NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUẠT ID TRONG DÂY CHUYỀN 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 (25)

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 CHUYỀN 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 : Ngô Duy Quân Lớp : KTĐK & TĐH 02 – K58 MSSV : 20133142 Giáo viên duyệt : Hà Nội, 6-2018 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển quạt ID dây chuyền 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 09 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Ngơ Duy Qn MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG BIỂU iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv LỜI NÓI ĐẦU v Chương TÌM HIỂU CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ QUẠT ID 1.1 Mô tả dây chuyền sản xuất xi măng công ty VCM 1.1.1 Giới thiệu chung công ty VCM 1.1.2 Quy trình sản xuất xi măng 1.2 Công nghệ yêu cầu điều khiển quạt ID 1.2.1 Công nghệ quạt ID (Induced Draft Fan) 1.2.2 Yêu cầu điều khiển quạt ID 1.3 Đặc tính quạt phương pháp điều khiển lưu lượng 1.3.1 Cấu tạo quạt nguyên lý hoạt động quạt ID 1.3.2 Đặc tính quạt 1.3.3 Phương pháp điều chỉnh lưu lượng gió Chương 12 BỘ BIẾN TẦN PERFECT HARMONY CỦA SIEMENS 12 2.1 Giới thiệu biến tần trung Perfect Harmony 12 2.1.1 Biến tần biến tần trung 12 2.1.2 Đặc điểm biến tần trung Perfect Harmony 13 2.1.3 Mạch chỉnh lưu 15 2.1.4 Mạch nghịch lưu 16 2.1.5 Nguyên lý điều khiển mạch nghịch lưu cầu H nối tầng BBT Perfect Harmony 19 2.2 Cấu hình chung hệ thống điều khiển Perfect Harmony 25 2.3 Cấu hình điều khiển vector BBT Perfect Harmony 27 2.3.1 Ưu điểm BBT Perfect Harmony 27 2.3.2 Thuật toán điều khiển vector BBT Perfect Harmony 28 2.3.3 Hệ thống điều khiển vòng hở (Open Loop Vector Control) 29 2.3.4 Hệ thống điều khiển vịng kín (Closed Loop Vector Control) 29 Chương 30 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG 30 3.1 Tổng quan điều khiển tốc độ động không đồng (ĐCKĐB) xoay chiều ba pha 30 3.1.1 Giới thiệu động không đồng xoay chiều ba pha 30 3.1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động không đồng 31 3.1.3 Điều chỉnh tần số động không đồng 32 3.2 Xây dựng mơ hình động hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (hệ tọa độ quay dq) 33 3.2.1 Ưu hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor dq 33 3.2.2 Mơ hình động khơng đồng hệ tọa độ quay dq 36 3.3 Cấu trúc điều khiển vector ĐCKĐB xoay chiều ba pha 39 3.4 Cấu trúc tổng thể hệ thống điều khiển lưu lượng 40 3.5 Thiết kế điều khiển 41 3.5.1 Thiết kế điều khiển dòng isd 41 3.5.2 Thiết kế điều khiển dòng isq 42 3.5.3 Thiết kế điều khiển tốc độ 44 3.5.4 Thiết kế điều khiển lưu lượng 46 3.5.5 Xây dựng mơ hình tính tốn từ thơng góc lệch hệ tọa độ quay dq hệ tọa độ đứng yên 47 Chương 49 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 49 4.1 Hệ thống điều khiển tốc độ quạt ID 49 4.2 Tính tốn tham số mơ 50 4.2.1 Tính tốn tham số khối chức 50 4.2.2 Tính tốn tham số điều khiển 52 4.3 Xây dựng mơ hình mơ 56 4.3.1 Mơ tồn hệ thống điều khiển lưu lượng 56 4.3.2 Mơ hình biến tần Perfect Harmony 57 4.3.3 Mơ hình khối chuyển tọa độ 60 4.3.4 Mơ hình từ thơng 61 4.3.5 Cấu trúc điều khiển PI mô 61 4.3.6 Khối tín hiệu phản hồi 62 4.4 Kết mô hệ thống 62 4.5 Nhận xét 64 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Mơ hình nhà máy xi măng VCM Hình Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất xi măng Hình Vai trị quạt ID dây chuyền sản xuất xi măng Hình Hình ảnh tháp tầng lò quay Hình Quạt ID cánh quạt ID Hình Đồ thị đặc tính quạt gió Hình Đồ thị mơ tả phương pháp điều chỉnh góc mở van tiết lưu Hình Đồ thị mô tả phương pháp điều chỉnh tốc độ quạt 10 Hình Đồ thị so sánh hai phương pháp 11 Hình Cấu trúc biến tần 13 Hình 2 Cấu trúc tổng thể biến tần Perfect Harmony 14 Hình Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu pha 15 Hình Đồ thị dạng sóng chỉnh lưu diode sáu xung với tải điện trở 15 Hình Mạch chỉnh lưu nhiều xung biến tần Perfect Harmony 16 Hình Sơ đồ mạch nghịch lưu cầu pha 17 Hình Đồ thị thông số nghịch lưu cầu pha nguồn áp 17 Hình Nguyên lý tạo xung PWM nghịch lưu cầu pha 18 Hình Sơ đồ nghịch lưu trung 11 mức BBT Perfect Harmony 19 Hình 10 Sơ đồ cell nghịch lưu 20 Hình 11 Nguyên lý tạo xung điều khiển cho cell pha A 22 Hình 12 Điện áp cell pha A điện áp pha A cấp cho động 23 Hình 13 Sơ đồ khối tổng quát BBT Perfect Harmony 26 Hình 14 Sơ đồ khối thuật toán điều khiển vector BBT Perfect Harmony 28 Hình Động khơng đồng rotor lồng sóc rotor dây quấn 30 Hình Sự tương quan điều khiển ĐCMC điều khiển vector ĐCKĐB 33 Hình 3 Biểu diễn ba dịng pha dạng vector phức 34 Hình Mơ hình ĐCKĐB hệ tọa độ dq 39 Hình Cấu trúc điều khiển ĐC KĐB tựa theo từ thơng rotor 40 Hình Cấu trúc hệ thống điều khiển lưu lượng 40 Hình Mạch vòng dòng isd 42 Hình Mạch vòng dòng isq 43 Hình Mạch vòng điều khiển tốc độ 45 Hình 10 Mạch vịng điều chỉnh lưu lượng 46 Hình 11 Mơ hình tính tốn từ thông 48 Hình Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor gián tiếp 49 Hình Sơ đồ mơ hệ thống điều khiển lưu lượng 56 Hình Mơ hình cell cầu H nối tầng 57 Hình 4 Mơ hình mạch lực cell 58 i Danh mục hình vẽ Hình Mơ hình mạch tạo xung điều khiển cho cell 58 Hình Bộ biến tần với ba đầu vào sin chuẩn 59 Hình Đồ thị điện áp dây với đầu vào sin chuẩn 59 Hình Đồ thị điện áp pha với đầu vào sin chuẩn 59 Hình Đồ thị điện áp cell với đầu vào sin chuẩn 60 Hình 10 Khối chuyển tọa độ dq sang anpha – beta 60 Hình 11 Khối chuyển tọa độ anpha- beta sang abc 60 Hình 12 Mơ hình tính góc lệch từ thơng 61 Hình 13 Sơ đồ mô điều khiển tốc độ 61 Hình 14 Khối tín hiệu phản hồi 62 Hình 15 Đồ thị đáp ứng tốc độ động 62 Hình 16 Đồ thị đáp ứng momen động 63 Hình 17 Đồ thị dòng Isq 63 Hình 18 Đồ thị dòng Isd 63 Hình 19 Đồ thị đáp ứng lưu lượng quạt ID 64 Hình 20 Đồ thị điện áp dây động 64 ii Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Bảng trạng thái chuyển mạch van giá trị điện áp pha động 24 Bảng Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động không đồng 31 iii Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BBT : Bộ biến tần ID : Induced Draft Fan ĐCKĐB : Động không đồng ĐCMC : Động chiều PWM : Pulse Width Modulation (phương pháp điều chế độ rộng xung) PI : Proportional Integral (Luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân) FOC : Field Orientated Control (phương pháp điều khiển định hướng từ thông) IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor có cực điều khiển cách ly) FOLA : Fiber Optic Link Adapter OLVC : Open Loop Vector Control CLVC : Closed Loop Vector Control QCS : Quality Control System QCX : Quality Control by Computer and X-ray EPLD : Erasable Programmable Logic Device DTC : Direct Torque Control iv Chương Mô hệ thống điều khiển d) Bộ biến tần √ √ Với fx tần số cưa chọn fx = 1kHz nên TBĐ = 0,0005 (s) Vậy biến tần có hàm truyền: 4.2.2 Tính tốn tham số điều khiển a) Bộ điều chỉnh dòng isd Bộ điều chỉnh dòng điện isd (3.22) theo luật điều khiển PI: ( ) Tính tốn tham số: ( ) ( ) Suy ra: ( ) Vậy điều khiển dòng là: ( ) b) Bộ điều chỉnh dòng isq Bộ điều chỉnh dòng điện isq (3.27) theo luật điều khiển PI: 52 Chương Mô hệ thống điều khiển ( ), đó: Tính tốn cụ thể: ( ) ( ) Suy ra: ( ) Vậy điều khiển dòng là: ( ) c) Bộ điều chỉnh tốc độ Bộ điều khiển tốc độ (3.33) điều khiển PI theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng : ( ) Chọn hệ số a=4, suy ra: ( ( ) )√ 53 ( ( ) ) Chương Mơ hệ thống điều khiển Trong đó, trình bày chương 3: Tính tốn giá trị cụ thể: ( ) ( ) Suy ra, ( ( ) ( ) ) Vậy hàm truyền điều khiển tốc độ là: ( ) d) Bộ điều chỉnh lưu lượng Các thông số biết quạt ID : - Lưu lượng định mức : - Công suất định mức : Tiết diện đường ống : S = 120,15 m ( Tính tốn tham số mạch vòng lưu lượng: 54 ⁄ ) ( ⁄ ) Chương Mô hệ thống điều khiển ( ⁄ ( ) ) Chọn số thời gian sau: ( ) ( ) Vận tốc thổi gió: Vậy ta xét quãng đường từ quạt tới điểm đo lưu lượng 4,5 (m) thì: ( ) Đối tượng điều khiển mạch vòng điều chỉnh lưu lượng là: ( )( ) Bộ điều khiển lưu lượng RQ (3.39) theo tiêu chuẩn tối ưu modul điều khiển PI sau: ( ) Trong đó, ( ) Vậy hàm truyền điều khiển lưu lượng là: ( 55 ) Chương Mô hệ thống điều khiển 4.3 Xây dựng mơ hình mơ 4.3.1 Mơ tồn hệ thống điều khiển lưu lượng Hình Sơ đồ mơ hệ thống điều khiển lưu lượng Mơ hình gồm có: - Động không đồng vật lý cài đặt thông số động quạt ID - Bộ biến tần Perfect Harmony xây dựng dựa theo cấu trúc thực tế - Các khối chuyển tọa độ hệ tọa độ - Khối tín hiệu phản hồi gồm phản hồi tốc độ , dq abc , dòng isd, dòng isq lưu lượng Q - Các điều khiển dòng điện Risd, Risq, tốc độ lưu lượng RQ - Khối mơ hình từ thơng - Khối tạo tín hiệu đặt lưu lượng từ thơng (gián tiếp qua việc đặt giá trị dòng isd) Nguyên lý hoạt động sơ đồ sau: Tín hiệu dịng điện ba pha từ động ia, ib, ic đo về, làm đầu vào cho khối chuyển tọa độ từ hệ abc sang chuyển tọa độ từ hệ , tín hiệu từ khối đưa tới làm đầu vào cho khối sang hệ dq có sử dụng thêm góc để chuyển tín hiệu dịng sang hệ dq Dịng điện hệ dq sau phản hồi diều khiển dòng điện Bộ điều khiển dòng isd sử dụng sai lệch tín hiệu dịng isd phản hồi tín hiệu để tính giá trị điện áp điều khiển Tương tự với dòng isq , khác 56 Chương Mô hệ thống điều khiển giá trị đặt tính từ điều khiển tốc độ Các giá trị sang hệ tọa độ chuyển sau hệ tạo độ abc đưa tới đầu vào điện áp điều khiển BBT Perfect Harmony, đầu BBT điện áp cấp cho động Bộ điều khiển tốc độ sử dụng sai lệch tốc độ đặt hồi để tính Tốc độ đặt lưu lượng tính giá trị tốc độ phản tính từ điều khiển lưu lượng, điều khiển với đầu vào sai lệch lưu lượng đặt Q* Q phản hồi (thông qua hàm truyền tốc độ - lưu lượng) Hai khối tín hiệu đặt dùng để tạo giá trị đặt cho lưu lượng Q* dòng đặt , giá trị tương ứng với giá trị định mức hệ thống động thực tế 4.3.2 Mơ hình biến tần Perfect Harmony a) Mơ hình BBT mơ Mơ hình biến tần Perfect Harmony xây dựng dựa theo cấu trúc thực tế nó, gồm 15 cell nghịch lưu cầu H chia pha Tín hiệu mở van xác định nguyên lý trình bày chương Hình Mơ hình cell cầu H nối tầng 57 Chương Mô hệ thống điều khiển Hình 4 Mơ hình mạch lực cell Hình Mơ hình mạch tạo xung điều khiển cho cell b) Mô BBT với tín hiệu vào sin chuẩn Thực mô BBT với ba đầu vào sin chuẩn để kiểm tra mơ hình BBT , đồng thời kiểm tra thông số động ghép nối với BBT 58 Chương Mô hệ thống điều khiển Hình Bộ biến tần với ba đầu vào sin chuẩn Hình Đồ thị điện áp dây với đầu vào sin chuẩn Hình Đồ thị điện áp pha với đầu vào sin chuẩn 59 Chương Mơ hệ thống điều khiển Hình Đồ thị điện áp cell với đầu vào sin chuẩn 4.3.3 Mơ hình khối chuyển tọa độ Các khối chuyển tọa độ dùng để chuyển đổi đại lượng dòng điện hệ tọa độ abc, dq Hình 10 Khối chuyển tọa độ dq sang anpha – beta Hình 11 Khối chuyển tọa độ anpha- beta sang abc 60 Chương Mơ hệ thống điều khiển 4.3.4 Mơ hình từ thơng Khối mơ hình từ thơng xây dựng theo cấu trúc trình bày hình 3.11, với thông số Lm, Tr, zp thực tế, sơ đồ mô thể hình 4.12: Hình 12 Mơ hình tính góc lệch từ thơng 4.3.5 Cấu trúc điều khiển PI mô Các điều khiển Ri, RQ thiết kế điều khiển PI, sơ đồ mơ phỏng, cấu trúc chúng Hình 4.13 sơ đồ mô điều khiển tốc độ , đại diện cho sơ đồ mô điều khiển PI Hình 13 Sơ đồ mơ điều khiển tốc độ 61 Chương Mô hệ thống điều khiển 4.3.6 Khối tín hiệu phản hồi Để làm gọn sơ đồ, đường phản hồi nhóm lại thành khối chung, gọi khối tín hiệu phản hồi, sơ đồ hình 4.13 đây: Hình 14 Khối tín hiệu phản hồi 4.4 Kết mô hệ thống Các kết mô thu được: đáp ứng tốc độ động cơ, đáp ứng momen động cơ, đồ thị dòng isd , isq, đồ thị điện áp dây động đồ thị đáp ứng lưu lượng Hình 15 Đồ thị đáp ứng tốc độ động 62 Chương Mô hệ thống điều khiển Hình 16 Đồ thị đáp ứng momen động Hình 17 Đồ thị dịng Isq Hình 18 Đồ thị dịng Isd 63 Chương Mơ hệ thống điều khiển Hình 19 Đồ thị đáp ứng lưu lượng quạt ID Hình 20 Đồ thị điện áp dây động 4.5 Nhận xét - Khi cho khối tốc độ đặt 10V tương ứng với tốc độ định mức, sau khoảng thời gian độ khoảng 2,5s giá trị thực tốc độ bám sát với giá trị đặt tốc độ chứng tỏ điều khiển đáp ứng yêu cầu toán, kết với sơ đồ mô ghép nỗi BBT với đầu vào sin chuẩn lẫn BBT với tín hiệu vào lấy từ điều khiển Lưu lượng bám với giá trị đặt sau khoảng 12s quán tính lớn - Momen động trình khởi động dao động mạnh để đẩy nhanh tốc độ động bám tới gái trị đặt, sau 2s momen dần ổn định - Các dịng điện isd isq có dao động lúc khởi động, nhiên xác lập dòng chiều ứng với lý thuyết, điện áp dây động đạt giá trị định mức có dạng 11 mức 64 Kết luận KẾT LUẬN Sau 15 tuần thực hiện, với kiến thức học giảng đường thời gian nghiên cứu để hoàn thành đồ án, đồ án đạt số mục đích: - Tìm hiểu công nghệ sản xuất xi măng nhà máy xi măng sơng Gianh - Vai trị quan trọng quạt hút ID hệ thống sản xuất xi măng - Nguyên lý hoạt động cấu hình điều khiển biến tần Perfect Harmony - Phương pháp điều khiển vector động không đồng ba pha - Phương pháp điều chỉnh lưu lượng sử dụng hệ truyền động BBT – ĐCKĐB - Mô hệ thống điều khiển lưu lượng Do thời gian hoàn 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 XNCN tận tình hướng dẫn giúp đỡ suốt thời gian qua Hà Nội, ngày 09 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Ngô Duy Quân 65 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển vector truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, năm 2016 [2] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, năm 2006 [3] Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đoàn Quang Vinh, Điều khiển động xoay chiều cấp từ biến tần bán dẫn, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, năm 2003 [4] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, năm 2006 [5] Nguyễn Dỗn Phước, Cơ sở lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, năm 2016 [6] 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 [7] ARefined Space Vector PWM Signal Generation for Eleven-level Inverter, International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol 3, No 6, December 2011 [8] Hight-Power Converters - Mohamed E El-Hawary, Editor in Chief, Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey 66 ... kết hợp chuyển dịch kinh tế theo hướng cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước Cụ thể, ngành nhiệt điện, thủy điện, dầu khí… có mức độ tự động hóa ngày cao, áp dụng công nghệ vào dây chuyền sản xuất...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 CHUYỀN SẢN... quan điều khiển tốc độ động không đồng (ĐCKĐB) xoay chiều ba pha 3.1.1 Giới thiệu động không đồng xoay chiều ba pha Động không đồng (ĐCKĐB) ba pha máy điện quay không đồng ba pha, có cấu tạo