Trình bày truyền động điện trong công nghệ quấn tháo băng vật liệu. Nguyên tắc điều khiển và chế độ làm việc của động cơ truyền động. Tính toán thuật toán bù phi tuyến và thiết kế hệ truyền động. Mô phỏng hệ thống.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CĨ TÍNH PHI TUYẾN NGUYỄN ĐỨC VINH HÀ NỘI 2008 MỤC LỤC Lời nói đầu Truyền động điện công nghệ quấn tháo băng vật liệu 1.1 Khái niệm 1.2 Ứng dụng cụ thể máy “Quấn – Tháo,, công nghiệp giấy 2 Nguyên tắc điều khiển chế độ làm việc động truyền động 2.1 Nguyên tắc điều khiển 2.2 Chế độ làm việc động tháo Tính tốn thuật toán bù phi tuyến thiết kế hệ truyền động 16 3.1 Đối tượng điều khiển 16 3.1.2 Mơ tả tốn học động đồng ba pha 17 3.1.3 Sự tương đồng động đồng động chiều 19 3.1.4 Hệ truyền động ĐC đồng - Biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên 20 3.1.4.1 Quá trình chuyển mạch 21 3.1.4.2 Momen động 25 3.1.4.3 Giới hạn chuyển mạch tự nhiên vấn đề khởi động 29 3.1.4.4 Điều khiển động đồng 30 3.1.5 Mơ tả tốn học động đồng biến tần nguồn dòng 31 3.2 Thuật toán bù phi tuyến 33 3.3 Thiết kế truyền động điện mô sơ 36 3.3.1 Tính chọn động truyền động 36 3.3.2 Tính chọn mạch lực hệ biến tần nguồn dòng 36 3.3.2.1 Chọn van cho mạch nghịch lưu 36 3.3.2.2 Chọn van cho mạch chỉnh lưu 38 3.3.2.3 Chọn cuộn cảm đầu vào 39 3.3.2.4 Chọn phần tử mạch khởi động 39 3.3.2.5 Chọn van cho mạch chỉnh lưu kích từ 44 3.3.3 Thiết kế điều khiển chỉnh lưu mô 45 3.3.4 Điều khiển nghịch lưu mô 54 Tính tốn mơ hệ thống 62 4.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện phần ứng 62 4.2 Tổng hợp mạch vịng dịng điện kích từ 65 4.3 Xây dựng sơ đồ mô 68 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 Lời nói đầu Những hệ thống có băng vật liệu dệt, sản xuất giấy, chất dẻo (Plastic), hợp chất cao phân tử (Polymer), thép… phổ biến công nghiệp Băng vật liệu chuyên chở hệ thống lăn, lơ dẫn tích cực (Drive Roller–được nối với động truyền động–bao gồm máy quấn tháo) thụ động (Idle Roller), xử lý qua nhiều công đoạn như: Tráng phủ (Coating); cán mỏng, dát mỏng (Laminating) in… Các hệ thống có yêu cầu truyền động đồng tốc độ, giữ sức căng, vận tốc nhả ăn vật liệu không đổi Tuy nhiên để đảm bảo điều thật khơng dễ, hệ thống có tính phi tuyến mạnh Chính việc phân tích, tìm hiểu, nghiên cứu mặt lý thuyết mô phỏng, xa thiết kế hệ truyền động cần thiết Luận văn chọn hệ thống cắt cuộn lại giấy với đối tượng hệ truyền động cho lô nhả vật liệu làm đối tượng nghiên cứu Luận văn bào gồm bốn phần chính: Truyền động điện công nghệ quấn tháo băng vật liệu; Nguyên tắc điều khiển chế độ làm việc động tháo; Tính tốn thuật tốn bù phi tuyến thiết kế hệ truyền động; Tính tốn mơ hệ thống Tơi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Liễn thầy cô mơn Tự động hóa trường Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn, giúp tơi hồn thành luận văn Hà Nội, ngày 12 tháng 04 năm 2008 Học viên Nguyễn Đức Vinh 1 Truyền động điện công nghệ quấn tháo băng vật liệu 1.1 Khái niệm Khái niệm – ‘Quấn, Là trình cuộn băng vật liệu dạng phẳng dẹt (Flatstuff) thành khối vật liệu có dạng trụ trịn (Roundstuff) (Vì dễ dàng cất giữ, vận chuyển mà không cần phải cắt hay gấp lại) Có thể nói q trình khơng khác so với hoạt động đóng gói sản phẩm: Cất giữ; Bảo vệ; Hình thức đẹp Hình 1.1 Quá trình quấn Khái niệm – ‘Tháo, Ngược lại với quấn, trình trải (Roundstuff → Flatstuff) thuận tiện cho công đoạn như: Cắt, xẻ (Slitter Rewinder): Cắt lô dài có đường kính lớn thành nhiều lơ có đường kính chiều dài nhỏ (Theo yêu cầu khách hàng); Hình 1.2 Quá trình tháo cắt, xẻ Luận văn thạc sỹ Cán, dát mỏng, phun phủ, in… Hình 1.3 Quá trình Tháo – Cán, Phun phủ, In… – Quấn lại 1.2 Ứng dụng cụ thể máy “Quấn – Tháo,, công nghiệp giấy Nhà máy giấy Nhà máy giấy thực công đoạn cuối trình sản xuất giấy Nhà máy nằm khu công nghiệp sản xuất giấy từ nguyên liệu đến thành phẩm Khu bao gồm nhà máy chế biến, xử lý ngun liệu thơ, nhà máy hóa chất, nhà máy điện, xí nghiệp sửa chữa, bảo dưỡng, vận tải… cuối nhà máy giấy Nhà máy giấy có nhiệm vụ lấy bột giấy chế biến từ khâu sản xuất trước, chế biến giấy qua phân xưởng xeo giấy Giấy sau phân xưởng xeo thường có kích cỡ lớn đưa tới hệ cuộn lại, cắt thành kích thước thích hợp Giấy sau công đoạn đưa tiếp sang phân xưởng cắt giấy đóng gói thành phẩm Máy cuộn lại giấy Nằm nhà máy giấy, có nhiệm vụ cắt giấy có kích thước lớn thành kích thước thích hợp (Hình 1.4) Giấy cuộn lớn đưa từ máy xeo sang lắp vào trục lô tháo (Unwinder) Đầu tiên, công nhân vận hành cho hệ thống hoạt động chế độ chạy bị (Threading) Giấy theo lơ dẫn (Guide Roller) đến hệ dao (Slitters) tới lô (Rear Drum) cuộn lại lô cuộn (Winder – Wind Up – Luận văn thạc sỹ Wound Roll) Giữa hệ dao lô hệ thống thổi khí bắt giấy dẫn giấy theo đường chuyển động mong muốn Ở chế độ chạy bò, tất động quay chậm trừ lơ đè (Rider Roller) chưa hạ xuống Hình 1.4 Giản đồ khối hệ thống cắt – cuộn lại giấy Khi giấy đưa vào vị trí phù hợp, công nhân vận hành chuyển công tắc sang vị trí ‘Run, hạ lơ đè dao Hệ thống bắt đầu tăng tốc Khi đạt tới tốc độ yêu cầu chuyển tiếp sang chế độ ‘Holding, giữ nguyên chế độ làm việc Hệ thống giữ nguyên tốc độ, lực căng thông số đặt từ trước suốt q trình cịn lại Một thao tác quan trọng khác mà công nhân vận hành phải thực trước cho hệ thống hoạt động cài đặt giá trị thích hợp từ bàn điều khiển lực căng, tốc độ, đường kính ban đầu lơ tháo Khi muốn dừng cơng nhân vận hành chuyển cơng tắc sang vị trí ‘Stop, máy dừng lại từ từ Khi hết giấy hệ thống tự động dừng lại kết thúc chu trình làm việc Lơ tháo (Unwinder) Cuộn giấy với kích cỡ lớn đưa từ máy xeo giấy sang lắp vào trục kéo động tháo (Unwinder Motor) Động quay thuận ngược, chạy nhiều tốc độ khác tương ứng với chế độ làm việc hệ Luận văn thạc sỹ chạy bò, tăng tốc, giảm tốc, dừng dừng đột ngột có cố Nó có vai trị quan trọng đảm bảo lực căng đồng hệ thống Do mà mạch điều khiển phức tạp Lô dẫn (Guide Roller) Quay theo chiều chạy giấy, định vị, làm phẳng căng dẫn giấy đến hệ dao Hệ dao (Slitters) Có nhiều dao, quay với tốc độ cao theo chiều chạy giấy, tốc độ dao thay đổi phụ thuộc vào tốc độ chung hệ thống đặt lúc ban đầu Vị trí số lượng dao sử dụng thay đổi theo yêu cầu khổ giấy Hệ dao đưa vào đạt tốc độ định Lô Giấy sau cắt cuộn lại Hai lô liên tục quay theo chiều chạy giấy kéo theo lô cuộn lại làm việc theo Tốc độ hai lô phụ thuộc (Lô số quay nhanh lô số 1: – 15 vịng/phút) Tốc độ lơ số nhanh nhằm làm căng chặt lô cuộn lại Tốc độ hai động điều khiển phụ thuộc tốc độ đặt chế độ làm việc Lô đè (Rider Roller) Lơ đè có nhiệm vụ đè lơ cuộn lại xuống lô Lô quay theo chiều chạy giấy dùng trọng lượng để đè làm cho giấy phẳng, lơ giấy chặt Trọng lực giảm bớt nhờ áp lực dầu đưa từ bên vào (Áp lực công nhân vận hành đặt) Bộ đo lực căng Bộ gắn với hệ dao, đo lực căng qua lực giấy đè lên bàn đỡ hai đầu hệ dao (Có bù trọng lực bàn đỡ) Có thể đo tổng hiệu lực căng Lực căng thơng số cần giữ khơng đổi q trình vận hành Luận văn thạc sỹ Hệ thổi khí bắt giấy Được sử dụng chạy bò, nhiệm vụ đưa giấy từ lơ tháo vào vị trí làm việc bắt đầu vận hành Hệ thổi giấy đặt dọc theo chiều giấy chạy hệ dao lô lô đè Các số liệu cơng nghệ Hình 1.5 Các thơng số lô giấy r max = 1,2 [m] – Bán kính lớn cuộn tháo; r0 = 0,4 [m] – Bán kính lõi cuộn tháo; D max = 2,4 [m] – Đường kính lớn cuộn tháo; D0 = 0,8 [m] – Đường kính lõi cuộn tháo; h = 0,1 [mm] = 0,0001 [m] – Độ dày lớp giấy; ρ = 800 [kg/m3] – Khối lượng riêng giấy; l = 3,8 [m] – Chiều dài cuộn giấy; vt = 25 [m/s] – Tốc độ tháo giấy (Được giữ không đổi); Tt = 2000 [N] – Sức căng tối đa giấy; i = – Tỷ số truyền hộp giảm tốc Luận văn thạc sỹ Nguyên tắc điều khiển chế độ làm việc động truyền động 2.1 Nguyên tắc điều khiển Đặc điểm hầu hết máy quấn tháo lực tác dụng (Sức căng) lên vật liệu phải giữ nguyên không đổi Có thể thực hóa điều thơng qua điều chỉnh momen máy tỷ lệ với bán kính lô tốc độ quay động phải thay đổi tương ứng Cần lưu ý tốc độ nhả vật liệu máy tháo tốc độ ăn vật liệu máy quấn số Các thơng số khác dịng điện, từ thơng động cơ… mạch điều chỉnh momen coi đại lượng điều chỉnh liên quan Vậy nguyên tắc điều khiển là: “Điều chỉnh cơng suất khơng đổi” Tích momen với tốc độ góc số; Hoặc tích sức căng với vận tốc vào trải vật liệu số 2.2 Chế độ làm việc động tháo Xác định bán kính lơ tháo thời điểm t Có nhiều cách để xác định bán kính lơ tháo: Được đo cảm biến siêu âm (Ultrasonic sensor); Được đo thông qua lơ đè với tín hiệu phản hồi tương tự; Được tính tốn dựa thơng số biết… Để thuận tiện cho việc mô hệ thống lô tháo, ta chọn cách tính tốn Luận văn thạc sỹ Đặt: r : Bán kính cuộn tháo thời điểm, r(t) [m]; D : Đường kính cuộn tháo thời điểm, D(t) [m]; m : Số lớp giấy lúc đầu; n : Số lớp giấy thời điểm t; t : Thời gian tháo giấy [s] Giả thiết bỏ qua khe hở lớp giấy, coi r(t) D(t) hàm liên tục theo thời gian t Được tính gần sau: Cách tính thứ nhất: r = rmax − t≤ hvt t (2.1) π π (rmax − r02 ) (2.2) hvt Dmax hv t − t D=2 π t≤ (2.3) π ( Dmax − D02 ) (2.4) 4hvt Cách tính thứ hai: rmax = r0 + mh Tại thời điểm t ta có: r = r0 + mh vt t = 2π [r0 + mh] + 2π [r0 + (m − 1)h] + + 2π [r0 + (m − n)h] vt t = 2πr0 (m − n) + 2πh[m + (m − 1) + + (m − n)] vt t = 2πr0 (m − n) + 2πh[m + (m − 1) + + (n + 1)] vt t = 2πr0 (m − n) + 2πh Luận văn thạc sỹ (m − n)(m + n + 1) 64 Tổng hợp điều khiển RI d (p) Hình 4.2 Cấu trúc hệ rút gọn Hàm truyền đối tượng điều chỉnh: K CLd K fId / RaΣ S Id ( p ) = (1 + pT fId )(1 + pTCLd )(1 + pTaΣ ) (4.1) số TId , TCLd nhỏ so với số thời gian điện từ TaΣ Đặt TSd = T fId + TCLd = 0,001 + 0,00167 = 0,00267 viết lại (4.1) dạng gần sau: K CLd K fId / RaΣ S Id ( p) = (1 + pTS )(1 + pTaΣ ) (4.2) TSd