Nghiên cứu bộ biến tần trung thế ACS2000 ứng dụng cho hệ truyền động quạt ID của nhà máy xi măng Long Sơn

Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp có đề tài: “ Nghiên cứu biến tần trung ACS2000 ứng dụng cho hệ truyền động quạt ID nhà máy xi măng Long Sơn” em tự thực hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến Các số liệu kết hoàn toàn trung thực Ngoài TLTK dẫn cuối sách em đảm bảo khơng chép cơng trình TKTN người khác Nếu phát có sai phạm với điều cam đoan trên, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Sinh viên Lương Văn Tấn Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii LỜI NÓI ĐẦU ix Chương TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ VÀ U CẦU ĐIỀU KHIỂN QUẠT ID 1.1 Tổng quan chung quy trình sản xuất xi măng 1.1.1 Các công đoạn sản xuất xi măng .1 1.1.2 Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu .2 1.1.3 Giai đoạn nghiền liệu 1.1.4 Giai đoạn lò nung 1.1.5 Giai đoạn nghiền xi măng .3 1.1.6 Đóng bao xuất xi măng 1.2 Chi tiết công nghệ công đoạn nung trao đổi nhiệt 1.3 Chức quạt ID yêu cầu điều khiển .7 1.3.1 Chức vị trí quạt ID nhà máy xi măng 1.3.2 Yêu cầu điều khiển quạt ID .9 1.4 Cấu tạo đặc tính điều chỉnh lưu lương quạt công suất lớn, quạt ly tâm 10 1.4.1 Cấu tạo quạt ly tâm 10 1.4.2 Đường đặc tính quạt ly tâm 12 1.4.3 Các phương pháp điều chỉnh lưu lượng gió 13 Mục lục Chương 16 GIỚI THIỆU BỘ BIẾN TẦN TRUNG THẾ 16 2.1 Sơ đồ cấu trúc biến tần trung .16 2.2 Mạch chỉnh lưu biến tần trung 17 2.3 Mạch nghịch lưu biến tần trung 19 2.3.1 Nghịch lưu diode kẹp ba mức .19 2.3.2 Nghịch lưu diode kẹp năm mức 22 2.4 Các phương pháp điều khiển biến tần 24 2.4.1 Phương pháp điều khiển DTC .24 2.4.2 Phương pháp điều khiển vô hướng động 26 Chương 30 CẤU HÌNH MẠCH LỰC VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA BỘ BIẾN TẦN TRUNG THẾ ACS2000 30 3.1 Giới thiệu chung biến tần ACS2000 30 3.2 Bộ chỉnh lưu biến tần ACS2000 35 3.3 Mạch nghịch lưu biến tần trung ACS2000 37 3.3.1 Cấu hình mạch lực nghịch lưu 37 3.3.2 Nguyên lý làm việc .38 3.4 Cấu hình chung hệ thống điều khiển biến tần 44 3.5 Cấu trúc điều khiển biến tần 47 3.5.1 Khối lựa chọn nguồn tốc độ đặt I 49 3.5.2 Khối lựa chọn nguồn tốc độ đặt II 50 3.5.3 Khối gia tốc giảm tốc .52 3.5.4 Khối cấu hình phản hồi tốc độ động 53 3.5.5 Khối tính toán sai lệch tốc độ 53 Mục lục 3.5.6 Khối điều khiển tốc độ 54 3.5.7 Khâu lựa chọn nguồn đặt momen 56 3.5.8 Khâu lựa chọn chế độ hoạt động 57 3.5.9 Khâu lựa chọn giá trị đặt cho momen điều khiển 58 3.5.10 Khâu giới hạn momen 59 3.5.11 Khâu điều khiển momen 59 Chương 61 TỔNG HỢP VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 61 4.1 Mơ hình hóa khâu chức 61 4.1.1 Mơ hình hóa động 61 4.1.2 Mơ hình hóa biến tần 63 4.1.3 Mơ hinh hóa quạt 63 4.1.4 Mơ hình hóa khâu điện áp đặt .63 4.1.5 Mơ hình hóa mạch stator .64 4.1.6 Cấu trúc điều khiển hệ thống 65 4.1.7 Tổng hợp hàm truyền hệ hở 65 4.2 Tham số động tính toán điều khiển 68 4.2.1 Các tham số động quạt ID 68 4.2.2 Tính tốn hàm truyền khối 68 4.3 Mô hệ thống với mơ hình tốn học matlab simulink 72 KẾT LUẬN 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ quy trình sản xuất xi măng Hình 1.2 Tháp trao đổi nhiệt lò quay Hình 1.3 Sơ đồ tháp trao đổi nhiệt nhà máy xi măng Long Sơn .5 Hình 1.4 Quạt ID nhà máy xi măng Hình 1.5 Quạt ID sơ đồ nhà máy xi măng Long Sơn .8 Hình 1.6 Quạt ly tâm loại nhỏ 11 Hình 1.7 Sơ đồ kết cấu quạt ly tâm 11 Hình 1.8 Đường đặc tính quạt ly tâm 12 Hình 1.9 Điều chỉnh van tiết lưu 13 Hình 1.10 Điều chỉnh thay đổi tốc độ động 14 Hình 1.11 Ưu điểm phương pháp điều khiển tốc độ .14 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động biến tần trung 16 Hình 2.2 Sơ đồ nghịch lưu diode kẹp ba mức 20 Hình 2.3 Đường dòng điện với trạng thái 21 Hình 2.4 Trạng thái chuyển mạch, tín hiệu điều khiển điện áp đầu .21 Hình 2.5 Điện áp pha dây đầu nghịch lưu 22 Hình 2.6 Sơ đồ nghịch lưu mức sử dụng diode kẹp 22 Hình 2.7 Nguyên lý DTC .24 Hình 2.8 Cấu trúc điều khiển DTC tập đồn ABB 26 Hình 2.9 Đặc tính tải q = -1 28 Hình 2.10 Đặc tính tải q =0 28 Hình 2.11 Đặc tính tải với q =2 29 Hình 3.1 Các khối điện tử công suất biến tần ACS2000 .31 Hình 3.2 Các khối mạch lực biến tần 33 Hình 3.3 Hai khối chỉnh lưu 12 xung nối tiếp biến tần 34 Hình 3.4 Các khối nghịch lưu biến tần 34 Hình 3.5 Điện áp dây với mức điện áp 35 Danh mục hình vẽ Hình 3.6 Sơ đồ chỉnh lưu biến tần 35 Hình 3.7 Đồ thị dịng điện 36 Hình 3.8 Đồ thị quan hệ TDH với điện cảm stator 37 Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc mạch nghịch lưu diode kẹp mức điện áp 37 Hình 3.10 Sơ đồ nghịch lưu diode kẹp mức pha A 38 Hình 3.11 Trạng thái chuyển mạch điện áp với sóng mang dạng POD 40 Hình 3.12 Điện áp pha điện áp dây 41 Hình 3.13 Dịng điện chạy mạch khoảng thời gian đến .42 Hình 3.14 Dịng điện chạy mạch khoảng thời gian đến .43 Hình 3.15 Hai chế độ điều khiển biến tần 44 Hình 3.16 Cấu trúc hệ thống điều khiển biến tần 45 Hình 3.17 Sơ đồ nối dây với Factory marco 46 Hình 3.18 Các khối cấu trúc điều khiển biến tần 48 Hình 3.19 Cấu trúc Motor potentiometer .49 Hình 3.20 Các tín hiệu khâu Motor potentiometer .49 Hình 3.21 Khâu lựa chọn nguồn tốc độ đặt 50 Hình 3.22 Khâu lựa chọn nguồn tốc độ II 51 Hình 3.23 Khối tăng tốc giảm tốc .52 Hình 3.24 Khối cấu hình phản hồi tốc độ động 53 Hình 3.25 Khâu tính tốn tốc độ sai lệch .54 Hình 3.26 Khối điều khiển tốc độ 55 Hình 3.27 điều chỉnh tham số 55 Hình 3.28 Điều chỉnh dựa vào momen đặt 56 Hình 3.29 Khâu lựa chọn nguồn đặt momen 56 Hình 3.30 Khâu lựa chọn chế độ hoạt động 57 Hình 3.31 Lựa chọn giá tị đăt cho momen điều khiển 58 Hình 3.32 Khâu giới hạn momen 59 Hình 3.33 Bộ điều khiển momen 60 Danh mục hình vẽ Hình 4.1 Sơ đồ khối thống điều khiển quạt ID .61 Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính xung quanh điểm làm việc động 63 Hình 4.3 Mơ hình thay động .64 Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển lưu lượng quạt ID 65 Hình 4.5 Sơ đồ khối hàm truyền hệ hở 65 Hình 4.6 Sơ đồ tín hiệu 66 Hình 4.7 Sơ đồ hệ kín 71 Hình 4.8 Mơ hệ thống với mơ hình động .72 Hình 4.11 Đáp ứng đầu tốc độ 74 Hình 4.12 Đáp ứng đầu momen 74 Danh mục từ viết tắt DANH MỤC BẢNG BIỂ Bảng 2.1 Các chỉnh lưu nối tiếp sử dụng biến tần trung 18 Bảng 2.2 Các trạng thái pha .20 Bảng 2.3 Bảng trạng thái chuyển mạch vạn điện áp đầu 23 Bảng 2.4 Bảng chuyển mạch tối ưu .25 Bảng 3.1 Bảng trạng thái chuyển mạch vạn điện áp đầu pha x 39 Y Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ID Induced Draft Fans PID Proportional Integral Derivative THD Total harmonic distortion DTC Direct torque control DFE Diode front end Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Ngày vai trò khoa học kỹ thuật trở lên vô quan trọng đời sống người, với q trình cơng nghiêp hóa đại hóa phát triển mạnh mẽ Xi măng ngành công nghiệp quan trọng q trình cơng nghiệp hóa đại hóa Nước ta có nhiều nhà máy xi măng nhà máy quy mô lớn với động công suất cao để phục vụ công đoạn trình sản xuất xi măng Một động quan trọng thiếu nhà máy xi măng quạt ID Vì em chọn đề tài “ Nghiên cứu biến tần trung ACS2000 ứng dụng cho hệ truyền động quạt ID nhà máy xi măng Long Sơn” Nội dung đồ án em gồm có chương sau: Chương 1: Tìm hiểu cơng nghệ u cầu điều khiển quạt ID Chương 2: Giới thiệu biến tần trung Chương 3: Cấu hình mạch lực điều khiển biến tần trung ACS2000 Chương 4: Tổng hợp mô hệ thống điều khiển Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến tận tình hướng dẫn, góp ý để em hoàn thành đồ án Do thời gian hoàn thành đồ án tầm hiểu biết hạn chế nên q trình thực chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận góp ý thầy, để đề tài em hoàn thiện Hà Nội, ngày 09 tháng 12 năm 2016 Sinh viên thực Lương Văn Tấn Chương Tổng hợp mô hệ thống điều khiển = Momen cản tính theo cơng thức: = Dùng phương pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc Nếu chọn điểm làm việc thơng số , , , ta có: M=+M; =+; =+; =+; =+ Trong gia số momen là: M=+ = Từ phương trình tính momen ta tính đạo hàm giá trị xác lập: = = = Thay vào phương trình hệ thống viết dạng tốn tử laplace ta có: M - =Jp + - = Jp Suy ra: =(+ - ) Chương Tổng hợp mô hệ thống điều khiển Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính xung quanh điểm làm việc động 4.1.2 Mô hình hóa biến tần Coi biến tần khâu qn tính bậc có hàm truyền: = Trong hệ số biến tần, số thời gian biến tần 4.1.3 Mơ hinh hóa quạt Coi quạt khâu qn tính bậc có hàm truyền: = = Trong hệ số quạt, số thời gian quạt 4.1.4 Mô hình hóa khâu điện áp đặt Ta có = mà = thay vào ta được: = Dẫn đến: = Dùng phương pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc ta có: =+ f=+f Chương Tổng hợp mơ hệ thống điều khiển Trong điện áp điều khiển tần số điểm làm việc ổn định.Thay vào phương trình ta thu được: =.2.f = f; Đặt: == 4.1.5 Mơ hình hóa mạch stator Hình 4.3 Mơ hình thay động Ta có: =2 + + Laplace hai vế ta có: =2 + + Từ dẫn đến hàm truyền hệ: == Trong = =2 4.1.6 Cấu trúc điều khiển hệ thống Từ khối thành lập, xây dựng cấu trúc tổng thể hệ thống điều khiển lưu lượng gió quạt ID hình 4.4 Chương Tổng hợp mô hệ thống điều khiển Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển lưu lượng quạt ID 4.1.7 Tổng hợp hàm truyền hệ hở Hình 4.5 Sơ đồ khối hàm truyền hệ hở Tổng hợp hàm truyền theo phương pháp Mason Khi tổng hợp ta bỏ qua E chúng đại lượng có qn tính chậm Hình 4.5 sơ đồ khối hệ thống điều khiển hàm truyền khâu đặt sau: =; =; = ; =; =; =; =2; =; = Chuyển sơ đồ khối thành sơ đồ tín hiệu: Chương Tổng hợp mơ hệ thống điều khiển Hình 4.6 Sơ đồ tín hiệu Xác định tuyến thẳng hệ thống: = = Xác định vịng lặp hệ thống: =Tính : =1-=1+ Xác định : =1; =1 Xác định hàm truyền đạt theo công thức Mason: G(p)== Tử số: = Mẫu số: 1+= Từ ta tính G(p)= Sau nhóm đặt ẩn ta có: Chương Tổng hợp mơ hệ thống điều khiển G(p)= Trong đó: = Ta có số thời gian nhỏ nên