại cồng kềnh, nhiều ống dẫn cút nối, điều kiện làm việc rung động mạnh dễ gây nứt vỡ Sau này, số viện, đại học quan có quan tâm nghiên cứu việc điều khiển điện tử công suất lớn Về mức độ, sản phẩm bị hạn chế công suất điều khiển ( không vượt 5KW ) Các thiết bị mức độ mạch lôgic, analog rời rạc , chưa quan tâm đến chuẩn hoá để thiết bị làm việc an toàn hiệu quả, thuận tiện cho việc ghép nối với thiết bị khác tàu thuỷ Tình hình nghiên cứu thiết bị điền khiển cho động công suất lớn nước ta Các thiết bị thường nhập từ nước Sự non trẻ ngành công nghiệp mũi nhọn thực tế mảng trống lớn cần quan tâm triển khai nghiên cứu chế tạo để tiếp cận bắt kịp với tốc độ phát triển kỹ thuật công nghệ nước tiên tiến giới Chính vậy, năm 2004, thủ tướng Chính phủ có phê duyệt bổ sung đề án phát triển Tổng Công ty Công nghiệp Tàu thuỷ Việt Nam giai đoạn đến 2010 định hướng đến 2020, mục tiêu quan trọng đến năm 2010 phấn đấu sản phẩm ngành đạt 60% tỷ lệ nội địa hoá Việc nghiên cứu sản xuất thiết bị boong ứng dụng điện tử công suất lớn bước đắnvà mạnh mẽ 2.Tình hình nghiên cứu ứng dụng nước 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 nước ta, 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 vào ngày phát triển KC06.DA.23.CN Tổng quan phương pháp kỹ thuật công nghệ chế tạo thiết bị boong ứng dụng điện tử công suất lớn - Về thiết kế: với bề dày thiết kế đóng tàu vài trăm năm nay, việc thiết kế thực chương trình phần mềm đại, mơ phỏng, chạy thử máy tính, cho qua hệ thống kiểm tra chất lượng khắt khe - Về phương pháp công nghệ: Các phần tử, thiết bị điện, điện tử công suất chế tạo với công nghệ cao, ngày hồn thiện chất lượng, kích thước , mẫu mã, tính năng, giá thành san suất giảm đáng kể so với linh kiện thiết bị sản xuất vào năm 1970-1980 - Về phương pháp nghiên cứu ứng dụng : Trải qua trăm năm, lĩnh vực điều khiển tự động nghiên cứu, ứng dụng nhiều phương pháp điều khiển Trong thời gian gần đây, hàng loạt phương pháp điều khiển đại xây dựng và phát triển như: điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển bám ( back stepping), Các nghiên cứu ứng dụng rộng rãi để điều khiển thiết bị điện tử công suất lớn cho thiết bị cho ngành cơng nghiệp nói chung Hiện giới có nhiều nước đầu lĩnh vực điện tử công suất lớn Các thiết bị hãng tiếng giới nghiên cứu chế tạo thành công ứng dụng rộng rãi không cho ngành công nghiệp tàu thuỷ mà sử dụng rộng rãi lĩnh vực có sử dụng truyền động điện cơng suất lớn Ví dụ : ngành cơng nghiệp giấy , ngành dệt, ngành sản suất thép, Đại diện điển hình cho hãng tiếng giới : ABB, Siemens, Schneider, Omron, IV Đặc điểm yêu cầu công nghệ chế tạo thiết bị điện tử công suất để điều khiển truyền động điện máy neo boong tàu thuỷ Lựa chọn động : Có hai loại động dùng nhiều đáp ứng yêu cầu truyền động cho máy móc boong tàu thuỷ động khơng đồng động điện chiều KC06.DA.23.CN Tổng quan phương pháp kỹ thuật công nghệ chế tạo thiết bị boong ứng dụng điện tử công suất lớn Động điện chiều: loại động sử dụng nguồn điện chiều để truyền động Stato động chiều phần cảm , phận tạo từ thông Rơto động phần ứng Để tạo từ thơng phần ứng, ngưịi ta phải đưa điện vào thơng qua phận cổ góp chổi than Nhược điểm động là chỗ phận hay xảy tượng đánh tia lửa điện Đồng thời động chiều có cấu tạo phức tạp nên khó khăn trình bảo dưỡng, sửa chữa Ưu điểm động có khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực mạch điều khiển đơn giản Động khơng đồng : có hai loại động khơng đồng rơto dây quấn động rơto lồng sóc • Loại động rơto dây quấn thường có mạch phụ bên ngồi nối với dây quấn rơto chổi than cải thiện tính khởi động, điều chỉnh tốc độ, cải thiện hệ số công suất máy Tuy nhiên, loại động có cấu tạo phức tạp có nhược điểm từ chổi than vành trượt • Loại thứ hai động có rơto lồng sóc, có cấu tạo đơn giản, làm việc chắn, có đặc tính làm việc tốt có đặc tính mở máy Ngày nay, với phát triển công nghiệp điện tử, động nghiên cứu ứng dụng rộng rãi công nghiệp loại giải công suất Công nghệ điện tử sử dụng điều khiển tần số để thay đổi tần số điện áp cung cấp, khắc phục nhược điểm khởi động, điều chỉnh tốc độ mềm dẻo Tốc độ quay động tính biểu thức : n =Ġ (vòng/phút) f1 – tần số nguồn cung cấp p – số đôi cực KC06.DA.23.CN Tổng quan phương pháp kỹ thuật công nghệ chế tạo thiết bị boong ứng dụng điện tử công suất lớn Động không đồng 2.1 Phương trình đặc tính Để thành lập phương trình đặc tính động khơng đồng ta sử dụng sơ đồ thay Trên Hình sơ đồ thay pha động không đồng Khi nghiên cứu ta đưa số giả thiết sau đây: - pha động đối xứng - Các thông số động không đổi nghĩa không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở rơto khơng phụ thuộc vào tần số dịng điện rơto, mạch từ khơng bão hịa nên điện kháng X1, X2 khơng đổi - Tổng trở mạch từ hóa khơng thay đổi, dịng điện từ hóa khơng phụ thuộc tải mà phụ thuộc điện áp đặt vào stato động - Bỏ qua tổn thất ma sát, tổn thất lõi thép - Điện áp lưới hoàn toàn sin đối xứng ba pha Với giả thiết ta có sơ đồ thay Hình cho pha động cơ, đó: Uf1 trị hiệu dụng điện áp pha stato Iµ , I1, I’2 dịng điện từ hóa, stato dịng điện rơto quy đổi stato Xµ , X1δ , X’2δ điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stato điện kháng tản rôto quy đổi stato Rµ , R1 , R’2 điện trở tác dụng mạch từ hóa cuộn dây stato rôto quy đổi stato s độ trượt động cơ: s= ω1 − ω ω1 (2.1) ω1 tốc độ góc từ trường quay, cịn gọi tốc độ đồng bộ: ω1 = 2πf1 p (2.2) f1 tần số điện áp đặt vào stato động KC06.DA.23.CN Tổng quan phương pháp kỹ thuật công nghệ chế tạo thiết bị boong ứng dụng điện tử công suất lớn p số đôi cực từ động I1 X1 R1 X2 I2 Xµ Iµ R’2/ 1 U Rà Hình 1: Sơ đồ thay động không đồng pha ( l tc độ góc động Từ sơ đồ thay ta tính phương trình đặc tính dịng điện stator có dạng sau: ⎡ 1 I1 = U f ⎢ + 2 ⎢ Rµ + X µ ⎛ R' ⎞ ⎣ ⎜⎜ R1 + ⎟⎟ + X nm s ⎠ ⎝ ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ (2.3) Xnm = X1d + X’2d điện kháng ngắn mạch Khi ω = 0, s = I1 = I1nm I1nm dịng điện ngắn mạch stator Im dịng điện từ hố có tác dụng tạo từ trường quay động quay với tốc độ đồng Từ điều kiện để cân mô men, công suất điện công suất tổn hao đồng người ta đưa phương trình đặc tính động khơng đồng có dạng sau: KC06.DA.23.CN Tổng quan phương pháp kỹ thuật công nghệ chế tạo thiết bị boong ứng dụng điện tử công suất lớn - Mạch điều khiển van công suất phần cách ly khối điều khiển van IGBT thông qua cách ly biến áp xung Bộ điều khiển dùng mạch để điều khiển Trên mạch có đầu điều khiển Một mạch điều khiển van điều khiển IGBT nối với cực dương mạch, mạch điều khiển lại điều khiển IGBT lại nối với cực âm - Các phần sơ đồ khối : • Bộ logic thời gian mảng NINT đồng hố tín hiệu ON/OFF điều khiển van cơng suất tín hiệu báo q dịng (OVER CURRENT) với tín hiệu xung nhịp MHz chung cho điều khiển van công suất Phụ thuộc tín hiệu ON/OFF xung nhịp đưa đến biến áp T1 T2 • Chuyển tín hiệu thời gian thành tín hiệu điều khiển sơ cấp T1 • Chuyển tín hiệu thời gian thành tín hiệu điều khiển sơ cấp T2 • Chỉnh lưu tạo điện áp điều khiển dương từ thứ cấp T1 T2 • Chỉnh lưu tạo điện áp điều khiển âm từ thứ cấp T1 T2 • Bộ theo dõi mức tách tín hiệu chống ngắn mạch tín hiệu điều khiển van công suất nửa chu kỳ dương âm • Mạch chống ngắn mạch nối cực điều khiển xuống âm qua điện trở R • Tụ giữ điện áp dương • Tụ giữ điện áp âm • Khố điện áp dương • Khố điện áp âm 4.5.4 Khối nhớ chương trình điều khiển Mạch điều khiển sử dụng nhớ chương trình để điều khiển động trình, thao tác đặt chế độ qua panel điều khiển giao tiếp với người sử dụng Khối điều khiển thường sử dụng số chip nhớ vi sử lí ASIC, DSP 40 KC06.DA.23.CN Tổng quan phương pháp kỹ thuật công nghệ chế tạo thiết bị boong ứng dụng điện tử công suất lớn 4.6 Qui trình cơng nghệ chế tạo Qui trình thực cơng nghệ sau: - Xác định rõ mục đích tốn đặt cần giải - Phân tích toán để hiểu rõ nội dung yêu cầu toán - Thu thập tài liệu có liên quan đến tốn đặt : sách , báo, tạp chí, catalog, tiêu chuẩn ngành, nguồn thông tin internet, - Từ tài liệu thu thập được, với bước phân tích yêu cầu tính sản phẩm chế tạo để đưa phương án thiết kế nguyên lý.Để đưa thiết kế hoàn chỉnh, việc lựa chọn Hình 22 Qui trình cơng nghệ chế tạo 41 KC06.DA.23.CN Tổng quan phương pháp kỹ thuật công nghệ chế tạo thiết bị boong ứng dụng điện tử cơng suất lớn - u cầu tính sản phẩm, thông số kỹ thuật Các linh kiện chọn lựa phải đảm bảo thông số sản phẩm - Khi lựa chọn xong linh kiện, công việc chuyển thiết kế từ mạch nguyên lý sang mạch in - Lập trình phần mềm điều khiển cho mạch Bộ điều khiển mạch phận quan trọng Các chế độ làm việc, chức , yêu cầu sản phẩm kết hay không chương trình Từ linh kiện rời rạc, điều khiển liên kết chúng lại với tạo khối chứa riêng biệt - Kiểm tra, kiểm nghiệm khối chức theo chức hoạt động Ghép khối lại với theo hệ thống hồn chỉnh thực chạy thử theo tính sản phẩm - Đánh giá khả sản phẩm chức hoạt động, tiêu chí thông số kỹ thuật đảm bảo để xem xét nâng cấp, sửa đổi thiết kế cho hoàn thiện với yêu cầu đặt Nếu không đạt yêu câu quay chu trình đầu phân tích lại toán để làm lại, sửa đổi thiết kế cho phù hợp - Đánh giá sản phẩm đạt yêu cầu Đây bước quan trọng Để sản phẩm chạy ổn định bền bỉ môi trường làm việc khắc nghiệt tàu thuỷ, sản phẩm chế tạo phải chuẩn hố thành mơđun Các mơđun có tính chun biệt, dễ nâng cấp, dễ bảo dưỡng, thay đặc biệt phải chuẩn hố bảo vệ khỏi tác động từ mơi trường bên : muối mặn, rung động, nhiễu điện từ, độ ẩm, 4.7 Công nghệ lắp ráp khối Để lắp ráp hệ thống từ môđun sở hay từ môđun chức năng, tiêu chuẩn nghiêm ngặt sản phẩm phải mơđun hố , tuân theo tiêu chuẩn nước hay quốc tế tiêu 43 KC06.DA.23.CN Tổng quan phương pháp kỹ thuật công nghệ chế tạo thiết bị boong ứng dụng điện tử công suất lớn chuẩn IEC, NMEA, bao gồm chuẩn ghép nối, chuẩn truyền thông Các chức thiết kế rời rạc tạo chun mơn hố cao, sản xuất hàng loạt dễ dàng, dễ bảo dưỡng, sửa chữa , thay Xuất phát từ yêu cầu tính toán, sản phẩm chế tạo thiết kế theo sơ đồ khối Điều tạo thuận lợi dễ dàng cho việc thiết kế cần thay đổi thiết kế nhanh 4.8 Mô Matlab 4.8.1 Mơ hình tổng thể: Hình 23 Mơ hình mơ phương pháp DTC 44 KC06.DA.23.CN Tổng quan phương pháp kỹ thuật công nghệ chế tạo thiết bị boong ứng dụng điện tử công suất lớn 4.8.2 Mơ hình bảng chọn : Hình 24 Mơ hình bảng chọn vectơ để đưa vào điều khiển Đây khối Look up 2D , đầu vào có thành phần dp (hàng) dm (cột), đầu kết hợp đầu vào theo bảng 5.1 Ví dụ trạng thái đầu kết hợp dp = dm = -1 có nghĩa thể trạng thái giảm mômen giảm từ thông Các trạng thái khác tương tự Bảng 4.8.2 Bảng kết hợp dm -1 0 dp * Tính n : Từ đầu vào góc pha từ thơng stator qua khối Tính n tính vectơ từ thông sector thứ (ı6) Phương trình tính tốn khối ph_adj , kết n >= kết đầu sau làm tròn, ngược lại n