ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

HOÀNG THỊ NGA

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG
BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU
BA PHA Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG CHO CÂN BĂNG
ĐỊNH LƯỢNG TRONG NHÀ MÁY SẢN XUẤT XI MĂNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

THÁI NGUYÊN 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

HOÀNG THỊ NGA

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG
BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU
BA PHA Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG CHO CÂN BĂNG
ĐỊNH LƯỢNG TRONG NHÀ MÁY SẢN XUẤT XI MĂNG


Thái Nguyên, ngày 30 tháng 12 năm 2013
Tác giả luận văn

Hoàng Thị Nga

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ii

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn
của nhà trường, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa sau đại học, các giảng
viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Võ Quang Lạp,
Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn trong quá
trình thực hiện luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thày cô giáo ở phòng thí nghiệm
đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có
thể luận văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng
góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý
nghĩa ứng dụng trong thực tế.
Xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 12 năm 2013
Tác giả luận văn

Hoàng Thị Nga

1.3.4. Hệ truyền động cân băng định lượng................................................................27
1.3.4.1 Yêu cầu đối với hệ truyền động điện ..............................................................27

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

iv
1.3.4.2 Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển ..............................................................27
1.3.4.3. Sơ đồ khối và nguyên lí hoạt động của hệ thống điều khiển tự động..............28
Chương 2. KHẢO SÁT TÍNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO ...........................31
CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG .....................................................................................31
2.1 Sơ đồ khối hệ thống Biến tần – Động cơ điện xoay chiều ba pha. ........................31
2.2 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ từ hệ tọa độ vectơ không
gian (a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên stato (a,b). .......................................................31
2.3 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ 3 pha từ hệ tọa độ cố định
trên stato (a,b) về hệ tọa độ tựa theo từ thông rôto (d,q) ............................................32
2.4 Sự biến đổi năng lượng và mômen điện từ. ..........................................................34
2.5 Cơ sở định hướng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto (d,q) ...............35
2.6 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện điều khiển vectơ biến tần...............36
2.7. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động số………………………………...……40
2.7.1 Tổng hợp hệ thống ............................................................................................40
2.7.2 Xác định tính ổn định hệ thống .........................................................................44
2.7.3 Tính toán và xét ổn định cho hệ truyền động biến tần – động cơ điện xoay chiều
với thông số cụ thể của mạch vòng. ...........................................................................47
2.8 Khảo sát chất lượng hệ thống bằng phần mềm Matlab Simulink ..........................53
2.8.1 Khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện ........................................................53
2.8.2 Khảo sát chất lượng mạch vòng tốc độ ..............................................................56
Chương 3. NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÂN BĂNG ĐỊNH
LƯỢNG TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ.................................60

Diễn giải nội dung đầy đủ

1

A/D

Bộ biến đổi tín hiệu tương tự ra tín hiệu số

2

ACV

Nguồn xoay chiều

3

CPU

(Central Processing Unit) Bộ xử lý trung tâm

4

D

Bộ điều chỉnh vi phân

5

D/A


Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện

11

Kω

Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ

12

P

Bộ điều chỉnh tỷ lệ

13

PI

(Proportion Intergal) Bộ điều chỉnh tỷ lệ tích phân

14

PID

(Proportinal Intergal Derivative) Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi
tích phân

15

Sp


Nội dung

Hình 1.1

Sơ đồ khối công nghệ sản xuất xi măng lò quay

2

Hình 1.2

Công nghệ đập đá vôi

3

Hình 1.3

Kho chứa đá vôi

3

Hình 1.4

Kho chứa đá sét

4

Hình 1.5

Kho chứa nguyên liệu tổng


11

Hình 1.11

Cân phối liệu cho xi măng

12

Hình 1.12

Hệ thống nghiền xi măng

13

Hình 1.13

Xilô chứa xi măng

16

Hình 1.14

Xuất xi măng rời

17

Hình 1.15

Cấp liệu cho máy đóng bao


27

Hình 1.21

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động cân băng định

28

Hình 2.1

Sơ đồ hệ thống PLC – Biến tần – Động cơ

31

Hình 2.2

Hệ tọa độ vectơ không gian (a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên stato (a,b)

31

Hình 2.3

Biểu diễn vectơ dòng điện stato trên hệ tọa độ cố định trên stato

33

(a,b) và hệ tọa độ tựa theo từ thông rôto (d,q)
Hình 2.4


cơ không đồng bộ.
Hình 2.8

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển số biến tần và động cơ

40

điện xoay chiều
Hình 2.9

Sơ đồ mô phỏng mạch vòng dòng điện số trên Matlab simulink

54

Hình 2.10a Đáp ứng dòng điện với kp= 0.25; ki = 42 ;T = 0,5Tu= 0,002

55

Hình 2.10b Đáp ứng dòng điện với kp= 0.25; ki = 50 ;T = 0,5Tu= 0,00165

55

Hình 2.11

Sơ đồ mô phỏng mạch vòng tốc độ số trên Matlab simulink

57

Hình 2.12a


1. Mục tiêu luận văn
Trong nhà máy sản xuất xi măng, cân băng định lượng có một vị trí rất
quan trọng, nó giúp cho việc cân các nguyên liệu để đảm bảo cho mác xi măng
được chính xác. Vì vậy bản luận văn đã tìm hiểu nghiên cứu các yêu cầu về hệ
điều khiển chuyển động cho cân băng định lượng. Dựa trên các phương án xây
dựng hệ điều khiển chuyển động cho cân băng định lượng có trong nhà máy,
phương án này phù hợp với hệ truyền động biến tần-động cơ điện xoay chiều ba
pha điều khiển bằng PLC S7-300 có ở phòng thí nghiệm trong nhà trường. Vì
vậy đề tài được chọn “Nghiên cứu khảo sát hệ truyền động biến tần-động cơ
điện không đồng bộ xoay chiều ba pha ở phòng thí nghiệm khoa Điện-Điện tử
để điều khiển truyền động cho cân băng định lượng trong nhà máy sản xuất
xi măng”. Kết quả của bản luận văn này giúp cho nghiên cứu hệ truyền động
mới, có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế sản xuất.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu tổng quan về dây chuyền sản xuất xi măng trong đó nghiên
cứu kỹ các yêu cầu điều khiển chuyển động của cân băng định lượng và các
phương án truyền động cho cân băng định lượng có trong nhà máy để từ đó
giúp cho việc chọn phương án thích hợp.
- Dựa trên phương án đã chọn kết hợp với sơ đồ hệ thống truyền động
biến tần-động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha ở phòng thí nghiệm tiến
hành tính toán, khảo sát, mô phỏng để đánh giá chất lượng hệ truyền động này
làm cơ sở so sánh với phần thực nghiệm.
- Tiến hành thí nghiệm thành công, cụ thể là: Nắm được nghiên lý các bài
thí nghiệm, thí nghiệm với các chế độ làm việc khác nhau. Kết quả của thí
nghiệm so sánh với lý thuyết giúp cho việc khẳng định thích hợp hệ điều khiển
chuyển động cân băng định lượng.
3. Nội dung luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan về dây chuyền sản xuất xi măng
Chương 2: Khảo sát tính toán hệ truyền động cho cân băng định lượng


Két nghiền

Phụ gia

Kho chứa

Két nghiền

Than

Dầu

Nghiền, sấy

Sấy

Cân
Cân

Kho chứa
nguyên liệu

Cân

tổng hợp

Cân
Nghiền và sấy
nguyên liệu thô

măng rời
Cấp liệu cho
máy đóng
Máy
đóng bao

/>

3
1.2 Các công đoạn chính trong nhà máy sản xuất xi măng.
1.2.1 Đập đá vôi và kho chứa nguyên liệu thô

a

+ Đập đá vôi

b
1

c

2
4
3

Hình 1.2 Công nghệ đập đá vôi
+ Kho chứa đá vôi
5

8


Phụ gia

Hình 1.4 Kho chứa đá sét
+ Kho chứa nguyên liệu tổng hợp
Thạch cao

17

Bazan

Clinker Thạch
cao

Bazan

Than

Than

Phụ gia

Pyrit

Đá
vôi

18

Đá


a. Quạt gió

12. Băng tải chuyển đá sét

b. Lọc bụi

13. Băng tải (13)

c. Vít tải

14. Máy rải

5 Lọc bụi túi

15 Máy cào

6. Băng tải (6)

16 Kho chứa (đá sét, Pyrit, phụ gia)

7. Đường ray của máy rải

17. Máy cào để cao thạch cao và bazan

8. Máy rải

18. Máy cào để cào than, pyrit và phụ gia

* Nguyên lý hoạt động:


19
20

21

Các cân băng

Hình 1.6 Cân phối liệu

19. Các két chứa phối liệu
20. Băng tải xích
21. Băng tải dài (21)
Giai đoạn cân phối liệu là quan trọng nhất trong dây chuyền sản xuất xi
măng. Với bốn loại phối liệu khác nhau chứa ở các két chứa khác nhau trong
kho chứa nguyên liệu tổng hợp. Sét và pyrit được máy cào vận chuyển xuống
cân băng còn đá vôi và phụ gia thì được chuyển trực tiếp xuống cân băng. Có
bốn cân băng giống nhau để cân bốn loại phối liệu trên.
Sau khi cân thì các phối liệu được đổ chung xuống băng tải dài (21) để
vận chuyển xuống gầu nâng chuẩn bị cho quá trình nghiền nguyên liệu thô.
Bên cạnh các két chứa và các băng tải đều được trang bị đầy đủ các hệ
thống lọc bụi túi có kèm theo quạt gió (Hình 1.6).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

7
+ Nghiền nguyên liệu thô:
33 36

31.Ống dẫn bột liệu

24. Máy nghiền phân ly

32. Silô chứa bột liệu

25. Động cơ chạy máy nghiền phân ly

33.Ống khối

26. Băng tải (26)

34. Két nước

27. Két chứa

35.Tháp điều hòa

28. Lọc bụi

36.Phun nước

29. Cửa phân phối liệu
Các phối liệu được cân và vận chuyển bằng gầu nâng (22) để chuyển vào
máy nghiền phân ly. Sau khi nghiền nếu như nguyên liệu đã đủ độ mịn thì được
vận chuyển vào két chứa, còn nguyên liệu chưa đủ độ mịn thì được vận chuyển
qua băng tải (26) để quay lại gầu nâng và trở lại máy nghiền để nghiền lại. Vận
chuyển nguyên liệu từ két chứa bằng ống khí động qua cửa cấp phối liệu (29) để
tiếp tục chuyển xuống gầu nâng (30) đưa lên ống dẫn bột liệu (31) và chuyển
vào silô chứa (32) (Hình 1.7)

47. Bộ phận làm mát Clinker.
Từ xilô chứa bột liệu hệ thống cấp bột liệu (37) chuyển bột liệu xuống
ống dẫn (38) và đưa vào van chia liệu. Tại đây van chia liệu một phần bột liệu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

9
được chuyển vào gầu nâng đên ống dẫn khí (41), còn một phần thì được chuyển
đến quay lại xilô chứa liệu qua đường ống dẫn khí có quạt gió.
Bột liệu từ gầu nâng chuyển qua ống dẫn (41) sau đó đổ vào hệ thống tháp
5 tầng, đây là hệ thống tháp tiền nung (khu vực lò quay) (Hình 1.7).
Tháp tiền nung gồm 5 tầng, bột liệu được vận chuyển từ trên xuống dưới
theo chiều của tháp. Còn khí nóng của than và dầu thì được vận chuyển ngược
lại theo chiều đi lên của tháp bằng ống dẫn khí nóng (43) để sấy bột liệu thô.
Bột liệu sau khi sấy thì chuyển xuống phễu chứa (44). Từ phễu thì bột liệu
được chuyển vào lò nung. Phần lớn khí nóng của than và dầu đốt được phun vào
lò nung bằng vòi phun (46). Sau khi nung xong thì nguyên liệu đầu ra của lò
nung được gọi là Clinker và được chuyển vào bộ phận làm mát (47) (Hình 1.8).
1.2.4. Làm mát Clinker
48. Phễu rót Clinker

52. Băng tải xích

49. Giàn làm mát

53. Lọc bụi túi

50. Hệ thống quạt gió làm mát


61. Két chứa than nghiền

57. Băng tải (57)

62. Băng tải (62)

58. Két chứa than

63. Silô chứa than

59. Máy nghiền than

64. Bơm dầu

60. Ống dẫn than đã nghiền

65. Máy bơm than và dầu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

12
Than từ ống dẫn than (56) chuyển xuống băng tải (57), từ băng tải này
than được rót vào hai két chứa than (58). Hệ thống băng tải phía dưới sẽ chuyển
than vào máy nghiền than (59). Sau khi than nghiền song thì được vận chuyển
theo đường ống (60) để đưa vào két chứa bột than (61).
Hệ thống băng tải tiếp theo sẽ chuyển than vào hai silô chứa. Bên cạnh đó là
hệ thống bơm dầu (64) thực hiện qua trình bơm dầu vào chộn với than để vòi phun
dầu và than (46). Tại đây dầu và than vừa đốt vừa được phun vào lò nung ở trên.


15
74. Két chứa.
75. Băng tải (75)
76. Gầu nâng (76)
77. Ống dẫn xi măng vào xi lô
Phối liệu của xi măng được vận chuyển vào đường ống (69) nhờ băng tải
(68). Đường ống này một phần đưa phối liệu vào thẳng máy nghiền bi (72), như
vậy thì hiệu quả và độ mịn của xi măng kém hơn. Còn phần lớn là chuyển xuống
máy nghiền sơ bộ (70), sau đó qua gầu nâng (71) chuyển lên đổ xuống máy
nghiền bi. Bột liệu từ máy nghiền bị chuyển lên máy phân ly (73), tại đây máy
phân ly sẽ chia bột liệu làm hai thành phần. Phần đủ độ mịn thì được chuyển lên
két chứa (74), còn phần không đạt độ mịn thì được chuyển ngược lại máy nghiền
bi. Từ két chứa lúc này xi măng được đổ xuống băng tải (75) và chuyển đến gầu
nâng (76) để dẫn tới xilô chứa xi măng. (Hình 1.12)
- Xilô xi măng: I. Xilô 1; II. Xilô 2; III. Xilô 3; IV. Xilô 4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

16

Hình 1.13. Xilô chứa xi măng
Xi măng từ gầu nâng vận chuyển đến các xilô bằng hai đường ống. Xilô
chứa gồm 4 xilô con đặt song song với nhau để chứa xi măng rời. (Hình 1.13)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>