Điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha trong cầu trục nhà máy thủy điện a vương bằng phương pháp điều áp stator và xung điện trở rotor

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN MINH NHỰT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA TRONG CẦU TRỤC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN A VƯƠNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU ÁP STATOR VÀ XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR Chuyên ngành : Tự động hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2012 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN BÊ Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN HỒNG ANH Phản biện 2: TS TRẦN ĐÌNH KHƠI QUỐC Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày tháng năm 2012 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Ngày hầu hết cầu trục sử dụng biến tần để điều khiển động nâng hạ Với số ưu tuyệt đối khởi động mềm điều chỉnh tốc độ động vơ cấp, đường đặc tính mềm nhiều so với hệ lại, sử dụng biến tần giá thành đắt, khó sửa chửa cố xảy ra, hầu hết phụ thuộc vào nhà sản xuất Với đề tài “Điều khiển động không động pha cầu trục nhà máy thủy điện A Vương phương pháp điều áp stator xung điện trở rotor”, luận văn góp phần xây dựng hệ điều khiển thay phương pháp đạt yêu cầu khởi động điều chỉnh tốc độ vô cấp, giá thành hạ, dể sửa chửa có cố ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu đề tài động không đồng ba pha (động nâng hạ) cầu trục nhà máy thủy điện Nghiên cứu sở lý thuyết hệ thống tự động điều chỉnh dòng khởi động điều chỉnh tốc độ động không đồng pha với momen không đổi PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tổng quan động không đồng ba pha đặc tính khởi động điều chỉnh tốc độ động Nghiên cứu phương pháp điều khiển PID động không đồng bô ba pha Xây dựng mơ hình matlab simulik để đánh giá thu Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI Tối ưu hóa trình điều khiển, giảm dịng khởi động động khơng đồng ba pha cầu trục, hạ giá thành, làm chủ cơng nghệ dể bào trì sửa chửa có cố xảy BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN Toàn luận văn chia làm chương: - Chương 1: Tổng Quan cầu trục - Chương 2: Tính chọn cơng suất động truyền động - Chương 3: Chọn phương án truyền động - Chương 4: Thiết kế tổng hợp hệ thống CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC Cầu trục nói chung sử dụng nhiều ngành kinh tế khác phân xưởng lắp ráp khí, xí nghiệp luyện kim, công trường xây dựng, cầu cảng Chúng sử dụng ngành sản xuất để giải việc nâng bốc vận chuyển tải trọng, phối liệu, thành phẩm Có thể nói rằng, nhịp độ làm việc máy nâng chuyển góp phần quan trọng, nhiều có tính định đến suất dây chuyền sản xuất ngành nói Vì vậy, thiết kế hệ truyền động cần trục cấu nâng hạ cần phải tuân thủ chặt chẽ quy trình kỹ thuật đồng thời phải đảm bảo tính kinh tế Trước vào thiết kế hệ truyền động cho cấu nâng-hạ cầu trục, chương ta tìm hiểu số đặc điểm cơng nghệ với việc phân tích nét yêu cầu truyền động cầu trục 1.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA CƠ CẤU NÂNG-HẠ CẦU TRỤC 1.1.1 Cấu tạo Hình 1.1: Cấu tạo cầu trục Với: G=150 tấn, G0 = 500Kg, Rt = 0,4m, u = 12, = 0,2m/phút, i = 340 với i  n 2  R t  n u  i  u  12  0,  340 =324vòng/phút  2  R t  3,14  0, 1.1.2 Yêu cầu truyền động có cấu nâng hạ 1.2 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH PHỤ TẢI Dạng đặc tính cấu nâng hạ sau: MC M Hình 1.2: Dạng đặc tính cấu nâng-hạ 1.3 XÂY DỰNG CÁC CÔNG THỨC CẦN THIẾT CHO TÍNH TỐN CƠ CẤU NÂNG HẠ 1.3.1 Phụ tải tĩnh nâng tải 1.3.2 Phụ tải tĩnh hạ tải 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Ở chương ta tìm hiểu số đặc điểm cầu trục xây dựng cơng thức cần thiết cho cấu nâng hạ sở để ta chọn công suất động chương CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN CƠNG SUẤT ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG Chọn công suất động phù hợp với yêu cầu truyền động khâu quan trọng trình tiến hành thiết kế hệ thống Việc chọn công suất động bao hàm việc chọn loại động 2.1 CHỌN LOẠI ĐỘNG CƠ 2.2 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ PHỤ TẢI TĨNH Khi nâng tải: = 0,2m/phút Mn = (G  G ) R t = 17,35 (Kg.m) = 170,3(N.m) u i  c Pn = ( G  G ) v n = 35,41 (Kw) 1000  c Khi hạ tải: vh = 0,25 m/phút Mh = ( G  G ) R t (2 - ) = 12,15(Kg.m) = 119,2 u i c (N.m) Ph = ( G  G ) v h (2 ) = 30,9 (Kw) 1000 c Khi hạ không tải nâng không tải, công suất động thay đổi Hệ số mang tải: K= co = G0 = 0,0033 G  G đm = 0,03 a 1  b k Với a=0,6  c = 0,1 b=0,4  c = 0,07 c c + Khi nâng không tải: Mno = G R t = 1,634(Kgm) = 16,02 (Nm ) u i  Pno = co G v n 1000  co = 4,1 (Kw) + Khi hạ không tải: Mho = G R t ( 2- ) = -1,536 (Kgm) = -15,06 (Nm ) u i co Pho = G v ho ( - ) = - 3,9 ( Kw ) 1000  co Từ ta xây dựng sơ biều đồ phụ tải sau: Hình 2.1: Biều đồ phụ tải tĩnh Vậy ta chọn động điện không đồng pha roto dây quấn có thơng số sau: - Pđm - Tốc độ quay định mức :55 Kw :1447,5 vòng/phút - Iđm - Điện áp định mức :105 A : 380 V - Tần số định mức - Dòng điện rotor : 50 Hz : 94 A - Điện trở stato : r1  ,  - Điện kháng dây quấn stator : x1  ,  - Điện trở roto qui đổi stator : r ,2  , 7  - Điện kháng dây quấn rotor : x ,2  ,  - Độ trượt định mức : s dm  , - Hệ số công suất định mức : c o s  dm  , - Sức điện động pha rotor : E  3V 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG Việc tính chọn cơng suất động loại động truyền động ý nghĩa quan trọng việc chọn phương an truyền động nhằm mục đích thỏa mãn đặc tính tải cầu trục CHƯƠNG 3: CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG Chọn phương án truyền động dựa yêu cầu công nghệ kết tính chọn cơng suất động cơ, từ tìm phương án khả thi đáp ứng yêu cầu đặc tính kỹ thuật kinh tế với công nghệ đặt Lựa chọn phương án truyền động tức phải xác định loại động truyền động, phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải, sơ đồ nối biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động 3.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHI KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3.1.1 Các yêu cầu mở máy 3.1.2 Các phương pháp mở máy a Phương pháp “khởi động cứng” b Xây dựng mơ hình vật lý khởi động động matlab phương pháp đóng điện trực tiếp Từ thông số động chọn chương 2, ta xây dựng mơ hình khởi động matlab C o n tinu o u s Constant torque po we rgu i Scope3 Iabc (A) T orque step A B C Tm m A a B b C c -KGai n1 D ong co 55Kw Hình 3.1: Mơ hình vật lý khởi động động phương pháp đóng cắt 10 3.2.4 Xây dựng mơ hình khởi động động matlab băng phương pháp điều áp xoay chiều pha sử dựng thyristor mắc song song ngược Consta nt to rque Con tinu ou s po we rgu i g m a k S cope3 Iabc (A) -K Sco pe2 T hyristor + v - D ongphaA VA TA- + v - D ongphaB VB D ongphaC m g k a To rque step Ga in1 TB+ g m a k m Tm Thy risto r1 TA+ A a B b C c D ong c o 55K w Thy risto r2 TB- A B C + v - U dk m TC+ k VC DX Out TC - g a Thy risto r3 K hoi ph at xung Sub system g m a k Thy risto r4 P ulse Gen erator1 m g k a Thy risto r5 Hình 3.10: Mơ hình vật lý khởi động động phương điều áp xoay chiều dong khoi dong bang phuong phap dien ap dat vào 600 400 D o n g d ie n ( A ) 200 -200 -400 -600 0 0.4 0.6 0.8 Thoi gian (s) 1.2 1.4 1.8 Hình 3.11: Kết mô khởi động động phương điều áp xoay chiều 3.3 HỆ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR 3.3.1 Nguyên lý điều chỉnh 3.3.2 Đánh giá phạm vi ứng dụng 3.3.3 Mơ tả tốn học động điện điều khiển xung điện trở rotor a Đặc tính điều chỉnh xung điện trở rotor b Nguyên lý làm việc hệ điều chỉnh tốc độ xung điện trở rotor 3.4 ĐIỀU ÁP STATOR VÀ XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR CÓ ĐỔI CHIỀU QUAY 3.4.1 Sơ đồ mạch lực 11 Hình 3.15: Sơ đồ điều áp stato xung điện trở roto 3.4.2 Đặc tính điều chỉnh Hình3.16: Đặc tính hệ truyền động ĐAXC xung điện trở roto 3.4.3 Nguyên lý điều chỉnh điều áp stator xung điện trở rotor 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 12 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG 4.1 KHỞI ĐỘNG MỀM ĐỘNG CƠ KĐB BẰNG ĐIỀU ÁP STATOR 4.1.1 Yêu cầu 4.1.2 Xây dựng đặc tính điều chỉnh đặc tính làm việc động Với:  = 31,890 (độ) 110 100 90 80 70 60 50 40 31,89 30 20 (độ) 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 31,9 Uđk 3,89 4,4 5,56 6,11 6,67 7,22 7,78 8,23 8,33 8,89 76 120 170 218 263 397 334 342 380 380 380 (V) U(1) (V) Với:  = 49,80 (độ) 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 (độ) 49,8 49,8 49,8 49,8 49,8 49,8 49,8 49,8 49,8 49,8 Uđk 3,89 4,4 5,56 6,11 6,67 7,22 7,78 8,33 8,89 66 120 190 243 294 340 380 380 380 380 (V) U(1) (V) Từ số liệu bảng ta vẽ đặc tính điều chỉnh với góc  tương ứng 4.1.3 Thiết kế hệ điều khiển khởi động mềm sử dụng điều áp xoay chiều a Sơ đồ khối hệ 13 KN ph Uph Uđ Uphi Uđk - Wđc( Wbbđ KNi  I phi( Hình 4.3: Sơ đồ khối mạch phản hồi dòng điện tốc độ b Nguyên lý hoạt động mạch 4.2 TÍNH CHỌN CÁC THƠNG SỐ VÀ HÀM TRUYỀN ĐẠT CỦA HỆ THỐNG 4.2.1 Khâu phản hồi dòng điện Vậy ta có hàm truyền khâu phản hồi dịng: phi = 0, 02.K cai  0,047 s 4.2.2 Khâu phản hồi tốc độ Hàm truyền khâu phản hồi tốc độ: ph = Kph = 0,05.Kca 4.2.3 Hàm truyền biến đổi Bộ biến đổi xoay chiều (BBĐ) coi khâu trễ có hàm truyền gần : Wbbđ  K BBD 56,    s p  0, 0033 p 4.2.4 Hàm truyền động a Hàm truyền động có phản dịng điện Wđc = 23,8  0, 012 p Ta có sơ đồ khối vịng phản hồi dòng điện : 14 Uđặt Uđk - Uphi 56,9 1 0,0033p 23,8  0,012p , K ca i  0,047 s KNi Hình 4.6: Sơ đồ khối mạch phản hồi dòng điện b Hàm truyền động có phản hồi tốc độ Vậy hàm truyền động mạch vòng phản hồi tốc độ: W dc  0,44  0, 019 p Ta có sơ đồ cấu trúc hệ có phản hồi tốc độ: Uđặt Uph Uđk  56,9  0, 0033p - KN  0, 44  0, p 0,05.K ca Hình 4.7: Sơ đồ khối mạch phản hồi tốc độ c Hàm truyền toàn hệ thống + Xét mạch vòng phản hồi dòng điện : Hàm truyền hệ hở: hi = Wbbđ.WđcI.phi hi  27, 08.K cai 1,86.10 p  7,5.10 4 p  0, 0623 p  Hàm truyền hệ kín: 6 15 ki  27, 08.K cai 1,86.10 p  7,5.10 p  0, 0623 p  27, 08.K cai  6 4 + Xét mạch vòng phản hồi tốc độ: Hàm truyền hệ hở: h = Wbbđ Wđc ph h  1, 234.K ca 6, 27.10 p  0, 0223 p  5 Hàm truyền hệ kín: k   1, 234.K ca 6, 27.10 p  0, 0223 p  1, 234.K ca  5 4.2.5 Xét tính ổn định hệ thống a Xác định miền giá trị Kca để hệ thống kín ổn định b Đánh giá tiêu động học hệ thống kín + Xét mạch vịng phản hồi dòng điện + Khi Kcai = 0,5 Ta thu đáp ứng bước dap ung he thong Kc ai=0,5 1.6 1.4 1.2 A m p litu d e 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Time (s ec ) Hình 4.8: Đáp ứng bước hệ thống có Các tiêu chất lượng: phản hồi dòng điện với Kca1 = 0,5 - Sai lệch tĩnh: e = 1,39% - Độ điều chỉnh( overshoot) :  = 64,44 % - Thời gian điều chỉnh(setting time) : 0,225 s + Khi Kcai = 0,3 : 0.35 16 Ta thu đáp ứng bước dap ung he thong Kc ai=0,3 1.5 A m p l it u d e 0.5 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Time ( sec ) Hình 4.9: Đáp ứng bước hệ thống có phản hồi dòng điện với Kca1 = 0,3 Các tiêu chất lượng: - Sai lệch tĩnh: e = 1,7 % - Độ điều chỉnh( overshoot) :  = 48,2 % - Thời gian điều chỉnh(setting time): 0,179 s + Xét mạch vòng phản hồi tốc độ + Khi K ca = 0,5 : Ta thu đáp ứng bước dap ung he thong Kcaw =0,5 0.4 0.35 0.3 A m p li t u d e 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Time (s ec ) Hình 4.10: Đáp ứng bước hệ thống có phản hồi dịng điện với Kcaw = 0,5 Các tiêu chất lượng: - Sai lệch tĩnh: e = 1,8 % - Độ điều chỉnh( overshoot) : = 0% - Thời gian điều chỉnh: 0,0436s - Khi K ca = 0,3 : 0.07 17 dap ung he thong Kcaw =0,3 0.16 0.14 0.12 A m p litu d e 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Time (sec) Hình 4.10: Đáp ứng bước hệ thống có phản hồi dịng điện với Kcaw = 0,3 Các tiêu chất lượng: - Sai lệch tĩnh: e = 1,85 % - Độ điều chỉnh( overshoot):  = - Thời gian điều chỉnh: 0,0538 s 4.3 XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR 4.3.1 Tính điện trở điều chỉnh Vì mơmen cấu nâng hạ trình điều chỉnh M = const nên ta có: I 22 ( r2  R f ) I 22 r2   1S dm 1S B Suy ra: (r  R f ) r2   S dm 1 S B  Rf  r2 S B  r2 S dm Vậy ta có: R ,  0,0 6 0, 7 0, 035  1, ( ) R f  ( R2, - r2) = 1,5675- 0,0606 = 1,507 () 4.3.2 Tính điện trở chiều quy đổi rotor Vậy: Thay số: Rf = Rd  Rd  R f Rd = 2.1,507= 3,014 () 18 4.3.3 Tính tốn chỉnh lưu rotor 4.3.4 Tính chọn điện kháng lọc 4.3.5 Xác định dung lượng C 4.3.6 Tính chọn Thiristato R: Chọn Tc Tp 4.4 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 4.4.1 Tổng hợp điều chỉnh a Hàm truyền khâu phản hồi tốc độ Ta có hàm truyền phát tốc là: F (P )  0, 00663  0, 01P b Hàm truyền khâu phản hồi dịng điện Ta có hàm truyền khâu phản hồi dòng điện là: Fi(P)  0, 00425  0, 001 P 4.4.2 Tổng hợp mạch vịng a Khái qt chung b Tính tốn thông số Td = ,   ,   , 0 5 , 6  1,  3, U1 f I 2'   R2'   r1    X nm s   K iU f I2   R2'   r1    X nm s   I  R R' KiU1 f (r1  ) s s C '  R2 2   (r1  )  X nm  s   ... đắt, khó s? ?a ch? ?a cố xảy ra, hầu hết phụ thuộc vào nhà sản xuất Với đề tài ? ?Điều khiển động không động pha cầu trục nhà máy thủy điện A Vương phương pháp điều áp stator xung điện trở rotor? ??, luận... dụng 3. 3 .3 Mô tả toán học động điện điều khiển xung điện trở rotor a Đặc tính điều chỉnh xung điện trở rotor b Nguyên lý làm việc hệ điều chỉnh tốc độ xung điện trở rotor 3. 4 ĐIỀU ÁP STATOR VÀ XUNG. .. Thoi gian (s) 1.2 1.4 1.8 Hình 3. 11: Kết mơ khởi động động phương điều áp xoay chiều 3. 3 HỆ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP XUNG ĐIỆN TRỞ ROTOR 3. 3.1 Nguyên lý điều chỉnh 3. 3.2 Đánh