TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009
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.
42
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
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.
IdI, A
Tổ hợp nắn dòng
Hộp các công-tắc-tơ Động cơ ГСР-СТ-18000
1000
200
t, (s)
- Trong khoảng thời gian t Chung UdI, V
60 L2 L3 KP Kênh I t, (s) L1 D1 R 0
IdII, A
50 20 t, (s) D2 0 KPB 10s 15s 45s 10s Kênh II t4 t3 t1 t0 t2 t = 80 (s) Hình 2. Biểu đồ thời gian lý tưởng các thông số ra của tổ hợp khi khởi động tuabin
Trong đó: IdI Dòng tải và UdI Điện áp ra kênh 1,IdII Dòng kênh 2 Từ sơ đồ cấu trúc của hệ thống ta có sơ đồ mạch thay thế như hình 3 a) b) c) 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 43 3. Sơ đồ cấu trúc điều khiển liên hoàn quá trình khởi động tuabin từ t = t0÷t4 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009 được + + (1 ) ) (1 (1) = − − i s
( ) u
( s
( ) ( )) u s
( ) A kI e s
A kII 2 2 R
2
+ T s
1
f
− + + + + ) ( R (1 )(1 (1 )) (1 )(1 R (1 )) T s
2
f
−
( ) R R
1
2 2 R R
1
2 2 T s
A T s
1
f T s
2
f f T s
A f T s
2
f R
f
2
+
T s
1
f Mô hình đối tượng làm việc ở chế độ kích từ độc lập tương ứng với giai đoạn t + R ) + (2) = − − i u s
( ) s
( ) u
( s
( ) ( )) f kII kI e s
A 1 2 2 + + + + R T s
)
A
−
R
)
( (1 )) (1 (1 ( (1 )) (1
f
2
+
(1 T s
f
2
−
) R
(1
1
+
T s
)(1
A f f f T s
A T s
f
2 2 R R
2
1 T s
f
1 R R
2
1 T s R
)
1
1 2 T s
f
2 = (3) - Phương trình dòng điện kích từ k s
( ) e s
( )
A ψ ω
e M m (4) - Phương trình suất điện động cảm ứng : k m s
( )
M sψ=
i
( )
M M A - Phương trình mô-men điện từ: ( )
t (5) + ⇔ + ( ) ( ) =
( )
m t m t j =
( )
m s m s ( )
s M T M T ω
js
m ω
d
m
dt - Phương trình cân bằng mô-men trên trục động cơ , (6) = = = = = ( )
R s
Ik ( )
R s
IA 2 ( )
s
u
kII
−
( )
i
s i ( )
s 2 u
kI
( )
s s
( )
−
i ∗=
i ( )
s A A k
RI
T s
RI 1
k T s
1 1 f f k
RIk
T s
RIk ∗
1 1 1
k T s
2 2 Hàm truyền đạt của khâu điều khiển dòng phần ứng và dòng kích từ I + = Mô hình đối tượng làm việc ở chế độ kích từ hỗn hợp tương ứng với giai đoạn t>t 1
được mô tả trên không gian trạng thái như sau: = + •
x A x B u
−
−
y C x D u
−
−
−
A Mô hình trạng thái mô tả đối tượng: (7) i A : Vectơ trạng thái; : Vectơ đầu vào; : Vectơ đầu ra Trong đó: x
− y
- i f 1 kI
m
T
=
i
=
i
1
f
ω
m
mô men tải Trong đó:iA dòng điện phần ứng; i f1 dòng điện kích từ; ωm tốc độ động cơ; ukI điện áp
cấp cho phần ứng từ trạm nắn dòng; mT − 2 − − f 0 2 - R L
1 2
2 R L
f
2
2
2 2 L
− f
L 2 f 2
− − L L ψ
k L
e
2
−
L f f f L R
f
2
L L
1 2 2 L R
f
2
2
L L
1 2 2 2 1 0 0 L
2
L L
1 2
− 2 − Trong đó ma trận hệ thống A, ma trận điều khiển B và các ma trận đầu ra C,D: f f 2 C = D = B = 0 2 A = R L
2 1
2 2 0 0 1 0 0
0 0
L
− f
L L
1
L L
1 2 2 f −
L R R L
2 1
1
2
− 2
− L L f
L f f f f
2
L L
1 2 2 L R
f
2
L L
1 2 2 L L
1 2
ψ
k L
e
−
L L
1 2 2 k 0 - 0 0 1
J ψ
M
J
; ; ; 44 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 -0.0249 -3.0996 -0.0151 K -0.4086 -6.5146 -5.3900
=
Roppenecker là: (8) Từ cấu trúc điều khiển của đối tượng trong hai giai đoạn t 4. Các kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng kiểm chứng trên Matlab & Simulink với các thông số của 2 = 34 A, động cơ khởi động như sau: UAđm = 60 V, IAđm= 1000 A, Uktđm = 40 V, Iktđm
đcđm = 9000 v/p, RA = 0,04 Ω; LA = 0.001 H, Rf1 = 1,15 Ω; Lf1 = 0.047 H, Rf2 = 0,03
n
Ω; Lf2 = 0.010 H, Rf3 = 0,006 Ω, Lf3 = 0.012 H, Lm = 1.8, J = 1 kg.m 35 400 350 30 Gia tri dat 300 Gia tri dat 25 250 Dap ung dong kich tu giai doan t Dap ung dong phan ung giai doan t ] 20 ] 200 [ A
g
n
o
D A
[
g
n
o
D 150 15 100 10 50 5 0 -50 0 0 0.5 1 1.5 2 3 3.5 4 4.5 5 0 0.2 0.4 0.8 1 1.2 2.5
thoi gian[s] 0.6
Thoi gian[s] Kết quả mô phỏng đối tượng trong giai đoạn làm việc ở chế độ kích từ độc lập 1 45 Kết quả mô phỏng đối tượng trong giai đoạn làm việc ở chế độ kích từ hỗn hợp TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009 40 1000 35 800 30 Gia tri dat Gia tri dat 25 600 Dap ung dong phan ung t>t1 ] ] Dap ung dong phan ung t>t1 20 A A 400 15 [
g
n
o
D [
g
n
o
D 10 200 5 0 0 -200 -5 0 1 2 3 5 6 7 8 0 1 2 3 5 6 7 8 4
Thoi gian[s] 4
Thoi gian [s] 1 1 Kết quả mô phỏng quá trình làm việc của đối tượng với cấu trúc điều khiển liên hoàn trong hai giai đoạn t 40 1000 Thoi diem t=t3 35 Thoi diem t=t3 800 30 Dap ung dong phan ung qua trinh khoi dong Gia tri dat 25 600 Dap ung dong kich tu ca qua trinh t=t1=2s. thoi diem chuyen mo hinh cua doi tuong ] ] 20 A A [ [ 400 15 g
n
o
D g
n
o
D Thoi diem t=t4 10 200 5 Thoi diem ngat dong co khoi dong t=t4 0 0 -5 -200 80 70 60 50 30 20 10 0 0 10 20 30 50 60 70 80 40
Thoi gian [s] 40
Thoi gian[s] 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) b) Biểu đồ thời gian lý tưởng các thông số ra của tổ hợp khi khởi động tuabin[4] 46 5. Kết luận TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009 Từ đặc điểm cấu trúc thực tế của động cơ khởi động, đối tượng được xây dựng
theo hai mô hình: mô hình hàm truyền đạt và mô hình trên không gian trạng thái tương
ứng với hai cấu trúc điều khiển phản hồi đầu ra và phản hồi trạng thái. Giải pháp điều
khiển này đã cho phép ta xây dựng được một cấu trúc điều khiển liên hoàn cho đối
tượng bằng cách chuyển tiếp giá trị phản hồi đầu ra của mô hình hàm truyền đạt sang
mô hình không gian trạng thái thông qua các biến trạng thái, đây là một phương pháp
điều khiển có thể áp dụng để điều khiển cho các đối tượng có cấu trúc tương tự. Các kết quả mô phỏng so sánh với đặc tính lý thuyết hình 11 của tài liệu kỹ thuật
[4] ta thấy rằng thời gian phát triển dòng phần ứng đạt đến giá trị xác lập là 5,5 giây,
như vậy đảm bảo được yêu cầu đặt ra. Tại các thời điểm t = t1, t = t3, t = t4
trên đặc tính
của tài liệu không được thể hiện, điều này cũng dễ hiểu vì đáp ứng được xây dựng một
cách lý tưởng và thể hiện ở chế độ xác lập. Qua kết quả mô phỏng cho phép ta khẳng định rằng phương pháp điều khiển cho
đối tượng là phù hợp, có thể áp dụng làm cơ sở nghiên cứu để thiết kế bộ điều khiển
mới thay thế cho hệ thống điều khiển cũ, góp phần giải quyết những vấn đề cấp thiết
như đã được trình bày ở trên. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn Phước (2007), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [2] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink, NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [3] Nguyễn Phùng Quang (2006), Truyền động điện thông minh NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [4] Эксплуатационная документация на агрегаты выпрямительные ТПС-60к- 1,7 кдж техническое описание и инструкция по эксплуатации 2 ДЖ. 947.279.ТО. [5] Групповая система управления техническими средствами техническое.
описание 1241РЭ-079-010-ТО. [6] 47 Групповая система управления техническими средствами катера албом схем
Электрических 1241РЭ-079-010-ТО.-
-
+
+
+
+
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống
Hình 3. Sơ đồ thay thế động cơ khởi động tuabin
u
u
-
=
Hình 4. Sơ đồ cấu trúc điều khiển liên hoàn cho động cơ khởi động tuabin
Hình 6. Đáp ứng dòng kích từ
của đối tượng trong giai đoạn t
Hình 5. Đáp ứng dòng phần ứng
của đối tượng trong giai đoạn t
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 và t>t1
Hình 11. a) Biểu đồ thời gian tăng trưởng dòng điện phần ứng
