TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009
42
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHỞI ĐỘNG TUABIN KHÍ М15Э-OM5 BẰNG
CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN LIÊN HOÀN
THE CONTROL OF THE М 15Э-OM5 GAS TURBINE STARTER MOTOR
THROUGH CONSECUTIVE CONTROL STRUCTURE
Nguyễn Phùng Quang
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Nguyễn Ngọc Dĩnh
Nhà máy X50 Tổng Cục CNQP
TÓM TẮT
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu và thiết kế cấu trúc điều khiển cho động cơ điện
một chiều chuyên dụng ГСР-СТ-18000, dùng để khởi động động cơ tua bin khí loại М15Э-OM5
lắp đặt trên tàu biển. Mô hình động cơ và bộ điều khiển được xây dựng phù hợp với từng giai
đoạn hoạt động của động cơ trong quá trình khởi động tua bin. Kết quả nghiên cứu được mô
phỏng, kiểm chứng bằng Matlab cho thấy đối tượng và cấu trúc điều khiển đã xây dựng đáp
ứng được yêu cầu kỹ thuật của tổ hợp.
ABSTRACT
The paper presents the research result and the design of control structure for the
specific DC starter motor ГСР-СТ-18000 of the М15Э-OM5 gas turbine, which is installed on
ships. The model of direct current motor and its regulator is performed adequately for each
period of operation of motor during the gas turbine starting. The investigation results verified by
the simulation using Matlab shows that the process modeling and the design of the control
structure are accurately made to be adapted to the technical requirements of the equipment.
1. Đặt vấn đề
Tổ hợp động cơ tuabin khí loại М15Э-OM5 được sử dụng làm hệ động lực lai
chân vịt trên tàu biển. Việc quay động cơ tuabin khi khởi động được thực hiện bằng
động cơ điện một chiều chuyên dụng ГСР-СТ-18000. Trong quá trình hoạt động (80
giây), động cơ khởi động làm việc ở hai chế độ: giai đoạn đầu động cơ làm việc ở chế
độ kích từ độc lập, sau đó chuyển sang làm việc ở chế độ kích từ hỗn hợp cho đến hết
quá trình khởi động. Động cơ được cấp nguồn từ tổ hợp nắn dòng khởi động ΤΠС-60К-
1,7КДЖ. việc chuyển chế độ làm việc của động cơ được thực hiện từ chương trình điều
khiển khởi động tua bin. Tuy nhiên do được chế tạo từ năm 1990, nên hệ thống điện
điều khiển có kết cấu rất phức tạp, linh kiện thuộc thế hệ cũ. Sau nhiều năm đưa vào
khai thác sử dụng, hiện nay độ tin cậy và tính ổn định của tổ hợp nắn dòng không cao.
Bài báo này giới thiệu các kết quả nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển cho động cơ
khởi động tuabin khí М15Э-OM5 làm tiền đề cho việc cải tiến thay thế cấu trúc điều
khiển cũ đang được sử dụng hiện nay.
2. Động cơ khởi động ГСР-СТ-18000 và biểu đồ thời gian khởi động tuabin
Mạch phần ứng của động khởi động được nhận nguồn từ kênh 1, cuộn kích từ
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009
43
của động cơ nhận nguồn từ kênh 2 của tổ hợp nắn dòng như hình 1. Sự biến đổi dòng
điện trong mạch phần ứng và mạch cuộn kích từ của động cơ được thể hiển như biểu đồ
thời gian các thông số ra của tổ hợp nắn dòng như hình 2.
- Trong khoảng thời gian t<t1 (t0
÷
t1), điện áp kênh 2 lớn hơn điện áp kênh 1đi
ốt D1 bị chặn, động ở chế độ động cơ kích từ độc lập. Trong khoảng thời gian t = t1
÷
t2,
điện áp kênh 1 lớn hơn điện áp kênh 2đi ốt D2 bị chặn, động cơ chuyển sang hoạt động
ở chế độ động cơ kích từ hỗn hợp. Trong khoảng thời gian t = t3
÷
t4 bắt đầu quá trình
đốt cháy nhiên liệu, năng lượng khí đốt đảm nhiệm quay tuabin. Đến thời điểm t4
hệ
thống khởi động động cơ sẽ ngắt động cơ khởi động, kết thúc quá trình khởi động
tuabin.
Từ sơ đồ cấu trúc của hệ thống ta có sơ đồ mạch thay thế như hình 3
Hình 3. Sơ đồ thay thế động cơ khởi động tuabin
a) Sơ đồ thay thế cấu trúc của hệ thống
b) Sơ đồ thay thế động cơ làm việc ở chế độ kích từ độc lập
c) Sơ đồ thay thế động cơ làm việc ở chế độ kích từ hỗn hợp
3. Sơ đồ cấu trúc điều khiển liên hoàn quá trình khởi động tuabin từ t = t0÷t4
Chung
Kênh II
Kênh I
-
+
+
-
+
+
KP
KPB
D1
D2
R
L
3
L
1
L
2
Tổ hợp nắn dòng
Hộp các công-tắc-tơ
Động cơ ГСР-СТ-18000
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống
t,
(
s
)
I
dI, A
200
1000
60
0
50
0
20
t,
(
s
)
t,
(
s
)
t
1
t
2
t = 80
(
s
)
U
dI, V
t
3
t
4
10s 15s 45s 10s
I
dII, A
t
0
a)
b) c)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009
44
Mô hình đối tượng làm việc ở chế độ kích từ độc lập tương ứng với giai đoạn t<t1
- Phương trình dòng điện phần ứng
được
mô tả dưới dạng hàm truyền đạt như sau:
21 22
22
12 1 2 2 12 1 2 2
(1 ) (1 )
() ( () ()) ()
(1 )(1 ) ( (1 )) (1 )(1 ) ( (1 ))
f ff
A kI A kII
A f ff A f ff
R Ts R Ts
is u s es u s
RR T s T s R T s RR T s T s R T s
++
=−−
+ +− + + +− +
(1)
- Phương trình dòng điện kích từ
22
1
122
21 1 2 2 21 1 1 2 2
(1 )
(1 )
() () ( () ())
(1 )(1 ) ( (1 )) (1 ) (1 ) ( (1 ))
ff
A
f kII kI A
f Aff f Aff
R Ts
R Ts
i s u s u s es
RRTsTsR Ts RRTsRTsR Ts
+
+
= −−
+ +− + + +− +
(2)
- Phương trình suất điện động cảm ứng :
() ()
A eMm
es k s
ψω
=
(3)
- Phương trình mô-men điện từ:
() ()
M M MA
m s k is
ψ
=
(4)
- Phương trình cân bằng mô-men trên trục động cơ
()
() () () () ()
m
MT M T m
dt
m t m t j m s m s js s
dt
ωω
=+ ⇔=+
(5)
Hàm truyền đạt của khâu điều khiển dòng phần ứng và dòng kích từ I
11
() 1
() () () 2
kI RI
IA
A A RI
us k
Rs i s i s T s kTs
∗
= = =
−
,
1 1 22
() 1
() () () 2
kII RIk
Ik
f f RIk
us k
Rs i s i s T s kTs
∗
= = =
−
(6)
Mô hình đối tượng làm việc ở chế độ kích từ hỗn hợp tương ứng với giai đoạn t>t 1
Mô hình trạng thái mô tả đối tượng:
được mô tả trên không gian trạng thái như sau:
−−
−−
−
= +
= +
•
x Ax Bu
y Cx Du
(7)
Trong đó:
1
A
f
m
i
xi
ω
−


=


: Vectơ trạng thái;
-
kI
T
u
um

=

: Vectơ đầu vào;
-1
A
f
i
yi

=

: Vectơ đầu ra
Trong đó:iA dòng điện phần ứng; if1 dòng điện kích từ; ωm tốc độ động cơ; ukI điện áp
cấp cho phần ứng từ trạm nắn dòng; mT
Trong đó ma trận hệ thống A, ma trận điều khiển B và các ma trận đầu ra C,D:
mô men tải
2 2 12 2 2 22 2
2 22
12 2 12 2 12 2
21 21 2 2 21 2
2 22
12 2 12 2 12 2
-
A=
00
ff f f e
f ff
f f ff e f
f ff
M
LR RL LR RL kL
LL L LL L LL L
LR RL LR RL k L
LL L LL L LL L
k
J
ψ
ψ
ψ
−−


−−−


−−

− −−





;
22
2
12 2
12
2
12 2
0
B= 0
1
0-
f
f
f
f
LL
LL L
LL
LL L
J
−


−


−

−





;
100
C= 001



;
00
D= 00



Bộ điều khiển phản hồi trạng thái K được thiết kế theo phương pháp
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009
45
Roppenecker là:
-0.0249 -3.0996 -0.0151
-0.4086 -6.5146 -5.3900
K
=

(8)
Từ cấu trúc điều khiển của đối tượng trong hai giai đoạn t<t1 và t>t1 ta thu được
sơ đồ cấu trúc điều khiển liên hoàn của động cơ khởi động tuabin trong cả quá trình như
hình 4.
Hình 4. Sơ đồ cấu trúc điều khiển liên hoàn cho động cơ khởi động tuabin
4. Các kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng kiểm chứng trên Matlab & Simulink với các thông số của
động cơ khởi động như sau: UAđm = 60 V, IAđm= 1000 A, Uktđm = 40 V, Iktđm
n
= 34 A,
đcđm = 9000 v/p, RA = 0,04 Ω; LA = 0.001 H, Rf1 = 1,15 Ω; Lf1 = 0.047 H, Rf2 = 0,03
Ω; Lf2 = 0.010 H, Rf3 = 0,006 Ω, Lf3 = 0.012 H, Lm = 1.8, J = 1 kg.m
Kết quả mô phỏng đối tượng trong giai đoạn làm việc ở chế độ kích từ độc lập
2
Hình 5. Đáp ứng dòng phần ứng
của đối tượng trong giai đoạn t<t
Hình 6. Đáp ứng dòng kích từ
của đối tượng trong giai đoạn t<t
1
Kết quả mô phỏng đối tượng trong giai đoạn làm việc ở chế độ kích từ hỗn hợp
1
00.5 11.5 22.5 33.5 44.5 5
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Dong[A]
thoi gian[s]
Gia tri dat
Dap ung dong phan ung giai doan t<t1
00.2 0.4 0.6 0.8 11.2
0
5
10
15
20
25
30
35
Thoi gian[s]
Dong[A]
Gia tri dat
Dap ung dong kich tu giai doan t<t1
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009
46
Hình 7. Đáp ứng dòng phần ứng
trong giai đoạn t>t
Hình 8. Đáp ứng dòng kích từ
trong giai đoạn t>t
1
Kết quả mô phỏng quá trình làm việc của đối tượng với cấu trúc điều khiển liên
hoàn trong hai giai đoạn t<t
1
1 và t>t1
được ghép với nhau.
Hình 9. Đáp ứng dòng phần ứng
trong cả quá trình khởi động
Hình 10. Đáp ứng dòng kích từ
trong cả quá trình khởi động
a) b)
Hình 11. a) Biểu đồ thời gian tăng trưởng dòng điện phần ứng
b) Biểu đồ thời gian lý tưởng các thông số ra của tổ hợp khi khởi động tuabin[4]
5. Kết luận
012345678
-200
0
200
400
600
800
1000
Thoi gian[s]
Dong [A]
Gia tri dat
Dap ung dong phan ung t>t1
0123456 7 8
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Thoi gian [s]
Dong [A]
Gia tri dat
Dap ung dong phan ung t>t1
010 20 30 40 50 60 70 80
-200
0
200
400
600
800
1000
Thoi gian[s]
Dong [A]
t=t1=2s. thoi diem chuyen mo hinh cua doi tuong
Thoi diem t=t3
Thoi diem t=t4
Dap ung dong phan ung qua trinh khoi dong
010 20 30 40 50 60 70 80
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Thoi gian [s]
Dong [A]
Dap ung dong kich tu ca qua trinh
Gia tri dat
Thoi diem ngat dong co khoi dong t=t4
Thoi diem t=t3