Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày việc nghiên cứu quá trình điều khiển hai trục lô quấn sử dụng hai động cơ không đồng bộ ba pha cho hệ thống nhuộm vải làm việc đồng thời theo yêu cầu. Mô tả toán học cho động cơ điện không đồng bộ trên hệ trục tọa độ dq, thiết kế điều khiển PID điều khiển tốc độ của hai động cơ dựa vào mối liên hệ giữa tốc độ dài với tốc độ quay để điều khiển hệ thống theo yêu cầu đã được triển khai.
TNU Journal of Science and Technology 225(09): 81 - 86 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO HAI ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI KÉO VẢI CHO HỆ THỐNG NHUỘM Lê Hồng Thu*, Nguyễn Thị Thu Hiền, Vũ Thị Oanh, Lê Thị Thu Huyền Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thơng – ĐH Thái Ngun TĨM TẮT Trong thời đại cơng nghiệp hóa đại hóa nay, việc ứng dụng thành tựu kỹ thuật điều khiển đời sống sản xuất ngày quan tâm Trong thực tế sản xuất cho thấy, hệ thống làm việc cần sử dụng nhiều động điện động có mối liên hệ định với trình làm việc Bài báo trình bày việc nghiên cứu trình điều khiển hai trục lô quấn sử dụng hai động không đồng ba pha cho hệ thống nhuộm vải làm việc đồng thời theo u cầu Mơ tả tốn học cho động điện không đồng hệ trục tọa độ dq, thiết kế điều khiển PID điều khiển tốc độ hai động dựa vào mối liên hệ tốc độ dài với tốc độ quay để điều khiển hệ thống theo yêu cầu triển khai Kết nghiên cứu kiểm chứng thông qua mô hệ thống phần mềm Matlab/ Simulink để chứng minh tính đắn kết nghiên cứu làm sở để triển khai hệ thống mơ hình thực Từ khố: Kỹ thuật điều khiển; điều khiển tốc độ; động không đồng bộ; làm việc đồng thời; điều khiển PID Ngày nhận bài: 21/5/2020; Ngày hoàn thiện: 30/8/2020; Ngày đăng: 31/8/2020 DESIGNING CONTROLLER FOR TWO MOTORS DOUBLE WORKING FABRIC FOR DYEING SYSTEM Le Hong Thu*, Nguyen Thi Thu Hien, Vu Thi Oanh, Le Thi Thu Huyen TNU - University of Information and Comumunicaition Technology ABSTRACT In the era of industrialization and modernization, the application of the achievements of control technology in production life is increasingly concerned In fact, production shows that working systems need to use many electric motors and these motors have a certain relationship with each other in the working process This article presents the investigation the process of controlling two roller by using two three-phase asynchronous motors for the fabric dyeing system at the same time as required The mathematical description for the asynchronous electric motor on the DQ coordinate system, the PID control design for speed control of two motors based on the relationship between long speed and rotation speed to control the system as required have been implemented The research results were verified through system simulation on Matlab/ Simulink software to prove the accuracy of the research results and serve as a basis for implementing the system on real models Keywords: Control technology; speed control; asynchronous motor; work concurrently; PID controller Received: 21/5/2020; Revised: 30/8/2020; Published: 31/8/2020 * Corresponding author Email: hongthuk44kd5@gmail.com http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 81 Lê Hồng Thu Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Mở đầu Hiện hệ truyền động sử dụng động ba pha phương pháp điều khiển ngày quan tâm Trong hệ thống sử dụng nhiều động làm việc đồng thời; dẫn tới yêu cầu điều khiển động trình làm việc để đáp ứng yêu cầu công nghệ Như hệ thống kéo lô vải nhuộm nhà máy dệt cần sử dụng đồng thời hai động để kéo vải cuộn vải sau nhuộm mà hai động làm việc không tốc độ để đảm bảo số vải kéo nhuộm lượng vải thành phẩm cuộn vào Trong thực tế có nhiều hệ thống sử dụng hai động điện chiều nội dung báo trình bày việc nghiên cứu hệ thống sử dụng hai động điện xoay chiều với phương pháp sử dụng mạch vòng điều khiển tốc độ để điều khiển tốc độ động hai phụ thuộc vào tốc độ động dựa vào mối liên hệ tốc độ dài tốc độ quay Tổng quan điều khiển động quấn lô vải Hệ thống sử dụng hai động ba pha làm việc đồng thời với động đặt quay với tốc độ cố định 1 lơ quấn quay tốc độ dài động thay đổi, để đảm bảo số vải tời số vải vào tốc độ dài động hai đặt tốc độ dài đầu động Với yêu cầu trên, ta lựa chọn hai động động ba pha có thơng số với mạch vịng điều khiển tốc độ Ta tiến hành xây dựng mối liên hệ tốc độ dài tốc độ quay hai động cơ, tốc độ động đặt cố định trình làm việc nhờ có hàm tính tốn lượng đặt biến thiên cho động hai mà tốc độ động hai đảm bảo với sai số nhỏ cho lượng vải động kéo để nhuộm động hai cuộn đủ sau nhuộm Mơ hình tốn học cho động khơng đồng hệ trục tọa độ quay dq 3.1 Phương trình tốn học mơ tả động hệ tọa độ dq Phương trình tốn học mơ tả động hệ tọa độ dq sau [1], [2]: 82 225(09): 81 - 86 disd 1− 1− ' 1− = − + + rq' + u isd + s isq + dt Tr rd Ls sq Tr Ts di sq = −s isd − + − isq − − rd' + − rd' + usq dt Tr Ls Ts Tr ' ' d rd ' dt = T isd − T rd + (s − ) rq r r d rq' 1 = isq − (s − ) rd' − rq' Tr Tr dt (1) Để thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống điều khiển ta tuyến tính hóa mơ hình động xung quanh điểm làm việc, trạng thái xác lập điểm làm việc, ta có tốc độ ωlv, mơ-men Mlv dòng điện tải ilv Giả sử hệ thống có dao động nhỏ quanh điểm làm việc đại lượng điện áp, dịng điện, mơ-men, từ thơng, tốc độ có dao động nhỏ tương ứng là: Usd , Usq , isd , isq , sd , s , r Ta viết: U sd = U sdlv + ∆ U sd Usq = Usqlv + Usq isd = isdlv + isd isq = isqlv + isq sd = sdlv + sd Thay tất đại lượng vào hệ phương trình mơ tả động hệ tọa độ dq, sau phép biến đổi bỏ qua giá trị vơ bé bậc cao ta có hệ phương trình sau: 1 − rd d isd dt = − T isd + s isqlv + slv isq + T L + L U sd r m s d isq 1 − rdlv − rd = − i − i − i − − lv + U sq s sdlv slv sd sq T Lm Lm Ls dt d rd = Lm i − sd rd dt Tr Tr L 0 = m i − − s rdlv slv rd Tr sq mM = Lm pc ( rd isqlv + rdlv isq ) Lr 3.2 Mơ hình động hệ tọa độ dq Từ hệ phương trình ta lập mơ hình động hệ tọa độ dq hình http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn (2) (3) Lê Hồng Thu Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 225(09): 81 - 86 A= L'S B= T Tr rdlv Kb = Tr rdlv + T Lm idlv + T Tr rdlv s + Tb s 3. rdlv Pc2 Lm K C = ' L j.s s i Lm + (1 − ) rdlv D = sdlv Lm (5) C= Hình Mơ hình tuyến tính động hệ toạ độ quay dq Nếu điều chỉnh mô-men động quay theo quy luật từ thông không đổi có mơ hình tuyến tính có dạng hình 2: Hình Mơ hình tuyến tính hóa rút gọn động hệ tọa độ quay dq Thiết kế hệ thống điều khiển 4.1 Xây dựng mơ hình tốn biến đổi độ rộng xung PWM [3] Bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung PWM có hàm truyền: WPWM = Kbd + Tbd s (4) Trong đó: Kbd - Hệ số khuếch đại, Tbd - Hằng số thời gian mạch nghịch lưu 4.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ động Sơ đồ cấu trúc điều khiển mạch vịng tốc độ động hình 3: 4.3 Mối liên hệ tốc độ quay tốc độ dài [4] Giả sử kích thước lơ quấn ứng với động hai độ dày lớp vải, độ dày cuộn vải mơ tả hình 4: Hình Mơ tả độ dày hai cuộn vải r1: Bán kính lơ quấn ứng với động ba pha đồng (m) r2: Bán kính lơ quấn hai ứng với động pha đồng thứ hai (m) D: độ dày tổng số lớp vải quấn vào lô quấn (m) D : độ dày lớp vải (m) 1 : tốc độ quay động (rad/s) v1 : tốc độ dài động (m/s) : tốc độ quay động hai (rad/s) v : tốc độ dài động hai (m/s) Bán kính lơ quấn (khi cuộn vải chưa tời) là: r1 = R1 + D = R1 + n.D (6) Tốc độ dài ứng với động lơ quấn thứ bán kính biến thiên kéo vải tính sau: 1.dt v1 = 1.r1 = 1 ( R1 − n1.D ) = 1 R1 − D 2 Hình Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ Trong đó: http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn (7) Tốc độ dài ứng với động hai lô quấn thứ hai bán kính biến thiên cuộn vải tính sau: 83 Lê Hồng Thu Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 2 dt v2 = 2 r2 = 2 ( R2 + n2 D ) = 2 R2 + D 2 Pđm = 3,7 KW; cos = 0,8; f = 50 Hz; Uđm = (8) Để số vải lô quấn tời cuộn lại hết lơ quấn hai tốc độ dài động lô quấn phải tốc độ dài động lô quấn hai v1 = v2 = 1.r1 = 2 r2 2 = r1 1 r2 (9) Có thể biểu diễn công thức sau: 1.dt R − D 2 2 = 1 2 dt D R2 + 2 380 V; jdc= 0,22 kgm2; dm = 148,7 rad/s; Pc = 2; Lm = 0,1545 H; Lσs = 0,1657 H; Rs = 2Ω; Isdlv = 6A Các tham số tính tốn cho hệ truyền động sử dụng động không đồng ba pha điều khiển vectơ sau: Điện cảm mạch stato: Ls = L s + Lm = 0,32023H Điện cảm mạch rôto: Lr = L r + Lm = 0,32023H 225(09): 81 - 86 (10) Động đặt quay với tốc độ cố định 1 lơ quấn quay tốc độ dài động lô quấn thay đổi (v1), để đảm bảo số vải tời số vải vào tốc độ dài động hai đặt tốc độ dài đầu động Mô kết 5.1 Xây dựng mơ hình hệ thống Matlab/ Simulink Đối tượng điều khiển hai động không đồng bộ, động trục lô quấn tời vải động lơ quấn thu vải lại Do ta lựa chọn thông số hai động Từ bước tính tốn thiết kế điều khiển mạch vòng tốc độ nêu ta tiến hành xây dựng mơ hình điều khiển tốc độ hai động không đồng ba pha phần mềm Matlab/ Simulink hình 5, [5]-[7] Hằng số thời gian stato: Ts = Ls = 0.16012( s) Rs Hằng số thời gian rôto: Tr = Lr = 0.16012( s) Rr Hệ số tản từ: rdlv = Lm I sdlv = 0,927(Wb) Hằng số thời gian: L2m 1 1− = 0.76723; = − = 10.035 Lr Ls T Ts Tr Thông số mạch nghịch lưu điều biến độ rộng xung với điện áp điều khiển Uđk = 17,3 (V) điện áp U = 380(V) ta có kết tính tốn Kbd = 380/17,3 = 22 = 1− WPWM = K bd 22 = + Tbd s + 0.001.s = 4.07019 L'S Kb 0, 061424 B= = + Tb s + 0, 061424.s K 12.19 C= C = s s isdlv Lm + (1 − ) rdlv D= = 7,82 Lm A= Trong đó: Kb = T Tr rdlv = 0.061424 Tr rdlv + T Lm isdlv Tb = Kb = 0.061424 Kc = Hình Sơ đồ mơ hệ thống phần mềm Matlab Thông số kỹ thuật động Cho thông số động sau: 84 3. rdlv Pc2 Lm 3, = = 12,19 Lr J 0, 22 5.2 Kết mô điều khiển PID điều chỉnh tốc độ Tốc độ đặt cho động 90 rad/s, với điều khiển PID tính tốn theo http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Lê Hồng Thu Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN phương pháp Ziegler - Nichols thứ nhất, ta có kết mô sau: Tốc độ động hình Hình Kết mơ đường đặc tính đáp ứng tốc độ động 01 Sai số tốc độ, điện áp điều khiển, điện áp đặt vào động hình Hình Sai số tốc độ, điện áp điều khiển, điện áp đặt vào động một; tốc độ động hai Tốc độ động hai hình Hình Kết mơ đường đặc tính đáp ứng tốc độ động 02 Sai số tốc độ, điện áp điều khiển, điện áp đặt vào động hai hình 225(09): 81 - 86 Nhận xét: Khi hệ thống làm việc ổn định tốc độ động bám theo giá trị đặt, sai lệch tĩnh hệ thống gần không Tốc độ đặt cho động 90 rad/s, ta thấy tốc độ thực động với điều khiển PID tính tốn theo phương pháp thực nghiệm bám với tốc độ đặt với độ điều chỉnh rad/s, thời gian thiết lập 2s khơng có sai lệch tĩnh Nhờ có hàm tính tốn lượng đặt biến thiên cho động hai điều khiển PID tính tốn theo phương pháp thực nghiệm mà tốc độ thực tế động hai bám với tốc độ đặt tính tốn gần khơng có sai lệch tĩnh Kết luận Như vậy, dựa vào kết mô chế độ làm việc hai động không đồng ba pha làm việc đồng thời với mạch vòng điều khiển tốc độ hàm tính tốn lượng đặt biến thiên cho động hai, gắn với yêu cầu thực tế điều khiển hai trục lô quấn sử dụng hai động không đồng có thơng số Do tính chất khơng đồng dạng hai lô quấn dẫn đến tốc độ đặt lô quấn thứ hai phụ thuộc vào tốc độ dài lô quấn thứ tốc độ dài đầu lô quấn thứ hai Kết mô độ dày lớp vải kéo khỏi lơ quấn tốc độ đặt cho động hai cần thay đổi theo biểu thức liên hệ tốc độ dài lô quấn hai tương tốc độ lô quấn hai động có tốc độ thực bám sát với tốc độ đặt với sai lệch tĩnh gần không Từ kết mô chứng minh ưu việc sử dụng hai động xoay chiều ba pha làm việc đồng thời thông qua mối liên hệ tốc độ dài tốc độ quay Giúp loại bỏ tình trạng hai động làm việc độc lập không đảm bảo yêu cầu cơng nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES Hình Sai số tốc độ, điện áp điều khiển, điện áp đặt vào động 02 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn [1] G H Vu, K H Tran, T T Phan, and V S Nguyen, Electric machines Science and technology Publishing house, Hanoi, 2005 85 Lê Hồng Thu Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN [2] P Q Nguyen, and J -A Dittrich, Vector Control of Three-Phase AC Machines, Springer, 2013 [3] D P Nguyen, Advanced control theory Science and technology Publishing house, Hanoi, 2007 [4] X M Tran, and N H Nguyen, Synthesis of electro- mechanical systems Vietnam Education Publishing House, Hanoi, 2011 [5] D C Nguyen, and H Puta, Design of MRAS Based Control Systems for Load Sharing of 86 225(09): 81 - 86 Two DC Motors with a Common Stiff Shaft, ICCAIS, 2013 [6] W Y Yang, W Cao, T S Chung, and J Morris, Applied Numerical Methods Using MATLAB John Wiley & Sons, Inc., ISBN, 0471-69833-4, 2005 [7] H T Le, T O Vu, and T T H Nguyen “Designing controller for two motors connected by one shaft,” TNU Journal of Science and Technology, vol 204, no 11, pp 59-64, 2019 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ... động hai phụ thuộc vào tốc độ động dựa vào mối liên hệ tốc độ dài tốc độ quay Tổng quan điều khiển động quấn lô vải Hệ thống sử dụng hai động ba pha làm việc đồng thời với động đặt quay với tốc. .. cầu công nghệ Như hệ thống kéo lô vải nhuộm nhà máy dệt cần sử dụng đồng thời hai động để kéo vải cuộn vải sau nhuộm mà hai động làm việc không tốc độ để đảm bảo số vải kéo nhuộm lượng vải thành... tính đáp ứng tốc độ động 01 Sai số tốc độ, điện áp điều khiển, điện áp đặt vào động hình Hình Sai số tốc độ, điện áp điều khiển, điện áp đặt vào động một; tốc độ động hai Tốc độ động hai hình Hình