ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN THỊ NGA
NGHIÊN CỨU VÀ KHẢO SÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG
THYRITOR ĐỘNG CƠ Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM KHOA
ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG
CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Thái Nguyên 2014
Công trình được hoàn thành tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Võ Quang Lạp
Phản biện 1: TS Trần Xuân Minh
Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Vỵ
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ họp tại:
Trường Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Vào hồi 15 giờ 15 phút, ngày 20 tháng 4 năm 2014.
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
- Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
1
MỞ ĐẦU
a. Lý do chọn đề tài.
Cân băng định lượng được dùng nhiều trong dây chuyền sản
xuất công nghiệp, có nhiều phương án truyền động cho cân băng
này. Song để đáp ứng giữa lý thuyết và thực nghiệm dựa trên cơ sở
thí nghiệm của Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái nguyên
nên tôi chọn tên đề tài“Nghiên cứu và khảo sát hệ truyền động
Thyritor – Động cơ ở phòng thí nghiệm khoa điện - điện tử để điều
khiển chuyển động cân băng định lượng”. Kết quả của đề tài vừa
có ý nghĩa thực tế vừa có tính khoa học
b. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
- Tìm hiểu yêu cầu về truyền động cân băng định lượng
- Tiến hành thí nghiệm kiểm nghiệm hệ truyền động ở phòng
thí nghiệm để từ đó đề xuất truyền động cho cân băng định lượng
- Trên cơ sở hệ truyền động ở phòng thí nghiệm đã tính toán
đánh giá để so sánh kết quả với nhau
- Ứng dụng hệ truyền động ở phòng thí nghiệm cho điều khiển
cân băng định lượng đồng thời tính toán đánh giá chất lượng hệ
chuyển động này
c. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến đề tài
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Khảo sát, tính toán và kiểm nghiệm được ở phòng thí
nghiệm hệ thống truyền động T -Đ
- Dùng máy tính để mô phỏng
d. Tóm tắt cô đọng nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
2
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG
1.1. Ứng dụng của CBĐL trong sản xuất công nghiệp
Trong các dây chuyền sản xuất tự động của các nhà máy như
:nhiệt điện, xi măng, chế biến thức ăn gia xúc hay chế biến thực
phẩm…. ta nhận thấy rằng để pha trộn nguyên liệu theo một tỉ lệ
nhất định và cân được khối lượng các nguyên vật liệu đã được vận
chuyển theo yêu cầu của thành phẩm thì người ta đều sử dụng hệ
thống cân băng định lượng.
1.1.1. Giới thiệu một số cân băng định lượng trong thực tế
1.1.1.1. Hệ thống CB cho nhà máy xi măng Cosevco Sông Gianh
1.1.1.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống CB cho trạm trộn bê tông
1.2. Nguyên lý làm việc và các yêu cầu về chuyển động của cân
băng định lượng.
1.2.1. Cấu trúc của một hệ thống cân băng định lượng
1.2.2. Nguyên lý làm việc của cân băng định lượng
1.2.2.1. Nguyên lý đo theo năng suất
- Ta có công thức: Qt = m.v.t (1.5)
Trong đó: m: khối lượng (kg) ; v: tốc độ băng tải (m/s) ; t: thời gian
đặt (ms)
- Với năng suất Q sau khoảng thời gian t
1
(ms) ta tiến hành
đo một lần và sẽ so sánh với năng suất yêu cầu (Qyc).
+ Nếu Q > Qyc thì vận tốc băng tải giảm.
+ Nếu Q < Qyc thì vận tốc băng tải tăng
1.2.2.2. Nguyên lý đo theo khối lượng
Khối lượng của vật liệu được cơ cấu cân định lượng
cân chính xác theo lượng đặt ban đầu. Năng suất của băng tải được
tính theo biểu thức:
3
Q = δ.v [ kg/s (1.6)
hay
3600. .
1000
v
Q
(1.7)
Trong đó:
δ : khối lượng tải theo chiều dài [kg/m ]
v : tốc độ di chuyển của băng [m/s]
Khối lượng của băng tải theo chiều dài được tính theo công thức:
S
.
.10
3
(1.8)
Trong đó:
γ : Khối lượng riêng của vật liệu [ tấn/m3 ]
S : Tiết diện cắt ngang của vật liệu trên băng [ m2 ]
1.2.3. Các yêu cầu về hệ chuyển động cân băng định lượng
1.2.3.1. Loại phụ tải
1.2.3.2. Chiều quay của băng
1.2.3.3. Giản đồ phụ tải
1.2.3.4. Các yêu cầu về khởi động và hãm
1.2.3.5. Sơ đồ động học
1.2.3.6. Hệ truyền động nhiều động cơ
1.2.3.7. Độ chính xác
1.2.3.8. Dải điều chỉnh
1.3 Các phương án thiết kế hệ điều khiển cân băng định lượng
1.3.1 Hệ điều khiển tương tự
4
Hình 1.10: Hệ thống điều khiển kín dùng cảm biến lực
1.3.2. Hệ điều khiển dùng cảm biến
Hình 1.11: Hệ thống điêu khiển kín dùng phản hồi số
5
1.4 Các phương án truyền động cho cân băng
1.4.1 Hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển động cơ một
chiều
*
i
U
*
n
U
n
U
R
*
i
U
I
R
ci
U
Hình 1.12: Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều T-Đ
Trong đó:
CL1, CL2: Hai bộ chỉnh lưu có điều khiển mắc song song
ngược. Bằng cách điều khiển các nhóm van trong bộ chỉnh lưu sẽ tạo
ra các chế độ dừng, quay
thuận
, quay ngược của động
cơ
R
I
, Rω: Các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ nó có nhiệm
vụ tổng hợp và tạo ra điện áp điều khiển đưa tới các mạch phát
xung
.
Bằng cách lựa chọn các lượng phản
hồ
i , lượng đặt các thông số của
bộ điêu chỉnh tôc đô Rω và bộ điều chỉnh dòng điên RI thích hợp sẽ
đảm bảo chât lượng của hệ thống ở chế độ tĩnh và
động
.
Trong đó:
- TXP, TXT: Thiết bị phát xung cho hai bô chỉnh lưu có điều khiển
CL1
và CL2
6
- U*n, Un : Điên áp ứng với tốc đô quay cho trước và điện áp phản
hồi tốc độ qua
y
- U*i, Ui : điện áp ứng với dòng điện cho trước và điện áp phản hồi
dòng
đ
i
ện
- LD1, LD2, LD3, LD4: Là các cuộn kháng cân bằng hạn chế dòng
tức thời khép mạch giữa cầu chỉnh lưu
1.4.2 Hệ thống truyền động điều chỉnh xung áp - động cơ một
chiều
* Sơ đồ khối
Hình 1.16 Sơ đồ khối hệ thống truyền động điều chế
độ rộng xung một chiều
Chức năng của các khối trong sơ đồ như sau:
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (M): thay đổi tốc độ
bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, dùng để làm di chuyển CB
- Bộ biến đổi xung điện áp (PWM): được cung cấp nguồn điện áp từ
bộ chỉnh lưu T.
1.4.3 Hệ thống truyền động vecto biến tần – động cơ KĐB
7
Hình 1.20: Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ KĐB
bằng thiết bị biến tần
Trong đó:
Rω : Bộ điều chỉnh tốc độ.
Ri : Bộ điều chỉnh dòng điện.
ia,ib,ic: số thực.
d,q : hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor.
Nhận xét
So sánh 3 phương án vừa nêu thì ta thấy hệ truyền động T-Đ
vừa thỏa màn yêu cầu cho cân băng định lượng vừa có thể dùng hệ
truyền động T-Đ ở phòng thí nghiệm của nhà trường, để kiểm
nghiệm quá trình nghiên cứu khảo sát hệ truyền động T-Đ cho cân
băng định lượng.
Vì vậy tôi lựa chọn phương án hệ truyền động T-Đ để tính
toán điều khiển chuyển động cân băng định lượng
8
Chương 2: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ T – Đ TẠI PHÒNG THÍ
NGHIỆM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN CHO
ĐIỀU KHIỂN CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG
2.1 Nội dung thực nghiệm
Bài thí nghiệm được thí nghiệm tại phòng 304 trung tâm thí
nghiệm Điện - Điện tử với mô hình cụ thể được trình bầy ở phần phụ
lục. Trong đó hệ thí nghiệm được thiết kế với hai bộ biến đổi song
song ngược với tải có công suất 1.5KW
2.1.1. Giới thiệu các trang thiết bị bố trí trên sơ đồ:
- Máy biến áp nguồn động lực 3 pha có cách ly
- Bộ biến đổi (BBĐ) xoay chiều - một chiều xây dựng trên
mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có đảo chiều dùng Thyristor.
- Phần điều khiển là hệ kín với phản hồi âm tốc độ, có khâu
ngắt dòng, bảo vệ mất pha, ngược thứ tự pha, quá dòng, mất kích từ
động cơ
- Hệ thống đèn báo trạng thái, đồng hồ giám sát các tín hiệu
dòng áp vào ra trên module.
- Các mạch phụ trợ: cấp nguồn kích từ, nguồn đồng bộ, đóng
ngắt …
2.1.2. Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý làm việc
9
2.1.2.1. Sơ đồ nguyên lý
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý module chỉnh lưu cầu 3 pha
10
2.1.2.2. Nguyên lý làm việc
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý và giản đồ điện áp của chỉnh lưu
hình cầu ba pha
Hệ thống truyền động này gồm hai bộ chỉnh lưu cầu ba pha
bằng Thyrito mắc song song ngược, khống chế hai bộ này theo
phương pháp tuyến tính phụ thuộc quy luật khống chế của hai bộ
chỉnh lưu này là
1
+
2
= 180
o
.
Trong đó nếu bộ chỉnh lưu 1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì /2
>
1
và lúc này /2 <
2
, điện áp trung bình của hai bộ chỉnh lưu này
đặt lên phụ tải là U
đ1
= U
o
cos
1
và U
đ2
= U
o
cos
2
.
11
Với giả thiết ở trên thì U
đ1
> 0 bộ chỉnh lưu một làm việc
ở chế độ chỉnh lưu U
đ2
< 0 bộ chỉnh lưu 2 làm việc ở chế độ chờ
nghịch lưu.
Nếu muốn đảo chiều động cơ thì ta đảo chiều U
đặt
, khi đó
2
< /2 và
1
> /2. Do đó lúc này bộ chỉnh lưu 2 làm việc ở chế độ
chỉnh lưu và bộ chỉnh lưu một làm việc ở chế độ chờ nghịch lưu.
Quá trình đảo chiều, từ tốc độ ban đầu về 0 thì trong sơ đồ này xẩy ra
hiện tượng hãm tái sinh, với nguyên lý khống chế 2 bộ chỉnh lưu
theo nguyên tắc tuyến tính phụ thuộc nên U
trung bình
của hai bộ chỉnh
lưu đặt nên động cơ bằng nhau và ngược dấu nhau nên I
cbtb
= 0
nhưng điện áp tức thời của hai bộ chỉnh lưu sẽ khác nhau vì vậy nó
xuất hiện dòng điện cân bằng tức thời i
cb
0 và chạy từ nguồn qua
bộ chỉnh lưu này tới bộ chinh lưu kia và về nguồn không qua tải nên
sinh ra ngắn mạch để hạn chế dòng điện cân bằng này trong mạch
động lực người ta mắc các cuộn kháng cân bằng LD
11
, LD
12
, LD
21
,
LD
22
.
Điện áp ra của một bộ chỉnh lưu phụ thuộc vào góc điều khiển
, giản đồ U
d
và I như hình vẽ. với góc 0
1
< /2.
12
2.1.2.3. Bố trí thiết bị trên Module
:
Hình 2.6: Sơ đồ bố trí thiết bị trên modul chỉnh lưu cầu 3 pha
13
2.1.3 Hệ tải
+ Hệ phụ tải động: hai động cơ DC1 và DC2
+ Máy phát tốc độ
+ Đồng hồ đo tốc độ hiển thị số
+ Điện trở phụ: R
f
Thông số:
+ Bộ biến đổi (BBĐ) chỉnh lưu sử dụng sơ đồ hình cầu ba
pha mắc song song ngược điều khiển phối hợp tuyến tinh có thông
số: U
đm
= 200V, I
đm
= 10A.
+ Động cơ thí nghiệm DC: là động cơ điện một chiều kích từ
độc lập có thông số:
P
đm
= 1,5 kW , U
đm
= 220 V, I
đm
= 10A, n
đm
= 100 v/p, I
kt
= 0,6A.
+ Tải: Hệ phụ tải động: hai động cơ DC1 và DC2
+ Máy phát tốc độ
+ Máy hiện sóng
+ Các thông số PID: Kp = 4.93; K
I
= 42; K
D
= 0
- Sơ đồ phụ tải động như hình:
14
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm truyền động điện
2.2 Kết quả thực nghiệm
2.2.1. Đo điện áp đồng bộ hóa và điện áp răng cưa
2.2.1.1. Đo điện áp đồng bộ hóa ở một mạch tạo xung
Hình 2.9: Điện áp khâu đồng bộ hóa
15
2.2.1.2. Đo điện áp răng cưa ở một kênh tạo xung
Hình 2.10: Điện áp đầu ra khâu phát sóng răng cưa
2.2.1.3. Khâu sửa xung và gửi xung
2.2.2. Thí nghiệm
2.2.2.1. Thí nghiệm 1: động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều
khiển P
Hình 2.12: Động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển P
16
2.2.2.2. Thí nghiệm 2: động cơ quay theo chiều thuận với bộ PI
Hình 2.13: Động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển PI
2.2.2.3. Thí nghiệm 3: động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều
khiển P
Hình 2.14: Đảo chiều động cơ với bộ điều khiển P
17
2.2.2.4. Thí nghiệm 4: động cơ quay theo chiều ngược với PI
Hình 2.15: Đảo chiều động cơ với bộ điều khiển PI
Nhận xét
+ Qua các thí nghiệm với các bộ điều khiển P va PI cả trong
chế độ làm việc thuận và đảo chiều, chất lượng đầu ra của hệ truyền
động được xác định bởi các thông số sau.
+ Thời gian qua độ khi bộ điều khiển là P: 3s
- Sai lệch tĩnh khi bộ điều khiển là P: 3%
- Độ quá điều chỉnh: 1%
+ Thời gian qua độ khi bộ điều khiển là PI: 3s
- Sai lệch tĩnh khi bộ điều khiển là PI: 0.05%
- Độ quá điều chỉnh: 1%
+ Với kết quả thí nghiệm này cho thấy hệ truyền động T - Đ ở
phòng thí nghiệm của trường ĐHKTCN đảm bảo chất lượng để ứng
dụng vào truyền động cân băng định lượng.
+ Qua thí nghiệm này ta thấy đảm bảo được chất lượng để ứng
dụng vào truyền động ổn định cân bằng định lượng.
18
*
i
U
*
n
U
n
U
R
*
i
U
I
R
ik
U
R
U
Chương 3: XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH KHỐI LƯỢNG
CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG
3.1. Ứng dụng hệ truyền động T – Đ cho điều khiển ổn định khối
lượng cân băng định lượng.
3.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống truyền động điều khiển ổn định
khối lượng cân băng định lượng
Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển ổn định khối lượng CB
3.1.2. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động ổn định khối
lượng
3.1.2.1. Tổng hợp hệ T-Đ
1. Hàm số truyền của các khâu
- Hàm truyền của máy phát tốc:
( )
1
FT
K
W p
T p
( 3.4)
Trong đó: T
- hằng số thời gian của máy phát tốc.
K
- hệ số phản hồi máy phát tốc.
19
1
1
u
u
R
pT
1
p
J
1
i
i
K
pT
1
s
s
K
T p
- Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện:
( )
1
I
FT
I
K
W p
T p
(3.5)
Trong đó:
I
T
- hằng số thời gian của máy phát
I
K
- hệ số phản hồi dòng điện
2. Tổng hợp bộ điều khiển dòng R
I
Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:
1 .
1
( ) (1 )
2. . . .
2 . .
u u
i
si
CL i si u
CL i
pT R T
R p
T
K K T pT
p K K
R
( 3.9)
3. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ
R
Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ
3.1.2.2. Tổng hợp mạch vòng ổn định khối lượng
20
Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng ổn định khối lượng
Chọn
T
Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh ổn định
khối lượng theo tiêu chuẩn tối ưu modul :
( ) (1 2 . )
. .2
s
r
K
R p T p
K K T
(3.15)
Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổn định cân băng định lượng
3.2 Mô phỏng hệ truyền động cân băng với các bộ điều khiển
PID
3.2.1 Tính toán các thông số hệ điểu khiển ổn định khối lượng
đối với động cơ một chiều kích từ độc lập
21
3.2.2 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển cân băng bằng MATLAB
SIMULINK
Hình 3.10 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID
Sau khi mô phỏng trên phần mềm Simulink ta thu được kết
quả như sau:
22
Hình 3.11 Các tín hịệu đặt khối lượng đầu ra tương ứng với
giá trị củaKhối lượng đặt đầu vào φ
đặt
= 10 (V), I = 8,7 (A)
23
Nhận xét
Từ kết quả mô phỏng trên ta thấy chất lượng của hệ truyền
động có các thông số sau
+ Kết quả tính toán lý thuyết:
- Thời gian quá độ của cân băng định lượng: 10,5s
- Độ quá điều chỉnh của cân băng định lượng : 5%
- Sai lệch tĩnh: 1%
- Thời gian quá độ của tốc độ động cơ: 2.5s
- Độ quá điều chỉnh của tốc độ động cơ : 3%
- Sai lệch tĩnh: 1%
+ Kết quả thí nghiệm
- Thời gian quá độ khi bộ điều khiển là P: 3s
- Sai lệch tĩnh khi bộ điều khiển là P : 3%
- Độ quá điều chỉnh : 0
- Thời gian quá độ khi bộ điều khiển là PI: 3s
- Sai lệch tĩnh khi bộ điều khiển là PI: 0,05%
- Độ quá điều chỉnh : 0
e. Kết luận
Trong đề tài này việc Nghiên cứu và khảo sát hệ truyền động
Thyritor – Động cơ ở phòng thí nghiệm khoa điện - điện tử để điều
khiển chuyển động cân băng định lượng đã giải quyết được 3 vấn đề:
Tìm hiểu và khảo sát những yêu cầu về hệ điều khiển cân
băng định lượng và ứng dụng của nó trong công nghiệp.
Tiến hành thí nghiệm với những chế độ làm việc khác nhau
từ đó xác định được hệ thống truyền động T - Đ ở phòng thí nghiệm
có khả năng ứng dụng để điều khiển chuyển động cho cân băng định
lượng.
