CÂN BẰNG TẢI CHO 02 ĐỘNG CƠ LÀM VIỆC SONG SONG, NỐI CỨNG TRỤC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ CÂN BẰNG TẢI CHO 02 ĐỘNG CƠ LÀM VIỆC SONG SONG, NỐI CỨNG TRỤC Mã số: B2010-TN01-04 Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Duy Cƣơng Thái Nguyên, Tháng 06/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ CÂN BẰNG TẢI CHO 02 ĐỘNG CƠ LÀM VIỆC SONG SONG, NỐI CỨNG TRỤC Mã số: B2010-TN01-04 Xác nhận quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài Nguyễn Duy Cương MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Đơn vị: Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Cân tải cho 02 động làm việc song song, nối cứng trục - Mã số: B2010-TN01-04 - Chủ nhiệm: TS Nguyễn Duy Cương - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái nguyên - Thời gian thực hiện: 2010 - 2014 Mục tiêu: Nội dung báo cáo trình bày việc phân tích, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển dựa sở thuật toán điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (Model Reference Adaptive Systems – MRAS) phân chia tải theo yêu cầu cho 02 động điện chiều có tốc độ định mức, làm việc song song, nối cứng trục Với phụ tải chung cho, hệ điều khiển đề xuất cho phép hai động đóng góp phần công suất trường hợp hai động chọn giống nhau, đóng góp theo khả riêng trường hợp hai động có công suất định mức không giống suốt trình vận hành Tính sáng tạo: Tác giả đề xuất cấu trúc điều khiển hai mạch vòng điều khiển, điều khiển PID mạch vòng tốc độ bên chung cho 02 động với thông số cố định, hai điều khiển PID mạch vòng dòng điện bên riêng cho 02 động cơ, điều khiển dòng điện động 1với thông số cố định, tín hiệu điều khiển tín hiệu mẫu, thông số điều khiển dòng động thứ hai hiệu chỉnh dựa sai lệch dòng điện 02 động Nói cách khác, điều khiển dòng động thứ điều khiển thích nghi thiết kế dựa mô hình mẫu tạo điều khiển dòng động thứ phần thông số động Với cấu trúc trình vận hành, dòng điện động thứ xem dòng mẫu, dòng động thứ bám dòng động với sai số nhỏ Có nghĩa dòng phần ứng hai động – điều mà mong đợi Kết nghiên cứu: - Thiết kế, tính toán điều khiển PID thích nghi theo mô hình mẫu; - Đề xuất giải pháp đưa cấu trúc điều khiển phù hợp; - Đề xuất bước xây dựng mạch điện tử tương tự thực chức điều khiển PID thích nghi Sản phẩm: - 03 báo hội thảo quốc tế - 01 báo tạp chí quốc tế - 01 luận văn cao học bảo vệ - Mô hình thực nghiệm với động 2.2 kW Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Áp dụng giải pháp đề xuất vào thực tế sản xuất cho toán chia tải 02 động chiều công suất 1500 Kw, nối cứng trục Cơ quan chủ trì (ký, họ tên, đóng dấu) Ngày 01 tháng năm 2014 Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: - Project title: Design of MRAS Based Control Systems for Load Sharing of Two DC Motors with a Common Stiff Shaft - Code number: B2010-TN01-04 - Coordinator: Dr Nguyen Duy Cuong - Implementing institution: Thai Nguyen University of Technology - Duration: from 2010 to 2014 Objective(s): In this study, the behavior of a stiff shaft in a drive system consisting of two DC motors driving a common load is investigated The expectation is to get both motor armature currents to match, indicating successful load sharing The new idea of using Model Reference Adaptive Systems (MRAS) approach has been applied to design a control system such that two motors are identical in speed-torque characteristics The design can be achieved in such a way that the two motors can contribute the same amount to the total load in the case that the DC motors are identical, or contribute partly to the total load and proportionally to their nominal torques in the case that the two motors are not identical Both simulation and experimental results confirm the precise and robust performance and the ease of tuning and implementation, featured by the proposed control structure Creativeness and innovativeness: We introduce a cascade control consists of two separate inner current loops and a common outer velocity to control the velocity and torques of the two DC motors The PID current controller is firstly designed using a conventional control method to achieve the robust stability and robust performance of the current-loop of the master motor Next, the adaptive PD controller for the current-loop of slave motor is designed using Model Reference Adaptive System approach with Reference Model defined by a transfer function of the closed current-loop of the master motor The differentiating action is realized by mean of state feedback The adaptive law is derived based on the Lyapunov's stability theory Then, the PID controller for the velocity-loop is designed to achieve the robust stability and robust performance of the overall system A Simulink model based on the structure and parameters of the system model is constructed The continuous electronic circuits that the functions of conventional and adaptive PD controllers are designed and implemented in a practical setup The control can be achieved in such a way that the two motors have identical speed-torque characteristics and speed and torque will be basically controlled in either motor Each motor can contribute its proportional share of power to the driven load Research results: - Design of MRAS-based Adaptive PID Controller; - Propose a suitable control structure; - Design of Analog MRAS Controllers Using Operational Amplifiers Products: - 03 international conference papers; - 01 international journal paper; - 01 master thesis; - 01 real setup for load sharing of two 2.2 kW DC motors with a Common Stiff Shaft Effects, transfer alternatives of research results and applicability: Going to apply the proposed solution into the practical device with purpose: Load sharing of two 1500 kW DC Motors with a Common Stiff Shaft Chƣơng I: GIỚI THIỆU 1.1 Bài toán thực tế Trong thực tế sản xuất nhiều dây chuyền công nghệ yêu cầu sử dụng động chiều hay xoay chiều công suất đến hàng nghìn Kw (Hình 1) Thiết bị cán Block khâu cuối dây chuyền cán thép đại yêu cầu sử dụng công suất vào khoảng 5000 Kw thí dụ điển hình Hệ thống quạt gió lò, trạm nén khí, trạm bơm,…là hệ thống điển hình mà thường yêu cầu sử dụng động công suất lớn Hình 1-1: Phụ tải sử dụng 01 động Việc sử dụng động công suất lớn đáp ứng yêu cầu tải gặp nhiều khó khăn Có thể khó đắt để thiết kế, chế tạo động công suất lớn Hơn việc vận chuyển động từ nơi sản xuất đến nới sử dụng việc lắp đặt chúng vào vị trí làm việc gặp không trở ngại yếu tố trọng lượng kích thước Vận hành động công suất lớn đồng nghĩa với việc kèm với thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lưu có điều khiển động chiều, nghịch lưu động xoay chiều) công suất lớn Tương tự đặt vấn đề việc thiết kế, chế tạo động công suất lớn, khẳng định khó đắt để thiết kế chế tạo biến đổi công suất lớn tương xứng Hình 1-2: Giải pháp sử dụng 02 động Giải pháp khắc phục khó khăn, hạn chế sử dụng động công suất lớn đề xuất thay sử dụng 01 động công suất lớn ta sử dụng 02 hay nhiều 02 động có tổng công suất công suất động cần thay thế, động chọn yêu cầu có tốc độ định mức công suất định mức khác giới hạn cho phép, nối cứng trục (Hình 1-2) Ưu điểm giải pháp rõ là: tính khả thi việc thiết kế, chế tạo động biến đổi kèm có công suất nhỏ hơn; trình vận chuyển, lắp ráp, vận hành dễ dàng Đặc biệt giải pháp đề xuất, cách lựa chọn tổ nối dây máy biến áp lực cách hợp lý cho phép giảm thiểu ảnh hưởng thành phần sóng hài bậc biến đổi tạo lưới điện 1.2 Giải pháp truyền thống Trước hết ta phân tích giải pháp đơn giản thay 01 động chiều 02 động chiều giống có tổng công suất công suất động cần thay thế, động nêu có chung tốc độ định mức Yêu cầu đặt trình vận hành hai động đóng góp phần công suất CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PL 2: Hệ thống điều khiển thích nghi trực tiếp PL3: Cấu trúc Matlab Simulink sơ đồ PL2 PL 4: Cấu trúc hệ thống điều khiển PL 5: Mạch vòng dòng điện động KẾT QUẢ MÔ PHỎNG PL 6: Kết mô mạch vòng dòng điện động PL 7: Kết mô mạch tốc độ cho 02 động PL 8: Cấu trúc Kp thích nghi MẠCH ĐIỆN THỰC HIỆN PL 9: Mô hình mẫu dùng khuếch đại thuật toán PL 10: Bộ điều khiển PD thích nghi dùng KĐTT PL 11: Các bước đề xuất thiết kế PL 12: Kết mô dùng Matlab Simulink PL 13: Kết mô dùng Multisim PL 14: Kết thực nghiệm mô hình thực PL 15: Mạch điện thực chức điều khiển pha xung PL 16: Mạch khuếch đại truyền xung điều khiển PL 17: Mạch điện thực chức bảo vệ PL 18.1: Mạch điều khiển pha xung PL 18.2: Mạch khuếch đại truyền xung PL 18.3: Mạch bảo vệ PL 19: Đối tượng điều khiển PL 18.4: Mạch điều khiển PL 20: Mặt trước tủ điều khiển PL 21: Tổng thể hệ thống PL 22: Tiến hành thực nghiệm KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM PL 23.1: Udb Urc PL 23.3: Urc Uss đầu khâu so sánh PL 23.2: Urc Udk PL 23.4: Urc Ura sau Sửa xung PL 23.5 Xung chùm PL 23.7: Xung cấp cho Thyristor PL 23.6: Nhân xung chùm PL 23.8: Điện áp đầu biến đổi PL 24: Kết thực nghiệm hệ số chia tải PL 25: Kết thực nghiệm hệ số chia tải TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Astrom, K J., Wittenmark, B., Computer - Controlled Systems - Theory and Design, Third Edition, Prentice Hall Information and System sciences Series, Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 1997, ch [2] Van Amerongen, J., Intelligent Control (part 1)-MRAS, Lecture notes, University of Twente, The Netherlands, March 2004 [3] Van Amerongen, J An MRAS-based learning feed-forward controller, Mechatronics 2006 - 4th IFAC-Symposium on Mechatronic Systems Heidelberg, Germany, 2006, pp 6, 2006 [4] Kuo-Kai Shyu, Ming-Ji Yang, Yen-Mo Chen, Yi-Fei Lin, ―Model Reference Adaptive Control Design for A Shunt Active-Power-Filter System‖, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 55, No 1, pp 97-106, 2008 [5] Michael, C , Behavior of a drive system consisting of two DC motors with elastic shafts driving the Yankee drying cylinder of a tissue paper machine, Power Electronics and Motion Control Conference, 2004 IPEMC 2004 [6] Nguyen Duy Cuong, Advanced Controllers for Electromechanical Motion Systems, PhD thesis, University of Twente, Enschede, The Netherlands, 2008 [7] Mitrovic, V Kostic, M Petronijevic and B Jeftenic, "Multi-Motor Drives for Crane Application," Advances in Electrical and Computer Engineering, vol 9, no 3, pp 57 - 62, October 2009 [8] Rockwell Automation, "Allen Bradley: Load Sharing Applications for AC Drives, Publication DRIVES-WP001A-EN-P — June 2000 [9] Rockwell Automation, Load Sharing for the 1336 PLUS II AC Drive, Publication number, 1336E-WP001A-EN-P, 2000 [10] Rockwell Automation, "Allen Bradley: PowerFlex 700 AC Drives Technical Data," 20B-TD001F-EN-P, July 2009 [11] ABB, Direct torque control - the world‘s most advanced, 2001, 3AFE58056685 REV C 6.6.2011 [...]... nếu 02 bộ biến đổi cấp nguồn cho 02 động cơ làm việc độc lập sẽ dẫn đến trạng thái nguy hiểm cụ thể là: Một động cơ làm việc quá tải, động cơ còn lại non tải; Trường hợp xấu hơn nữa một động cơ ngoài việc kéo toàn bộ tải còn phải kéo cả động cơ còn lại Hình 1-4: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ Một trong các thiết kế đã áp dụng đó là sử dụng cấu trúc với 02 mạch vòng điều khiển, mạch vòng... chung cho cả 02 động cơ với thông số cố định, hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện bên trong riêng cho 02 động cơ, bộ điều khiển dòng điện động cơ 1với thông số cố định, tín hiệu ra của bộ điều khiển này là tín hiệu mẫu, thông số bộ điều khiển dòng của động cơ thứ hai được hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dòng điện giữa 02 động cơ (Hình 1-6) Nói một cách khác, bộ điều khiển dòng của động cơ thứ... pháp 02 động cơ chỉ dùng chung 01 bộ biến đổi là không khả thi trong thực tế Qua các phân tích trên, giải pháp điều khiển cho 02 động cơ yêu cầu phải dùng 02 bộ biến đổi (Hình 1-4) Tuy nhiên nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng nếu không có mối liên hệ dàng buộc giữa hai bộ biến đổi sẽ không tạo nên sự đóng góp công suất như nhau của 02 động cơ Thực tế đã khẳng định rằng, nếu 02 bộ biến đổi cấp nguồn cho. .. nghi được thiết kế dựa trên mô hình mẫu được tạo bởi bộ điều khiển dòng động cơ thứ nhất cùng một phần thông số của động cơ đó Với cấu trúc này trong quá trình vận hành, dòng điện động cơ thứ nhất được xem là dòng mẫu, dòng động cơ thứ 2 luôn bám dòng động cơ 1 với sai số nhỏ nhất Có nghĩa dòng phần ứng của cả hai động cơ luôn bằng nhau – điều mà chúng ta mong đợi Hình 1-6: Cấu trúc hệ thống điều khiển.. .cho phụ tải chung là như nhau Yêu cầu này thật là khắt khe và sẽ không bao giờ thực hiện được nếu không có sự can thiệp của điều khiển bới lẽ trong thực tế ta không thể tìm được hai động cơ giống nhau tuyệt đối Hình 1-3: Hai động cơ co các cuộn phần ứng và kích từ tương ứng nối tiếp nhau Một giải pháp giúp hai động cơ trên luôn có các dòng kích từ bằng nhau, các dòng phần ứng... áp dụng cho việc thiết kế hệ thống điều khiển đề xuất Hệ thống điều khiển với cấu trúc 02 mạch vòng, mạch vòng tốc độ bên ngoài, mạch vòng dòng điện bên trong Bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện của động cơ thứ nhất được tính toán trước với các thông số bộ điều khiển là cố định Dòng phần ứng của động cơ thứ nhất được xem là dòng điện mẫu Bộ điều khiển PID thích nghi mạch vòng dòng điện động cơ thứ... các dòng phần ứng như nhau đó là thực hiện mắc nối tiếp các cuộn kích từ, mắc nối tiếp các cuộn dây phần ứng (Hình 1-3) Khi này sự đóng góp của hai động cơ là hoàn toàn giống nhau Giải pháp tưởng đơn giản tuy nhiên không thể thực hiện trong thực tế bởi lẽ điện áp cấp cho kích từ, điện áp cấp cho phần ứng yêu cầu tăng gấp hai lần, điều nay đồng nghĩa với việc công suất của thiết bị biến đổi yêu cầu tăng... hiệu chỉnh cho tham số Kb có thể dẫn tới luật chỉnh định cho tham số Ka, dựa vào tín hiệu e và hàm dấu của u Nhưng điều này sẽ dẫn đến những luật chỉnh định giống nhau cho mỗi tham số Rõ ràng không chỉ là việc chỉnh định trực tiếp các tham số đóng vai trò quan trọng, mà còn là lượng điều chỉnh mỗi tham số, quan hệ với những tham số khác Vì ―tốc độ động của việc chỉnh định‖ được thực hiện bằng cách hiệu... Automation and Control Engineering, ISSN: 2301 - 3 702, pp 300 – 306, 2014 Bài báo [1] đưa ra cấu trúc cũng như biểu thức của bộ điều khiển thích nghi trực tiếp, gián tiếp ở miền tương tự cũng như miền số Kết quả thiết kế, tính toán được kiểm chứng qua mô phỏng sử dụng Matlab Simulink Bài báo [2] đưa ra cấu trúc hệ thống điều khiển 02 động cơ một chiều nối cứng trục, tính chọn thông số các bộ điều khiển, đề... khi thông số của hệ thống thay đổi, dẫn đến sự sai khác tương đối lớn về dòng điện của các động cơ (đôi khi có thể lên đến 15%) Chính vì vậy, cùng với quá trình vận hành, cán bộ kỹ thuật cần phải chỉnh định lại thông số của các bộ điều khiển sao cho hệ thống làm việc ổn định theo mong muốn – đây là nhược điểm cơ bản của thiết kế đã nêu Hình 1-5: Giải pháp truyền thống 1.3 Giải pháp đề xuất Giải pháp