Nghiên cứu điều khiển hệ thống nối trục động cơ trong dây chuyền cán thép

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


`

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP








NGUYỄN QUỐC KHÁNH



NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NỐI
TRỤC ĐỘNG CƠ TRONG DÂY CHUYỀN
CÁN THÉP





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN – 2014






Số hóa bởi Trung tâm Học liệu




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



NGUYỄN QUỐC KHÁNH



NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NỐI
TRỤC ĐỘNG CƠ TRONG DÂY CHUYỀN
CÁN THÉP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

PHÒNG ĐÀO TẠO
KHOA ĐIỆN
NGƢỜI HƢỚNG DẪN
KHOA HỌC





TS. Nguyễn Thị Mai Hƣơng

THÁI NGUYÊN – 2014

1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Quốc Khánh
Sinh ngày : 01 tháng 5 năm 1960
Học viên lớp cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Công
Nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trường Đại Học Lao Động Xã Hội – Cơ sở Sơn tây
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu nêu
trong luận văn là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn
gốc.

Tác giả luận văn


Nguyễn Quốc Khánh
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn của
nhà trường, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Khoa
điện, các giảng viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Nguyễn Thị Mai Hƣơng,
Trường đại học KTCN Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận
văn này.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế, nên luận văn
này không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tác giả rất mong nhận được những ý
kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và
có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế.
Xin chân thành cảm ơn!


Tác giả luận văn


Nguyễn Quốc Khánh

3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

MỞ ĐẦU

Thiết bị cán thường sử dụng động cơ luyện kim chuyên dùng, có thổi gió làm
mát. Các trường hợp cán có tốc độ không thay đổi (máy cán thô liên tục) thường
dùng động cơ đồng bộ. Còn nếu máy cán cần điều chỉnh tốc độ thì dùng động cơ một
chiều, nguồn một chiều được cung cấp từ một bộ chỉnh lưu riêng.
Trong thực tế sản xuất nhiều dây chuyền công nghệ yêu cầu sử dụng động cơ một
chiều hay xoay chiều công suất lớn đến hàng nghìn Kw. Thiết bị cán Block là khâu
cuối cùng trong dây chuyền cán thép hiện đại yêu cầu công suất sử dụng vào khoảng
5000 Kw là một thí dụ điển hình. Hệ thống quạt gió lò, trạm nén khí, trạm bơm,… là
các hệ thống điển hình mà ở đó thường yêu cầu sử dụng động cơ công suất lớn.
Việc sử dụng động cơ công suất lớn đáp ứng yêu cầu của tải gặp nhiều khó khăn.
Giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế khi chỉ sử dụng một động cơ công suất
lớn đã được đề xuất thay thế bởi 02 động cơ ghép cùng làm việc song song có tổng
công suất bằng công suất của một động cơ công suất lớn cần thay thế. Nhưng yêu cầu
đặt ra là trong quá trình vận hành hai động cơ thay thế luôn đóng góp phần công suất
của mình cho phụ tải chung là như nhau. Đề tài này tập trung nghiên cứu điều khiển
hệ thống hai động cơ làm việc song song nối cứng trục với nhau, với mục tiêu ổn
định dòng điện (phân tải).

Mục tiêu của nghiên cứu.
- Đề tài nghiên cứu điều khiển hệ thống nối trục động cơ trong dây chuyền cán
thép.
- Ổn định dòng điện với hệ thống 2 động cơ nối cứng trục.
- Ứng dụng điều khiển cho một hệ thống thiết bị thực tế.
Nội dung nghiên cứu
Chương 1: Tổng quan về công nghệ cán thép
Chương 2: Nghiên cứu hệ thống nối trục động cơ trên dây chuyền cán thép dây

Chương 3: Xây dựng mô hình toán học hệ thống điều khiển
Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP

Cán là một hình thức gia công bằng áp lực để làm thay đổi hình dạng và kích
thước của vật thể kim loại dựa vào biến dạng dẻo của nó. Yêu cầu quan trọng trong
quá trình cán là ứng suất nội biến dạng dẻo không được lớn, đồng thời kim loại vẫn
giữ được độ bền cao. Ứng suất nội biến dạng dẻo giảm khi nhiệt độ kim loại tăng,
nên thực tế cán nóng hay được sử dụng để giảm lực cán và năng lượng tiêu hao trong
quá trình cán. Trường hợp do yêu cầu công nghệ, chẳng hạn cán thép tấm mỏng dưới
1mm thì phải cán nguội vì cán nóng sẽ sinh vảy thép khá dày so với thành phẩm. Căn
cứ theo nhiệt độ trong quá trình tái kết tinh để phân chia cán nguội và cán nóng thì
đối với thép nhiệt độ đó là 600
0
C hoặc 650
0
C. Nên coi rằng:
+ Cán thép ở nhiệt độ dưới 400
0
C hoặc 450
0
C là cán nguội.
+ Cán thép ở nhiệt độ lớn hơn 600
0
C hoặc 650
0
C, là cán nóng.

1.1. Công nghệ cán chung
Ban đầu tập kết nguyên liệu vào cán gồm thép thỏi hoặc phôi, sau khi làm xếp đặt
lên xe nạp liệu chuẩn bị vào lò nung. Lò nung phải được kiểm tra (nhiên liệu, vật liệu
có liên quan) và chạy thử máy móc thiết bị lò trước khi sản xuất. Tùy theo dây
chuyền thiết kế lắp đặt mà phôi được xếp thành 1 hoặc 2 hàng trên xe nạp liệu, máy
đẩy sẽ đưa phôi vào lò nung. Lò nung phản xạ đốt ba mặt, xung quanh lò được trang
bị hệ thống các ống dẫn dầu và quạt gió.
Phôi được nung trong lò qua ba vùng nhiệt độ (vùng sấy, vùng nung, vùng đều
nhiệt). Nhiên liệu nung phôi thường là Fo (dầu công nghiệp), được phun vào lò dưới
dạng sương mù và cháy mọi nơi trong lò. Từ vùng nung sơ bộ nhiệt độ tăng dần cho
đến vùng đều nhiệt. Khi phôi đạt nhiệt độ theo yêu cầu thì được máy tống ở phía sau
lò đẩy ra khỏi lò và đưa vào đường con lăn rồi nhờ hệ thống con lăn phôi được đưa
vào hệ thống các máy cán. Đầu tiên là máy cán thỏi, cán thô, cán vừa, sau cùng là
máy cán tinh. Máy cán có nhiều dạng về đường kính trục to nhỏ khác nhau, và cách
bố trí các giá khác nhau ở mỗi máy cán. Tùy theo công nghệ thiết kế thép được cán đi
hoặc cán quay lại ở các khâu cán. Sau cán một số lần tiết diện giảm xuống, chiều dài
tăng lên, tại đầu, đuôi thỏi bị tòe ra và nhiệt độ tại đó giảm xuống người ta tiến hành
cắt đầu đuôi rồi đưa đến các khâu trung gian khác. Mỗi lần cán phôi qua một lỗ hình
mà mỗi giá cán có thể có một hoặc nhiều lỗ hình. Qua nhiều lần cán, thép được cán
lần cuối cùng qua máy cán tinh theo đúng kích thước sản phẩm rồi đến công đoạn
khác. Để kích thước không dài quá người ta tiến hành cắt phân đoạn theo sự tính toán
để phần thừa cuối cùng là nhỏ nhất. Rồi chuyển lên sàn làm nguội. Sàn nguội có kích
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

thước to nhỏ khác nhau sao cho khi ra khỏi sàn nguội thép đạt được đặc tính cứng
nhất định. Sau khi ra khỏi sàn nguội thép được cắt thành phẩm nhờ máy cắt nguội
Sau đó thép được đưa tới hệ thống gom thép, đóng bó rồi đưa vào kho, kết thúc quá
trình cán thép.
Tóm lại quy trình cán thép cơ bản như sau:

Tập kết phôi → vào lò nung → Máy cán thỏi → Máy cán thô → Máy cán vừa →
Máy cán tinh → Bộ phận làm nguội → Bộ phận đóng bó → Kho
1.2. Công nghệ cán nóng
Muốn cán nóng bất kì một kim loại nào thì công việc đầu tiên đều phải nung phôi
thép. Việc nung kim loại đến nhiệt độ cán rất quan trọng, nó quyết định năng suất và
chất lượng của sản phẩm cán. Mục đích của việc nung kim loại trước khi cán là: tăng
tính dẻo, giảm trở kháng biến dạng tạo điều kiện cho công đoạn gia công được dễ
dàng. Nung phôi trước khi cán còn làm giảm lực cán, hạ thấp lượng tiêu hao điện,
tăng tuổi thọ làm việc cho trục cán và các thiết bị của máy cán, làm cho thành phần
hoá học của phôi được đồng đều, tăng được lực ép dẫn tới năng suất cao, chất
lượng sản phẩm tốt. Vì vậy phải xác định được nhiệt độ nung thích hợp cho từng loại
thép, từng loại kim loại. Nếu nhiệt độ nung phôi quá cao thì phôi bị cháy hoặc quá
nhiệt dẫn tới phế phẩm nhiều. Nếu nhiệt độ nung phôi quá thấp thì tính dẻo của kim
loại kém, trở kháng biến dạng lớn dẫn tới chất lượng sản phẩm xấu, không đảm bảo
an toàn cho thiết bị.
Từ thực tế kết hợp với lý thuyết ta có công thức kinh nghiệm để xác định nhiệt độ
nung tối ưu kim loại là:
T
nung
= T
chảy
- (200 + 250) C (1.1)
Trong đó: T
chảy
: nhiệt độ nóng chảy của từng kim loại và hợp kim( C).
Đối với thép người ta nung ở nhiệt độ nhỏ hơn công thức trên một ít để tránh hiện
tượng thoát cacbon và cháy nhằm đảm bảo chất lượng của thép và tăng chất lượng
sản phẩm:
T
nung

= T
chảy
- (100 + 150) C (1.2)
1.3. Công nghệ cán nguội
Để đáp ứng nhu cầu phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa của nước ta thì yêu
cầu về thép lá mỏng chất lượng cao liên tục nâng cao trong tất cả các lĩnh vực của
nền kinh tế quốc dân. Các máy cán nóng không thể cho ra các sản phẩm thép lá mỏng
chất lượng cao nhằm thoả mãn công nghệ gò, dập Lý do được đưa ra là cán nóng sẽ
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

tạo ra các lớp vảy nên không đáp ứng được độ mỏng lá thép mong muốn và ở nhiệt
độ cao cấu trúc kim loại cũng không thoả mãn được.
1.4. Kết luận chương 1
Cán thép đòi hỏi công suất điện rất lớn để phục vụ cho các công đoạn nung phôi,
vận chuyển, cán và đóng gói sản phẩm. Đặc điểm cơ bản của cán thép là môi trường
làm việc tương đối khắc nghiệt (nhiệt độ cao, tiếng ồn lớn và nhiều bụi bậm,…), mặt
khác chất lượng thép phải đạt yêu cầu mới tiêu thụ được. Do vậy, vai trò của điều
khiển và tự động hóa trong dây chuyền cấn thép là vô cùng to lớn. Nó quyết định đến
năng suất, chất lượng và sự an toàn trong vận hành của con người và thiết bị máy
móc.
Riêng trong dây chuyền cán thép dây, việc sử dụng hai hoặc ba động cơ công suất
nhỏ, thay thế cho một động cơ công suất lớn mà vẫn phải phân bố đều công suất giữa
chúng đang là bài toán cho lĩnh vực điều khiển tự động hóa trong dây chuyền cán.

7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG NỐI TRỤC ĐỘNG CƠ TRÊN DÂY
CHUYỀN CÁN THÉP DÂY

2.1. Giới thiệu dây chuyền cán sử dụng hệ thống nối trục hai động cơ
Sơ đồ công nghệ của dây chuyền cán sử dụng hệ thống nối trục hai động cơ điện một
chiều kích từ độc lập được giới thiệu trên hình 3.1:
Gi¸ c¸n 4
§1
Gi¸ c¸n 1
Ph«i thÐp
Gi¸ c¸n 3
Gi¸ c¸n 2
§2
Gi¸ c¸n 6
Gi¸ c¸n 5

Hình 2. 1. Hệ thống nối trục hai động cơ trên dây chuyền máy cán dây
Trong đó:
- Máy cán Block gồm 6 giá cán rời với 3 giá đứng và 3 giá đặt nằm ngang, việc
truyền động được thực hiện bởi 2 động cơ DC kích từ độc lập nối đồng trục, thực
hiện việc đồng bộ hoá tốc độ.
- Thực hiện làm mát cho động cơ bằng quạt gió được lắp đặt riêng cho mỗi động cơ
truyền động. Thông số động cơ quạt làm mát:
Trên đây là một nhiệm vụ đặt ra khi xây dựng các hệ thống truyền động điện vừa có
công suất lớn lại vừa đảm bảo việc đồng tốc và phần đều phụ tải giữa hai động cơ.
Đáp ứng được tất cả các yêu cầu trên là một nhiệm vụ rất khó khăn.
2.2. Cơ sở lý thuyết về nối cứng trục động cơ
Trong phần này, ta chỉ đi sâu nghiên cứu lý thuyết về nối cứng trục hai động cơ một
chiều, các loại động cơ khác sẽ đề cập sau.
2.2.1. Nối cứng trục hai động cơ một chiều kích thích độc lập

Hình 2. 2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống nối trục

hai động cơ một chiều kích từ độc lập
+

+

+

_

_

+

_

_

Đ
1
Đ
2
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Sơ đồ nguyên lý hệ thống nối cứng trục hai động cơ điện một chiều kích từ độc
lập được thể hiện trên hình 2.2. Vấn đề quan trọng nhất của hệ truyền động này là
làm thế nào để đảm bảo sự phân bố tải hợp lý giữa hai động cơ. Do nối cứng trục với
nhau nên hai động cơ luôn quay cùng tốc độ. Trong trường hợp dùng hai động cơ
điện một chiều kích từ độc lập có cùng công suất, muốn chịu tải như nhau thì chúng
phải có đặc tính cơ hoàn toàn giống nhau. Nghĩa là tốc độ không tải lý tưởng và độ

cứng đặc tính cơ phải như nhau. Nếu không thỏa mãn các điều kiện này thì phụ tải
giữa hai động cơ sẽ khác nhau.
Trong thực tế, có khi hai động cơ cùng công suất, cùng các thông số định mức, nhưng
đặc tính cơ của chúng vẫn khác nhau. Nguyên nhân sinh ra sự sai khác đó là do khe
hở không khí, điện trở cuộn dây phần ứng hoặc vật liệu chế tạo của chúng khác nhau.
2.2.1. Nối cứng trục hai động cơ một chiều kích thích nối tiếp
Phụ tải sẽ phân bố trên hai động cơ theo tỷ số:






Hình 2. 3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống nối trục hai động cơ một chiều kích từ
nối tiếp
1 1 1 1
2 2 2 2
D
D
E k M
E k M
(2.1)
Nghĩa là thay đổi kích từ ta có thể điều chỉnh được sự phân bố phụ tải giữ chúng
sao cho M
1
= M
2
.
Đối với động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, vì đặc tính cơ của chúng mềm
nên dễ đảm bảo điều kiện phân bố phụ tải đều, khi liên kết cơ cứng với nhau. Sơ đồ

nguyên lý của hệ truyền động này được minh họa trên hình 2.4. Đôi khi để đảm bảo
sự phân bố phụ tải đều giữa hai động cơ này, người ta nối thêm đoạn dây cân bằng
giữa hai điểm a và b. Trong trường hợp này cần chú ý đảm bảo dàn cho hệ thống khi
+

_

Đ
1
Đ
2
CKĐ
1
CKĐ
2

9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

có sự cố như điện trở mạch kích từ máy nào đó đột ngột tăng lên hoặc kích từ một
máy bị đứt.
2.3. Nghiên cứu phân bố công suất động cơ trong máy cán thép
2.3.1. Giới thiệu:
Trong dây chuyền công nghệ cán thép, yêu cầu sử dụng động cơ một chiều hoặc xoay
chiều có công suất rất lớn đến hàng nghìn Kw. Đối với động cơ điện có công suất
hàng nghìn Kw trở lên sẽ gặp rất nhiều khó khăn trong việc thiết kế, chế tạo, vận
chuyển đến nơi sử dụng và không gian lắp đặt. Mặt khác, động cơ đó lại không làm
việc trực tiếp với lưới mà thông qua các bộ biến đổi điện năng công suất cũng rất lớn.
Đồng thời các thiết bị đóng cắt bảo vệ,… theo hợp bộ cũng đòi hỏi công suất lớn và
chịu được dòng điện cao.

2.3.2. Các giải pháp phân bố công suất khi hai động cơ nối cứng trục
2.3.2.1. Nối nối tiếp phần ứng và cuộn dây kích thích hai động cơ
Sơ đồ nguyên lý như hình 2.5, phần ứng hai động cơ được nối nối tiếp và được cung
cấp chung một bộ biến đổi xoay chiều một chiều có điều khiển. Hai cuộn kích thích
của hai động cơ cũng được nối nối tiếp và được dùng chung một nguồn cung cấp.

Hình 2. 4. Hai động cơ một chiều nối cứng trục, nối nối tiếp phần ứng và kích thích
2.3.2.2. Sử dụng riêng bộ biến đổi cho từng động cơ
Hai động cơ điện một chiều độc lập sẽ được cung cấp từ hai bộ biến đổi riêng, tuy
nhiên cũng cần phải có mối liên hệ ràng buộc giữa hai bộ biến đổi để cho hai động cơ
đóng góp công suất cho tải là như nhau.
2.3.3. Các giải pháp phân bố công suất khi hai động cơ nối cứng trục qua tải
Khi hai động cơ không được nối cứng trục trực tiếp mà nối gián tiếp qua tải (là thép
cán) thì xuất hiện vấn đề đồng tốc của của thép cán ở các vị trí. Có thể có một số giải
pháp đồng tốc như sau.
+

+

_

_

Đ
1
Đ
2
10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2.3.3.1. Đồng bộ tốc độ động cơ bằng nguồn cung cấp chung
a. Đồng bộ tốc độ động cơ bằng điều chỉnh từ thông động cơ:
Trên hình 2.8 mô tả sơ đồ hai động cơ điện một chiều kích từ độc lập nối cứng trục,
điều chỉnh từ thông và phần ứng động cơ chung một nguồn cung cấp. Khi điện áp
phần ứng động cơ không đổi và giống nhau, ta có:

11
22
kt
kt
I
I
(2.2)
Khi có sai lệch tốc độ tăng lên hay giảm xuống, làm cho bộ cảm biến chiều dài P
L

thay đổi, đưa đến mạch điều chỉnh R
L
làm thay đổi kích từ động cơ M
2
sao cho ω
1
=
ω
2
. Hàm số truyền của bộ điều khiển khâu tích phân:

1
()
L

L
R
p
K
Ws
ss
(2.3)
Sơ đồ này có khả năng dùy trì tốc độ hai động cơ là như nhau thông qua điều
chỉnh từ thông kích thích, nhưng bộ biến đổi, biến áp nguồn cung cấp và các thiết bị
đóng cắt, bảo vệ có công suất lớn gấp đôi, do đó không khả thi.


Hình 2. 5. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ
hai động cơ điện một chiều đồng tốc
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2.4. Kết luận chƣơng 2
Trong chương 2, ta đã tiến hành nghiên cứu các phương án phân bố công suất khi
thay thế một động cơ điện một chiều công suất rất lớn (1000 Kw) bằng hai động cơ
có công suất nhỏ hơn (2x500 Kw). Khái quát lại có hai phương án cơ bản là:
- Hai động cơ được nối cứng trục, được cung cấp từ hai bộ biến đổi, giữa hai bộ
biến đổi này có mối liên hệ với nhau thông qua hệ thống các mạch vòng điều khiển
dòng điện và tốc độ. Vì nối cứng trục cho nên tốc độ rotor của hai động cơ là bằng
nhau, ta chỉ quan tâm tới phân bố đồng đều công suất cho từng động cơ khi làm việc
với tải định mức.
- Hai động cơ không được nối cứng trục trực tiếp, mà nối cứng gián tiếp qua thép
cán, được cung cấp từ hai bộ biến đổi. Như vậy ở phương án này phải giải quyết hai
nhiệm vụ vừa đồng bộ tốc độ cho hai động cơ, vừa điều chỉnh sức căng để phân bố
công suất đều giữa hai động cơ. Phương án cũng sử dụng cấu trúc điều khiển các

mạch vòng dòng điện và tốc độ. Và có bổ sung thêm một số khâu phụ trợ khác.

12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1. Mô tả toán học hệ thống
3.1.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển hai động cơ nối cứng trục
Cấu trúc của hệ điều điều tốc độ hai mạch vòng gồm mạch vòng dòng điện, mạch
vòng tốc độ như hình 3.1.
Hình 3. 1. Sơ đồ cầu trúc hệ
thống
Trong đó:
ĐC
1
, ĐC
2
: Hai động cơ
nối cứng trục,
R
n
: Bộ điều khiển tốc độ,
R
i1
, R
i2
: Bộ điều khiển
dòng điện động cơ 1, động

cơ 2,
BBĐ
1
, BBĐ
2
: Bộ biến đổi xung áp cấp điện cho động cơ 1, động cơ 2.
R
n
: Bộ điều khiển tốc độ,
3.1.2. Mô hình toán học của hệ
Phương trình không gian trạng thái hai động cơ nối cứng trục
1 1 1
1
11
1
11
2 2 2 2
2
2 2 2
2
1 1 2 2
1
0
00
30
1
0 0 0
30
30 30 30
00

0
am
a
aa
a
aa
a a m
ac
a a a
a
mm
RK
di
LL
L
dt
iu
di R K
iM
dt L L L
nu
dn
KK
dt
J
JJ
(3.8)
Đặt biến trạng thái
1 1 2 2 3
, , ,x i x i x n

viết lại phương trình 3.8 về dạng rút gọn

x Ax Bu
y Cx Du

, (3.9)
Trong đó

1 1 1
11
2 2 2
22
1 1 2 2
0
30
0
30
30 30
0
am
aa
am
aa
mm
RK
LL
RK
A
LL
KK

JJ
(3.10)
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


1
2
1
00
1
00
30
00
a
a
L
B
L
J
(3.11)

1 0 0
0 0 1
0 1 0
C
(3.12)

000
000

000
D
(3.13)
Biến trạng thái
11
22
3
a
a
xi
x x i
xn
, tín hiệu vào
1
2
a
c
a
u
uM
u
, tín hiệu ra
11
2
32
a
a
yi
y y n
yi

.
3.1.2.2. Mô hình toán học bộ biến đổi xung áp
Bộ biến đổi xung áp biến đổi điện áp một chiều của nguồn thành điện áp một chiều
điều chỉnh được bằng cách thay đổi thời gian đóng/cắt các van công suất để cấp điện
cho động cơ.
Khi ở đầu vào biến thiên một lượng u
đk
(thay đổi thời gian đóng/cắt các van) thì ở
đầu ra biến thiên một lượng u
đ
. Tín hiệu ra bị trễ so với tín hiệu vào một khoảng
thời gian
W
1
v
PM
tT
f
.
u
đ (t)
= K
b
·u
đk
·1 (t – ∆t) (3.14)
Trong đó:
f
PWM
: tần số xung đóng cắt van.

T
v
: thời gian trễ của van. Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật van điện tử T
v
rất
nhỏ có thể coi T
v
= 0.
Hàm truyền của bộ chỉnh lưu có điều khiển khi bỏ qua phần phi tuyến:

()
( ) ,
( ) 1
b
Ts
db
b b b
dk b
U s K
W s K e T t
U s T s
(3.15)
3.2. Tổng hợp hệ truyền động và thiết kế các bộ điều khiển
Cấu trục hệ truyền động hai động cơ nối cứng trục với các mạch vòng điều khiển
tốc độ và dòng điện thể hiện trên hình 3.4.
14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3.2.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện
Tổng hợp mạch vòng dòng điện

theo tiêu chuẩn tối ưu modul, ta có
hàm truyền của hệ thống kín:

1
1
1
1
22
1
11
1
1
1/
11
1
1/
1 2 2
1
11
ba
i
ba
ki
ba
ii
i
ba
KR
R
T s T s

W
KR
ss
R
T s T s
(3.16)


1
1
11
1
1
1/
(1 ) 2
11
i
ba
ii
ba
R
KR
ss
T s T s

(3.17)
Chọn
1ib
T
ta được

1 1 1 1
1
(1 )
1
2 2 2
a a a a
i
b b b b b b
R T s T R
R
K T s K T K T s
(3.18)
R
i1
là khâu tỷ lệ - tích phân.
Tổng hợp mạch vòng dòng điện động cơ 2 tương tự động cơ 1 ta được

11
2
1
22
aa
i
b b b b
TR
R
K T K T s
(3.19)
3.2.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ

Tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu modul, ta có hàm truyền của hệ
thống kín:

22
1 1 2 2
1
30
1 2 2
1 ( )
n
kn
nn
n ki m m
R
W
ss
R W K K
Js
(3.21)

1 1 2 2
1
30
(1 ) 2 ( )
n
n ki m m
R
s s W K K
Js
(3.22)

1 1 2 2
22
1
1 60
(1 ) ( )
1 2 2
n
n n m m
bb
R
s K K
T s T s J
(3.23)
Bộ biến đổi trong hệ là bộ biến đổi xung áp với tần số đóng/cắt các van điện tử
trên 500 Hz nên T
b
< 0.001 và 2T
b
2
≈ 0. Khi đó
15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


1 1 2 2
1
(1 ) ( ) 60
12
n

n n m m
b
J
R
s K K
Ts
(3.24)
Chọn
1
2
ib
T
thì

1 1 2 2
120 ( )
n
b m m
J
R
T K K
(3.25)
R
n
là khâu tỷ lệ.
3.2.3. Thiết kế mạch bù tín hiệu đặt dòng điện
Trong hệ thống nối cứng trục hai động cơ kéo chung 1 tải, bộ điều khiển phải đảm
bảo dòng phần ứng
3.3. Kết luận chƣơng 3
Chương 3 đã trình bày:

- Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ
thống điều khiển hai động cơ nối
cứng trục.
- Xác định mô hình toán học
các phần tử trong hệ thống.
- Xác định bộ điều chỉnh tốc
độ, bộ điều chỉnh dòng điện phần ứng động cơ.
- Thiết kế bộ bù tín hiệu đặt dòng điện để điều khiển cân bằng dòng phần ứng hai
động cơ.
16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

4.1. Mô phỏng hệ thống điều khiển hai động cơ nối cứng trục
4.1.1. Tham số hệ truyền động
Tham số động cơ:
Công suất
P
đm
50W
Điện áp định mức
U
đm
24 V
Dòng điện định mức
I
đm
2.256 A
Tốc độ định mức

n
m
2000 RPM
Điện trở phần ứng
R
a
5.6 Ohms
Điện cảm phần ứng
L
a

0.00266 H
Tổng mô men quán tính
J
0.000275 kg.m2
Hệ số momen và từ thông
KmΦ
0.07454
Tham số bộ biến đổi:
Tần số đóng/cắt
F
PWM
500 Hz
Hệ số khuếch đại
K
b

0.0941
4.1.2. Mô hình mô phỏng hệ thống
Mô hình mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink (Mathworks) [5] được

thể hiện trên hình 4.1.
2000
nref
nerr
n
ierr
i1
x' = Ax+Bu
y = Cx+Du
State-Space
P(s)
Rn
PI(s)
Ri2
PI(s)
Ri1
2
Load
KPhi
G
Kb
Tb.s+1
BBD2
Kb
Tb.s+1
BBD1

Hình 4. 1. Mô hình mô phỏng hệ thống
4.1.2.1. Đáp ứng hệ thống mô phỏng khi không
tải

Sai lệch dòng điện phần ứng hai động cơ khi
không tải



17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 4. 2. Sai lệch dòng điện phần ứng hai động cơ khi không tải

4.1.2.2. Đáp ứng hệ thống mô phỏng khi có tải

Sai lệch dòng điện phần ứng hai
động cơ khi có tải
Hình 4. 3. Sai lệch dòng điện
phần ứng hai động cơ khi có tải




4.1.2.3. Đánh giá kết quả mô phỏng
- Đáp ứng tốc độ của mô hình mô phỏng khi có tải hay không tải luôn bám theo
tín hiệu đặt.
- Thời gian xác lập nhanh, khoảng 0.4s.
- Lượng quá điều chỉnh nhỏ, khoảng 6-10%.
- Sai lệc dòng điện phần ứng hai động cơ nhỏ.
4.2. Thực nghiệm hệ thống điều khiển hai động cơ nối cứng trục
4.2.1. Thiết bị thực nghiệm

Hình 4. 4. Mô hình thực nghiệm

4.2.2. Cấu trúc thực nghiệm
Cấu trúc thực nghiệm điều khiển bền hệ thống nối cứng trục động cơ trên phần mềm
Matlab/Simulink thể hiện trên hình 4.13.
18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

udk
n_err
iref
i_err
1000
Toc do dat
1
Toc do
Speed
1
SP ref
PI(s)
Rn
PI(s)
Ri2
PI(s)
Ri1
Real-Time Pacer
Speedup = 1
Real-Time Pacer
1.03
GH tren
0.97
GH duoi

0.5
G
1
Dong dien
Current
Setup
Ardui no1
COM2
ArIO Setup
Current 1
Current 2
Speed
SP 1
Dir 1
Dir 2
SP 2
2 DC NCT

Hình 4. 5. Cấu trúc thực nghiệm điều khiển hệ thống nối cứng trục động cơ
4.2.3. Kết quả thực nghiệm
Sai lêch dòng điện phần ứng hai động cơ tín hiệu bước nhảy

Hình 4. 6. Sai lệch dòng điện phần ứng hai động cơ khi có tải,
tín hiệu đặt hàm bước nhảy
Sai lêch dòng điện phần ứng hai động cơ tín hiệu đặt hàm bậc thang

Hình 4. 7. Sai lệch dòng điện phần ứng hai động cơ khi có tải,
tín hiệu đặt hàm bậc thang
19
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

4.2.3.5. Đánh giá kết quả thực nghiệm
- Đáp ứng tốc độ của hệ thống khi có tải hay không tải luôn bám theo tín hiệu đặt cho
dù các tín hiệu đặt là các dạng khác nhau.
- Thời gian xác lập nhanh, khoảng 0.6s.
- Lượng quá điều chỉnh nhỏ, khoảng 15-20%.
- Sai lệc dòng điện phần ứng hai động cơ nhỏ, nhỏ hơn 0.04A.
- Các bộ điều chỉnh tốc độ, dòng điện thiết kế trong chương 3 đã thực hiện tốt chức
năng điều khiển hệ thống.
- Kết quả thực nghiệm đúng với lý thuyết đã phân tích.
4.3. Kết luận chương 4
Chương 4 đã trình bày:
- Mô phỏng hệ thống điều khiển hai động cơ nối cứng trục.
- Các thiết bị phục vụ thực nghiệm hệ thống hai động cơ nối cứng trục với bộ điều
khiển dòng điện và tốc độ được thực hiện trên Matlab/Simulink.
- Thực hiện thực nghiệm điều khiển hệ thống hai động cơ nối cứng trục thu được các
đáp ứng hệ thống đạt chất lượng tốt.
20
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận
Nội dung trong luận văn cơ bản tập trung vào nghiên cứu và khảo sát hệ thống điều
khiển hai động cơ nối cứng trục trong các dây truyền cán thép có công suất lớn.
Đối chiếu với yêu cầu và mục tiêu đề ra bản luận văn đã giải quyết đầy đủ và cho
được các kết quả sau:
+ Nghiên cứu về hệ thống cán thép trong các nhà máy luyện kim.
+ Nghiên cứu các phương án phân bố công suất khi thay thế một động cơ điện một
chiều công suất rất lớn bằng hai động cơ có công suất nhỏ hơn.

Phương án 1: Hai động cơ được nối cứng trục trực tiếp, được cung cấp từ hai bộ biến
đổi, việc phối hợp điều khiển hai bộ biến đổi thông qua hệ thống các mạch vòng điều
khiển dòng điện và tốc độ. Các bộ điều chỉnh phải thực hiện điều khiển phân bố đồng
đều công suất cho từng động cơ khi làm việc với tải định mức.
- Phương án 2: Hai động cơ không được nối cứng trục trực tiếp, mà nối cứng gián
tiếp qua thép cán, được cung cấp từ hai bộ biến đổi. Sử dụng cấu trúc điều khiển các
mạch vòng dòng điện và tốc độ. Các bộ điều chỉnh phải giải quyết hai nhiệm vụ vừa
đồng bộ tốc độ cho hai động cơ, vừa điều chỉnh sức căng để phân bố công suất đều
giữa hai động cơ.
+ Xây dựng được mô hình toán học hệ thống hai động cơ nối cứng trục sử dụng và
tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ để điều khiển hệ thống.
+ Tiến hành mô phỏng hệ thống điều khiển hai động cơ nối cứng trục trên phần mềm
Matlab/Simulink và thu được các đáp ứng mô phỏng đạt chất lượng tốt.
+ Từ các kết quả trên tác giả đã xây dưng mô hình thực nghiệm hai động cơ nối cứng
trục và thuật toán điều khiển được thực hiện trên môi trường Simulink. Kết quả đáp
ứng tốc độ mô hình thực nghiệm đạt kết quả theo yêu cầu. Dòng điện phần ứng hai
động cơ được phân bố đều khi đóng tải vào mô hình đúng theo yêu cầu đề ra của đề
tài.
Kiến nghị
Hoàn thiện các kết quả nghiên cứu để có thể áp dụng vào trong thực tiễn sản xuất. /.