Nghiên cứu hệ thống truyền động điện quay lò nung clinker

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRƯƠNG NGỌC HẢI NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRƯƠNG NGỌC HẢI NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS TRẦN TRỌNG MINH Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu hệ thống truyền động điện quay lò nung clinker” em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Trần Trọng Minh Các số liệu kết đề tài hoàn toàn trung thực Để hoàn thành luận văn này, em sử dụng tài liệu tham khảo ghi bảng tài liệu tham khảo, khơng sử dụng tài liệu khác Nếu có chép em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Học viên TRƯƠNG NGỌC HẢI MỤC LỤC CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ CƠNG NGHỆ LỊ NUNG 1.1 Tổng quan công nghệ sản xuất xi măng nhà máy xi măng Lam Thạch II 1.2 Các công đoạn sản xuất xi măng 1.2.1 Công đoạn chuẩn bị nguyên liệu 1.2.2 Công đoạn nghiền nguyên liệu 1.2.3 Công đoạn cấp liệu vào lị 1.2.4 Cơng đoạn tiền nung 1.2.5 Công đoạn nghiền xi măng 11 1.2.6 Cơng đoạn đóng bao vận chuyển 13 1.3 Tổng quan cơng nghệ lị nung 15 1.3.1 Giới thiệu chung lò 15 1.3.2 Lò đứng 16 1.3.3 Lò bể 17 1.3.4 Lị quay 17 1.4 Cơng nghệ lị nung công ty xi măng Lam Thạch 18 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA VÀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN LÒ QUAY 28 2.1 Tổng Quan Về Điều Khiển Truyền Động Điện 28 2.1.1 Cấu trúc chung hệ thống truyền động điện 28 2.1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện 30 2.2 Cấu Tạo Và Nguyên Lí Làm Việc Của Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha 31 2.2.1 Cấu tạo động không đồng ba pha 31 2.2.2 Đặc tính động điện khơng đồng ba pha 34 2.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động không đồng 37 CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA THEO PHƯƠNG PHÁP TỰA THEO VECTOR TỪ THÔNG ROTOR (FOC) 42 3.1 Khái niệm điều khiển vector định hướng theo từ thông rotor FOC 42 3.2 Biến đổi tuyến tính khơng gian vector 43 3.3 Mơ hình động khơng gian vector 45 3.3.1 Mơ hình động hệ tọa độ 0 45 3.3.2 Phương trình trạng thái hệ toạ độ cố định  46 3.3.3 Phương trình trạng thái hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor dq 49 3.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển vector động không đồng 52 3.5 Mơ hình điều khiển FOC dùng tuyến tính hóa xác phản hồi trạng thái đạo hàm biến trạng thái 56 3.5.1 Mơ hình phi tuyến động không đồng 56 3.5.2 Điều khiển tốc độ theo mơ hình phi tuyến 57 3.5.3 Điều khiển vị trí 60 3.6 Kết luận 62 CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN FOC CHO TẢI QUAY LÒ NUNG CLINKER 64 4.1 Mô hình hóa hệ truyền động lị quay 64 4.1.1 Mơ tả hệ truyền động lị quay 64 4.1.2 Phương trình chuyển động điều kiện khối vật liệu dính vào thành lị 67 4.1.3 Phương trình chuyển động điều kiện khối vật liệu trượt thành lò 68 4.2 Thơng số tải lị quay 69 4.3 Tính tốn thơng số động 70 4.3.1 Số liệu động 70 4.4 Mô ứng dụng điều khiển FOC cho tải lị quay clinker 72 4.4.1 Mơ hình mơ 72 4.4.2 Kết mơ 75 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1- Cơng đoạn sản xuất xi măng Hình 1- Công đoạn nghiền vận chuyển đá Hình 1- Công đoạn nghiền liệu Hình 1- Cơng đoạn cấp liệu vào lị Hình 1- Công đoạn tiền nung làm mát Clinker 10 Hình 1- Công đoạn trộn phụ gia, thạch cao 11 Hình 1- Công đoạn nghiền xi măng 12 Hình 1- Đóng bao vận chuyển xi măng 14 Hình 1- 10 Lị đứng 16 Hình 1- 11 Lị bể 17 Hình 1- 12 Lị quay 17 Hình 1- 13 Đường thay đổi nhiệt độ lò 23 Hình 1- 14 Luân chuyển nguyên liệu lò nung 25 Hình 1- 15 Đường đặc tính khởi động tiêu biểu động lò 27 Hình 2- Cấu trúc hệ thống truyền động điện 28 Hình 2- Cấu tạo động điện khơng đồng 32 Hình 2- Nguyên lý làm việc động không đồng ba pha 33 Hình 2- Sơ đồ thay pha động không đồng 35 Hình 2- Đường đặc tính động không đồng ba pha 36 Hình 3- Các đại lượng is , r động hệ toạ độ 44 Hình 3- Mơ hình động hệ toạ độ cố định  49 Hình 3- Sơ đồ cấu trúc động hệ toạ độ quay dq 52 Hình 3- Mơ hình điều khển động chiều 53 Hình 3- Tư tưởng điều khiển ĐCKĐB 53 Hình 3- Sơ đồ tính tốn góc quay từ trường theo phương pháp gián tiếp 55 Hình 3- Mơ hình điều khiển vectơ kiểu trực tiếp lấy s từ quan sát 56 Hình 3- Mơ hình quan sát từ thông 61 Hình 3- Sơ đồ hệ thống điều khiển tổng thể 62 Hình 4- Mơ hình hóa lị quay 66 Hình 4- Sơ đồ mơ ứng dụng điều khiển FOC cho lị quay clinker 72 Hình 4- Sơ đồ điều khiển FOC 73 Hình 4- Mơ hình quan sát từ thông flux observer 73 Hình 4- Sơ đồ biến đổi alpha beta 74 Hình 4- Khâu phản hồi iq* id* 74 Hình 4- Kết mơ phỏng: đáp ứng phía động 75 Hình 4- Đáp ứng phía động phóng to mặt thời gian 76 Hình 4- Đáp ứng khâu hộp số 77 Hình 4- 10 Đáp ứng mơ hình tải lị quay 78 Hình 4- 11 Đáp ứng điều khiển dòng điện id, iq 79 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta năm gần có tăng trưởng vượt bậc kinh tế, với yêu cầu đòi hỏi sản xuất hội nhập vào kinh tế giới việc áp dụng tiến khoa học kỹ thuật mà đặc biệt lĩnh vực tự động hoá q trình sản xuất có bước phát triển mới, tạo sản phẩm có hàm lượng chất xám cao tiến tới hình thành kinh tế tri thức.Mức độ tự động hố q trình sản xuất sâu vào tất khâu trình tạo sản phẩm, ứng dụng cho dây chuyền sản xuất xi măng Xi măng loại vật liệu xây dựng, chất kết dính xây dựng mà nhà khoa học tìm vào cuối kỷ 19 sản xuất trước tiên vài nước tư như: Đan Mạch, Anh, Pháp, Mỹ…Đầu kỷ 20, xi măng nhu cầu thiếu công nghiệp xây dựng phát triển kinh tế Xi măng hầu hết xuất hiên khắp thị trường giới Trong q trình phát triển mình, Cơng ty xi măng Lam Thạch dần khẳng định uy tín khắp miền đất nước Tuy nhiên, với phát triển khoa học kỹ thuật cạnh tranh kinh tế thị trường địi hỏi vận động mạnh mẽ tồn cơng ty, tất cán bộ, kỹ sư công nhân Họ không ngừng học hỏi, nghiên cứu áp dụng công nghệ sản xuất để nâng cao suất, chất lượng sản phẩm nhằm đạt mục tiêu đặt xứng đáng chim đầu đàn ngành xi măng Với kiến thức tiếp thu thời gian làm việc Cơng ty xi măng Lam Thạch q trình học tập Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, giúp đỡ lớn từ thầy cô mơn Tự động hóa, đặc biệt thầy giáo PGS-TS Trần Trọng Minh giúp em thực đề tài tốt nghiệp:“Nghiên cứu hệ thống truyền động điện quay lò nung clinker” NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER To n o   m n Tm  (0.4) Phương trình chuyển động khối vật liệu là: Fw R   J v F  Ft L (0.5) Khi khối vật liệu dính vào thành lị, nghĩa đứng n so với thành lị, ta có: o  F (0.6) Vậy từ (0.3), (0.5) ta có: To  J oo  J vo  Ft L   J o  J v o  Ft L (0.7) Theo (0.7) mô men qn tính tổng mơ men qn tính vỏ lò khối vật liệu, thành phần mô men cản sinh lực tiếp tuyến Ft với cánh tay đòn L, điểm đặt trọng tâm khối vật liệu 4.1.3 Phương trình chuyển động điều kiện khối vật liệu trượt thành lò Khi khối vật liệu trượt thành lị phương trình chuyển động vỏ lò là: To  J oo  Fw R (0.8) Trong (0.8) lực ma sát Fw ma sát trượt với hệ số ma sát Coulomb: Fw  mc mv g cos   F  (0.9) Theo (0.8), (0.9) mơ men qn tính hệ cịn mơ men qn tính vỏ lị Jo Thành phần mô men cản sinh lực ma sát trượt Fw với hệ số ma sát trượt Coulomb mc cánh tay địn bán kính vỏ lò R 68 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER Khi khối vật liệu bị trượt theo thành lị chuyển động tự theo phương trình: Fw R   J v F  Ft L Fw  mc mv g cos   F  (0.10) Ft  mv g sin   F  4.2 Thơng số tải lị quay r = 0.6 m Bán kính trục puli R=1.6 m Bán kính lô tải x = 0,4 m Độ dày vỏ lô tải h = 50 m Chiều dài lô tải α = 300 Góc puli lơ tải m = 197192 kg ( khối lượng riêng lò 7,85 t/m3) i = 125 Tỉ số truyền n1= 3v/p Tốc độ quay lò f = 0.7 Hệ số ma sát puli lơ tải  Ta có 𝐽Σ = 𝐽𝑝𝑙1 + 𝐽𝑝𝑙2 + 𝐽𝑡  𝐽𝑡 =  𝐽𝑝1 = 𝐽𝑝2 =  𝑀𝑐Σ = 𝑀𝑐1 + 𝑀𝑐2  𝑀𝑐1 = 𝑀𝑐2 = 𝑓𝑟𝐹 = 0.78 × 0.6 × 9.81 × 197192 × sin 300 = 452662 𝑁𝑚 𝑚𝑅 = 197192×1.6 𝑚𝑟 = = 157753 𝑁𝑚𝑠 4436×0.6 = 1330 𝑁𝑚𝑠 69 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER 4.3 Tính tốn thơng số động 4.3.1 Số liệu động Thông số động không đồng cho tải quay lị nung clinker Cơng suất định mức Pđm = 400 kW Điện áp định mức Udm = 400 V Dòng điện định mức Iđm = 570 A Hiệu suất η = 95,9 % Tần số f = 50 Hz Tốc độ định mức nđm = 993 rpm Hệ số công suất cos φ = 0,83 Số đôi cực pp = Mơ men qn tính J = 15kg.m2 Mô men định mức Mđm = 3029 Nm Điện trở stator Rs = 2,879 x 10-3 Ω Điện trở rotor Rr = 2,879 x 10-3 Ω Điện cảm stator Ls = 2,926 mH Điện cảm rotor Lr = 2,893 mH Hỗ cảm stator rotor Lm = 2,825 mH  Điện cảm tản: 70 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER Lσs = Ls – Lm = 2,926 – 2,825 = 0,101 (mH) (4-11) Lσr = Lr – Lm = 2,893 – 2,825 = 0,068 (mH)  Hằng số thời gian rotor: 𝑇𝑟 =  𝑅𝑟 = 2,893 0,002879 10−3 = 1,005 (𝑠) (4-12) Tốc độ rotor định mức 𝜔đ𝑚 =  𝐿𝑟 𝑛đ𝑚 × 2𝜋 993 × 2𝜋 𝑟𝑎𝑑 = = 104 ( ) 60 60 𝑠 Dòng điện làm việc chế độ định mức: 𝐼𝑠𝑑 = √2𝐼𝑑𝑚 √1 − 𝑐𝑜𝑠𝜑 = √2 × 570√1 − 0,83 = 332 (𝐴) 2 𝐼𝑠𝑞 = √2𝐼𝑑𝑚 − 𝐼𝑠𝑑 = √2 5702 − 3322 = 734 (𝐴)  Từ thông định mức: 𝜓𝑟 = 𝐿𝑚 𝐼𝑠𝑑 = 2,825 × 10−3 × 332 = 0,939 (𝑊𝑏)  Hệ số quy đổi rotor sang stator: 𝐾𝑟 =  𝐿𝑚 2,825 × 10−3 = = 0,976 𝐿𝑟 2,893 × 10−3 Các tham số tính tốn động 𝐿𝑒 = 𝐿𝜎𝑠 + 𝑘𝑟 𝐿𝜎𝑟 = 0,101 + 0,976 × 0,068 = 0,167 (𝑚𝐻) 𝑅𝑒 = 𝑅𝑠 + 𝐾𝑟2 𝑅𝑟 = 2,879 × 10−3 + 0,9762 × 2,879 × 10−3 = 5,621 × 10−3 (Ω) 𝑇𝑒 = 𝐿𝑒 𝑅𝑒 = 0,167×10−3 5,621×10−3 = 0,030 (𝑠) 71 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER  Ở chế độ tốc độ bản: Trong dịng kích từ từ thơng kích từ giữ giá trị định mức, tốc độ điểm làm việc định mức, tải chế độ định mức: ta có 𝐾𝑟 𝜓𝑟 = −38 𝑉 𝑇𝑟 𝑈𝑠𝑞𝑚𝑎𝑥 = 𝑅𝑒 𝐼𝑠𝑞 + 𝜔𝑠 𝐿𝑒 𝐼𝑠𝑑 + 𝜔𝑑𝑚 𝐾𝑟 𝜓𝑟 = 308 𝑉 𝑈𝑠𝑑𝑚𝑎𝑥 = 𝑅𝑒 𝐼𝑠𝑑 − 𝜔𝑠 𝐿𝑒 𝐼𝑠𝑞 − { 2 + 𝑈𝑠𝑑𝑚𝑎𝑥 = √−382 + 3082 ≤ 𝑈𝑠𝑑𝑚 = 231 𝑉 √𝑈𝑠𝑞𝑚𝑎𝑥 4.4 Mô ứng dụng điều khiển FOC cho tải lị quay clinker 4.4.1 Mơ hình mơ Hình 4- Sơ đồ mơ ứng dụng điều khiển FOC cho lò quay clinker Trong sơ đồ có khối Vector control điều khiển FOC; Khối tải Load Bộ truyền speed reducer 72 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER Động induction motor Hình 4- Sơ đồ điều khiển FOC Hình 4- Mơ hình quan sát từ thông flux observer 73 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER Hình 4- Sơ đồ biến đổi alpha beta Hình 4- Khâu phản hồi iq* id* 74 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER 4.4.2 Kết mơ Hình 4- Kết mơ phỏng: đáp ứng phía động 75 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER Hình 4- Đáp ứng phía động phóng to mặt thời gian 76 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER Hình 4- Đáp ứng khâu hộp số 77 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER Hình 4- 10 Đáp ứng mơ hình tải lị quay 78 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER Hình 4- 11 Đáp ứng điều khiển dòng điện id, iq 79 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER KẾT LUẬN Trong suốt thời gian hoàn thành luận văn tốt nghiệp “ Nghiên cứu hệ thống truyền động điện quay lò nung clinker” giúp em củng cố thêm nhiều kiến thức chuyên môn kỹ áp dụng thực tiễn Trong luận văn tốt nghiệp này, em trọng nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển cho hệ truyền động điện động xoay chiều khơng đồng ba pha cho tải quay lị nung clinker sử dụng phương pháp tựa theo vector từ thông rotor FOC Với kết thu được, luận văn em giải xong vài vấn đề như: Tổng quan hệ điều khiển truyền động điện, tổng quan động xoay chiều không đồng ba pha, phân tích điều khiển động xoay chiều qua phương pháp tựa theo vector từ thông rotor FOC, phân tích tải quay lị nung clinker Từ đó, em tính tốn mơ phần mềm MatlabSimulink Bên cạnh vấn đề giải luận văn này, em nhận thấy nhiều vấn đề cần nghiên cứu thêm như: Mơ hình tổng qt cho hệ truyền động nối cứng trục truyền lực bánh ma sát Vì mảng đề tài tốt nghiệp mảng nghiên cứu rộng với khối lượng công việc lớn nhiều phần kiến thức mẻ với em nên em gặp vài khó khăn trình nghiên cứu Song với giúp đỡ tận tình thầy giáo PGS.TS Trần Trọng Minh, em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ thầy Do hạn chế thời gian, khả kiến thức chuyên môn, luận văn tốt nghiệp em khơng tránh khỏi nhiều thiếu sót, em mong nhận bảo thầy cô để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! 80 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2018 Học viên thực Trương Ngọc Hải 81 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER TÀI LIÊU THAM KHẢO Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Nguyễn Thị Hiền (2001) Truyền động điện - Nhà xuất khoa học kỹ thuật – Hà Nội Vũ Gia Hanh – Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ – Nguyễn Văn Sáu (1998) Máy điện I, II - Nhà xuất khoa học kỹ thuật – Hà Nội Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi (2006) Điều chỉnh tự động truyền động điện - Nhà xuất khoa học kỹ thuật Trần Trọng Minh – Võ Minh Chính – Phạm Quốc Hải (2004) Điện tử công suất - Nhà xuất khoa học kỹ thuật – Hà Nội Boukas, T.K Habetler, T.G IEEE Conference Record of the 2003 IEEE Industry Applications Conference 38th IAS Annual Meeting - Salt Lake City, UT, USA 82 ... Tự động hóa, đặc biệt thầy giáo PGS-TS Trần Trọng Minh giúp em thực đề tài tốt nghiệp:? ?Nghiên cứu hệ thống truyền động điện quay lò nung clinker? ?? NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG. .. đứng lò quay Hiện nay, lò quay ngày sử dụng nhiều dần thay lò đứng 1.4 Cơng nghệ lị nung cơng ty xi măng Lam Thạch a./ Cấu tạo hoạt động hệ thống lò nung + Cấu tạo: Hệ thống lò nung hệ thống. .. phận không đối xứng lớp côla lò f Các yêu cầu truyền động hệ lò quay + Yêu cầu khởi động: 25 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN QUAY LÒ NUNG CLINKER Điều khiển lị quay vấn đề khó trang bị nhà