Điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha trong cầu trục nhà máy thủy điện A Vương bằng phương pháp điều áp Stator và xung điện trở Rotor

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN MINH NHỰT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA TRONG CẦU TRỤC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN A VƯƠNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU ÁP STATOR VÀ XUNG ĐIỆN TRỞ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRẦN MINH NHỰT

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA TRONG CẦU TRỤC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN A VƯƠNG

BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU ÁP STATOR

VÀ XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR

Chuyên ngành : Tự động hóa

Mã số: 60.52.60

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2012

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN BÊ

Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN HỒNG ANH

Phản biện 2: TS TRẦN ĐÌNH KHÔI QUỐC

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày tháng năm 2012

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ngày nay hầu hết trong cầu trục đều sử dụng biến tần để điều khiển động cơ nâng hạ Với một số ưu thế tuyệt đối là khởi động mềm và điều chỉnh tốc độ động cơ vô cấp, đường đặc tính cơ mềm hơn rất nhiều so với các hệ còn lại, nhưng khi sử dụng bộ biến tần thì giá thành đắt, khó sửa chửa khi sự cố xảy ra, hầu hết là phụ thuộc vào

nhà sản xuất Với đề tài “Điều khiển động cơ không động bộ 3 pha

trong cầu trục nhà máy thủy điện A Vương bằng phương pháp điều áp stator và xung điện trở rotor”, luận văn góp phần xây dựng

hệ điều khiển có thể thay thế phương pháp trên nhưng vẫn đạt yêu cầu về khởi động và điều chỉnh tốc độ vô cấp, giá thành hạ, dể sửa chửa khi có sự cố

2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là động cơ không đồng bộ ba pha

(động cơ nâng hạ) trong cầu trục nhà máy thủy điện

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hệ thống tự động điều chỉnh dòng khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha với momen không đổi

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu tổng quan về động cơ không đồng bộ ba pha và các

đặc tính khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ

Nghiên cứu phương pháp điều khiển PID trong động cơ không đồng bô ba pha

Xây dựng mô hình trên matlab simulik để đánh giá trên quả thu được

4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI

Tối ưu hóa quá trình điều khiển, giảm dòng khởi động động cơ

không đồng bộ ba pha trong cầu trục, hạ giá thành, làm chủ được công nghệ và dể bào trì sửa chửa khi có sự cố xảy ra

5 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN

Toàn bộ luận văn được chia làm 4 chương:

- Chương 1: Tổng Quan về cầu trục

- Chương 2: Tính chọn công suất động cơ truyền động

- Chương 3: Chọn phương án truyền động

- Chương 4: Thiết kế và tổng hợp hệ thống

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC

Cầu trục nói chung được sử dụng trong nhiều ngành kinh tế khác nhau như các phân xưởng lắp ráp cơ khí, xí nghiệp luyện kim, công trường xây dựng, cầu cảng Chúng được sử dụng trong các ngành sản xuất trên để giải quyết các việc nâng bốc vận chuyển tải trọng, phối liệu, thành phẩm Có thể nói rằng, nhịp độ làm việc của máy nâng chuyển góp phần quan trọng, nhiều khi có tính quyết định đến năng suất của cả dây chuyền sản xuất ở các ngành nói trên Vì vậy, thiết kế hệ truyền động cần trục ở cơ cấu nâng hạ cần phải tuân thủ chặt chẽ các quy trình kỹ thuật đồng thời cũng phải đảm bảo tính kinh tế Trước khi đi vào thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng-hạ cầu trục, trong chương này ta đi tìm hiểu một số đặc điểm công nghệ cùng với việc phân tích những nét chính trong yêu cầu truyền động cầu trục

1.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA CƠ CẤU NÂNG-HẠ CẦU TRỤC

1.1.1 Cấu tạo

Hình 1.1: Cấu tạo cầu trục

i = 340

Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ như sau:

1.3 XÂY DỰNG CÁC CÔNG THỨC CẦN THIẾT CHO TÍNH TOÁN CƠ CẤU NÂNG HẠ

1.3.1 Phụ tải tĩnh khi nâng tải

1.3.2 Phụ tải tĩnh khi hạ tải

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Ở chương này ta đi tìm hiểu về một số đặc điểm chính của cầu trục

và xây dựng được công thức cần thiết cho cơ cấu nâng hạ là cơ sở để

ta đi chọn công suất động cơ ở chương 2

Hình 1.2: Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng-hạ

M

MC

CHƯƠNG 2:

TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG

Chọn công suất động cơ phù hợp với yêu cầu truyền động là một khâu quan trọng trong quá trình tiến hành thiết kế hệ thống Việc chọn công suất động cơ bao hàm cả việc chọn loại động cơ

2.1 CHỌN LOẠI ĐỘNG CƠ

2.2 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ PHỤ TẢI TĨNH

c

t

i u

R G G

)(



n

v G

i u

R G

Hệ số mang tải:

K =

đm

G G

G

 0

Mno =

co

t

i u

R G



.

.

co n

v G



1000

thông số như sau:

- Điện trở roto qui đổi về stator : ,

Việc tính chọn được công suất động cơ và loại động cơ truyền

động cơ ý nghĩa quan trọng trong việc chọn phương an truyền động nhằm mục đích thỏa mãn đặc tính tải trong cầu trục

CHƯƠNG 3:

CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

Chọn phương án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tính chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một phương án khả thi đáp ứng được cả yêu cầu về đặc tính kỹ thuật và kinh tế với công nghệ đặt ra Lựa chọn phương án truyền động tức là phải xác định được loại động cơ truyền động, phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải, sơ đồ nối bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động

3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHI KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

3.1.1 Các yêu cầu mở máy cơ bản

3.1.2 Các phương pháp mở máy

a Phương pháp “khởi động cứng”

b Xây dựng mô hình vật lý khởi động động cơ trong matlab bằng phương pháp đóng điện trực tiếp

Từ những thông số động cơ đã chọn ở chương 2, ta đi xây dựng mô

hình khởi động trên matlab

C o n tinu o u s

po we rgu i

T orq ue ste p

a b c

Tm

D ong co 55Kw

0 Con stan t torq ue

C B A

Iabc (A)

<R otor s peed (wm)>

Hình 3.1: Mô hình vật lý khởi động động cơ bằng phương

pháp đóng cắt

Hình 3.8: Đặc tính cơ tự nhiện của động cơ không đồng bộ

rô to dấy quấn P = 55Kw

0 0.2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1.8 2 -800

dong khoi dong bang phuong phap dong t ruc t iep dong co vao nguon dien

Hình 3.2: Kết quả mô phỏng dòng khởi động bằng phương pháp

3.2.2 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha

3.2.3 Đặc tính cơ khi điều chỉnh điện áp stator

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

3.2.4 Xây dựng mô hình khởi động động cơ trong matlab băng phương pháp điều áp xoay chiều 3 pha sử dựng 6 thyristor mắc song song ngược

Con tinu ou s

po we rgu i

v + -

V C

v + -

V B

v + -

V A

To rque step

g m a k

S cope3

Sco pe2

P ulse Gen erator1

TA- TC+

c Tm

D ong c o 55K w

0 Consta nt

<Elect rom agnetic t orque Te (N* m )>

Hình 3.10: Mô hình vật lý khởi động động cơ bằng phương điều áp

xoay chiều

0 0 2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1 6 1.8 2 -600

dong khoi dong bang phuong phap ha dien ap dat vào

Hình 3.11: Kết quả mô phỏng khởi động động cơ bằng phương điều

a Đặc tính điều chỉnh xung điện trở rotor

b Nguyên lý làm việc hệ điều chỉnh tốc độ xung điện trở rotor

3.4 ĐIỀU ÁP STATOR VÀ XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR CÓ ĐỔI CHIỀU QUAY

3.4.1 Sơ đồ mạch lực

Hình 3.15: Sơ đồ điều áp stato và xung điện trở roto

CHƯƠNG 4:

THIẾT KẾ VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG 4.1 KHỞI ĐỘNG MỀM ĐỘNG CƠ KĐB BẰNG ĐIỀU ÁP STATOR

b Nguyên lý hoạt động của mạch

4.2 TÍNH CHỌN CÁC THÔNG SỐ VÀ HÀM TRUYỀN ĐẠT CỦA HỆ THỐNG

4.2.1 Khâu phản hồi dòng điện

Vậy ta có hàm truyền của khâu phản hồi dòng:

phi = 0, 02.

1 0, 047

cai

K s



4.2.2 Khâu phản hồi tốc độ

Hàm truyền của khâu phản hồi tốc độ:

4.2.3 Hàm truyền của bộ biến đổi

Bộ biến đổi xoay chiều (BBĐ) được coi là một khâu trễ có hàm truyền gần đúng :

56, 9

BBD s

4.2.4 Hàm truyền của động cơ

a Hàm truyền của động cơ khi có phản dòng điện

b Hàm truyền của động cơ khi có phản hồi tốc độ

Vậy hàm truyền của động cơ trong mạch vòng phản hồi tốc độ:

0 , 4 4 W

Ta có sơ đồ cấu trúc của hệ khi chỉ có phản hồi tốc độ:

c Hàm truyền của toàn hệ thống

6 3 4 2

27, 08.

cai ki

a Xác định miền giá trị của K ca để hệ thống kín ổn định

b Đánh giá các chỉ tiêu động học của hệ thống kín

+ Xét đối với mạch vòng phản hồi dòng điện

Ta thu được đáp ứng bước

dap ung he thong Kc ai=0,5

0.4

0.6

0.8

1 1.2

1.4

1.6

Các chỉ tiêu chất lượng:

- Sai lệch tĩnh: e = 1,39%

- Độ quá điều chỉnh( overshoot) :  = 64,44 %

- Thời gian điều chỉnh(setting time) : 0,225 s

Hình 4.8: Đáp ứng bước của hệ thống khi có

Ta thu được đáp ứng bước

dap ung he thong Kc ai=0,3

- Độ quá điều chỉnh( overshoot) :  = 48,2 %

- Thời gian điều chỉnh(setting time): 0,179 s

+ Xét đối với mạch vòng phản hồi tốc độ

Ta thu được đáp ứng bước

dap ung he thong Kcaw =0,5

- Độ quá điều chỉnh( overshoot) : = 0%

- Thời gian điều chỉnh: 0,0436s

Hình 4.9: Đáp ứng bước của hệ thống khi có

Hình 4.10: Đáp ứng bước của hệ thống khi có phản hồi

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0

- Độ quá điều chỉnh( overshoot):  = 0

- Thời gian điều chỉnh: 0,0538 s

4.3 XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR

4.3.1 Tính điện trở điều chỉnh

Vì mômen của cơ cấu nâng hạ trong quá trình điều chỉnh là như nhau M = const nên ta có:

2 2

R

2

Hình 4.10: Đáp ứng bước của hệ thống khi có phản hồi

4.3.3 Tính toán bộ chỉnh lưu rotor

b Hàm truyền khâu phản hồi dòng điện

Ta có hàm truyền của khâu phản hồi dòng điện là:

' 2 2 1

f

nm

U I

R I

1 2

2 2

T K

s

d R

2

Tính:

0, 635

i f tm

K C R K

4.4.3 Mô phỏng hệ thống điều chỉnh tốc độ xung điện trở rotor trên matlab

a Sơ đồ hệ thống mô phỏng

0 0 00 5 s+1 0.7 53 5

tran fe r1

0 3s+1 1

Dap ung toc do voi Udk = 4 V

Dap ung toc do k hi thay doi Udk tu 4V den 10 V

4V lên 10V

c Đồ thị dòng điện rotor

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -10

dong dien roto

Hình 4.27: Kết quả mô phỏng dòng roto

4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG IV

Với kết quả mô phỏng trên ta nhận thấy rằng với hệ thống điều

khiển “điều áp stator và xung điện trở rotor” như đã thiết kế thì chất

lượng hệ thống luôn luôn được đảm bảo đáp ứng được tốc độ và momen khi ta thay đổi vị trí đặt tại tín hiều đầu vào

Kết quả mô phỏng thu được hoàn toàn phù hợp với các kết quả nghiên cứu lý thuyết, điều này chứng tỏ thuật toán và cách thức xây dựng bộ điều chỉnh là đúng và chính xác

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Với các kết quả nghiên cứu bước đầu, hệ thống mong muốn góp phần cung cấp một giải pháp về điều khiển và đánh giá kết quả, để từ

đó có thể áp dụng trong các mạch thực tế và công việc thi công, chế tạo

Việc ứng dụng phương pháp điều khiển này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc điều khiển đồng cơ nâng hạ trong cầu trục vì giảm được dòng khởi động khi khởi động đồng cơ không đồng bộ so với

hệ củ (sử dụng phương pháp đóng mở trực tiếp), dể dàng tự động hóa trong quá trình điều khiển Khởi động mềm giúp quá trình nâng vật hay hạ vật không bị giật mạnh gây ra hiện tượng đứt cáp, an toàn cho người sử dụng

Luận văn này, tác giả đã giải quyết được vấn đề đã đặt ra là khởi động mềm và điều chỉnh tốc tộ với momen không đổi tuy nhiên luận văn chỉ dừng lại với việc nghiên cứu lý thuyết và mô hình trên phần mêm matlab Với thuật toán ban đầu là cơ sở để ta có thể xây dựng được mạch thực tế và đó cũng là hướng phát triển của đề tài