Luận văn thạc sĩ “ Nâng cao chất lượng hệ chuyển động nhiều động cơ ứng dụng trong chuyển động trục cán”

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ BÍCH NGA
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN
ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG TRONG CHUYỂN
ĐỘNG TRỤC CÁN
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN
TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. VÕ QUANG LẠP
PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN 2018


ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Thị Bích Nga học viên lớp cao học khóa 18 chuyên ngành
Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên.
Hiện nay tôi đang công tác tại khoa Điện - Trường Cao đẳng nghề số 1 - BQP.

Xin cam đoan: Đề tài “ Nâng cao chất lượng hệ chuyển động nhiều động
cơ ứng dụng trong chuyển động trục cán” dưới sự hướng dẫn của PGS - TS Võ
Quang Lạp là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều
được ghi trong danh mục tham khảo, không sử dụng tài lệu nào khác mà không
được ghi trong danh mục.
Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luân văn đúng như trong đề
cương và yêu cầu của giáo viên hướng dẫn. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu
trách nhiệm.


iii

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương được sự giúp đỡ, hướng dẫn
tận tình của thầy PGS - TS Võ Quang Lạp, luận văn với đề tài “Nâng cao chất
lượng hệ điều khiển chuyền động nhiều động cơ ứng dụng trong chuyển động
trục cán” đã được hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn PGS - TS Võ Quang Lạp đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tác giả hoàn thành luận văn này.
Khoa sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện - Trường đại học
Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập
cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên, giúp đỡ
trong suốt quá trình học tập.

Tác giả

Nguyễn Thị Bích Nga

iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... iii

MỤC LỤC ............................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... vi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI ....................................... ix
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ ỨNG
DỤNG CHUYỂN ĐỘNG TRỤC CÁN ..................................................................... 2
1.1. Ứng dụng hệ truyền động nhiều động cơ trong máy sản xuất .............................. 2
1.2. Đặc tính phụ tải của hệ truyền động nhiều động cơ ............................................. 2
1.2.1. Đặc tính phụ tải của máy gia công kim loại ...................................................... 2
1.2.2. Đặc tính phụ tải của chuyển động trục cán trong dây chuyền cán liên tục ............... 3
1.3. Phân tích và chọn phương án truyền động cho cho hệ truyền động cán nóng thô 9
1.3.1. Hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều (F - Đ)............................. 9
1.3.2. Hệ truyền động chỉnh lưu Thysistor - động cơ điện một chiều (T - Đ) ........... 10
1.3.3. Hệ thống truyền động vecto biến tần – động cơ không đồng bộ (BT - ĐKĐB) . 11
1.4. Kết luận chương 1 ............................................................................................ 12
CHƯƠNG II: TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG
CHO TRUYỀN ĐỘNG TRONG DÂY CHUYỀN CÁN THÔ ................................ 13
2.1. Xây dựng hệ truyền động cho dây chuyền cán thô ............................................ 13
2.2. Tổng hợp hệ truyền động BT - ĐKĐB cho hệ truyền động trong dây chuyền cán
thô ........................................................................................................................... 14
2.2.1. Mô tả động cơ KĐB ba pha dưới dạng các đại lượng vector không gian............... 14
2.2.2. Các phương pháp biến đổi các đại lượng điện của động cơ KĐB từ hệ tọa độ
của vectơ không gian (a,b,c) về các hệ tọa độ khác .................................................. 16

2.2.3. Sự biến đổi năng lượng và mômen điện từ ..................................................... 16
2.2.4. Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ ............................... 18
2.2.5. Cơ sở để định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) ... 21


v

2.2.6. Tổng hợp hệ truyền động BT - ĐKĐB .............................................................. 25
2.2.7. Mô phỏng hệ truyền động .............................................................................. 28
2.3. Kết luận chương 2 ............................................................................................ 31
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH LỰC CĂNG TRONG
HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG DÂY CHUYỀN CÁN THÔ .......................... 32
3.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 32
3.2. Xây dựng hệ điều khiển ổn định lực căng với bộ RT dùng PID tuyến tính ............. 32
3.2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ ổn định lực căng................................................................. 32
3.2.2. Tổng hợp mạch vòng ..................................................................................... 33
3.2.3. Mô phỏng hệ ổn định lực căng ....................................................................... 34
3.3. Nâng cao chất lượng hệ điều khiển ổn định lực căng trong hệ điều khiển chuyển
động dây chuyền cán thô ......................................................................................... 38
3.3.1. Tổng hợp hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi ............................... 39
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song. .............. 47
3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................ 66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 69
PHỤ LỤC I ............................................................................................................. 70
CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN CỦA ĐỘNG CƠ
KĐB TỪ HỆ TỌA ĐỘ CỦA VECTƠ KHÔNG GIAN(a,b,c) VỀ CÁC HỆ TỌA
ĐỘ KHÁC .............................................................................................................. 70
PHỤ LỤC 2 ............................................................................................................. 80
TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN VÀ TỐC ĐỘ ................................... 80

PHỤ LỤC 3 ............................................................................................................. 85
TÍNH TOÁN CÁC THỐNG SỐ .............................................................................. 85


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

Hình 1.1

Đặc tính phụ tải máy gia công kim loại

3

Hình 1.2

Mô hình cán liên tục

4

Hình 1.3

Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ ở chế độ cán thô

4

Hình 1.4

Đặc tính phụ tải của quá trình cán thô

5

Hình 1.5

Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ ở chế độ cán tinh

6

Hình 1.6

Đặc tính phụ tải của quá trình cán tinh

7

Hình 1.7

Sơ đồ công nghệ máy cán nối cứng trục

7

Hình 1.8

Sơ đồ nối cứng trục

8

Hình 1.9

Đặc tính phụ tải khi nối cứng trục cán với hai động cơ

8

Hình 1.10

Sơ đồ nguyên lý tự động điều chỉnh mômen của hai động cơ

8

Hình 1.11

Hệ truyền động F - Đ

10

Hình 1.12

Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - động cơ

10

Hình 1.13

Hình 2.1

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng

thiết bị biến tần
Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ trong chế độ cán
thô dùng BT - ĐKĐB

11

13

Hình 2.2

Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ

14

Hình 2.3

Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ

20

Hình 2.4

Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ

21

Hình 2.5

Hình 2.6

Hình 2.7
Hình 2.8a

Định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông roto
(d,q)
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng thiết bị biến tần
Sơ đồ cấu trúc chi tiết của hệ thống TĐĐ sử dụngbiến tần và
động cơ KĐB
Sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá của hệ thống truyền động điện

22

24

25
26


vii

sử dụng biến tần và động cơ không đồng bộ
Hình 2.8b

Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống điện sử dụng biến tần và
động cơ không đồng bộ

27

Hình 2.9

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống

28

Hình 2.10

Sơ đồ mơ phỏng cấu trúc của hệ thống Matlab Simulink

29

Hình 2.11

Đáp ứng tốc độ đầu ra của hệ thống

30

Hình 2.12

Đáp ứng dòng điện đầu ra của hệ thống

30

Hình 3.1

Sơ đồ khối của hệ truyền động lực căng

32

Hình 3.2

Sơ đồ cấu trúc hệ ổn định lực căng

33

Hình 3.3

Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh lực căng

34

Hình 3.4

Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID

35

Hình 3.5

Quan hệ giữa Δφ và ω

38

Hình 3.6

Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ

39

Hình 3.7

Sơ đồ bộ điều khiển mờ động

40

Hình 3.8

Điều chỉnh hệ số khuếch đại

41

Hình 3.9

Bộ điều khiển theo mô hình mẫu

41

Hình 3.10

Bộ điều khiển tự chỉnh

42

Hình 3.11

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

43

Hình 3.12

Sơ đồ khối MRAS dựa trên lý thuyến Lyapunov cho đối
tượng bậc nhất

44

Hình 3.13

Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp

45

Hình 3.14

Cấu trúc của phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp

46

Hình 3.15

Điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi

47

Hình 3.16

Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển mờ hai đầu vào

47

Hình 3.17

Định nghĩa hàm liên thuộc cho các biến vào ra

48

Hình 3.18

Luật hợp thành tuyến tính

48

Hình 3.19

Quan hệ vào ra của luật hợp thành tuyến tính

50

Hình 3.20

Sự hình thành ô suy luận từ luật hợp thành

50


viii

Hình 3.21

Các vùng trong ô suy luận

51

Hình 3.22

Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu ra K

55

Hình 3.23

MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu ra

55

Hình 3.24

MRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đàu ra và hệ số tích
phân sai lệch đầu vào

56

Hình 3.25

Sơ đồ khối mờ cơ bản

57

Hình 3.26

Các luật hợp thành

61

Hình 3.27

Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ

62

Hình 3.28

Hình 3.29

Hình 3.30

Hình P1.1

Hình P1.2

Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lượng bộ điều khiển PID và bộ
điều khiển mờ thích nghi
Các tín hiệu đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của
vị trí đặt đầu vào φđặt = 6V.
Sai lệch tốc độ giữa bộ điều khiển mờ thích nghi và bộ điều
khiểnPID
Hệ tọa độ vectơ khong gian (a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên
stator (α,β)
Hệ tọa độ cố định trên stator (,) và hệ tọa độ cố định trên

62

64

66

70

72

rotor (x,y)
Biểu diễn vector dòng điện rotor trên hệ tọa độ cố định stator
Hình P1.3

(,) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y)

73

Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định
Hình P1.4

stator (,) và hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q)

75

Hình P2.1

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện

80

Hình P2.2

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ

82

Hình P2.3

Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ

83


ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG NƯỚC NGOÀI
PID

: Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, đạo hàm)

T-Đ

: Hệ truyền động Thysistor - động cơ điện một chiều

FT

: Máy phát tốc

F-Đ

: Hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều

BT - ĐKĐB : Hệ thống truyền động vecto biến tần – động cơ không đồng bộ
BT

: Biến tần

KĐB

: Không đồng bộ

MRAFC

: Model Reference Adaptive Fuzzy Controller (bộ điều khiển mờ thích
nghi theo mô hình mẫu)

FLC

: Fuzzy Logic Control (hệ logic mờ )


1

MỞ ĐẦU
Trong thực tế, nhiều máy sản xuất có yêu cầu chuyển động công suất lớn
hoặc những yêu cầu công nghệ chuyển động của máy sản xuất thì người ta
thường dùng điều khiển chuyển động bằng nhiều động cơ. Những chuyển động
này khi làm việc thì điều chỉnh tốc độ có thể là công suất không đổi và mô men
thay đổi hoặc khi điều chỉnh tốc độ thì công suất thay đổi và mô men không đổi

hay có trường hợp trong quá trình làm việc tốc độ không đổi và mô men thay
đổi. Với những điều kiện cụ thể của máy sản xuất như vậy thì chuyển động
nhiều động cơ là một yêu cầu cần thiết.
Từ những yêu cầu trên, đề tài luân văn được nghiên cứu và chọn một
hướng chuyển động của nhiều động cơ thích hợp để khảo sát và tính toán, đồng
thời nâng cao chất lượng của hệ điều khiển chuyển động này. Với cách đặt vấn
đề như vậy nên đề tài luận văn được chọn là: ”Nâng cao chất lượng hệ điều
khiển chuyển động nhiều động cơ ứng dụng trong chuyển động trục cán ”
Nội dung luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động nhiều động cơ ứng dụng
chuyển động trục cán
Chương 2: Tổng hợp hệ truyền động nhiều động cơ ứng dụng cho truyền
động trong dây chuyền cán thô
Chương 3: Xây dựng hệ điều khiển ổn định lực căng trong hệ điều khiển
chuyển động dây chuyền cán thô
Kết luận và kiến nghị
Thái Nguyên, ngày

tháng

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Bích Nga

năm 2018


2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG

CƠ ỨNG DỤNG CHUYỂN ĐỘNG TRỤC CÁN
1.1. Ứng dụng hệ truyền động nhiều động cơ trong máy sản xuất
Trong công nghiệp, hệ truyền động nhiều động cơ được ứng dụng trong
hai trường hợp:
- Trường hợp thứ nhất: Máy sản xuất có công suất lớn và rất lớn,
trường hợp này nếu dùng một động cơ thì sẽ gặp rất nhiều khó khăn như: khó
khăn trong quá trình lắp đặt, quả trình sửa chữa hay khởi động động cơ. Vì
vậy, trong trường hợp phụ tải lớn và rất lớn thì người ta hay sử dụng nhiều
động cơ sẽ khắc phục được nhược điểm của hệ dùng một động cơ công suất
lớn và rất lớn.
- Trường hợp thứ hai: Từ yêu cầu công nghệ của máy sản xuất hệ điều
khiển chuyển động phải dùng nhiều động cơ. Đó là hệ điều khiển chuyển
động trong dây chuyền cán kim loại, các hệ điều khiển chuyển động trong
công nghiệp dệt, công nghiệp giấy, vv....
Trong hệ truyền động nhiều động cơ có thể dùng một loại động cơ,
song các động cơ này phải có cùng một đặc tính cơ để quá trình làm việc phụ
tải sẽ được cân bằng trong các động cơ truyền động, trường hợp này được
dùng trong hệ điều khiển chuyển động có yêu cầu điều khiển chất lượng thấp,
phụ tải không biến động, không điều chỉnh tốc độ. Đối với những hệ điều
khiển chuyển động phức tạp thì phải dùng hệ truyền động chất lượng cao mới
thỏa mãn được các yêu cầu của máy sản xuất. Hệ thống điều khiển chuyển
động trục cán kim loại thuộc hệ điều khiển chuyển động này.
1.2. Đặc tính phụ tải của hệ truyền động nhiều động cơ
1.2.1. Đặc tính phụ tải của máy gia công kim loại
Đặc tính phụ tải của máy gia công kim loại có dạng như hình vẽ 1


3

Trong vùng (1) máy làm việc với chế độ tải M c nặng, vận tốc cắt gọt

thấp 0 ≤ Vc ≤ Vgh. Việc điều chỉnh tốc độ trong vùng (1) phải đảm bảo để M = Mc
= const. Công suất Pc biến thiên. Nếu dùng động cơ điện một chiều kích từ độc
lập, điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp, từ thông không đổi.
Pc Mc
Mc
Pc

(1)
0

Vmin

(2)
Vgh

Vmax

Vc

Hình 1.1: Đặc tính phụ tải máy gia công kim loại
Trong vùng (2) máy sản xuất làm việc với phụ tải Mc bé, tốc độ Vc lớn,
Vc càng tăng thì M c càng giảm, còn Pc không đổi. Nếu dùng động cơ điện một
chiều kích từ độc lập để truyền động, khi máy sản xuất làm việc ở vùng (2)
việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Φgh ≤ Φ ≤ Φđm. Đại bộ
phận máy sản xuất làm việc với đặc tính phụ tải theo hai vùng riêng biệt, song
cũng có những máy tùy theo công nghệ gia công làm việc cả hai vùng đặc
tính phụ tải. Ví dụ, truyền động chính máy tiền cơ năng khi gia công mặt đầu,
ban đầu đường kính vật lớn, máy làm việc trong vùng (1), qua quá trình tiện
đường kính vật giảm nhỏ dần máy sản xuất chuyển sang vùng (2).
Trong máy gia công kim loại có một hệ truyền động rất quan trọng đó

là truyền động cho dây chuyền cán nóng liên tục, hệ truyền động này thường
gặp trong những máy cơ khí luyện kim. Vì vậy, phần tiếp theo của luận văn
này chúng ta sẽ nghiên cứu loại truyền động này.
1.2.2. Đặc tính phụ tải của chuyển động trục cán trong dây chuyền cán liên tục
Mô hình dây chuyền cán liên tục được vẽ như hình vẽ 2


4

Hình 1.2: Mô hình cán liên tục
Dây chuyền chuyển động này có các chế độ làm việc như sau:
a) Chế độ cán thô
Ở chế độ cán thô, việc điều chỉnh tốc độ, ổn định tốc độ và điều chỉnh
lực căng để đồng tốc được thực hiện ở mạch phần ứng động cơ một chiều. Sơ
đồ truyền động dùng hệ Thysistor - động cơ điện một chiều (T - Đ) như sau:
+

FT2

Uc d




-

+

R

Ri

Rt

M2

Bộ CL
FT1
M1

V1’

V1

V2’

(1)
Lx

V2
+
U
-

(2)

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ ở chế độ cán thô
* Giới thiệu sơ đồ
M1, M2: Hai động cơ kéo trục cán 1 và 2
RT: Bộ điều chỉnh lực căng

R: Bộ điều chỉnh tốc độ
Ri: Bộ điều chỉnh dòng điện
FT1, FT2: Hai máy phát tốc


5

* Nguyên lý làm việc của khâu đồng tốc
Khi các trục cán đồng tốc với nhau thì tín hiệu bộ điều chỉnh lực căng
bằng 0 và không có tín hiệu ở đầu ra. Trong quá trình làm việc nếu giữa các
trục cán xảy ra hiện tượng không đồng tốc thì đầu vào bộ điều chỉnh lực căng
RT xuất hiện tín hiệu U và có tín hiệu ở đầu ra. Tín hiệu này đưa đến bộ R
và tới Ri làm thay đổi tín hiệu Udk khi tới bộ biến đổi, bộ biến đổi sẽ điều
chỉnh điện áp phần ứng động cơ M 2 dẫn đến thay đổi tốc độ của trục cán hai
đồng tốc với tốc độ của trục cán một thì tín hiệu vào R T = 0.
Chế độ này trục cán làm việc giai đoạn đầu của quá trình cán. Mc lớn,
hệ thống trục cán làm việc trong vùng (1) của đặc tính phụ tải (Hình 1.1). Cụ
thể được minh họa ở hình 1.4.

Pc Mc
Mc

Pc
(1)
0

(2)
Vgh

Vc

Hình 1.4: Đặc tính phụ tải của quá trình cán thô
b) Chế độ cán tinh
Ở chế độ cán tinh, việc điều chỉnh tốc độ, ổn định tốc độ và đồng tốc
được thực hiện bởi mạch kích từ. Sơ đồ truyền động dùng hệ T - Đ như sau:


6

M
FT

-n
Ud

+

Ri ư

R

Cct
Rikt

RT
Imin

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ ở chế độ cán tinh
* Giới thiệu sơ đồ
M: Động cơ truyền động

RT: Bộ điều chỉnh lực căng
R: Bộ điều chỉnh tốc độ
Riư: Bộ điều chỉnh dòng điện
Rikt: Bộ điều chỉnh dòng kích từ
FT: Máy phát tốc
* Nguyên lý điều chỉnh tốc độ
Trong sơ đồ này, bộ điều chỉnh lực căng RT có thể làm việc hoặc không
làm việc. Khi giữa các trục xảy ra hiện tượng đồng tốc thì bộ điều chỉnh lực
căng không làm việc. Khi đó hai vòng phản hồi là phản hồi âm tốc độ và phản
hồi dòng điện phần ứng sẽ kết hợp để thực hiện đồng tốc, còn mạch vòng
dòng điện kích từ để ổn định dòng kích từ cho động cơ khi điện áp dao động.
Sự thay đổi dòng kích từ phải có giới hạn cố định Imin để chỉ cho phép giảm từ
thông tới một giá trị nào đó.


7

Khi giữa các trục cán xảy ra hiện tượng không đồng tốc thì bộ điều
chỉnh lực căng RT làm việc, để tự động điều chỉnh đồng tốc cho các trục cán.
Ở chế độ này, sau khi cán thô vật liệu chuyển sang cán tinh, M c nhỏ, bề
mặt trơn bóng. Khi M c bé, máy làm việc với V c lớn. Hệ thống truyền động
trục cán làm việc ở vùng (2) của đặc tính phụ tải (Hình 1.1). Cụ thể được thể
hiện ở hình 1.6.
Pc Mc

Pc

(1)
0

Mc

(2)
Vgh

Vc

Hình 1.6: Đặc tính phụ tải của quá trình cán tinh
c) Chế độ cán nối cứng trục động cơ với trục cán
Trường hợp trục cán truyền động nối cứng trục với hai động cơ, có
nghĩa là quá trình cán tốc độ hai động cơ truyền động cho trục cán không đổi,
song khi phụ tải thay đổi cần điều chỉnh để cân tải cho hai động cơ truyền động.
Sơ đồ công nghệ của chế độ cán nối cứng trục được minh họa ở hình 1.7.
Giá cán 2
Giá cán 1

Giá cán 4
Giá cán 3

Giá cán 6
Giá cán 5

Phôi thép

Đ1

Đ2

Hình 1.7: Sơ đồ công nghệ máy cán nối cứng trục

8

Sơ đồ nguyên lý của chế độ cán nối cứng trục được thể hiện trên hình vẽ 1.8.

ĐC1

ĐC2
Tải

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý nối cứng trục
Đặc tính phụ tải được minh họa như hình 1.9.
Vc

A

0

Mc

M

Hình 1.9: Đặc tính phụ tải khi nối cứng trục cán với hai động cơ
Sơ đồ nguyên lý tự động điều chỉnh mômen của hai động cơ được thiết
kế như hình vẽ 1.10.
Tốc độ đặt

(-)

BĐK

Tốc độ
.
I1

.
βI2

(-)
e2

I1

βI2

(-)
e1

SVF1

Luật TN

SVF2
βI2

(-)
I1

(-)

BĐK Dòng

điện 1

BĐK Dòng
điện 2

BBĐ1

BBĐ2

ĐC1

ĐC2

β
I2

UA
UB
UC

Tải

UA
UB
UC

FT

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý tự động điều chỉnh mômen của hai động cơ

9

Nguyên lý làm việc tự động điều chỉnh mômen như sau: Bộ điều khiển
PID mạch vòng tốc độ bên ngoài chung cho cả 2 động cơ với thông số cố
định, hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện bên trong riêng cho 2 động
cơ, bộ điều khiển dòng điện động cơ 1 với thông số cố định, tín hiệu ra của bộ
điều khiển này là tín hiệu mẫu, thông số bộ điều khiển dòng của động cơ thứ
2 được hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dòng điện giữa 2 động cơ (Hình 1.10).
Nói một cách khác, bộ điều khiển dòng của động cơ thứ 2 là bộ điều khiển
thích nghi được thiết kế dựa trên mô hình mẫu được tạo bởi bộ điều khiển
dòng động cơ thứ nhất cùng một phần thông số của động cơ đó. Với cấu trúc
này trong quá trình vận hành, dòng điện động cơ thứ nhất được xem là dòng
mẫu, động cơ thứ 2 luôn bám dòng động cơ 1 với sai số nhỏ nhất. Có nghĩa
phần ứng động của cả hai động cơ luôn bằng nhau.
Từ các chế độ truyền động cho trục cán ở trên đã phân tích, trong bản
luận văn này chọn chế độ cán nóng thô để tiếp tục nghiên cứu và khảo sát.
1.3. Phân tích và chọn phương án truyền động cho cho hệ truyền động
cán nóng thô
Như trình bày ở trên, chế độ cán thô thường có mômen cản lớn, trong quá
trình cán việc điều khiển tốc độ thì mômen là không đổi và và công suất thay đổi,
phạm vi điều chỉnh tốc độ không lớn lắm. Với đặc điểm điều khiển phụ tải như trên
thì trong thực tế chúng ta thường gặp những hệ thống truyền động như sau:
1.3.1. Hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều (F - Đ)
Hệ thống này về mặt công suất và khả năng điều chỉnh tốc độ hoàn toàn
thỏa mãn yêu cầu của truyền động cán thô. Cụ thể là quá trình điều chỉnh tốc
độ thì từ thông kích từ động cơ không đổi và điều chỉnh vận tốc thông qua
kích từ của máy phát, trong hệ thống kín cũng đảm bảo được chất lượng của
hệ truyền động. Song, nhược điểm lớn của hệ này là ồn, hiệu suất thấp và quá
trình quá độ lớn vì vậy hệ thống này ngày nay không còn được sử dụng. Sơ

đồ hệ F - Đ như hình vẽ 1.11


10

~

~

ĐK

I

UKĐ

ωF
F

UF = UĐ

iKĐ

Đ
M

ω

iKF
Uđku

MSX

UKf

~

Hình 1.11: Hệ truyền động F - Đ
1.3.2. Hệ truyền động chỉnh lưu Thysistor - động cơ điện một chiều (T - Đ)
Ngày nay việc ứng dụng hệ truyền động một chiều T – Đ với mạch
vòng phản hồi kín nhằm đảm bảo tốt các chi tiêu tĩnh và động, hệ thống T - Đ
ngày càng được sử dụng phổ biến, rộng rãi, nó có khả năng ứng dụng cho hệ
truyền động có công suất nhỏ đến công suất lớn.
Ưu điểm của hệ này là khắc phục được nhược điểm của hệ F - Đ ở
trên,việc khắc phục nhược điểm của hệ F - Đ là nhờ ưu điểm của việc ứng
dụng bộ Thysistor, cụ thể là: bộ biến đổi T - Đ có hiệu suất lớn, vì vậy hệ
thống này đang được sử dụng nhiều trong thực tế.
Cấu trúc hệ thống điều khiển T – Đ với hai mạch vòng kín tốc độ quay
và dòng điện như hình vẽ 1.12

Hình 1.12: Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - động cơ.


11

Trong đó:
VF, VR: 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...
RI, 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 hồi, lượng đặt các thông số của bộ điều chỉnh tốc độ Rω
và bộ điều chỉnh dòng điện RI thích hợp sẽ đảm bảo chất lượng của hệ thống
ở chế độ tĩnh và động.
GVF, GVR: Thiết bị phát xung cho hai bộ chỉnh lưu có điều khiển VF, VR.
U*n, Un : Điện áp ứng với tốc độ quay cho trước và điện áp phản hồi
tốc độ quay.
U*i, Ui : điện áp ứng với dòng điện cho trước và điện áp phản hồi dòng điện.
1.3.3. Hệ thống truyền động vecto biến tần – động cơ không đồng bộ (BT - ĐKĐB)
Hiện nay hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ ba pha rô to
lồng sóc được sử dụng rất rộng rãi. Sơ đồ khối của hệ truyền động này được
thể hiện như hình vẽ 1.13

Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB
bằng thiết bị biến tần.
Trong sơ đồ này có 2 mạch vòng phản hồi đó là:
- Mạch vòng phản hồi âm tốc độ để ổn định tốc độ để ổn định tốc độ
trong sơ đồ khâu lấy tín hiệu tốc độ là dùng máy phát tốc (FT).


12

- Mạch vòng dòng điện để ổn định dòng điện mạch vòng này trong sơ
đồ được tích hợp trong khối BT.
- Biến tần (BT) là biến tần nguồn áp 3 pha dùng linh kiện bán dẫn
Tranzito công suất phương pháp điều khiển biến tần này hiện nay là phương
pháp điều khiển theo véc tơ không gian điện áp ra .
Đối với các hệ truyền động ứng dụng bộ biến đổi bán dẫn với động cơ
thì hệ thống này là hệ thống mới. Hệ thống này có ưu điểm nổi trội so với các
hệ thống trên là nhờ ưu điểm của động cơ KĐB rô to ngắn mạch. Động cơ này
làm việc an toàn, chắc chắn, dễ bảo quản, sửa chữa và giá thành rất rẻ, hiện tại

nhờ chế tạo được các biến tần, đặc biệt là biến tần nguốn áp và điều khiển độ
rộng xung hoặc điều khiển vector không gian tạo ra điện áp đặt lên động cơ
xoay chiều có dạng trung bình là sin. Với việc thay đổi được tần số và tạo được
dạng điện áp thích hợp, vì vậy biến tần nguồn áp làm bộ nguồn rất thích hợp
cung cấp cho động cơ KĐB roto ngắn mạch. Hệ thống biến tần - động cơ KĐB
roto ngắn mạch hiện tại được thiết kế trong hệ thống truyền động điều khiển
(hệ thống kín).
Hệ thống này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các hệ thống đã và đang
có, vì vậy nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực trong đó rất thích hợp trong
truyền động cho chế độ cán thô. Trong bài luận văn này chọn hệ truyền động
biến tần - động cơ xoay chiều KĐB để truyền động cho hệ điều khiển chuyển
động cán thô.
1.4. Kết luận chương 1

Qua phân tích đặc điểm, phụ tải của truyền động nhiều động cơ và
trong bài luận văn đã chọn chế độ truyền động nhiều động cơ cho chế độ cán
thô với hệ truyền động biến tần - động cơ KĐB roto ngắn mạch. Với định
hướng trong chương này giúp cho việc tính toán ở chương tiếp theo.


13

CHƯƠNG II:
TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU ĐỘNG CƠ ỨNG DỤNG
CHO TRUYỀN ĐỘNG TRONG DÂY CHUYỀN CÁN THÔ
2.1. Xây dựng hệ truyền động cho dây chuyền cán thô
Dựa trên cơ sở sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ ở chế độ cán
thô hình 1.3 và qua kết luận trong chương I, luận án đã chọn hệ truyền động
BT - ĐKB để truyền động trục cán ở chế độ cán thô. Vậy, sơ đồ nguyên lý hệ
điều chỉnh đồng bộ tốc độ ở chế độ cán thô dùng hệ tuyền động BT - ĐKB

được thiết kế như hình vẽ sau:
+

FT2

Uc d
-


R

Rt



Ri

FT1

M2

~

BT2

~

M1

V’1

V1

BT1

V’2

V2
+

(1)
Lx

U
-

(2)

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh đồng bộ tốc độ trong chế độ cán
thô dùng BT - ĐKĐB
* Giới thiệu sơ đồ
M1, M2: Hai động cơ điện xoay chiều kéo trục cán 1 và 2
RT: Bộ điều chỉnh lực căng
R: Bộ điều chỉnh tốc độ
Ri: Bộ điều chỉnh dòng điện
FT1, FT2: Hai máy phát tốc
BT1, BT2: Hai biến tần


14

* Nguyên lý làm việc của khâu đồng tốc: Tương tự như nguyên lý làm
việc của khâu đồng tốc ở sơ đồ nguyên lý hình 1.3
2.2. Tổng hợp hệ truyền động BT - ĐKĐB cho hệ truyền động trong dây
chuyền cán thô
Nhằm đạt được các tính năng điều khiển tương tự như động cơ một
chiều ta tiến hành mô tả động có không đồng bộ ba pha trên hệ toạ độ tựa theo
từ thông rotor, nghĩa là chuyển đổi được cấu trúc mạch và các mối quan hệ
phức tạp của các đại lượng ba pha thành các tương quan minh bạch (dòng
điện ~ từ thông, dòng điện ~ mômen) như của động cơ một chiều. Các
phương thức điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha trên cơ sở phương
pháp mô tả đó được gọi là phương thức điều khiển tựa theo từ thông rotor
(rotor flux orientation). Phương pháp được thực hiện theo các bước sau:
2.2.1. Mô tả động cơ KĐB ba pha dưới dạng các đại lượng vector không gian
Ta xét động cơ có số đôi cực p=1, trên stator có 3 cuộn dây bố trí lệch nhau
1200. Dây quấn rotor của động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc thực chất
là dây quấn nhiều pha, nhưng ta có thể quy về dây quấn 3 pha (hình 2.2).
B

Y

b
y

z
Z

x

a

X

A

c

C

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ


15

Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn có dạng:
u k  Rk .ik 

d k
dt

(2-1)

Trong đó k là từ thông móc vòng của các dây quấn:
 k   Lkj .i j

(2-2)

Nếu dây quấn của động cơ là đối xứng và khe hở không khí là đều:
RA = RB = R C = R1
Ra = Rb = Rc = R2
LAA = LBB = LCC = L10

Laa = Lbb = Lcc = L20
LAB = LAC = LBC = -Lms
Lab = Lbc = Lac = -Lmr
Hỗ cảm giữa giây quấn stator với dây quấn rotor phụ thuộc vào góc
lệch không gian giữa 2 dây quấn và được xác định theo công thức:
LAa = LaA = LBb = LbB = LCc = LcC = Lm0.cos



.cos   2 3 

LAb = LbA = LBc = LcB = LCa = LaC = Lm0.cos   2 3
LaB = LBa = LbC = LCb = LcA = LAc = Lm0

Khi viết ta coi các đại lượng điện và từ là các vector và các thông số là
ma trận thông số. Ta có các vector :
u A 
u S  u B 
u C 

u a  0
u   ub   0
u c  0

i A 
iS  i B 
iC 

ia 
i  ib 

ic 

 A 
 S   B 
 C 

 a 
    b 
 c 


16

Các ma trận thông số là :
 R1
RS   0
 0

0
R1

 L10
LS   Lms
 Lms

0

 R2
R   0
 0

0
0 
R1 
 Lms
L10
 Lms

 Lms 
 Lms 
L10 


 cos  

2

Lm 0    Lm 0  cos 
 
3

2

cos 
3
 









0
R2
0

0
0 
R2 

 L20
L   Lmr
 Lmr

 Lmr
L20

 Lmr 
 Lmr 
L20 

 Lmr

2 
2


cos 

 cos 
3 
3


2


cos  
cos 
3

2



cos 
cos  

3 













Khi đó biểu thức tính từ thông có thể viết dưới dạng ma trận rút gọn là:
 S   LS
    L  T
    m0

Lm 0   iS 
L  i 

(2-3)

Trong đó Lm0()T là chuyển vị của ma trận Lm0().
Thay thế (3-3) vào (3-1) ta được các phương trình cân bằng điện áp viết
dưới dạng ma trận rút gọn là:
u S   RS  pLS
u    pL  T
    m0

pLm 0    iS 
R  pL  i 

(2-4)

2.2.2. Các phương pháp biến đổi các đại lượng điện của động cơ KĐB từ
hệ tọa độ của vectơ không gian (a,b,c) về các hệ tọa độ khác
Các phép biến đổi này được thực hiện ở phụ lục I
2.2.3. Sự biến đổi năng lượng và mômen điện từ
Bỏ qua tổn hao sắt từ và các tổn hao phụ thì năng lượng mà động cơ
tiêu thụ sẽ chuyển hóa thành ba phần:

W = W R + WL + WC
Trong đó: WR là tổn hao trên các điện trở dây quấn.
WL là năng lượng từ trường.