Đang tải... (xem toàn văn)
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các thiết bị và dây chuyền công nghệ máy xây dựng cũng không ngừng được cải tiến nhằm tăng năng suất lao động, nâng cao tính an toàn và độ tin cậy của các thiết bị đồng thời hướng tới vấn đề tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Việc nghiên cứu chế tạo các bộ biến đổi điện luôn đi đôi với công nghệ bán dẫn và các kỹ thuật điều khiển. Một trong những phương pháp nghiên cứu hiệu quả là có sự hỗ trợ của máy tính kết hợp với việc sử dụng các phần mềm tin học công nghiệp chuyên dụng. Nghiên cứu dưới đây đưa ra một mô hình mô phỏng trên máy tính hệ biến tần ma trận - động cơ không đồng bộ ba pha dùng trên cơ cấu nâng vật nhằm bước đầu khẳng định khả năng áp dụng các tiến bộ công nghệ trong việc giải quyết các yêu cầu mà thực tế đặt ra.
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TIN HỌC CÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG TRONG CƠ CẤU NÂNG CẦN TRỤC DẪN ĐỘNG ĐIỆN ThS Đồng Xuân Khang Khoa Cơ khí Xây dựng Trường Đại học Xây dựng Tóm tắt: Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, thiết bị dây chuyền công nghệ máy xây dựng không ngừng cải tiến nhằm tăng suất lao động, nâng cao tính an tồn độ tin cậy thiết bị đồng thời hướng tới vấn đề tiết kiệm lượng bảo vệ môi trường Việc nghiên cứu chế tạo biến đổi điện đôi với công nghệ bán dẫn kỹ thuật điều khiển Một phương pháp nghiên cứu hiệu có hỗ trợ máy tính kết hợp với việc sử dụng phần mềm tin học công nghiệp chuyên dụng Nghiên cứu đưa mơ hình mơ máy tính hệ biến tần ma trận - động không đồng ba pha dùng cấu nâng vật nhằm bước đầu khẳng định khả áp dụng tiến công nghệ việc giải yêu cầu mà thực tế đặt Summary: Along with the development of science and technology, building machines and production lines in the field of civil engineering are continuously improved in order to increase labour productivity, enhance the safety and reliability of equipments and then aim at energy saving and environment preserving Research and development (R&D) of electrical energy converters are always accompanied with semiconductor technology and control engineering The use of computers and specialised industrial informatics software tools is one of the effective ways in research Đặt vấn đề Máy nâng hạ sử dụng rộng rãi công nghiệp đời sống hàng ngày Trong công nghiệp, máy nâng thường cầu trục, cần trục, thang máy Trong đời sống hàng ngày, thang máy sử dụng phổ biến để vận chuyển người hàng hóa Tùy vào ứng dụng cụ thể mà có yêu cầu chất lượng truyền động khác Nếu thang máy sử dụng vào việc vận chuyển bệnh nhân bệnh viện có yêu cầu chất lượng điều khiển (gia tốc độ giật) nghiêm ngặt thang máy vận chuyển hàng hóa thiết bị nhà máy cơng nghiệp thường có u cầu chất lượng điều khiển không cao Trên máy nâng dẫn động điện, ngồi chuyển động nâng hạ vật theo phương đứng cấu nâng đảm nhận có chuyển động mặt phẳng ngang cấu di chuyển, quay, thay đổi tầm với thực Trong cấu công tác kể trên, cấu nâng có đặc điểm làm việc tương đối đặc bit: Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 9/5-2011 79 - Trong trình nâng tải, động dẫn động nhận lượng từ lưới điện nhằm trì lực cần thiết để nâng tải với tốc độ mong muốn - Trong trình hạ tải, động thực chức ngược lại giải phóng lượng q trình hạ tải gây Nói cách khác động làm việc máy phát điện phát lượng điện tỷ lệ thuận với trọng lượng tốc độ hạ tải Các biến đổi điện thông thường áp dụng cấu nâng, lượng tạo nên hạ tải thường biến thành nhiệt tiêu tán điện trở, không tận dụng lượng Việc nghiên cứu tận dụng lượng gây trình hạ tải sử dụng tiến công nghệ bán dẫn công suất kỹ thuật xử lý tín hiệu số để dẫn lượng tái sinh lưới có ý nghĩa lớn điều kiện loài người phải tiết kiệm lượng Nghiên cứu đưa mơ hình mơ máy tính hệ biến tần ma trận - động không đồng ba pha dùng cấu nâng vật nhằm bước đầu khẳng định khả áp dụng tiến công nghệ việc giải yêu cầu mà thực tế đặt Về bản, chia máy nâng dẫn động điện thành số loại sau: a Thang máy, sử dụng để vận chuyển người hay hàng hóa lên xuống theo độ cao khác chủ yếu sử dụng tòa nhà, công trường xây dựng hay nhà máy công nghiệp b Cầu trục, sử dụng rộng rãi nhà máy công nghiệp Loại bao gồm ba cấu dẫn động thực chuyển động mặt phẳng đứng mặt phẳng ngang.Tải nâng hạ động thơng qua dây cáp, cấu tải - dây cáp đóng vai trò lắc, chiều dài dây cáp thay đổi liên tục suốt trình nâng/hạ tải Các chuyển động ngang chuyển động hay đồng thời c Cần trục, chia thành hai loại cần trục tháp cần trục chuyên dụng Trong đó, loại cần trục tháp thường sử dụng phục vụ công trường xây dựng, loại cần trục chuyên dụng sử dụng ngành hàng hải tàu biển để bốc dỡ hàng hóa nhà máy thủy điện Vấn đề điều khiển: Thang máy: Thang máy hệ thống có u cầu an tồn nghiêm ngặt yêu cầu kỹ thuật khác Một yêu cầu hệ dẫn động thang máy phải đảm bảo cho buồng thang chuyển động êm, thơng số đặc trưng cho chế độ làm việc thang máy là: Tốc độ di chuyển (m/s), gia tốc (m/s2) độ giật (m/s3) Hình đồ thị đặc tính điều khiển tốc độ thang máy Trên đồ thị đặc tính điều khiển tốc độ thang máy hình chia thành giai đoạn: Giai đoạn mở máy, giai đoạn ổn định tốc độ, giai đoạn hãm xuống tốc độ thấp giai đoạn hãm dừng Tốc độ di chuyển buồng thang định suất thang máy, có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, đặc biệt chiều cao nâng hạ lớn Tốc độ di chuyển trung bình thang máy tăng cách giảm thời gian mở máy hãm máy (gia tốc) Tuy nhiên, gia tốc lớn gây cảm giác khó chịu cho hành khách hay khơng đảm bảo điều kiện vận chuyển Một đại lượng ảnh hưởng tới di chuyển êm buồng thang tốc độ tăng/ giảm gia tốc mở/dừng máy 80 Số 9/5-2011 Tạp chí khoa học công nghệ xây dùng s,v,a,p s (m) v (m/s) p(m/s^3) a (m/s^2) t Hình Đồ thị đặc tính điều khiển thang máy Trong thực tế máy nâng sử dụng để di chuyển tải kiểu điểm - điểm thời gian ngắn mà đảm bảo tượng lắc hay rung giật nhỏ Để giải vấn đề này, nhiều nghiên cứu đưa thuật toán điều khiển để vận hành tự động cấu máy nâng Tuy nhiên, đa số cầu trục cần trục, hệ thống điều khiển thường có mức độ tự động hố khơng cao điều khiển trực tiếp từ người vận hành, chất lượng điều khiển khơng cao, độ an tồn thấp Các hệ truyền động điện tiêu biểu cho cấu nâng hạ sử dụng động không đồng rơto lồng sóc 2.1 Điều khiển cấp tốc độ hệ thống đóng cắt cơng tắc tơ (hình 2) Mạch Logíc Điều khiển CƠNG TẮC TƠ M TẢI M Hình Sơ đồ điều khiển động hệ thống đóng cắt cơng tắc tơ T¹p chÝ khoa häc công nghệ xây dựng Số 9/5-2011 81 ng c dn động cấu nâng hạ động không đồng rơto lồng sóc hai cấp tốc độ có hai dây quấn stato độc lập Nâng cao độ xác dừng cách chuyển từ tốc độ cao sang tốc độ thấp Hạn chế dòng q trình chuyển đổi tốc độ động (động làm việc chế độ máy phát thực hãm tái sinh) từ tốc độ cao sang tốc độ thấp thực cách đưa thêm điện trở phụ R vào pha dây quấn stato động 2.2 Sử dụng biến tần gián tiếp kết hợp với hệ thống điện trở hãm (hình 3) Điều khiển cấp ~ | + = ~ E M TẢI M Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống sử dụng biến tần gián tiếp a Khi cấu nâng hạ không sử dụng đối trọng: Trong trình nâng, động làm việc chế độ động Trong trình hạ tải (hãm) động làm việc chế độ máy phát với nguồn lượng phát tải, tần số góc quay ω trục động lớn tần số góc quay ω1 điện áp đặt lên cuộn dây stato, tốc độ hạ tải tỷ lệ thuận với lượng tiêu tán điện trở hãm b Khi cấu nâng hạ có sử dụng đối trọng (đt): - Khi nâng (ω > 0): + M > Mđt => Mt = M – Mđt > 0, => Mt.ω > Động làm việc chế độ động + M < Mđt => Mt = M – Mđt < 0, => Mt.ω < Động làm việc chế độ máy phát - Khi hạ (ω < 0) + M > Mđt => Mt = M – Mđt > 0, => Mt*ω < Động làm việc chế độ máy phát + M < Mđt => Mt = M – Mđt < 0, => Mt*ω > Động làm việc chế độ động 2.3 Sử dụng biến tần bốn góc phần tư (hình 4) Đặc điểm cấu tạo: - Bộ lọc đầu vào: Boost (nâng) áp, lọc thành phần sóng hài - Chỉnh lưu: Chỉnh lưu tích cực, sử dụng van bán dẫn điều khiển hoàn toàn (như IGBT, GTO,…) - Khâu chiều (DC-Link): Tụ hóa 82 Sè 9/5-2011 T¹p chÝ khoa học công nghệ xây dựng - Nghch lu: Nghch lu nhánh van Điều khiển cấp ~ = + | = ~ E M TẢI Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống sử dụng biến tần 4Q Đặc điểm làm việc: - Dòng điện đầu vào hình sin - Hệ số cos(φ) điều chỉnh tới gần - Năng lượng truyền theo hai chiều thích hợp làm việc với tải nâng hạ 2.4 Các ưu điểm từ việc sử dụng biến tần ma trận cho cấu nâng hạ Về cấu tạo: Cấu trúc bán dẫn, không sử dụng khâu chiều trung gian biến tần kiểu ma trận có kích thước nhỏ gọn tuổi thọ cao Về đặc điểm làm việc: - Dòng điện đầu vào hình Sin - Hệ số cos(φ) điều chỉnh tới gần - Năng lượng truyền theo hai chiều thích hợp làm việc với tải nâng hạ - Sử dụng phương pháp điều khiển động không đồng việc sử dụng biến tần gián tiếp như: U/F, FOC, DTC - Khi cấu nâng hạ khơng có u cầu cao chất lượng truyền động (độ rung, giật, xác) dễ dàng sử dụng biến tần ma trận với phương pháp điều khiển U/F dạng vòng hở, điều có ý nghĩa mặt kinh tế kỹ thuật Xây dựng mơ hình mơ hệ thống điều khiển máy tính hệ biến tần ma trận động không đồng (KĐB) - Cơ cấu nâng hạ 3.1 Yêu cầu kỹ thuật Sơ đồ biến tần ma trận (Matrix Converter - MC) m bo: Tạp chí khoa học công nghệ xây dùng Sè 9/5-2011 83 - Tổng hợp điện áp đầu có dạng sin từ điện áp đầu vào với tần số theo yêu cầu, tần số điện áp lưới Lf BDS Ua S11 S21 S31 Ub S12 S22 S32 S13 S23 S33 - Dòng điện đầu vào có dạng sin Cf Uc - Năng lượng trao đổi tải với lưới theo hai chiều - Hệ số cơng suất đầu vào điều chỉnh Input filter Ma trận khố đóng cắt hai chiều (BDS) xây dựng sơ đồ IGBT mắc song song ngược theo kiểu chung collector Diode, với nguồn điều khiển cách ly (hình 6) G1 G2 G3 E G1 G2 G2 E G2 G1 G1 G2 E E G3 C b G3 C Hình Cấu hình MC B a G1 B M G3 E A A Clamp c G3 G1 G2 E G3 Hình Sơ đồ mạch lực MC pha dùng IGBT mắc C chung 3.2 Xác định vectơ không gian MC Vectơ điện áp hệ tọa độ vng góc 0αβ biểu diễn theo: uo = ( u AB + auBC + a 2uCA ) ; a = e j 2 / 3 (1) uAB, uBC, uCA: điện áp dây pha đầu Một vectơ góc phần sáu đó, tổng hợp từ hai vectơ biên chuẩn góc phần sáu Ví dụ, hình 7: u o = u o1 + u o ; i i = i i1 + i i Mỗi vectơ thành phần lại điều chế nhờ hai vectơ hướng ngược chiều Kết hợp với yêu cầu cần điều chỉnh hai vectơ điện áp u o1 , u o với hai vectơ dòng điện i i1 , i i cần dùng vectơ ứng với tổ hợp van acc, caa, abb baa theo biểu thức (2), (3) U o1 = d1uab U o = d 4uab − d3uca − d 6uca I i1 = d i A (1.2); I i = d1iA − d 6iB − d 4iB ; 3 (2) d1, d3, d4, d6: hệ số biến điệu hay thời gian có mặt vectơ tương ứng 84 Sè 9/5-2011 T¹p chÝ khoa học công nghệ xây dựng (bcc)(cbc)(ccb) 2+,5+,8+ (aab)(bbc)(cca) 7-,8-,9- (abb)(bcc)(caa) II III (bab)(cbc)(aca) 4+,5+,6+ 1+,2+,3+ u o1 (baa)(aba)(aab) II III ii1 1-,4-,7- uo IV IV uo2 o I (aba)(bcb)(cac) (baa)(cbb)(acc) ii i (caa)(aca)(aac) (acc)(cac)(cca) 3-,6-,9- i ii I 3+,6+,9+ VI V i ei 1+,4+,7+ V VI (abb)(bab)(bba) 4-,5-,6- 1-,2-,3- (bba)(ccb)(aac) 7+,8+.9+ (a) (cbb)(bcb)(bbc) 2-,5-,8- (b) Hình (a) Vectơ điện áp ra; (b) Vectơ dòng điện vào Thời gian đóng điện vectơ chu kỳ lấy mẫu Ts: tabb = d1 Ts ; tacc = d3 Ts ; taba = d Ts ; taca = d Ts (3) Các hệ số phải thoả mãn điều kiện d1 + d3 + d + d Từ suy giới hạn tỷ số truyền áp MC / 0.866 d1 = m sin o sin − i ; d = m sin o sin i ; 3 d3 = m sin − o sin − i ; d = m sin − o sin i ; 3 3 3 d = − (d1 + d + d3 + d ) ( (4) ) Gọi m = U o / U i / hệ số truyền áp, 0