NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUẠT ID TRONG DÂY TRUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG VCM (SÔNG GIANH) SỬ DỤNG BỘ BIẾN TẦN TRUNG THẾ -Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (Vol. 2)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hà Nội, 6-2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUẠT ID TRONG DÂY TRUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG VCM (SÔNG GIANH) SỬ DỤNG BỘ BIẾN TẦN TRUNG THẾ Trưởng môn : PGS.TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Mạnh Tiến Sinh viên thực : Trần Trung Phúc Lớp : KTĐK & TĐH – K58 MSSV : 20132998 Giáo viên duyệt : Hà Nội, 6-2018 Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển quạt ID dây truyền sản xuất xi măng VCM (Sông Gianh) sử dụng biến tần trung thế” em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Trần Trung Phúc Mục lục MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii LỜI NÓI ĐẦU viii Chương 1: TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ QUẠT ID 1.1 Tìm hiều cơng nghệ sản xuất xi măng 1.1.1 Chuẩn bị nguyên liệu 1.1.2 Nghiền nguyên liệu 1.1.4 Nung luyện Clinker 1.1.5 Công đoạn nghiền xi măng 1.1.7 Cơng đoạn đóng bao 1.2 Chi tiết công đoạn nung trao đổi nhiệt 1.3 Chức quạt ID yêu cầu điều khiển 1.3.1 Chức quạt ID 1.3.2 Yêu cầu điều khiển quạt ID 10 1.4 Cấu tạo đặc tính điều chỉnh lưu lượng quạt cơng suất lớn, quạt li tâm 10 1.4.1 Cấu tạo quạt li tâm 11 1.4.2 Đường đặc tính quạt ly tâm 12 1.4.3 Các phương pháp điều chỉnh lưu lượng gió 12 Chương 2: PHÂN TÍCH BỘ BIẾN TẦN TRUNG THẾ PERFECT HARMONY CỦA SIEMENS 16 2.1 Đặc điểm biến tần Perfect Harmony 16 2.2 Sơ đồ cấu trúc biến tần trung 16 2.3 Mạch chỉnh lưu biến tần trung 18 i Mục lục 2.4 Mạch Nghịch lưu 20 2.4.1 Mạch nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng 20 2.4.2 Nguyên lý điều khiển mạch nghịch lưu 25 2.5 Cấu hình chung hệ thống điều khiển biến tần Perfect Hamony 28 2.6 Cấu hình điều khiển vector biến tần Perfect Hamony 30 Chương 3: TÍNH TỐN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTOR VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG 32 3.1 Giới thiệu động không đồng ba pha 32 3.1.1 Khái niệm chung 32 3.1.2 Cấu tạo 32 3.1.3 Nguyên lý làm việc động không đồng ba pha 34 3.2 Phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông Rotor 35 3.2.1 Các hệ trục tọa độ phương pháp ĐKVT mối liên quan 35 3.2.2 Cấu trúc hệ điều khiển vector động khơng đồng 38 3.2.3 Phương trình ĐCKĐB hệ tọa độ dq 40 3.3 Cấu hình hệ thống điều khiển lưu lượng 41 3.4 Tổng hợp mạch vòng điều khiển 42 3.4.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện Isd 42 3.4.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện Isq 44 3.4.4 Tổng hợp hệ thống điều khiển lưu lượng 47 Chương 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 48 4.1 Thơng số động tính tốn thơng số mạch vịng điều khiển 48 4.1.1 Thông số động 48 4.1.2 Tính tốn số tham số 48 4.1.3 Tính tốn điều khiển mạch vịng dịng điện Isd 49 4.1.4 Tính tốn mạch vòng dòng điện Isq 50 4.1.5 Tính tốn mạch vịng điều khiển tốc độ 50 4.1.6 Tính tốn mạch vòng điều khiển lưu lượng 51 ii Mục lục 4.2 Mô với mô hình vật lý 52 4.2.1 Mô biến tần cầu H nối tầng với tín hiệu sin chuẩn 52 4.2.2 Mô hệ thống điều khiển lưu lượng 55 4.3 Nhận xét 59 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 iii Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Tháp trao đổi nhiệt lò quay Hình Sơ đồ tháp trao đổi nhiệt nhà máy xi măng Long Sơn Hình Vị trí quạt ID sơ đồ sản xuất xi măng Hình Sơ đồ kết cấu quạt ly tâm 11 Hình Đường đặc tính quạt ly tâm 12 Hình Điều chỉnh van tiết lưu 13 Hình Điều chỉnh thay đổi tốc độ động 14 Hình Ưu điểm phương pháp điều khiển tốc độ 14 Hình Cấu trúc phần biến tần 17 Hình 2 So sánh độ méo sóng hài loại biến tần 20 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu cầu H 21 Hình Đồ thị thông số mạch nghịch lưu cầu pha nguồn áp 21 Hình Điện áp tải UAB gồm mức điện áp: -Vdc, 0, +Vdc 23 Hình Sơ đồ nghịch lưu trung 11 mức 23 Hình Sơ đồ cell nghịch lưu 24 Hình Nguyên lý tạo xung điều khiển cell pha A 26 Hình Điện áp cell pha A điện áp pha A động 27 Hình 10 Cấu hình chung hệ thống điều khiển biến tần Perfect Hamony 28 Hình 11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vector 30 Hình Rotor kiểu dây quấn 34 Hình Cấu tạo Rotor động không đồng 34 Hình 3 Biểu diễn ba dòng pha dạng vector phức 35 Hình Cấu trúc hệ điều khiển vector động không đồng 38 Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lưu lượng 41 Hình Dạng đặc tính tải quạt gió 42 Hình Sơ đồ mạch vòng dòng điện điều khiển dòng Isd 43 Hình Sơ đồ mạch vịng dòng điện điều khiển dòng Isq 44 iv Danh mục hình vẽ Hình 10 Sơ đồ mạch vòng điều khiển tốc độ 45 Hình 11 Sơ đồ mạch vòng điều khiển lưu lượng 47 Hình Sơ đồ mơ hệ thống với điện áp chuẩn hình Sin 52 Hình Mơ hình cell 52 Hình Mơ hình cell biến tần 53 Hình 4 Mơ hình mạch tạo xung điều khiển cấp cho cell 53 Hình Dạng đồ thị điện áp dây 54 Hình Dạng đồ thị điện áp pha biến tần 54 Hình Dạng đồ thị điện áp cell biến tần 54 Hình Sơ đồ mơ tồn hệ thống điều khiển lưu lượng 55 Hình Mơ hình biến đổi hệ toạ độ từ dq sang 55 Hình 10 Mơ hình biến đổi hệ tọa độ (αβ) sang hệ tọa độ (abc) 56 Hình 11 Mơ hình tính tốn góc quay s 56 Hình 12 Đồ thị tốc độ động 57 Hình 13 Đồ thị Momen động 57 Hình 14 Đồ thị mơ tả dịng Isq 57 Hình 15 Đồ thị mơ tả dòng Isd 58 Hình 16 Đồ thị lưu lượng 58 Hình 17 Đồ thị điện áp dây cấp cho động 58 v Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Các chỉnh lưu nối tiếp sử dụng biến tần trung 19 vi Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ĐCKĐB Động không đồng ID Induced Draft Fans ĐCMC Động chiều PI Proportional Integral (Luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân) PWM Pulse-width modulation (Điều chế độ rộng xung) vii Chương Tính tốn hệ thống điều khiển vector hệ thống điều khiển lưu lượng 3.4.4 Tổng hợp hệ thống điều khiển lưu lượng Xấp xỉ hàm truyền kín mạch vịng điều khiển tốc độ:  4Ts 1  4Ts 1     2 3  4Ts  8T s  8T s k   4Ts k  k  Fch  (3.32) Trên sở cấu hình hệ điều khiển lưu lượng hình 3.5, cấu hình hệ điều khiển vector hình 3.4, xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển lưu lượng hình 3.11  U Q* Q UQ Hình 11 Sơ đồ mạch vòng điều khiển lưu lượng Hàm truyền đối tượng mạch vòng điều chỉnh lưu lượng: Pq  Fch  Với K  k q kq  Tqs  Tqs k qk q k   k qk q K   k  (1  Tqs)(1  Tqs) (1  Tqs)(1  Tqs) (3.33) Sử dụng phương pháp tối ưu modul ta có: R Q  k p (1  ) TIs với TI  Tq ; kp  Tq 2KTq  k Tq 2k qk q Tq Từ ta thu điều khiển lưu lượng: RQ  k Tq 2k qk q Tq (1  47 ) Tqs (3.34) Chương Xây dựng mơ hình mơ mơ hệ thống Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 4.1 Thơng số động tính tốn thơng số mạch vịng điều khiển 4.1.1 Thông số động Động quạt ID có thơng số sau: - Cơng suất định mức: Pđm = 2800 kW - Điện áp định mức: Uđm = 6000 V - Dòng điện định mức: Iđm = 306,6 A - Tốc độ định mức: n = 994 vịng/phút - Momen qn tính: J = 30 kgm2 - Điện trở stator: Rs = 0,2135 Ω - Điện trở rotor: Rr = 0,0678 Ω - Điện cảm tản stator: Ls = 0,004 H - Điện cảm tản rotor: Lr = 0,004 H - Hỗ cảm: Lm = 0,0292 H - Lưu lượng Qdm  930000m3 / h 4.1.2 Tính tốn số tham số Ta có tốc độ định mức: dm  Momen định mức: Mdm  n 994   104.1(rad / s) 9.55 9.55 Pdm 2800 103   26.897Nm dm 104.1 Điện cảm toàn phần stator rotor là: 48 Chương Xây dựng mơ hình mơ mơ hệ thống Ls  Lr  Lm  Ls  0.0292  0.004  0.0332H Hằng số thời gian stator: Ts  Hằng số thời gian rotor: Tr  Ls 0.0332   0.1555s R s 0.2135 Lr 0.0332   0.4897s R r 0.0678 L2 m 0.02922  1  0.226 Áp dụng công thức hệ số từ tản:    L r Ls 0.0332  0.0332 Dòng Isq chế độ xác lập: Isq0  287.4A Dòng Isd chế độ xác lập: Isd0  324.6A Từ thông rotor xác lập:  rd0  Lm Isd0  0.0292  324.6  9.478 Wb Thông số biến tần: Hệ số khuếch đại: k bd  U pha Uch  6000  489.9 ; 10 Hằng số thời gian: Tbd  2f x Với f x tần số cưa chọn f x  1kHz  Tbd  0.0005s 4.1.3 Tính tốn điều khiển mạch vịng dịng điện Isd Ta có hàm truyền điều khiển dòng điện Isd: R isd  k p (1  TI  Ts  0.226  0.1555  0.035 ; kp  ) TIs Ts R s 2k bd k id Td Chọn Tid  Tiq  0.0005s từ ta được: Td  Tbd  Tid  0.0005  0.0005  0.001s 49 Chương Xây dựng mơ hình mơ mơ hệ thống u 10 V   0.0308( ) k 'I Isd0 1 324.6 A k id  Với k ' I hệ số q dịng kích từ xác lập Chọn k 'I  Từ ta thu được: k p  0.226  0.1555  0.2135  0.249  489.9  0.0308  0.001 Ta hàm truyền điều khiển: R isd  0.249(1  ) 0.035s 4.1.4 Tính tốn mạch vịng dịng điện Isq Ta xác định thông số hàm truyền phản hồi dòng Isq: u 10 V   0.014( ) ; k I Isq0 2.5  287.4 A k iq  Tid  Tiq  0.0005s ; Tq  0.001s Từ ta thu hàm truyền điều khiển dòng Isq là: R isq Ts R s  (Ts ) R ss 0.226  0.1555  0.2135  (0.226  0.1555)  0.2135s   2k bd k iq Tq Tss  489.9  0.014  0.001  0.226  0.1555s Ta được: R isq  0.0075  0.00026s 0.00048s 4.1.5 Tính tốn mạch vịng điều khiển tốc độ Ta có hàm truyền hệ kín mạch vịng điều khiển dòng Isq là: Fksq  k  1 1      2Tqs k iq   0.001s 0.014 0.014  0.000028s u 10   0.096(rad / s) ;  104.08 Ta có K  3 rd Lm z p k  2Lr Jk iq  T  0.005s  9.478  0.0292  32  0.096  25.7227  0.0332  30  0.014 Ts  T  2Tq  0.005   0.001  0.007s 50 Chương Xây dựng mơ hình mơ mơ hệ thống Ta có BĐK tốc độ: R   k p (1  TI  4Ts  0.028s ; kp  ) TIs 1   2.77 2kTs  25.7227  0.007 Từ ta thu BĐK: R s  2.77(1  ) 0.028s 4.1.6 Tính tốn mạch vịng điều khiển lưu lượng Ta có tốc độ gió V= 2.15m/s với quãng đường S= 4.5m thu thời gian đến vị trí cần thiết là: Tq  S 4.5   2s V 2.15 Lưu lượng Qdm  930000m3 / h  258.3(m3 / s) Ta có k q  Qdm 258.3 m3 / s   2.48( ); dm 104.1 rad / s kq  u 10 V   0.0387( ) Qdm 258.3 m /s Tq  10T  10  0.005  0.05s Ta có: k p  k Tq 2k qk q Tq  0.096   20 ; TI  Tq  2s  2.48  0.0387  0.05 Từ ta thu điều khiển lưu lượng: R Q  20(1  51 ) 2s Chương Xây dựng mơ hình mơ mơ hệ thống 4.2 Mơ với mơ hình vật lý 4.2.1 Mô biến tần cầu H nối tầng với tín hiệu sin chuẩn Ta có sơ đồ mơ tín hiệu đầu BBT kết nối với mơ hình vật lý: Hình Sơ đồ mơ hệ thống với điện áp chuẩn hình Sin Ở đây, đầu pha biến tần đấu vào pha động vật lý Tín hiệu cấp cho cell pha tín hiệu sin chuẩn với biên độ A=9V, tần số f=50Hz Sơ đồ mô biến tần cầu H nối tầng hình 4.2 sơ đồ cell hình 4.3 Sơ đồ mô khâu tạo xung điều khiển cell hình 4.4 Hình Mơ hình cell 52 Chương Xây dựng mơ hình mơ mơ hệ thống Hình Mơ hình cell biến tần Đây mơ hình mạch tạo xung điều khiển cho cell Ta có tần số xung cửa bientanso=1000Hz, a=10, b= -10 Hình 4 Mơ hình mạch tạo xung điều khiển cấp cho cell Ở đây, kết mô dạng xung điều khiển minh họa hình 2.8 Ta thu kết mô điện áp pha, điện áp dây điện áp cell sau: 53 Chương Xây dựng mơ hình mơ mơ hệ thống Hình Dạng đồ thị điện áp dây Hình Dạng đồ thị điện áp pha biến tần Hình Dạng đồ thị điện áp cell biến tần 54 Chương Xây dựng mơ hình mơ mô hệ thống 4.2.2 Mô hệ thống điều khiển lưu lượng Ta có sơ đồ mơ toàn hệ thống điều khiển lưu lượng hình 4.8 Hình Sơ đồ mơ tồn hệ thống điều khiển lưu lượng Ở đây, vòng điều khiển mạch vòng dòng điện Bên ngồi vịng điều khiển tốc độ, ngồi mạch vòng điều khiển lưu lượng Đầu BĐK dòng điện qua khâu chuyển tọa độ cấp vào BBT Cụ thể qua khâu chuyển tọa độ từ HTĐ dq sang  hình 4.9 Và từ HTĐ  sang abc hình 4.10 Mơ hình tính tốn gián tiếp góc hình 4.11 Hình Mơ hình biến đổi hệ toạ độ từ dq sang 55 Chương Xây dựng mô hình mơ mơ hệ thống Hình 10 Mơ hình biến đổi hệ tọa độ (αβ) sang hệ tọa độ (abc) Hình 11 Mơ hình tính tốn góc quay s Các tín hiệu đo phía động phản hồi so sánh với giá trị đặt đầu vào BĐK Ở đây, giá trị phản hồi lưu lượng đo thông qua tốc độ qua hàm truyền đạt thể mối liên hệ hai đại lượng tốc độ lưu lượng Các thông số mô tính tốn cụ thể mục 3.4 chương Từ ta thu kết mô phỏng: 56 Chương Xây dựng mơ hình mơ mơ hệ thống Hình 12 Đồ thị tốc độ động Hình 13 Đồ thị Momen động Hình 14 Đồ thị mơ tả dịng Isq 57 Chương Xây dựng mơ hình mơ mơ hệ thống Hình 15 Đồ thị mơ tả dịng Isd Hình 16 Đồ thị lưu lượng Hình 17 Đồ thị điện áp dây cấp cho động 58 Chương Xây dựng mơ hình mơ mô hệ thống 4.3 Nhận xét - Khi cho khối tốc độ đặt 10V tương ứng với tốc độ định mức, thời gian tác động sau 2.5s sau khoảng thời gian độ giá trị thực tốc độ bám sát với tốc độ đặt chứng tỏ điều khiển đáp ứng yêu cầu tốn Tuy nhiên với động có cơng suất lớn thời gian độ điều khiển nhanh - Để đơn giản ta bỏ qua khối điều khiển từ thơng, thay vào ta gán giá trị đặt cho Isd 10V tương ứng với giá trị Isd định mức - Ta thấy sau khoảng thời gian độ đầu giá trị thức bám giá trị tốc độ đặt ổn định nhiên momen dao động lớn, giá trị dịng điện từ thơng bám sát giá trị định mức động - Ta thấy sau khoảng 12s giá trị thực lưu lượng bám với giá trị đặt chứng tỏ điều khiển đáp ứng yêu cầu toán 59 Kết luận KẾT LUẬN Sau 15 tuần thực hiện, với kiến thức học giảng đường thời nghiên cứu để hoàn thành đồ án, đồ án đạt số mục đích: - Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng nhà máy xi măng sơng Gianh - Vai trị quan trọng quạt hút ID hệ thống sản xuất xi măng - Phương pháp điều khiển vector động không đồng ba pha - Nguyên lý hoạt động cấu hình điều khiển biến tần Perfect Harmony - Mô hệ thống truyền động biến tần Do thời gian hồn thành đồ án tầm hiểu biết có hạn nên q trình thực chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến bảo thầy Em xin gửi lời biết ơn chân thành sâu sắc tới Thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến thầy giáo mơn Tự động hóa Cơng Nghiệp tận tình hướng dẫn giúp đỡ suốt thời gian qua Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Trần Trung Phúc 60 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, 1998 [2] Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, 1998 [3] Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đoàn Quang Vinh, Điều khiển động xoay chiều cấp từ biến tần bán dẫn, 2003 [4] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, 2006 [5] Startup and advanced topics manual for air coole Perfect Harmony series adjustable speed AC motor drives with next generation, Manual Number: 902232*, Version 3.0, July 2004 61 ... đại hóa đất nước Cùng với ngành nhiệt điện, thủy điện, dầu khí … , ngành cơng nghiệp xi măng có mức độ tự động hóa ngày cao Các nhà máy xi măng nước ta nhà máy có quy mơ lớn với động công suất cao. .. cơng nghiệp hóa đại hóa ngày phát triển mạnh mẽ Ở nước ta, lĩnh vực tự động hóa Đảng nhà nước quan tâm đầu tư lớn, với lĩnh vực công nghiệp chuyển dịch nên kinh tế theo hướng cơng nghiệp hóa, ...TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUẠT ID TRONG DÂY TRUYỀN SẢN