TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009 42 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHỞI ĐỘNG TUABIN KHÍ М15Э-OM5 BẰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN LIÊN HOÀN 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 Tổng Cục CNQP TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu và thiết kế cấu trúc điều khiển cho động cơ điện một chiều chuyên dụng ГСР-СТ-18000, dùng để khởi động động cơ tua bin khí loại М15Э-OM5 lắp đặt trên tàu biển. Mô hình động cơ và bộ điều khiển được xây dựng phù hợp với từng giai đoạn hoạt động của động cơ trong quá trình khởi động tua bin. Kết quả nghiên cứu được mô phỏng, kiểm chứng bằng Matlab cho thấy đối tượng và cấu trúc điều khiển đã xây dựng đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của tổ hợp . ABSTRACT The paper presents the research result and the design of control structure for the specific DC starter motor ГСР-СТ-18000 of the М15Э-OM5 gas turbine, which is installed on 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 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009 43 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 khoảng thời gian t<t 1 (t 0 ÷ t 1 ), điện áp kênh 2 lớn hơn điện áp kênh 1đi ốt D 1 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 D 2 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 t 4 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 0 ÷t 4 Chung Kênh II Kênh I - + + - + + KP KPB D1 D2 R L 3 L 1 L 2 Tổ hợp nắn dòng Hộp các công-tắc-tơ Động cơ ГСР-СТ-18000 Hình 1. Sơ 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 10s 15s 45s 10s 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 á p ra kênh 1,I dII Dòng kênh 2 a) b) c) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009 44 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 tả dưới dạng hàm truyền đạt như sau: 21 22 22 12 1 2 2 12 1 2 2 (1 ) (1 ) () ( () ()) () (1 )(1 ) ( (1 )) (1 )(1 ) ( (1 )) f ff A kI A kII A f ff A f ff R Ts R Ts is u s es u s RR Ts T s R T s RR Ts T s R T s ++ =−− + +− + + +− + (1) - Phương trình dòng điện kích từ 22 1 1 22 21 1 2 2 21 1 1 2 2 (1 ) (1 ) () () ( () ()) (1 )(1 ) ( (1 )) (1 ) (1 ) ( (1 )) ff A f kII kI A f Aff f Aff R Ts R Ts i s u s u s es RRTsTsR Ts RRTsRTsR Ts + + = −− + +− + + +− + (2) - Phương trình suất điện động cảm ứng : () () A eMm es k s ψω = (3) - Phương trình mô-men điện từ: () () M M MA m s k is ψ = (4) - Phương trình cân bằng mô-men trên trục động cơ () () () () () () m MT M T m dt m t m t j m s m s js s dt ω ω =+ ⇔=+ (5) Hàm truyền đạt của khâu điều khiển dòng phần ứng và dòng kích từ I 11 () 1 () () () 2 kI RI IA A A RI us k Rs i s i s T s kTs ∗ = = = − , 1 1 22 () 1 () () () 2 kII RIk Ik f f RIk us k Rs i s i s T s kTs ∗ = = = − (6) 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 Ax Bu y Cx Du (7) Trong đó: 1 A f m i xi ω − = : Vectơ trạng thái; - kI T u u m = : Vectơ đầu vào; - 1 A f i y i = : Vectơ đầu ra Trong đó:i A dòng điện phần ứng; i f1 dòng điện kích từ; ω m tốc độ động cơ; u kI điện áp cấp cho phần ứng từ trạm nắn dòng; m T Trong đó ma trận hệ thống A, ma trận điều khiển B và các ma trận đầu ra C,D: mô men tải 2 2 12 2 2 22 2 2 22 12 2 12 2 12 2 21 21 2 2 21 2 2 22 12 2 12 2 12 2 - A= 00 ff f f e f ff f f ff e f f ff M LR RL LR RL kL LL L LL L LL L LR RL LR RL k L LL L LL L LL L k J ψ ψ ψ −− −−− −− − −− ; 22 2 12 2 12 2 12 2 0 B= 0 1 0- f f f f LL LL L LL LL L J − − − − ; 100 C= 001 ; 00 D= 00 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái K được thiết kế theo phương pháp TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009 45 Roppenecker là: -0.0249 -3.0996 -0.0151 -0.4086 -6.5146 -5.3900 K = (8) Từ cấu trúc điều khiển của đối tượng trong hai giai đoạn t<t 1 và t>t 1 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: U Ađm = 60 V, I Ađm = 1000 A, U ktđm = 40 V, I ktđm n = 34 A, đcđm = 9000 v/p, R A = 0,04 Ω; L A = 0.001 H, R f1 = 1,15 Ω; L f1 = 0.047 H, R f2 = 0,03 Ω; L f2 = 0.010 H, R f3 = 0,006 Ω, L f3 = 0.012 H, L m = 1.8, J = 1 kg.m Kết 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 của đối tượng trong giai đoạn t<t Hình 6. Đáp ứng dòng kích từ của đối tượng trong giai đoạn t<t 1 Kết 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 Dong[A] thoi gian[s] Gia tri dat Dap ung dong phan ung giai doan t<t1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 5 10 15 20 25 30 35 Thoi gian[s] Dong[A] Gia tri dat Dap ung dong kich tu giai doan t<t1 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009 46 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 Kết quả mô phỏng quá trình làm việc của đối tượng với cấu trúc điều khiển liên hoàn trong hai giai đoạn t<t 1 1 và t>t 1 được ghép với nhau. Hình 9. Đáp ứng dòng phần ứng trong cả quá trình khởi động Hình 10. Đáp ứng dòng kích từ trong cả quá trình khởi động a) b) Hình 11. a) Biểu đồ thời gian tăng trưởng dòng điện phần ứng b) Biểu đồ thời gian lý tưởng các thông số ra của tổ hợp khi khởi động tuabin[4] 5. Kết luận 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -200 0 200 400 600 800 1000 Thoi gian[s] Dong [A] Gia tri dat Dap ung dong phan ung t>t1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Thoi gian [s] Dong [A] 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] Dong [A] 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] Dong [A] Dap ung dong kich tu ca qua trinh Gia tri dat Thoi diem ngat dong co khoi dong t=t4 Thoi diem t=t3 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009 47 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 = t 1 , t = t 3 , t = t 4 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 LIỆU 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. . 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. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009 42 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHỞI ĐỘNG TUABIN KHÍ М15Э-OM5 BẰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN LIÊN HOÀN THE CONTROL OF THE. để khởi động động cơ tua bin khí loại М15Э-OM5 lắp đặt trên tàu biển. Mô hình động cơ và bộ điều khiển được xây dựng phù hợp với từng giai đoạn hoạt động của động cơ trong quá trình khởi động