ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HOÀNG THỊ NGA NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA Ở PHỊNG THÍ NGHIỆM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG CHO CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG TRONG NHÀ MÁY SẢN XUẤT XI MĂNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái ngun - 2014 Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Võ Quang Lạp Phản biện 1: TS Nguyễn Duy Cương Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Vỵ Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ họp tại: Trường Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Vào hồi 07 30 phút, ngày 20 tháng 04 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện Trường Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên MỞ ĐẦU Mục tiêu luận văn Trong nhà máy sản xuất xi măng, cân băng định lượng có vị trí quan trọng, giúp cho việc cân nguyên liệu để đảm bảo cho mác xi măng xác Vì luận văn tìm hiểu nghiên cứu yêu cầu hệ điều khiển chuyển động cho cân băng định lượng Dựa phương án xây dựng hệ điều khiển chuyển động cho cân băng định lượng có nhà máy, phương án phù hợp với hệ truyền động biến tần-động điện xoay chiều ba pha điều khiển PLC S7-300 có phịng thí nghiệm nhà trường Vì đề tài chọn “Nghiên cứu khảo sát hệ truyền động biến tần-động điện không đồng xoay chiều ba pha phịng thí nghiệm khoa Điện-Điện tử để điều khiển truyền động cho cân băng định lượng nhà máy sản xuất xi măng” Kết luận văn giúp cho nghiên cứu hệ truyền động mới, có ý nghĩa ứng dụng thực tế sản xuất Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan dây chuyền sản xuất xi măng nghiên cứu kỹ yêu cầu điều khiển chuyển động cân băng định lượng phương án truyền động cho cân băng định lượng có nhà máy để từ giúp cho việc chọn phương án thích hợp - Dựa phương án chọn kết hợp với sơ đồ hệ thống truyền động biến tần-động điện không đồng xoay chiều ba pha phịng thí nghiệm tiến hành tính tốn, khảo sát, mô để đánh giá chất lượng hệ truyền động làm sở so sánh với phần thực nghiệm - Tiến hành thí nghiệm thành cơng, cụ thể là: Nắm nghiên lý thí nghiệm, thí nghiệm với chế độ làm việc khác Kết thí nghiệm so sánh với lý thuyết giúp cho việc khẳng định thích hợp hệ điều khiển chuyển động cân băng định lượng Nội dung luận văn Chương 1: Tổng quan dây chuyền sản xuất xi măng Chương 2: Khảo sát tính tốn hệ truyền động cho cân băng định lượng Chương 3: Nghiên cứu thí nghiệm hệ truyền động cân băng định lượng phịng thí nghiệm Khoa Điện – Điện tử trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Kết luận kiến nghị Chương TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG 1.1 Sơ đồ khối công nghệ sản xuất xi măng lị quay Đá vơi Máy đập Kho chứa Đá sét Máy đập Kho chứa Pyrit Kho chứa Két nghiền Phụ gia Kho chứa Cân Két nghiền Kho chứa Cân nguyên liệu Than Cân Cân Nghiền sấy nguyên liệu thô Dầu Nghiền, sấy tổng hợp Sấy Si lơ chứa cấp ngun liệu thơ Lị nung Làm mát Clinker Đập Clinker Si lô chứa Clinker Thạch cao Máy đập Si lô chứa xi măng Nghiền xi măng Phụ gia Xuất xi măng rời Cấp liệu cho máy đóng bao Xuất bao xi măng Máy đóng bao Hình 1.1 Sơ đồ khối cơng nghệ sản xuất xi măng lị quay 1.2 Các cơng đoạn nhà máy sản xuất xi măng 1.2.1 Đập đá vôi kho chứa nguyên liệu thô + Đập đá vơi (hình 1.2) + Kho chứa đá vơi (hình 1.3) + Kho chứa đá sét (hình 1.4) + Kho chứa nguyên liệu tổng hợp (hình 1.5) 1.2.2 Cân phối liệu nghiền nguyên liệu + Cân phối liệu (hình 1.6) + Nghiền ngun liệu thơ (hình 1.7) 1.2.3 Lị lọc bụi + Chứa liệu cấp liệu thô cho lị (hình 1.8) + Tháp tiền nung lị nung (hình 1.8) 1.2.4 Làm mát Clinker (hình 1.9) 1.2.5 Nghiền than (hình 1.10) 1.2.6 Nghiền xi măng - Cân phối liệu cho xi măng (hình 1.11) - Nghiền xi măng (hình 1.12) - Silơ chứa xi măng (hình 1.13) 1.2.7 Đóng bao xuất xi măng - Xuất xi măng rời (hình 1.14) - Cấp liệu cho máy đóng bao (hình 1.15) - Máy đóng bao (hình 1.16) - Xuất xi măng (hình 1.17) - Philo sophy of the system (hình 1.18) 1.3 Hệ thống cân băng định lượng nhà máy sản xuất xi măng 1.3.1 Nhiệm vụ cân băng định lượng Hệ thống cân băng định lượng hệ thống quan trọng dây chuyền sản xuất nhà máy xi măng Độ xác hệ thống đóng vai trị định đến chất lượng sản phẩm Việc cấp nguyên liệu theo tỷ lệ cài đặt nhằm mục đích sản xuất mác xi măng khác theo tiêu chuẩn Việt Nam hàm lượng phối trộn nguyên liệu thành phần clinke, đá vôi, thạch cao,… 1.3.2 Các phương pháp cân: a) Cân cấp liệu tĩnh: Là cân trình liệu đứng yên Cân tĩnh phù hợp với q trình sản xuất thơ sơ gián đoạn b) Cân cấp liệu động: Năng suất đòi hỏi tăng tối đa, phối liệu xác mà cân động đời, cân liệu động 1.3.3 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động cân băng định lượng 1.3.3.1 Cấu tạo Hình 1.19: Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng 1: Phễu cấp liệu 2: Cảm biến trọng lượng 3: Băng truyền 4: Tang bị động 5: Bulơng khí 1.3.3.2 Ngun lý hoạt động + Đo theo suất: 6: Tang chủ động 7: Hộp số 8: Sensor đo tốc độ 9: Động không đồng 10: Cảm biến vị trí Q = m.v.t (kg/s) Trong đó: m khối lượng liệu (kg), v vận tốc băng tải (m/s), t thời gian đặt (ms) + Đo theo khối lượng: Q = m.v (kg/s) Trong đó: m khối lượng tải theo chiều dài (kg/m), v vận tốc băng tải (m/s) Trong đó: m = S  (kg/m)  - khối lượng riêng vật liệu (kg/m3) S - tiết diện cắt ngang vật liệu băng (m2) 1.3.3.3 Điều chỉnh cấp liệu cân băng: - Phương pháp 1: Điều chỉnh cấp liệu kiểu trôi - Phương pháp 2: Điều chỉnh cấp liệu liên tục - Phương pháp 3: Điều chỉnh mức vật liệu ngăn xếp 1.3.4 Hệ truyền động cân băng định lượng 1.3.4.1 Yêu cầu hệ truyền động điện: - Động phải đảm bảo công suất đủ lớn - Khởi động đầy tải băng, điều trỉnh trơn   - Đảm bảo độ bền vật lý thiết bị 1.3.4.2 Yêu cầu hệ thống điều khiển Hệ thống cân băng định lượng hệ thống điều khiển tự động với tham gia điều khiển máy tính D/A Thiết bị chấp hành A/D Máy tính Đo lường Đối tượng điều khiển Hình 1.20 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PC 1.3.4.3 Sơ đồ khối nguyên lí hoạt động hệ thống điều khiển tự động Đặt suất Qđặt (kg/ph) U1,f Đầu đo khối lượng m (kg/m) K/Đ A/D Máy tính D/A Biến tần U2,f Động v (m/phút) * Khối 1: Đầu đo khối lượng Phản hồi tốc độ * Khối 2: Khối khuếch đại Hình 1.21 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động cân băng định lượng * Nhận xét: Với nguyên lý yêu cầu truyền động cho cân băng định lượng dây chuyền sản xuất xi măng nhà máy xi măng Hoàng Mai thấy việc ứng dụng cho hệ truyền động biến tần - động điện có dùng máy tính để điều khiển giám sát hệ thống hệ truyền động tối ưu chương nghiên cứu khảo sát, tính tốn hệ thống Biến tần – Động điện không đồng xoay chiều pha với việc ứng dụng PLC – S7 300 đáp ứng yêu cầu truyền động Chương KHẢO SÁT TÍNH TỐN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 2.1 Sơ đồ khối hệ thống Biến tần – Động điện xoay chiều ba pha U Kp e Sp PID (S7-300) Ki Biến tần V M420 Kd W Pv Động pha Eencoder Tín hiệu xung Encoder chuyển đổi sang tốc độ động Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống PLC – Biến tần – Động 2.2 Quy đổi đại lượng điện động không đồng (KĐB) từ hệ tọa độ vectơ không gian (a,b,c) hệ tọa độ cố định stato (,) Việc quy đổi vectơ dòng điện điện áp hai trục (,) ta công thức: i    /  1/  1/   i    1/  / 3     0  Ma trận biến đổi ngược:  2/3 C1T =   /    1/   1/   1/2  i A  i   B i C    2.3 Quy đổi đại lượng điện động từ hệ tọa độ cố định stato (,) hệ tọa độ tựa theo từ thông rôto (d,q) Các vectơ điện áp quy đổi theo biến i1d, i1q,  2d,  2q kr    1 L n   1 k r   i1d   u1d  R n  pL n T2  i  u   k r   1q  1q  =    R n  pL n 1 k r       1 L n T2   d      pT2  s T2   q      Lm     Lm s L  pT2    2.4 Sự biến đổi lượng mômen điện từ Mô men điện từ động cơ: M= Lm (i1q  2d – i1d  2q) = kr (i1q  2d – i1d  2q) L2 Biểu thức cho phép ta tính tốn mơmen theo từ thơng rơto dịng điện stato 2.5 Cơ sở định hướng từ thông hệ toạ độ tựa theo từ thông rơto (d,q) Mơmen điện từ là: M = kr 2d i1q = kr.T2.s.Lm.i1d i1q (vì  2d = Lm.i1d) Các thành phần vectơ dịng điện rơto là: i2d = 1 ( 2d - Lm.i1d) ; i2q = ( 2q - Lm.i1q) = - kr.i1q L2 L2 Vectơ dòng điện stato xác định sau: i1d = I0m = I0 i1q = T2.I0 s 2.6 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện điều khiển - + vectơ biến tần i1d* R1 d,q = , Biến tần i1q* * R1 R - , 3~ a,b,c -  ks a , b i1d s 1 a,b,c , ia c ib ic i1q , d,q  Encorde r ĐC KĐB Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển vectơ động không đồng thiết bị biến tần Từ sơ đồ hình 2.4 ta xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện điều khiển vectơ biến tần - động KĐB (hình 2.5) 10 * i1d R1 E t C0 * R - * i 1q Us Ku Tu P  1 C0 R1 W1(p) -  Is i1d i1q ks C0 t C0 WL(p) Ke s p 1 - Jp M Kr Mc -  Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần động không đồng i*1d R1 Us Ku TuP 1 - * R -  i*1q Et R1 W (p) - W(p) L Ke W(p) L Jp M - Kr Mc i1d i1q 2 Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa hệ thống 11 * R(p) - * i1q Us R1(p) Et T(p) -  W1(p) Ke WL(p) Jp M - Kr i1q MC 2 Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc rút gọn hệ thống điện sử dụng biến tần động không đồng Sp U*i R(z) H(p) Ri(z) T2 - T(p) WD(p) WE(p) - Uphi T1 Ki  Ti p Ke Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển số biến tần động điện xoay chiều Trong : Sp : Tín hiệu chủ đạo số đặt tốc độ T1, T2 : Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lượng tử) H(p) : Khâu lưu giữ 2.7.1 Tổng hợp hệ thống Tổng hợp mạch vòng dòng điện 12 n(p) c) Tổng hợp mạch vòng tốc độ: Sau tổng hợp mạch vòng dòng điện ta tổng hợp mạch vòng tốc độ theo sơ đồ khối sau: U(Z) R(Z) - WKI(Z) WB(Z) n(z) Ke Hàm truyền hệ kín mạch vịng tốc độ WKω(Z) = K0D3Z4 + K0D2Z3 + K0D1Z2 + K0D0Z (2.15) F4Z4 + F3Z3 + F2Z2 + F1Z + F0 2.7.2 Xác định tính ổn định hệ thống a) Xác định tính ổn định mạch vịng dịng điện Từ hàm số truyền đạt hệ kín mạch vịng dịng điện (2.11) 13 WKi(Z)= D3Z3 + D2Z2 + D1Z + D0 E3.Z3 + E2.Z2 + E1.Z + E0 Ta có phương trình đặc tính: E3Z3 + E2Z2 + E1Z + E0 = V+1 ta có: Đổi biến Z = V-1 Ta có: G0V3 + G1V2 + G2V+ G3 =0 (2.17) Thay số tính tốn (phụ lục 1) ta hệ số: G0 = 0.0421 ; G1= 0.6383 ; N0 = 5.2073 ; N1 = 34,2122 >0 b) Xác định ổn định mạch vòng tốc độ Từ hàm truyền đạt kín mạch vịng tốc độ (2.15) K0D3Z4 + K0D2Z3 + K0D1Z2 + K0D0Z WKω(Z) = F4Z4 + F3Z3 + F2Z2 + F1Z + F0 Ta có phương trình đặc tính: F4Z4 + F3Z3+ F2Z2 + F1Z + F0 = (2.21) Đổi biến Z  V +1 ta có: V 1 Q4 V4 + Q3V3 + Q2V2 + Q1V + Q0 = (2.23) Thay số tính tốn (phụ lục 1) ta hệ số: Q0= 74.946; Q1= 22.7266; R0= 1.9717; R1= 0.1046; S0 = 0.0094 2.8 Khảo sát chất lượng hệ thống phần mềm Matlab Simulink 2.8.1 Khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện a) Chuyển đổi hàm số truyền mạch vòng dòng điện sang hàm số truyền theo Z 14 WHi(Z) Ri(Z) Hình 2.9 Sơ đồ mơ mạch vịng dịng điện số Matlab simulink b) Sử dụng phần mềm MATLAB SIMULINK mơ hệ thống Hình 2.10a : Đáp ứng dòng điện với kp= 0.25; ki = 42 ; T = 0,5Tu= 0,002 15 Hình 2.10b: Đáp ứng dịng điện với: kp=0.25; ki = 50 ; T = 0,5Tu = 0,00165 + Độ điều chỉnh  % < 20 % + tqđ = 0,025 s + Sai lệch tĩnh = % 2.8.2 Khảo sát chất lượng mạch vòng tốc độ a) Chuyển đổi hàm số truyền mạch vòng tốc độ sang hàm số truyền theo Z WHn(Z) Rn(Z) Hình 2.11 Sơ đồ mơ mạch vịng dịng điện số Matlab simulink 16 b) Sử dụng phần mềm Matlab simulink mô hệ thống Sau thay thơng số tính tốn tiến hành, sử dụng phần mềm Matlab simulink mô hệ thống ta kết mơ hình 2.12 Hình 2.12a: Đáp ứng tốc độ với; kp=0.25; ki = 42; k =0.0006; T = 0,5 Tu = 0,00165 Hình 2.12b: Đáp ứng tốc độ với T= 0.002;kp= 0.25; ki = 50; k = 0.00058 Kết mô đạt yêu cầu hệ thống : 17 + Độ điều chỉnh d % < 26 % + tqđ = 0.6 s + Sai lệch tĩnh = % 18 Chương NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG TẠI PHỊNG THÍ NGHIỆM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT THÁI NGUN 3.1 Q trình thí nghiệm 3.1.1 Giới thiệu thí nghiệm Hình 3.1 Hệ thống điều khiển Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống kết nối với WinCC biến tần – động xoay chiều 3.1.2 Nguyên lý làm việc Với sơ đồ khối thiết bị thí nghiệm Động Biến tần - Encoder – PLC S7-300, ta đặt điều khiển P PI mạch vòng phản hồi âm tốc độ Từ với lượng đặt đầu vào đưa vào chương trình máy tính nhận lượng máy tính Uđk hệ truyền động Với lượng đặt khác ta nhận tốc độ đặt khác thông qua hình máy tính ta nhận đường cong độ tín hiệu điều khiển biến tần, tốc độ động 19 3.2 Kết thí nghiệm 3.2.1 Thí nghiệm với điều khiển P S7-300 Sai lệch tĩnh 0,5% ; Thời gian độ 0,5s 3.2.2 Thí nghiệm với điều khiển PI S7-300 Sai lệch tĩnh: 0.1% ; Thời gian độ: 5s 20 * Nhận xét: Với kết thí nghiệm tính tốn lý thuyết cho thấy ứng dụng hệ truyền động Biến tần – Động điện khơng đồng xoay chiều pha phịng thí nghiệm để điều khiển chuyển động cho cân băng định lượng nhà máy sản xuất xi măng Thực tế nhà máy xi măng Hoàng Mai người ta sử dụng hệ thống truyền động tương tự phòng thí nghiệm Biến tần– Động điện khơng đồng xoay chiều pha dùng máy tính để điều khiển giám sát hệ thống 21 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: Kết luận: Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu khảo sát hệ truyền động Biến tần – Động điện khơng đồng xoay chiều ba pha phịng thí nghiệm Khoa Điện - Điện Tử trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên để ứng dụng vào nhà máy sản xuất xi măng Hoàng Mai Kết luận văn đạt là: + Nghiên cứu khảo sát hệ truyền động Biến tần – Động điện không đồng xoay chiều pha với điều khiển dùng PLC - S7 300 đồng thời thí nghiệm thành cơng hệ truyền động phịng thí nghiệm + Từ kết khảo sát tính tốn, kiểm nghiệm hệ truyền động động Biến tần – Động điện không đồng xoay chiều pha phịng thí nghiệm đề xuất ứng dụng vào điều khiển truyền động cân băng định lượng nhà máy sản xuất xi măng Hoàng Mai + Đã khảo sát tìm hiểu dây chuyền sản xuất xi măng có việc sử dụng cân băng định lượng Vì giúp cho việc đề xuất ứng dụng hệ truyền động Biến tần – Động điện không đồng xoay chiều pha kết hợp với PLC – S7 300 cho điều khiển cân băng định lượng thay hệ thống truyền động phịng thí nghiệm cho hệ thống truyền động cân băng định lượng nhà máy Kiến nghị: Tuy luận văn quan tâm đến phần thí nghiệm xong ứng dụng hệ truyền động để điều khiển cân băng định lượng chưa thực thực tế Vì thời gian tới tác giả tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện để áp dụng kết luận văn vào thực tế sản xuất 22