Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Cân bằng tải cho 02 động cơ xoay chiều nối cứng trục, chung tải

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:85

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn đưa ra giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế trên khi thay vì chỉ sử dụng một động cơ công suất lớn ta sử dụng 02 động cơ có tổng công suất bằng công suất của động cơ cần thay thế, các động cơ được chọn có cùng tốc độ định mức và công suất định mức, nối cứng trục.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Cân bằng tải cho 02 động cơ xoay chiều nối cứng trục, chung tải

I ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------------o0o----------------- DƯƠNG THỊ YẾN CÂN BẰNG TẢI CHO 02 ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC, CHUNG TẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN DUY CƯƠNG THÁI NGUYÊN- 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
II LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Dương Thị Yến Sinh ngày: 16 tháng 05 năm 1989 Học viên Cao học Khoá 16 – Lớp Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Xin cam đoan luận văn “Cân bằng tải cho 02 động cơ xoay chiều nối cứng trục, chung tải” do thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Duy Cương hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày 09 tháng 9 năm 2016 Học viên Dương Thị Yến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
III LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình giúp đỡ của thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Duy Cương, luận văn với đề tài “Cân bằng tải cho 02 động cơ xoay chiều nối cứng trục, chung tải” đã được hoàn thành. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Duy Cương đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên và các bạn bè đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 09 tháng 9 năm 2016 Học viên DƯƠNG THỊ YẾN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
IV MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... II LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. III DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................... VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... VII LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC ............................................................................. 1 1.1. Những yêu cầu về truyền động trong thực tế .................................................................................. 1 1.2 Giải pháp truyền thống ...................................................................................................................... 2 1.3. Giải pháp đề xuất .............................................................................................................................. 6 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ........................ 9 2.1. Máy điện xoay chiều ......................................................................................................................... 9 2.1.1. Khái niệm chung về máy điện đồng bộ .......................................................................................... 9 2.1.2. Cấu tạo của máy điện đồng bộ ....................................................................................................10 2.1.3. Nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ ...............................................................................12 2.1.4. Phân loại máy điện đồng bộ.........................................................................................................12 2.2. Động cơ điện đồng bộ .....................................................................................................................13 2.2.1. Nguyên lý làm việc của động cơ điện đồng bộ 3 pha ..................................................................13 2.2.2. Các phương pháp khởi động động cơ đồng bộ ...........................................................................14 2.2.3. Mô hình toán mô tả động học động cơ đồng bộ 3 pha ...............................................................14 2.2.3.1. Biến đổi hệ tọa độ .....................................................................................................................15 2.2.3.2. Các phương trình trong hệ tọa độ dq .......................................................................................16 2.2.3.3. Phương trình tính điện áp MTu ................................................................................................16 2.3. Mô hình hai động cơ đồng bộ từ thông dọc trục kích từ nam châm vĩnh cửu nối cứng trục ........17 2.3.1. Phương trình toán mô tả động cơ đồng bộ 01 ............................................................................17 2.3.2. Phương trình toán mô tả động cơ đồng bộ 02 ............................................................................18 2.3.3. Phương trình mô men khi hai động cơ chung tải ........................................................................18 CHƯƠNG 3.................................................................................................................. 19 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) .......................... 19 3.1. Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu ........................................................................19 3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi trực tiếp...........................................................................23 3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi trực tiếp dựa vào luật MIT .....................................................23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
V 3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi tuyến tính dựa vào phương pháp ổn định Lyapunov.............31 3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp dựa vào phương pháp ổn định Lyapunov ........36 3.3.1. Xác định cấu trúc của đối tượng và mô hình mẫu .......................................................................37 3.3.2. Xác định phương trình sai số .......................................................................................................38 3.3.3. Chọn hàm Lyapunov V(e) .............................................................................................................39 3.3.4 Xác định điều kiện để đạo hàm V (e) xác định âm .....................................................................39 3.3.5 Tìm tham số biểu thức của tham số am , bm ..............................................................................40 3.3.6. Xác định tham số p11, p22 ..............................................................................................................41 3.3.7. Thiết kế bộ điều khiển PD thích nghi ...........................................................................................41 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG .................................... 47 4.1. Thiết kế và mô phỏng cho động cơ một chiều................................................................................47 4.1.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện động cơ 1 ..................................................................................48 4.1.2. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện động cơ 2 dùng điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS ......................................................................................................................................................50 4.1.3. Tổng hợp mạch vòng tốc độ ........................................................................................................53 4.1.4. Kết luận ........................................................................................................................................55 4.2. Thiết kế và mô phỏng cho động cơ xoay chiều ...............................................................................55 4.2.1. Xây dựng đối tượng trên Matlab/Simulink ..................................................................................55 4.2.2. Thiết kế điều khiển .......................................................................................................................57 4.2.2.1. Xây dựng bộ điều khiển PID theo phương pháp Zigler – Nichol ...............................................57 4.2.2.2. Bộ điều khiển PI thích nghi điều chỉnh dòng điện ....................................................................64 4.3. Kết luận chương 4 ...........................................................................................................................70 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
VI DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Model Reference Adaptive Hệ thống thích nghi theo MRAS System mô hình mẫu Proportional - Integral - PID Tỷ lệ- tích phân - đạo hàm Derivative AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện một chiều AD Analog digital Bộ biến đổi tương tự -số TNTT Thích nghi trực tiếp ĐCĐB Động cơ đồng bộ ĐB3P Đồng bộ 3 pha Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ ....................................................................... 1 Hình 1.2: Hai động cơ có các cuộn phần ứng và kích từ tương ứng nối tiếp nhau ........ 2 Hình 1.3: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ ..................................................... 4 Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống điều khiển truyền thống ..................................................... 6 Hình 1.5: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất.............................................................. 8 Hình 2.1: Cấu tạo của máy điện đồng bộ ...................................................................... 11 Hình 2.2: Sơ đồ Véc-tơ chuyển đổi sang hệ dq ............................................................ 15 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển thích nghi tham số .............................................. 20 Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển thích nghi tín hiệu .............................................. 20 Hình 3.3: Điều khiển thích nghi trực tiếp ..................................................................... 22 Hình 3.4: Mô hình đối tượng điều khiển và mô hình mẫu ............................................ 23 Hình 3.5: Sự thay đổi tham số bq dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra .......................... 25 Hình 3.6: Đáp ứng đầu ra của đối tượng (Yp), đáp ứng mô hình mẫu (Yp1) và sai lệch hai đáp ứng đầu ra (e) khi thay đổi tham số bp. .................................................... 26 Hình 3.7: Bộ điều khiển thích nghi trực tiếp dựa vào luật MIT theo tham số Kb ........ 27 Hình 3.8: Đáp ứng đầu ra của đối tượng điều khiển và mô hình mẫu theo luật MIT ... 27 Hình 3.9: Sai lệch đầu ra của đối tượng và mô hình mẫu ............................................. 27 Hình 3.10: Hệ số thích nghi Kb theo luật MIT ............................................................. 28 Hình 3.11: Sơ đồ mô phỏng chỉnh định thông số Ka và Kb ......................................... 29 Hình 3.12: Đáp ứng đầu ra và sai lệch giữa đầu ra đối tượng và mô hình mẫu ........... 30 Hình 3.13:Các hệ số Ka và Kb ...................................................................................... 30 Hình 3.14: Khi thay đổi hệ số thích nghi. ..................................................................... 31 Hình 3.15: Hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp .................................................... 42 Hình 3.16: Hệ thống điều khiển thích nghi gián tiến trên Matlab/Simulink................. 44 Hình 3.17: Đáp ứng của đối tượng, mô hình mẫu với tham số của đối tượng thay đổi t  15(s);t  30(s) ......................................................................................................... 45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
VIII Hình 3.18: Đáp ứng của các tham số hiêu chỉnh mô hình mẫu và tham số thích a , b K p , Kd nghi m m , với sự thay đổi tham số của mô hình đối tượng tại t  15(s);t  30(s) ......................................................................................................... 46 Hình 4.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển ........................................................................ 47 Hình 4.2: Tổng hợp mạch vòng dòng điện ................................................................... 48 Hình 4.3: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển dòng điện động cơ 1 ................................... 50 Hình 4.4: Đáp ứng dòng điện 1 ..................................................................................... 50 Hình 4.5: Sơ đồ mô phỏng điều khiển dòng thích nghi cho động cơ 2 ........................ 51 Hình 4.6: Đáp ứng dòng điện đầu ra và sai lệch của động cơ 2 so với dòng điện mẫu 52 Hình 4.7: Các tham số của bộ điều khiển ..................................................................... 52 Hình 4.8: Cấu trúc mạch vòng tốc độ ........................................................................... 53 Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ............................................................... 54 Hình 4.10: Đáp ứng đầu ra của mạch vòng tốc độ ........................................................ 54 Hình 4.11: Sơ đồ chuyển đổi từ Uabc sang Udq .............................................................. 55 Hình 4-12: Sơ đồ mối liên hệ giữa yd, yq với isd, isq ...................................................... 56 Hình 4.13: Mô hình chi tiết động cơ ĐB3P .................................................................. 56 Hình 4.14: Mô hình động cơ đồng bộ 3 pha ................................................................. 57 Hình 4.15: Mô hình 2 động cơ ĐB3P nối cứng trục ..................................................... 57 Hình 4.16: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S ............................................................... 58 Hình 4.17: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn .......................................................... 59 Hình 4.18: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth ............................................................. 59 Hình 4.19: Bộ điều khiển PI chỉnh dòng ĐCĐB 3 pha 01 ........................................... 60 Hình 4.20: Cấu trúc bộ điều khiển PI chỉnh dòng đối................................................... 60 với mô hình 2 ĐCĐB 3 pha nối cứng trục .................................................................... 60 Hình 4.21: Sơ đồ mạch vòng ổn định tốc độ 01 ĐCĐB 3 pha ...................................... 61 Hình 4.22: Sơ đồ mạch vòng ổn định tốc độ với 2 ĐCĐB 3 pha nối cứng trục. Các thông số của bộ ổn định tốc độ dựa theo phương pháp Ziegler – Nichols. .................. 61 Hình 4.23: Đặc tính dòng Isq của động cơ 01 và 02 trên hệ tọa độ dq khi sử dụng bộ điều khiển PID............................................................................................................... 62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
IX Hình 4.24: Sai lệch giữa dòng Isq1 của ĐC01 với Isq2 của ĐC02 khi sử dụng bộ điều khiển PID............................................................................................................... 63 Hình 4.25: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển thích nghi dòng điện isd2;isq2 của động cơ 02 trên Matlab/Simulink 2012.................................................................................. 66 Hình 4.26: Đặc tính dòng điện Isq1; Isq2 khi áp dụng bộ điều khiển PI thích nghi ........ 67 Hình 4.27: Sai lệch giữa Isq1; Isq2 khi áp dụng bộ điều khiển PI thích nghi .................. 68 Hình 4.28: Đặc tính tốc độ của hệ thống khi áp dụng bộ điều khiển PI thích nghi ...... 68 Hình 4.29: Đặc tính mômen của hệ thống khi áp dụng bộ điều khiển PI thích nghi .... 69 Hình 4.30:Tham số thích nghi Kp của bộ điều khiển PI đối với dòng điện isq2 ............ 69 Hình 4.31:Tham số thích nghi Ki của bộ điều khiển PI thích nghi đối với dòng điện isq2 .................................................................................................................................. 70 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
1 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa gắn liền với tri thức hiện nay, việc ứng dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong các hệ thống điều khiển, từ việc điều khiển động cơ công suất nhỏ, đến những động cơ công suất lớn để điều khiển đèn giao thông ở một ngã tư cho tới cả một dây truyền, một hệ thống trong các nhà máy, xí nghiệp.... đang được đặc biệt quan tâm. Cùng với sự trợ giúp của máy tính, của trí tuệ nhân tạo, các hệ thống điều khiển ngày càng trở nên hoàn thiện hơn, phục vụ nhiều chức năng hơn và khả năng tự động hóa ngày càng cao. Do đó, yêu cầu đối với cán bộ kỹ thuật phải có trình độ cao, đồng thời phải có khả năng nắm bắt công nghệ mới một cách tốt nhất. Tuy nhiên, đối với những hệ thống đã và đang được sử dụng lại yêu cầu người cán bộ kỹ thuật phải có khả năng nắm bắt và cải tiến công nghệ cho các hệ thống đó. Việc sử dụng những động cơ công suất lớn đáp ứng được yêu cầu của tải gặp nhiều khó khăn thiết kế, chế tạo các động cơ công suất lớn. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm với nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lưu có điều khiển đối với động cơ một chiều, bộ nghịch lưu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Việc chế tạo động cơ công suất lớn và chế tạo các bộ biến đổi công suất lớn tương xứng có thể khẳng định là rất phức tạp và cũng rất đắt để thiết kế và chế tạo. Với đề tài: “Cân bằng tải cho 02 động cơ xoay chiều nối cứng trục, chung tải”, đưa ra giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế trên khi thay vì chỉ sử dụng một động cơ công suất lớn ta sử dụng 02 động cơ có tổng công suất bằng công suất của động cơ cần thay thế, các động cơ được chọn có cùng tốc độ định mức và công suất định mức, nối cứng trục. Ưu điểm của giải pháp là: Tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng như bộ biến đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
2 Phương pháp nghiên cứu của đề tài như sau: - Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình toán hệ hai động cơ xoay chiều nối cứng trục. - Nghiên cứu hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS áp dụng cho bài toán cân bằng tải hai động cơ xoay chiều làm việc song song nối cứng trục. - Kiểm chứng kết quả thiết kế thông qua mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink. Cấu trúc luận văn bao gồm 4 chương, nội dung tóm tắt của các chương như sau: Chương 1: Tổng quan về cân bằng tải cho hai động cơ xoay chiều nối cứng trục. Đặt vấn đề cân bằng tải cho hai động cơ xoay chiều nối cứng trục. Tổng quan về phương pháp cân bằng tải cho hai động cơ xoay chiều nối cứng trục. Chương 2: Mô hình toán động cơ điện xoay chiều Cấu tạo, phân loại nguyên lý hoạt động của máy điện đồng bộ. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và các phương pháp khởi động của động cơ điện đồng bộ 3 pha. Mô hình toán mô tả động học động cơ đồng bộ 3 pha và dựng mô hình toán cho hệ truyền động gồm 2 động cơ xoay chiều nối cứng trục. Chương 3: Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS). Khái niệm về điều khiển thích nghi, điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu, điều khiển thích nghi trực tiếp. Lý thuyết ổn định Lyapunov được áp dụng để tìm ra công thức hiệu chỉnh thông số của đổi tượng điều theo thông số của mô hình mẫu. Áp dụng lý thuyết về hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu MRASđể thiết kế hệ thống điều khiển như đã đề xuất tại Chương 1. Hệ thống điều khiển với cấu trúc 02 mạch vòng, mạch vòng tốc độ bên ngoài, mạch vòng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
3 dòng điện bên trong. Bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện của động cơ thứ nhất được tính toán trước với các thông số bộ điều khiển là cố định. Chương 4: Thiết kế điều khiển và mô phỏng. Xây dựng cấu trúc đối tượng 2 động cơ xoay chiều 3 pha làm việc song song nối cứng trục và cấu trúc bộ điều khiển thích nghi trực tiếp theo mô hình mẫu trên Matlab/Simulink. Thu được kết quả thiết kế, tính toán được đánh giá và hiệu chỉnh thông qua mô phỏng sử dụng Matlab Simulink. Thái Nguyên, ngày 09 tháng 9 năm 2016 Học viên Dương Thị Yến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU NỐI CỨNG TRỤC 1.1. Những yêu cầu về truyền động trong thực tế Trong thực tế sản xuất có những dây chuyền có công suất nhỏ nhưng có những day chuyền có công suất rất lớn hàng nghìn KW. Đối với những máy sản xuất có công suất nhỏ thì việc dùng 01 động cơ truyền động rất dễ dàng và thuận lợi. Nhưng đối với hệ truyền động có công suất lớn (trên 1000 KW) thì gặp rất nhiều khó khăn. AC Drive Ñoäng cô Taû i Hình 1.1: Phụ tải chỉ sử dụng 01 động cơ Ví dụ như những hệ thống truyền động ở: Hầm lò, trạm khí nén, máy bơm, những máy xúc, máy ủi. Những cỗ máy truyền động này nếu dùng 01 động cơ truyền động thì gặp rất nhiều khó khăn, cụ thể là: Động cơ công suất lớn chế tạo, sửa chữa, lắp đặt và vận hành rất khó khăn. Hơn nữa việc vận chuyển động cơ này từ nơi sản xuất đến nới sử dụng cũng như việc lắp đặt chúng vào vị trí làm việc gặp không ít trở ngại vì yếu tố trọng lượng và kích Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
2 thước. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm với nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lưu có điều khiển đối với động cơ một chiều, bộ nghịch lưu đối với động cơ xoay chiều) công suất lớn. Tương tự như đã đặt vấn đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể khẳng định rằng rất khó và cũng rất đắt để thiết kế và chế tạo các bộ biến đổi công suất lớn tương xứng. 1.2 Giải pháp truyền thống Để giải quyết yêu cầu truyền động công suất lớn này thì người ta thường dùng 02 hoặc nhiều động cơ truyền động. AC Drive Ñoä ng cô 1 Ñoä ng cô 2 Taû i Hình 1.2: Hai động cơ có các cuộn phần ứng và kích từ tương ứng nối tiếp nhau Việc dùng 02 động cơ để thay thế 01 động cơ công suất lớn thì có những ưu điểm sau: Tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng như bộ biến đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn; quá trình vận chuyển, lắp ráp, vận hành dễ dàng hơn. Đặc biệt là đối với giải pháp đề xuất, bằng cách lựa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
3 chọn tổ nối dây của máy biến áp lực một cách hợp lý cho phép giảm thiểu ảnh hưởng của thành phần sóng hài bậc 3 do bộ biến đổi tạo ra đối với lưới điện. Xong với 02 động cơ truyền động, để cân bằng phụ tải trong quá trình làm việc của 02 động cơ này thì 02 động cơ này phải có những yêu cầu như sau: (1) Tất cả truyền động thành phần đều phải giữ tỷ lệ không đổi trong cả chế độ tĩnh và chế độ động, ta gọi là yêu cầu đồng bộ hóa tốc độ. (2) Đối với dây chuyền sản xuất các vật liệu thay đổi, hoặc bề dày vật liệu thay đổi dẫn đến yêu cầu thay đổi tốc độ làm việc thường tỷ lệ này thay đổi không lớn, vùng điều chỉnh tốc độ O (2:1 đến 6:1) (3) Một số dây chuyền yêu cầu chất lượng sản phẩm cao như độ đồng đều vật liệu cao sai số ít. Như vậy hệ truyền động phải đảm bảo có độ chính xác điều chỉnh cao. (4) Một số vật liệu được sản xuất trong dây chuyền liên tục có yêu cầu về chủng loại, tính chất đặt ra yêu cầu phải giữ sức căng không đổi. Vì vậy yêu cầu hệ truyền động phải điều chỉnh cả tốc độ và lực kéo. Tóm lại, để 02 động cơ làm việc khi nối cứng trục thì quá trình phụ tải thay đổi (tốc độ động cơ thay đổi) thì phải có đặc tính tĩnh hoàn toàn như nhau để giữ cho lực kéo của 02 động cơ này không đổi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
4 AC AC Drive 1 Drive 2 Ñoä ng cô 1 Ñoä ng cô 2 Taû i Hình 1.3: Hai động cơ với hai bộ điều khiển riêng rẽ Một giải pháp giúp hai động cơ trên luôn có các dòng kích từ bằng nhau, các dòng phần ứng như nhau đó là thực hiện mắc nối tiếp các cuộn kích từ, mắc nối tiếp các cuộn dây phần ứng. Khi đó sự đóng góp của hai động cơ là hoàn toàn giống nhau. Giải pháp tưởng như đơn giản tuy nhiên không thể thực hiện trong thực tế bởi lẽ điện áp cấp cho kích từ, điện áp cấp cho phần ứng yêu cầu tăng gấp hai lần, điều nay đồng nghĩa với việc công suất của thiết bị biến đổi yêu cầu tăng gấp hai lần – khó khăn này đã đề cập ở trên. Ta có thể kết luận ở đây giải pháp 02 động cơ chỉ dùng chung 01 bộ biến đổi là không khả thi trong thực tế. Qua các phân tích trên, giải pháp điều khiển cho 02 động cơ yêu cầu phải dùng 02 bộ biến đổi. Tuy nhiên nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng nếu không có mối liên hệ ràng buộc giữa hai bộ biến đổi sẽ không tạo nên sự đóng góp công suất như nhau của 02 động cơ. Thực tế đã khẳng định rằng, nếu 02 bộ biến đổi cấp nguồn cho 02 động cơ làm việc độc lập sẽ dẫn đến trạng thái nguy hiểm cụ thể là: Một động cơ làm việc quá tải, động cơ còn lại non tải; Trường hợp xấu hơn nữa một động cơ ngoài việc kéo toàn bộ tải còn phải kéo cả động cơ còn lại. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
5 Một trong các thiết kế đã áp dụng đó là sử dụng cấu trúc với 02 mạch vòng điều khiển, mạch vòng tốc độ chung bên ngoài, mạch vòng dòng điện kép bên trong, tín hiệu ra của mạch vòng tốc độ là tín hiệu đặt cho các mạch vòng dòng điện (Hình 1.4). Sự sai khác về dòng điện của hai động cơ được hiệu chỉnh bằng cách thay đổi thông số của các bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện một cách phù hợp. Với giải pháp này đã đáp ứng được yêu cầu của sản xuất. Tuy nhiên, do thông số của các bộ điều khiển PID là cố định, trong quá trình vận hành khi thông số của hệ thống thay đổi, dẫn đến sự sai khác tương đối lớn về dòng điện của các động cơ (đôi khi có thể lên đến 15%). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
6 Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống điều khiển truyền thống Chính vì vậy, cùng với quá trình vận hành, cán bộ kỹ thuật cần phải chỉnh định lại thông số của các bộ điều khiển sao cho hệ thống làm việc ổn định theo mong muốn – đây là nhược điểm cơ bản của thiết kế đã nêu. 1.3. Giải pháp đề xuất Giải pháp đề xuất trình bày trong nghiên cứu này được phát triển dựa theo giải pháp vừa nêu tuy nhiên có sự thay đổi. Cụ thể, giữ nguyên cấu trúc điều khiển hai mạch vòng điều khiển, bộ điều khiển PID mạch vòng tốc độ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
7 bên ngoài chung cho cả 02 động cơ với thông số cố định, hai bộ điều khiển PID mạch vòng dòng điện bên trong riêng cho 02 động cơ, bộ điều khiển dòng điện động cơ một 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 hai được hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dòng điện giữa 02 động cơ (Hình 1.5). 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, dòng động cơ thứ 2 luôn bám dòng động cơ 1 với sai số nhỏ nhất. Có nghĩa dòng phần ứng của cả hai động cơ luôn bằng nhau – điều mà chúng ta mong đợi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn
8 Hình 1.5: Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất Kết luận: Như vậy, ta thấy được những ưu nhược điểm của giải pháp truyền thống. Để đổi mới và nâng cao chất lượng hệ thống trong quá trình sản xuất, ta đã đưa ra được giải pháp đề xuất mới cho việc cân bằng tải cho 02 động cơ xoay chiều nối cứng trục. Phần tiếp theo ta đi xây dựng mô hình toán cho động cơ điện xoay chiều. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn