1
MỞ ĐẦU
Thiết bị cán thường sử dụng động cơ luyện kim chuyên dùng, có thổi gió làm
mát. Các trường hợp cán có tốc độ không thay đổi (máy cán thô liên tục) thường
dùng động cơ đồng bộ. Còn nếu máy cán cần điều chỉnh tốc độ thì dùng động cơ một
chiều, nguồn một chiều được cung cấp từ một bộ chỉnh lưu riêng.
Trong thực tế sản xuất nhiều dây chuyền công nghệ yêu cầu sử dụng động cơ một
chiều hay xoay chiều công suất lớn đến hàng nghìn Kw. Thiết bị cán Block là khâu
cuối cùng trong dây chuyền cán thép hiện đại yêu cầu công suất sử dụng vào khoảng
5000 Kw là một thí dụ điển hình. Hệ thống quạt gió lò, trạm nén khí, trạm bơm,… là
các hệ thống điển hình mà ở đó thường yêu cầu sử dụng động cơ công suất lớn.
Việc sử dụng động cơ công suất lớn đáp ứng yêu cầu của tải gặp nhiều khó khăn.
Giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế khi chỉ sử dụng một động cơ công suất
lớn đã được đề xuất thay thế bởi 02 động cơ ghép cùng làm việc song song có tổng
công suất bằng công suất của một động cơ công suất lớn cần thay thế. Nhưng yêu cầu
đặt ra là trong quá trình vận hành hai động cơ thay thế luôn đóng góp phần công suất
của mình cho phụ tải chung là như nhau. Đề tài này tập trung nghiên cứu điều khiển
hệ thống hai động cơ làm việc song song nối cứng trục với nhau, với mục tiêu ổn
định dòng điện (phân tải).
Mục tiêu của nghiên cứu.
- Đề tài nghiên cứu điều khiển hệ thống nối trục động cơ trong dây chuyền cán
thép.
- Ổn định dòng điện với hệ thống 2 động cơ nối cứng trục.
- Ứng dụng điều khiển cho một hệ thống thiết bị thực tế.
Nội dung nghiên cứu
Chương 1: Tổng quan về công nghệ cán thép
Chương 2: Nghiên cứu hệ thống nối trục động cơ trên dây chuyền cán thép dây
Chương 3: Xây dựng mô hình toán học hệ thống điều khiển
Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP

Phôi được nung trong lò qua ba vùng nhiệt độ (vùng sấy, vùng nung, vùng đều
nhiệt). Nhiên liệu nung phôi thường là Fo (dầu công nghiệp), được phun vào lò dưới
dạng sương mù và cháy mọi nơi trong lò. Từ vùng nung sơ bộ nhiệt độ tăng dần cho
đến vùng đều nhiệt. Khi phôi đạt nhiệt độ theo yêu cầu thì được máy tống ở phía sau
lò đẩy ra khỏi lò và đưa vào đường con lăn rồi nhờ hệ thống con lăn phôi được đưa
vào hệ thống các máy cán. Đầu tiên là máy cán thỏi, cán thô, cán vừa, sau cùng là
máy cán tinh. Máy cán có nhiều dạng về đường kính trục to nhỏ khác nhau, và cách
bố trí các giá khác nhau ở mỗi máy cán. Tùy theo công nghệ thiết kế thép được cán đi
hoặc cán quay lại ở các khâu cán. Sau cán một số lần tiết diện giảm xuống, chiều dài
tăng lên, tại đầu, đuôi thỏi bị tòe ra và nhiệt độ tại đó giảm xuống người ta tiến hành
cắt đầu đuôi rồi đưa đến các khâu trung gian khác. Mỗi lần cán phôi qua một lỗ hình
mà mỗi giá cán có thể có một hoặc nhiều lỗ hình. Qua nhiều lần cán, thép được cán
lần cuối cùng qua máy cán tinh theo đúng kích thước sản phẩm rồi đến công đoạn
khác. Để kích thước không dài quá người ta tiến hành cắt phân đoạn theo sự tính toán
để phần thừa cuối cùng là nhỏ nhất. Rồi chuyển lên sàn làm nguội. Sàn nguội có kích
3
thước to nhỏ khác nhau sao cho khi ra khỏi sàn nguội thép đạt được đặc tính cứng
nhất định. Sau khi ra khỏi sàn nguội thép được cắt thành phẩm nhờ máy cắt nguội
Sau đó thép được đưa tới hệ thống gom thép, đóng bó rồi đưa vào kho, kết thúc quá
trình cán thép.
Tóm lại quy trình cán thép cơ bản như sau:
Tập kết phôi → vào lò nung → Máy cán thỏi → Máy cán thô → Máy cán vừa →
Máy cán tinh → Bộ phận làm nguội → Bộ phận đóng bó → Kho
1.2. Công nghệ cán nóng
Muốn cán nóng bất kì một kim loại nào thì công việc đầu tiên đều phải nung phôi
thép. Việc nung kim loại đến nhiệt độ cán rất quan trọng, nó quyết định năng suất và
chất lượng của sản phẩm cán. Mục đích của việc nung kim loại trước khi cán là: tăng
tính dẻo, giảm trở kháng biến dạng tạo điều kiện cho công đoạn gia công được dễ
dàng. Nung phôi trước khi cán còn làm giảm lực cán, hạ thấp lượng tiêu hao điện,
tăng tuổi thọ làm việc cho trục cán và các thiết bị của máy cán, làm cho thành phần

tạo ra các lớp vảy nên không đáp ứng được độ mỏng lá thép mong muốn và ở nhiệt
độ cao cấu trúc kim loại cũng không thoả mãn được.
1.4. Kết luận chương 1
Cán thép đòi hỏi công suất điện rất lớn để phục vụ cho các công đoạn nung phôi,
vận chuyển, cán và đóng gói sản phẩm. Đặc điểm cơ bản của cán thép là môi trường
làm việc tương đối khắc nghiệt (nhiệt độ cao, tiếng ồn lớn và nhiều bụi bậm,…), mặt
khác chất lượng thép phải đạt yêu cầu mới tiêu thụ được. Do vậy, vai trò của điều
khiển và tự động hóa trong dây chuyền cấn thép là vô cùng to lớn. Nó quyết định đến
năng suất, chất lượng và sự an toàn trong vận hành của con người và thiết bị máy
móc.
Riêng trong dây chuyền cán thép dây, việc sử dụng hai hoặc ba động cơ công suất
nhỏ, thay thế cho một động cơ công suất lớn mà vẫn phải phân bố đều công suất giữa
chúng đang là bài toán cho lĩnh vực điều khiển tự động hóa trong dây chuyền cán.
5
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG NỐI TRỤC ĐỘNG CƠ TRÊN DÂY
CHUYỀN CÁN THÉP DÂY
2.1. Giới thiệu dây chuyền cán sử dụng hệ thống nối trục hai động cơ
Sơ đồ công nghệ của dây chuyền cán sử dụng hệ thống nối trục hai động cơ điện một
chiều kích từ độc lập được giới thiệu trên hình 3.1:
Gi¸ c¸n 4
§
1
Gi¸ c¸n 1
Ph«i thÐp
Gi¸ c¸n 3
Gi¸ c¸n 2
§
2
Gi¸ c¸n 6
Gi¸ c¸n 5

làm thế nào để đảm bảo sự phân bố tải hợp lý giữa hai động cơ. Do nối cứng trục với
nhau nên hai động cơ luôn quay cùng tốc độ. Trong trường hợp dùng hai động cơ
điện một chiều kích từ độc lập có cùng công suất, muốn chịu tải như nhau thì chúng
phải có đặc tính cơ hoàn toàn giống nhau. Nghĩa là tốc độ không tải lý tưởng và độ
cứng đặc tính cơ phải như nhau. Nếu không thỏa mãn các điều kiện này thì phụ tải
giữa hai động cơ sẽ khác nhau.
Trong thực tế, có khi hai động cơ cùng công suất, cùng các thông số định mức, nhưng
đặc tính cơ của chúng vẫn khác nhau. Nguyên nhân sinh ra sự sai khác đó là do khe
hở không khí, điện trở cuộn dây phần ứng hoặc vật liệu chế tạo của chúng khác nhau.
2.2.1. Nối cứng trục hai động cơ một chiều kích thích nối tiếp
Phụ tải sẽ phân bố trên hai động cơ theo tỷ số:
Hình 2. 3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống nối trục hai động cơ một chiều kích từ
nối tiếp
φ
φ
= =
1 1 1 1
2 2 2 2
D
D
E k M
E k M
(2.1)
Nghĩa là thay đổi kích từ ta có thể điều chỉnh được sự phân bố phụ tải giữ chúng
sao cho M
1
= M
2
.
Đối với động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, vì đặc tính cơ của chúng mềm

của hai động cơ cũng được nối nối tiếp và được dùng chung một nguồn cung cấp.
Hình 2. 4. Hai động cơ một chiều nối cứng trục, nối nối tiếp phần ứng và kích thích
2.3.2.2. Sử dụng riêng bộ biến đổi cho từng động cơ
Hai động cơ điện một chiều độc lập sẽ được cung cấp từ hai bộ biến đổi riêng, tuy
nhiên cũng cần phải có mối liên hệ ràng buộc giữa hai bộ biến đổi để cho hai động cơ
đóng góp công suất cho tải là như nhau.
2.3.3. Các giải pháp phân bố công suất khi hai động cơ nối cứng trục qua tải
Khi hai động cơ không được nối cứng trục trực tiếp mà nối gián tiếp qua tải (là thép
cán) thì xuất hiện vấn đề đồng tốc của của thép cán ở các vị trí. Có thể có một số giải
pháp đồng tốc như sau.
+
+
_
_
Đ
1
Đ
2
8
2.3.3.1. Đồng bộ tốc độ động cơ bằng nguồn cung cấp chung
a. Đồng bộ tốc độ động cơ bằng điều chỉnh từ thông động cơ:
Trên hình 2.8 mô tả sơ đồ hai động cơ điện một chiều kích từ độc lập nối cứng trục,
điều chỉnh từ thông và phần ứng động cơ chung một nguồn cung cấp. Khi điện áp
phần ứng động cơ không đổi và giống nhau, ta có:
ω
ω
=
1 1
2 2
kt

đóng cắt, bảo vệ có công suất lớn gấp đôi, do đó không khả thi.
Hình 2. 5. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ
hai động cơ điện một chiều đồng tốc
9
2.4. Kết luận chương 2
Trong chương 2, ta đã tiến hành nghiên cứu các phương án phân bố công suất khi
thay thế một động cơ điện một chiều công suất rất lớn (1000 Kw) bằng hai động cơ
có công suất nhỏ hơn (2x500 Kw). Khái quát lại có hai phương án cơ bản là:
- Hai động cơ được nối cứng trục, được cung cấp từ hai bộ biến đổi, giữa hai bộ
biến đổi này có mối liên hệ với nhau thông qua hệ thống các mạch vòng điều khiển
dòng điện và tốc độ. Vì nối cứng trục cho nên tốc độ rotor của hai động cơ là bằng
nhau, ta chỉ quan tâm tới phân bố đồng đều công suất cho từng động cơ khi làm việc
với tải định mức.
- Hai động cơ không được nối cứng trục trực tiếp, mà nối cứng gián tiếp qua thép
cán, được cung cấp từ hai bộ biến đổi. Như vậy ở phương án này phải giải quyết hai
nhiệm vụ vừa đồng bộ tốc độ cho hai động cơ, vừa điều chỉnh sức căng để phân bố
công suất đều giữa hai động cơ. Phương án cũng sử dụng cấu trúc điều khiển các
mạch vòng dòng điện và tốc độ. Và có bổ sung thêm một số khâu phụ trợ khác.
10
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.1. Mô tả toán học hệ thống
3.1.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển hai động cơ nối cứng trục
Cấu trúc của hệ điều điều tốc độ hai mạch vòng gồm mạch vòng dòng điện, mạch
vòng tốc độ như hình 3.1.
Hình 3. 1. Sơ đồ cầu trúc hệ
thống
Trong đó:
ĐC
1

2 2 2
2
1 1 2 2
1
0
0 0
30
1
0 0 0
30
30 30 30
0 0
0
a m
a
a a
a
a a
a a m
a c
a a a
a
m m
R K
di
L L
L
dt
i u
di R K

 
   
 
 
 
   
 
   
 
 
Φ Φ
 
−
 
 
 
 
 
 
(3.8)
Đặt biến trạng thái
1 1 2 2 3
, , ,x i x i x n= = =
viết lại phương trình 3.8 về dạng rút gọn
x Ax Bu
y Cx Du
= +


= +

Φ
 
− −
 
 
 
Φ
= −
 
 
 
Φ Φ
 
 
(3.10)
11
1
2
1
0 0
1
0 0
30
0 0
a
a
L
B
L
J

=
 
 
 
(3.13)
Biến trạng thái
1 1
2 2
3
a
a
x i
x x i
x n
   
   
= =
   
   
   
, tín hiệu vào
1
2
a
c
a
u
u M
u
 

. Tín hiệu ra bị trễ so với tín hiệu vào một khoảng
thời gian
W
1
v
P M
t T
f
∆ = +
.
u
đ (t)
= K
b
·u
đk
·1 (t – ∆t) (3.14)
Trong đó:
f
PWM
: tần số xung đóng cắt van.
T
v
: thời gian trễ của van. Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật van điện tử T
v
rất
nhỏ có thể coi T
v
= 0.
Hàm truyền của bộ chỉnh lưu có điều khiển khi bỏ qua phần phi tuyến:

1
1
1/
1 1
1
1/
1 2 2
1
1 1
b a
i
b a
ki
b a
i i
i
b a
K R
R
T s T s
W
K R
s s
R
T s T s
τ τ
× ×
+ +
= =
+ +

1 1 1 1
1
(1 )
1
2 2 2
a a a a
i
b b b b b b
R T s T R
R
K T s K T K T s
+
= = + ×
(3.18)
R
i1
là khâu tỷ lệ - tích phân.
Tổng hợp mạch vòng dòng điện động cơ 2 tương tự động cơ 1 ta được
1 1
2
1
2 2
a a
i
b b b b
T R
R
K T K T s
= + ×
(3.19)

n
n ki m m
R
s s W K K
Js
τ τ
π
=
+ × × × ×Φ + ×Φ
(3.22)
13
1 1 2 2
2 2
1
1 60
(1 ) ( )
1 2 2
n
n n m m
b b
R
s K K
T s T s J
τ τ
π
=
+ × × × ×Φ + ×Φ
+ +
(3.23)
Bộ biến đổi trong hệ là bộ biến đổi xung áp với tần số đóng/cắt các van điện tử

thì
1 1 2 2
120 ( )
n
b m m
J
R
T K K
π
=
× ×Φ + ×Φ
(3.25)
R
n
là khâu tỷ lệ.
3.2.3. Thiết kế mạch bù tín hiệu đặt dòng điện
Trong hệ thống nối cứng trục hai động cơ kéo chung 1 tải, bộ điều khiển phải đảm
bảo dòng phần ứng
3.3. Kết luận chương 3
Chương 3 đã trình bày:
- Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ
thống điều khiển hai động cơ nối
cứng trục.
- Xác định mô hình toán học các
phần tử trong hệ thống.
- Xác định bộ điều chỉnh tốc độ,
bộ điều chỉnh dòng điện phần ứng động cơ.
- Thiết kế bộ bù tín hiệu đặt dòng điện để điều khiển cân bằng dòng phần ứng hai
động cơ.
14

0.0941
4.1.2. Mô hình mô phỏng hệ thống
Mô hình mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink (Mathworks) [5] được
thể hiện trên hình 4.1.
2000
nref
nerr
n
ierr
i1
x' = Ax+Bu
y = Cx+Du
State-Space
P(s)
Rn
PI(s)
Ri2
PI(s)
Ri1
2
Load
KPhi
G
Kb
Tb.s+1
BBD2
Kb
Tb.s+1
BBD1
Hình 4. 1. Mô hình mô phỏng hệ thống

1
Toc do
Speed
1
SP ref
PI(s)
Rn
PI(s)
Ri2
PI(s)
Ri1
Real-Time Pacer
Speedup = 1
Real-Time Pacer
1.03
GH tren
0.97
GH duoi
0.5
G
1
Dong dien
Current
Setup
Arduino1
COM2
ArIO Setup
Current 1
Current 2
Speed

18
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Nội dung trong luận văn cơ bản tập trung vào nghiên cứu và khảo sát hệ thống điều
khiển hai động cơ nối cứng trục trong các dây truyền cán thép có công suất lớn.
Đối chiếu với yêu cầu và mục tiêu đề ra bản luận văn đã giải quyết đầy đủ và cho
được các kết quả sau:
+ Nghiên cứu về hệ thống cán thép trong các nhà máy luyện kim.
+ Nghiên cứu các phương án phân bố công suất khi thay thế một động cơ điện một
chiều công suất rất lớn bằng hai động cơ có công suất nhỏ hơn.
Phương án 1: Hai động cơ được nối cứng trục trực tiếp, được cung cấp từ hai bộ biến
đổi, việc phối hợp điều khiển hai bộ biến đổi thông qua hệ thống các mạch vòng điều
khiển dòng điện và tốc độ. Các bộ điều chỉnh phải thực hiện điều khiển phân bố đồng
đều công suất cho từng động cơ khi làm việc với tải định mức.
- Phương án 2: Hai động cơ không được nối cứng trục trực tiếp, mà nối cứng gián
tiếp qua thép cán, được cung cấp từ hai bộ biến đổi. Sử dụng cấu trúc điều khiển các
mạch vòng dòng điện và tốc độ. Các bộ điều chỉnh phải giải quyết hai nhiệm vụ vừa
đồng bộ tốc độ cho hai động cơ, vừa điều chỉnh sức căng để phân bố công suất đều
giữa hai động cơ.
+ Xây dựng được mô hình toán học hệ thống hai động cơ nối cứng trục sử dụng và
tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ để điều khiển hệ thống.
+ Tiến hành mô phỏng hệ thống điều khiển hai động cơ nối cứng trục trên phần mềm
Matlab/Simulink và thu được các đáp ứng mô phỏng đạt chất lượng tốt.
+ Từ các kết quả trên tác giả đã xây dưng mô hình thực nghiệm hai động cơ nối cứng
trục và thuật toán điều khiển được thực hiện trên môi trường Simulink. Kết quả đáp
ứng tốc độ mô hình thực nghiệm đạt kết quả theo yêu cầu. Dòng điện phần ứng hai
động cơ được phân bố đều khi đóng tải vào mô hình đúng theo yêu cầu đề ra của đề
tài.
Kiến nghị
Hoàn thiện các kết quả nghiên cứu để có thể áp dụng vào trong thực tiễn sản xuất. /.