Nâng cao chất lượng hệ điều khiển 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

Tơi 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 Cơng 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 cơng trình nghiên cứu riêng của tơi. 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 tơi xin hồn tồn 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 hồn thành.
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn PGS - TS Võ Quang Lạp đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tác giả hồn 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 q 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
thơ ................................................................................................................................ 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


v

2.2.3. Sự biến đổi năng lượng và mômen điện từ ..................................................... 16
2.2.4. Xây dựng mơ hình tốn 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
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. Tởng hợp mạch vịng....................................................................................... 33
3.2.3. Mơ 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 mơ hình mẫu song song. ............. 47
3.4. Kết luận chương 3 .............................................................................................. 67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 70
PHỤ LỤC I ............................................................................................................... 71
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........................................................................................................................ 71

PHỤ LỤC 2 ............................................................................................................... 81
TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN VÀ TỐC ĐỘ .................................. 81
PHỤ LỤC 3 ............................................................................................................... 86
TÍNH TOÁN CÁC THỚNG SỚ ............................................................................... 86


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

Hình 1.1

Đặc tính phụ tải máy gia cơng kim loại

3

Hình 1.2

Mơ hình cán liên tục

4

Hình 1.3

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

4

Hình 1.4

Đặc tính phụ tải của q trình cán thơ

5

Hình 1.5

Sơ đồ ngun 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 cơng 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 mơmen 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 khơng đồng bộ

14

Hình 2.3

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

20

Hình 2.4

Sơ đồ cấu trúc tởng hợp của động cơ khơng đồng bộ

21

Hình 2.5

Hình 2.6

Hình 2.7

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

22

24

25


vii

Hình 2.8a

Hình 2.8b

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

26

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 dịng 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 ởn định lực căng

33

Hình 3.3

Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh lực căng

34

Hình 3.4

Sơ đồ mơ 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 mơ 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 mơ 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 mơ 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


viii

Hình 3.20

Sự hình thành ơ suy luận từ luật hợp thành

50

Hình 3.21

Các vùng trong ơ 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 dịng 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 stator
Hình P1.4

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

75

Hình P2.1

Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều chỉnh dịng điện

80

Hình P2.2

Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều chỉnh tốc độ

82

Hình P2.3

Sơ đồ khối mạch vịng 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 mơ 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 cơng suất khơng đởi và mơ men
thay đởi hoặc khi điều chỉnh tốc độ thì cơng suất thay đởi và mơ men khơng đởi
hay có trường hợp trong q trình làm việc tốc độ khơng đởi 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 q 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 cơng kim loại
Đặc tính phụ tải của máy gia công kim loại có dạng như hình vẽ 1
Trong vùng (1) máy làm việc với chế độ tải Mc nặng, vận tốc cắt gọt thấp
0 ≤ Vc ≤ Vgh. Việc điều chỉnh tốc độ trong vùng (1) phải đảm bảo để M = Mc =

3

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 Mc càng giảm, cịn Pc khơng đởi. 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 cơng 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 cơng 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
Mơ 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 khơng có tín hiệu ở đầu ra. Trong quá trình làm việc nếu giữa các
trục cán xảy ra hiện tượng khơng 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 M2 dẫn đến thay đổi tốc độ của trục cán hai đồng tốc
với tốc độ của trục cán một thì tín hiệu vào RT = 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 khơng làm việc. Khi đó hai vịng 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 ởn định dịng kích từ cho động cơ khi điện áp dao động. Sự thay
đởi dịng kích từ phải có giới hạn cố định Imin để chỉ cho phép giảm từ thơng 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, Mc nhỏ, bề
mặt trơn bóng. Khi Mc bé, máy làm việc với Vc 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 q 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
Sơ đồ nguyên lý của chế độ cán nối cứng trục được thể hiện trên hình vẽ 1.8.


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 vịng tốc độ bên ngồi 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 mơ hình mẫu được tạo bởi bộ điều khiển dòng động cơ
thứ nhất cùng một phần thơng số của động cơ đó. Với cấu trúc này trong q
trình vận hành, dịng điện động cơ thứ nhất được xem là dòng mẫu, động cơ
thứ 2 ln bám dịng 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 thơ 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 thơ thường có mơmen cản lớn, trong q
trình cán việc điều khiển tốc độ thì mơmen là khơng đởi và và cơng 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 hồn tồn
thỏa mãn u cầu của truyền động cán thơ. 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 khơng cịn 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 phở biến, rộng rãi, nó có khả năng ứng dụng cho hệ truyền
động có cơng suất nhỏ đến cơng 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 đởi 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 vịng kín tốc độ quay
và dịng điện như hình vẽ 1.12

Hình 1.12: Hệ thớng điều chỉnh tớc đợ có đảo chiều Thyristor - đợng 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 dịng 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 khơng đồng bộ ba pha rơ 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 vịng phản hồi đó là:
- Mạch vịng 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 vịng dịng điện để ởn định dịng 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 nởi 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 đởi 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
thơ 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 ngun lý hình 1.3
2.2. Tởng 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 khơng 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 (dịng điện ~ từ
thơng, dịng điện ~ mơmen) như của động cơ một chiều. Các phương thức điều
khiển động cơ không đồng bộ ba pha trên cơ sở phương pháp mơ 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 đơi 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 thơng móc vịng 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 = RC = 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 khơng 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 thơng số là
ma trận thơng 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
0

 L10
LS   Lms
 Lms

0
0 
R1 
 Lms

L10
 Lms

 R2
R   0
 0

 Lms 
 Lms 
L10 

0
R2
0

0
0 
R2 

 L20
L   Lmr
 Lmr


2

cos 
 cos 
3


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

 Lmr
L20

 Lmr 
 Lmr 
L20 

 Lmr

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











Khi đó biểu thức tính từ thơng 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 = WR + WL + WC
Trong đó: WR là tởn hao trên các điện trở dây quấn.
WL là năng lượng từ trường.