NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU CÁN LIÊN TỤC

Tổng quan về công nghệ cán

Cán là quá trình gia công áp lực nhằm biến đổi hình dạng và kích thước của vật liệu kim loại thông qua sự biến dạng dẻo.

Trong quá trình cán, yêu cầu quan trọng là ứng suất nội biến dạng không được lớn và kim loại cần duy trì độ bền cao Nhiệt độ kim loại tăng giúp giảm ứng suất nội biến dạng dẻo, do đó, phương pháp cán nóng thường được áp dụng để giảm lực cán và tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất.

Để đáp ứng yêu cầu công nghệ, việc cán thép tấm mỏng dưới 1mm cần phải thực hiện cán nguội, vì cán nóng sẽ tạo ra lớp vảy thép dày hơn so với sản phẩm cuối Nhiệt độ tái kết tinh phân chia cán nguội và cán nóng ở mức 600 oC đến 650 oC; do đó, cán thép ở nhiệt độ dưới 400 oC đến 450 oC được coi là cán nguội, trong khi cán thép ở nhiệt độ lớn hơn 600 oC đến 650 oC được xem là cán nóng.

Cấu tạo máy cán

Chương 1 Giới thiệu chung về công nghệ cán

Hình 1.1d Hình 1.1 Các bộ phận chính của máy cán

Máy cán thực hiện quá trình biến dạng dẻo kim loại để đạt được hình dạng và kích thước mong muốn Quá trình này diễn ra khi kim loại được nén ép và kéo qua hai trục cán quay ngược chiều nhau Một máy cán thường bao gồm ba bộ phận chính: hộp cán, cơ cấu và thiết bị truyền động, cùng với động cơ điện.

8 Lò xo đỡ trục nối

Phân loại

1.3.1 Phân loại theo tên gọi

- Máy cán thô, đường kính trục cán ϕ = (800 ÷ 1300)mm

- Máy cán phôi dẹt, ϕ = (1100 ÷ 1150)mm

- Máy cán phân loại thô, ϕ = (500 ÷ 750)mm

- Máy cán phân loại nhỏ, ϕ = (250 ÷ 350)mm

1.3.2 Phân loại theo số trục cán và cách bố trí

Hình 1.2 Các kiểu máy cán theo số trục cán

Theo cách phân loại này có máy cán hai trục, ba trục hoặc nhiều trục cán hơn

(4, 6, 12, 20) (hình 1.2) Các trục cán có thể đặt thẳng đứng, nằm ngang hoặc nằm

Chương 1 Giới thiệu chung về công nghệ cán nghiêng Trong đó loại máy cán có trục cán nằm ngang là phổ biến và thông dụng nhất

Hộp cán có hai trục cán nằm ngang (hình 1.2 a) được sử dụng trong máy cán quay thuận nghịch để cán thô, cán tấm dày, cán phân loại

Hộp cán có ba trục cán nằm ngang được sử dụng trong máy cán tấm dày và tấm trung bình Trong loại máy cán này, phôi cán di chuyển theo hai chiều, trong khi trục cán không quay theo chiều đảo ngược.

Hộp cán có bốn trục cán, bao gồm hai trục lớn bên ngoài và hai trục nhỏ bên trong, được sử dụng trong quá trình cán tấm cả nóng lẫn nguội Hai trục lớn bên ngoài đóng vai trò là trục tựa, giúp giảm biến dạng cho hai trục làm việc nhỏ ở phía trong.

Hộp cán có từ 6 đến 20 trục, nhưng chỉ có hai trục làm việc chính, trong khi các trục còn lại đóng vai trò trục tựa Loại hộp cán này thường được sử dụng trong quá trình cán nguội và cán tấm mỏng.

1.3.3 Phân loại theo số hộp cán và cách bố trí

Hình 1.3 Phương thức đặt hộp cán

Máy cán quay thuận nghịch với một hộp cán là phổ biến, nhưng để nâng cao năng suất, máy cán có nhiều hộp cán cũng được sử dụng Một hộp cán có thể được dẫn động bởi một hoặc hai động cơ, hoặc một động cơ có thể điều khiển nhiều hộp cán Phương thức thường dùng cho cán phân loại có nhược điểm là phôi cán phải di chuyển ngang giữa các hộp cán, dẫn đến tốc độ của các hộp cán không đồng đều và không thể tăng tốc khi phôi dài hơn Trong khi đó, phương thức đặt hộp cán nối tiếp cho phép phôi được cán ở hộp trước rồi mới chuyển sang hộp sau, thường được áp dụng cho việc cán thô và cán tấm dày.

Phương thức đặt các hộp cán liên tiếp nhau cho phép phôi cán di chuyển từ hộp này sang hộp khác với khoảng cách nhỏ hơn chiều dài phôi, giúp tăng năng suất cao Tuy nhiên, để tránh phế phẩm do phôi bị võng hoặc căng quá, cần đảm bảo sự đồng đều giữa các hộp cán Phương pháp này thường được sử dụng cho quá trình cán nóng phôi, cán nguội tấm mỏng, dây, ống và cán phân loại.

1.3.4 Phân loại theo chế độ làm việc

- Máy cán quay thuận nghịch có điều chỉnh

- Máy cán không quay thuận nghịch có điều chỉnh

- Máy cán không quay thuận nghịch không có điều chỉnh

1.3.5 Yêu cầu truyền động của máy cán

- Dải điều chỉnh tốc độ rộng

- Tần số đống cắt lớn

- Chịu được phụ tải lớn khi ngoạm phôi

- Hệ làm việc hiệu quả, tin cậy và đảm bảo chất lượng sản phẩm.

Máy cán nóng liên tục

Máy cán nóng liên tục bao gồm nhiều hộp cán được sắp xếp nối tiếp và chỉ quay theo một chiều Phôi được xử lý đồng thời qua từng hộp cán theo thứ tự Những đặc điểm nổi bật của máy này là khả năng cán phôi hiệu quả và liên tục.

- Tốc độ cao nên năng suất cao

- Qua các lần cán, kim loại không nguội nhiều nên chất lượng sản phẩm tốt, tuổi thọ của trục cán cao hơn, giảm tiêu hao năng lượng

- Kim lọai cán trên nhiều hộp cán cùng một lúc nên giữa các hộp cán phải có sự liên hệ chặt chẽ về tốc độ

Sự vượt trước chậm sau trong quá trình cán thép được thể hiện trên hình 1.4:

Hình 1.4 minh họa hiện tượng "vượt trước chậm sau" trong quá trình cán Tốc độ phôi vào trục cán 1 và trục cán 2 lần lượt là vv1 và vv2, trong khi tốc độ dài của trục cán 1 và trục cán 2 được ký hiệu là vt1 và vt2 Cuối cùng, tốc độ phôi ra khỏi trục cán 1 và trục cán 2 được biểu diễn bằng vr1 và vr2.

Khi cán, hiện tượng vượt trước xảy ra khi tốc độ ra của phôi lớn hơn tốc độ dài của trục cán Sự vượt trước này được đặc trưng bởi hệ số trượt, được tính bằng công thức: r = (vt - vs) / vt * 100%.

Thực tế hệ số trượt s phụ thuộc vào độ dày của phôi, với phôi dày s = 3 – 5%, với phôi mỏng s = 10 – 15%

Hiện tượng chậm sau trong quá trình cán xảy ra khi tốc độ di chuyển của phôi nhỏ hơn tốc độ của trục cán Đặc điểm quan trọng của cán liên tục là khối lượng phôi qua các hộp cán trong một đơn vị thời gian luôn giữ nguyên, được mô tả bằng một biểu thức cụ thể.

Trong đó Fi, vri là tiết diện phôi và vận tốc phôi sau khi ra khỏi trục cán thứ i

Xét hai hộp cán đặt kế tiếp nhau là hộp cán 1 và hộp cán 2 Điều kiện (1.1) trở thành:

Vì hiện tượng vượt trước nên: vr1 = (1 + s)ω1R1 và vr2 = (1 + s)ω2R2 do đó điều kiện (1.2) tương đương với F R ω 1 + s = F R ω 1 + s1 1 1  1  2 2 2  2  Nếu R1 = R2 = R ta có tỉ số

Trong quá trình cán, nếu điều kiện (1.3) được đảm bảo, máy cán hoạt động ở chế độ cán tự do Khi tỷ lệ ω2/ω1 lớn hơn b0, phôi thép sẽ chịu lực kéo, dẫn đến chế độ cán kéo Ngược lại, nếu tỷ lệ ω2/ω1 nhỏ hơn b0, phôi sẽ chịu lực nén, và máy cán sẽ hoạt động ở chế độ cán nén.

Nếu bán kính hai trục là như nhau thì lực căng hay nén có thể tính như sau

Hệ số φ phản ánh sự vượt trước do lực căng T Khi chế độ cán kéo, momen động cơ truyền cho trục cán 2 tăng lên, trong khi momen truyền cho trục cán 1 lại giảm xuống.

M = M + T.R ; M = M - T.R (1.5) Ở chế độ cán nén momen động cơ truyền động cho trục cán 1 tăng lên, còn momen truyền động cho trục cán 2 giảm đi

M = M - T.R ; M = M + T.R (1.6) Trong đó M 01 , M 02 là momen của hai động cơ ở chế độ cán tự do

Dây chuyền cán thép của nhà máy NATSTEELVINA

1.5.1 Mô tả dây chuyền cán thép của nhà máy NATSTEELVINA

Phôi được nhập khẩu từ các quốc gia như Malaysia, Brazil, Thổ Nhĩ Kỳ, Trung Quốc và Nga, đáp ứng tiêu chuẩn tương đương với thép xây dựng cán nóng Trước khi đưa vào dây chuyền cán, phôi phải trải qua các quy trình kiểm tra chất lượng và kích thước hình học Kích thước của phôi cần đạt từ 100mm x 100mm đến 125mm x 125mm, với chiều dài từ 3000mm đến 3750mm.

Phôi được cầu trục 15 tấn tập hợp lên bàn nạp phôi và được chuyển đến dàn con lăn bằng hệ thống nạp phôi thủy lực điều khiển bằng tay Sau khi di chuyển đến vị trí máy đẩy, phôi được đẩy vào lò bằng máy đẩy sử dụng xi lanh thủy lực 250mm với áp lực trung bình 50 tấn Khi phôi đã được so đầu và có tín hiệu yêu cầu, người vận hành điều khiển quá trình đẩy phôi vào lò Sau khi quá trình cán hoàn tất, phôi sẽ được đẩy ra khỏi lò qua cửa hông bằng máy đẩy hông, sử dụng động cơ điện không đồng bộ và hệ truyền lực điều khiển qua bánh răng xích kéo Tốc độ đẩy phôi ra được điều chỉnh phù hợp với tốc độ cán, đồng thời người vận hành cũng gửi tín hiệu yêu cầu đẩy phôi vào.

Phôi đủ nhiệt độ được đưa đến máy cán thô, sau đó tới máy cắt bay CV50 để tự động cắt đầu và đuôi phôi Công đoạn này cần thiết để loại bỏ phần đầu phôi bị chẻ và nguội, nhằm tránh gây khó khăn trong quá trình cán trung Lượng cắt có thể điều chỉnh tùy theo yêu cầu sản phẩm, và máy cắt bay cũng xử lý sự cố ở các giá phía sau Tiếp theo, phôi đi qua dàn cán trung với 12 giá cán, sử dụng số giá tương ứng theo yêu cầu sản phẩm Đối với cán thanh (thép Φ9 - Φ32), phôi qua máy cắt phân đoạn CV30 rồi được đưa đến sàn nguội và đóng bó để cất vào kho Còn đối với cán dây (thép Φ6 – Φ8), phôi qua máy cắt CV20 và giá cán tinh (4 giá cán), sau đó được chuyển tới bàn đóng bó qua hệ thống con lăn Đây là khâu quan trọng trong quy trình công nghệ.

Chương 1 Giới thiệu chung về công nghệ cán được thực hiện thủ công bằng tay, lúc này thép đã hạ đến nhiệt độ an toàn Tiếp đó, qua hệ thống con lăn, thép được chuyển tới hệ thống cân 2 tấn dùng để cân và nhập kho sản phẩm

Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ của nhà máy NATSTEELVINA

Hình 1.6 Bố trí động cơ M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8

Hình 1.7 Bố trí động cơ M9, M10

Hình 1.8 Bố trí động cơ M11, M12, M13, M14, M15, M16, M17

Hình 1.9 Bố trí động cơ M18, M19, M20, M21

Bảng 1.1 Tham số động cơ cho giá cán Động cơ

Bảng 1.2 Tham số làm việc động cơ khi sản xuất thép Φ6

Tốc độ đặt Tốc độ tham chiếu Tốc độ thực

Chương 3 Hệ thống SCADA dây chuyền cán

Hệ thống SCADA

SCADA là hệ thống tự động điều khiển và giám sát, có chức năng thu thập và quản lý dữ liệu Hệ thống này được phát triển dựa trên ứng dụng máy vi tính và vi điều khiển, kết hợp với kỹ thuật đo lường và các cảm biến thông minh trong ngành công nghiệp.

SCADA là hệ thống tự động hóa công nghiệp sử dụng công nghệ vi tính PLC và RTU, giúp quản lý và điều hành quy trình sản xuất từ cấp phân xưởng, xí nghiệp đến cấp cao nhất trong công ty.

Một hệ SCADA thông thường gồm các thành phần sau:

- Giao diện người - máy (Sơ đồ công nghệ, đồ thị, phím thao tác)

- Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp

- Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu

- Cơ sở dữ liệu quá trình

- Các công nghệ hỗ trợ trao đổi tin tức, quản lý sự cố và hỗ trợ lập báo cáo

2.1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA

Kể từ năm 1986, sự ra đời của các bộ điều khiển Logic khả trình (PLC) đã thúc đẩy việc phát triển các hệ thống SCADA Các cảm biến (S) thu thập tín hiệu đo và chuyển đến các mô-đun I/O, sau đó tín hiệu được gửi về PLC để xử lý sơ bộ Thông tin sau khi được xử lý sẽ được truyền đến máy chủ qua hệ thống ProfiBus, và từ máy chủ, tín hiệu điều khiển được gửi đến các thiết bị chấp hành (A).

Hệ thống SCADA là một giải pháp điều khiển tập trung, chủ yếu có chức năng thu thập và giám sát dữ liệu Hệ thống này thực hiện việc thu thập thông tin từ xa về sản xuất và lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu Dữ liệu này sau đó được sử dụng để cung cấp các dịch vụ liên quan đến điều khiển và giám sát quy trình sản xuất.

Chương 3 Tính toán hệ truyền động điện một chiều

Hệ SCADA thực hiện nhiều chức năng quan trọng trong việc điều khiển và giám sát, bao gồm đo lường, hiển thị và lưu trữ dữ liệu; kiểm tra tự động và giám sát; nhận diện và phân loại sản phẩm; chẩn đoán kỹ thuật; cùng với điều khiển quá trình hiệu quả.

Ngoài ra hệ còn có thể truyền số liệu ra ngoài qua Ethernet

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ SCADA

2.2 Hệ thống Scada của dây chuyền cán công ty NATSTEELVINA

Toàn bộ hệ thống có thể được phân chia vào 3 cấp của sơ đồ hình chóp phân cấp hệ thống điều khiển như hình 2.2

- Phòng điều khiển trung tâm tương đương với cấp vận hành - giám sát

- Các bộ PLC S7 - 400, PLC S7 - 300 là cấp điều khiển

- Cấp hiện trường là các cơ cấu chấp hành, cảm biến và bàn điều khiển tại hiện trường

Hình 2.2 Cấu hình mạng truyền thông dây chuyền cán công ty NATSTEELVINA

Cấp vận hành – giám sát bao gồm một máy chủ và ba máy tính giám sát, có trách nhiệm điều hành toàn bộ quy trình cán Hệ thống này giám sát tất cả các thông số tại các điểm đo, thu thập và lưu trữ dữ liệu, đồng thời quản lý các sự kiện và báo động.

Hệ thống điều khiển bao gồm ba PLC: PLC S7-400 quản lý 21 bộ DCS800 cung cấp nguồn cho động cơ truyền động hộp cán, trong khi PLC S7-300 thứ nhất điều khiển thiết bị cắt nóng và PLC S7-300 thứ hai đảm nhiệm việc điều khiển các thiết bị phụ trợ trong quá trình cán.

Hình 2.3 Hệ thống điều khiển các trục cán

Hình 2.4 Hệ thống điều khiển thiết bị thuộc khu vực cán thanh

Hình 2.5 Hệ thống điều khiển thiết bị cắt nóng và thiết bị phụ trợ cán

2.3 Hệ thống cung cấp điện chung cho dây chuyền cán thép

Hình 2.6 Sơ đồ cung cấp điện chung dây chuyền cán thép

Nguồn điện chính được cung cấp từ máy biến áp TR0 35KV/6KV–50Hz với công suất 10MVA, qua máy cắt chân không N0 tới thanh cái 12KV 1250A Từ thanh cái này, điện được phân phối qua các máy cắt chân không N1 đến N8, cung cấp cho các máy biến áp T1 đến T7.

Máy biến áp T1 6KV/415V/415V–50Hz có công suất 3,2MVA/1,6MVA/1,6MVA được cấu hình theo kiểu ∆/∆/Y Cuộn thứ cấp đấu theo kiểu tam giác cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 1, 2, 3, trong khi cuộn thứ cấp đấu theo kiểu sao cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 4, 5, 6.

Hình 2.7 Các thiết bị được cấp nguồn từ máy biến áp T1

Máy biến áp T2 6KV/415V/415V–50Hz có công suất 3,2MVA/1,6MVA/1,6MVA, được kết nối theo kiểu ∆/∆/Y Cuộn thứ cấp được đấu tam giác để cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 7, 8, trong khi cuộn thứ cấp đấu sao cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 9, 10.

Máy biến áp T3 6KV/550V/550V–50Hz có công suất 3MVA/1,5MVA/1,5MVA được thiết kế theo kiểu đấu ∆/∆/Y Cuộn thứ cấp đấu tam giác cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 11, 12, trong khi cuộn thứ cấp đấu sao cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 13, 14, 15, 16.

Máy biến áp T4 6KV/440V/440V–50Hz có công suất 2MVA/1MVA/1MVA được đấu theo kiểu ∆/∆/Y Cuộn thứ cấp được đấu tam giác cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 17, 18, trong khi cuộn thứ cấp đấu sao cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 19, 20.

Máy biến áp T5 6KV/500V/500V–50Hz có công suất 3MVA/1,5MVA/1,5MVA, được cấu hình theo kiểu ∆/∆/Y Cuộn thứ cấp được đấu tam giác để cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 21, 22, trong khi cuộn thứ cấp đấu sao cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 23, 24.

Các máy biến áp còn lại cấp nguồn cho các quá trình phụ trợ cán và chiếu sáng.

Hệ thống cung cấp điện chung cho dây chuyền cán thép

Hình 2.6 Sơ đồ cung cấp điện chung dây chuyền cán thép

Nguồn điện chính được cung cấp từ máy biến áp TR0 35KV/6KV–50Hz với công suất 10MVA, qua máy cắt chân không N0 tới thanh cái 12KV 1250A Từ thanh cái này, điện năng được phân phối qua các máy cắt chân không N1 đến N8 để cấp cho các máy biến áp T1 đến T7.

Máy biến áp T1 6KV/415V/415V–50Hz có công suất 3,2MVA/1,6MVA/1,6MVA được cấu hình theo kiểu ∆/∆/Y Cuộn thứ cấp đấu tam giác cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 1, 2, 3, trong khi cuộn thứ cấp đấu sao cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 4, 5, 6.

Máy biến áp T2 6KV/415V/415V–50Hz có công suất 3,2MVA/1,6MVA/1,6MVA được cấu hình theo kiểu ∆/∆/Y Cuộn thứ cấp đấu tam giác cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 7 và 8, trong khi cuộn thứ cấp đấu sao cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 9 và 10.

Máy biến áp T3 6KV/550V/550V–50Hz có công suất 3MVA/1,5MVA/1,5MVA, được kết nối theo kiểu ∆/∆/Y Cuộn thứ cấp đấu tam giác cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 11 và 12, trong khi cuộn thứ cấp đấu sao cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 13, 14, 15 và 16.

Máy biến áp T4 6KV/440V/440V–50Hz có công suất 2MVA/1MVA/1MVA được đấu theo kiểu ∆/∆/Y Cuộn thứ cấp đấu tam giác cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 17 và 18, trong khi cuộn thứ cấp đấu sao cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 19 và 20.

Máy biến áp T5 6KV/500V/500V–50Hz với công suất 3MVA/1,5MVA/1,5MVA được cấu hình theo kiểu ∆/∆/Y Cuộn thứ cấp được đấu tam giác để cung cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 21, 22, trong khi cuộn thứ cấp đấu sao được sử dụng để cấp nguồn cho các bộ biến đổi DCS800 của động cơ giá cán 23, 24.

Các máy biến áp còn lại cấp nguồn cho các quá trình phụ trợ cán và chiếu sáng.

Tính toán hệ điều khiển hai mạch vòng

Sơ đồ khối hệ truyền động điện giúp xây dựng sơ đồ cấu trúc cho hệ truyền động điện một chiều của động cơ cán, sử dụng bộ biến đổi DCS800 như được minh họa trong hình 3.2.

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện một chiều

3.2.1 Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện

Sơ đồ mạch vòng dòng điện có dạng như hình 3.3

Hình 3.3 Mạch vòng điều khiển dòng điện

Hàm truyền đối tượng mạch vòng điều khiển dòng điện được tính:

Với Kcl : Hệ số khuếch đại bộ chỉnh lưu

Ki : Hệ số phản hồi dòng điện

Tvo: Hằng số thời gian chuyển mạch của bộ chỉnh lưu

Tdk: Hằng số thời gian điều khiển mạch chỉnh lưu

Ti : Hằng số thời gian của cảm biến dòng điện

Tư : Hằng số thời gian điện từ phần ứng

Các hằng số thời gian Tvo, Tdk và Ti có giá trị rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ phần ứng Tư Khi đặt Tsi = Tdk + Tvo + Ti, ta có thể thấy sự liên kết giữa các hằng số này.

(1 pT )(1 pT )(1 T p) vo  dk  i =(1 T p) si

(3.2) Hàm truyền đối tượng mạch vòng điều chỉnh dòng điện:

  oi cl i oi oi si ử ử

(1 pT )(1 pT ) R (3.3) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu mô đun ta có:

(3.4) Để hệ kín có hàm truyền F k (p) = F m (p) thì

Từ phương trình (3.4) và (3.5) ta có :

 2  2 p 2 R K I oi + 2 p   R K I oi +R K I oi = (1 pT )(1 pT ) R K  si  ử  I oi Hàm truyền bộ điều khiển có dạng:

I 2 2 si si oi oi si si si oi

(1 pT )(1 pT ) (1 pT )(1 pT ) (1 pT )

3.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ

Chất lượng của thép cán thô phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ của động cơ Vì vậy việc điều khiển tốc độ động cơ rất quan trọng

Coi mạch vòng dòng điện như là một khâu trong sơ đồ điều khiển , ta có :

Ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển mạch vòng tốc độ như hình 3.4

Hình 3.4 Mạch vòng điều khiển tốc độ

Trong đó R ω là khâu điều khiển tốc độ

HCD là phần tử hạn chế dòng điện

  là hàm truyền khâu phản hồi tốc độ

KФ là giá trị từ thông kích từ

Mc là mô men cản của động cơ

J là mô men quán tính của động cơ

Phân tích mạch vòng tốc độ

Hình 3.5 Mạch vòng điều khiển tốc độ rút gọn

Hàm truyền đối tượng mạch vòng điều chỉnh tốc độ:

(1 T )p Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có:

Hàm truyền bộ điều khiển tốc độ có dạng:

3.1.3 Tính toán các thông số

Số liệu động cơ: Pdm= 320kW, Udm = 440V, Idmw8A, n`0 rpm, I   46kgm 2 , AC line= 415V,   0,25, P c  2

Hằng số thời gian điện từ phần ứng: ử ử ử

 R (3.7) Điện cảm mạch phần ứng:

(3.8) Điện trở mạch phần ứng:

  ủm ủm ử ủm ủm ủm

Thay Lư và Rư ở phương trình (3.8) và (3.9) vào phương trình (3.7) ta được: ử

Hệ số khuếch đại bộ chỉnh lưu:

Hệ số phản hồi dòng điện:

Hằng số thời gian điều khiển của bộ chỉnh lưu:

(s) Trong đó: m là số lần đập mạch trong một chu kỳ f là tần số dòng xoay chiều

Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:

R 2K T p 0,084p Chọn hằng số thời gian máy phát tốc Tω=0,01 (s) ta có:

Từ thông kích từ bằng:

Hệ số phản hồi tốc độ:

Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ:

Cấu trúc phần cứng của DCS800

DCS800 là bộ biến đổi do hãng ABB sản xuất, DCS800 gồm các khối chính sau:

- Khối Power supply (SDCS – POW - 4) cấp nguồn cho hoạt động của bộ biến đổi

- Mạch chỉnh lưu biến đổi năng lượng nguồn xoay chiều thành một chiều cấp cho động cơ

- Khối control board (SDCS – CON - 4) điều khiển hoạt động của bộ biến đổi

- Khối communication board (SDCS – COM - 8) truyền thông giữa bộ biến đổi và các thiết bị khác

- Quạt làm mát bộ biến đổi trong quá trình làm việc

- Bảng điều khiển trên DCS800

Hình 4.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển DCS800

Chương 4 Phân tích hệ truyền động điện một chiều sử dụng bộ biến đổi DCS 800.

Cấu hình điều khiển bộ biến đổi DCS800

Hình 4.2 Cấu hình điều khiển chung của bộ biến đổi DCS800

Cấu trúc hệ thống điều chỉnh của bộ biến đổi DCS800 bao gồm hai phần chính: phần ứng và phần kích từ Phần ứng được chia thành mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ, trong khi phần kích từ bao gồm mạch điều khiển dòng kích từ và mạch điều khiển sức điện động.

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh của bộ biến đổi DCS800 bao gồm các khối chức năng chính như: đặt tốc độ, điều khiển tốc độ, hạn chế dòng điện, điều khiển dòng điện phần ứng, phát xung, điều khiển sức điện động, điều khiển từ thông và điều khiển dòng kích từ.

Khâu đặt tốc độ trong hình 3.10 có chức năng tạo tín hiệu chủ đạo cho mạch vòng tốc độ, cho phép người dùng điều chỉnh giá trị tốc độ đặt thông qua các tham số Ref1Sel (11.03), Ref2Sel (11.06), Ref1Mux (11.02), và Ref2Mux (11.12) Cấu trúc của Ref1Mux tương tự như Ref2Mux, và Ref1Sel cũng giống như Ref2Sel, do đó, bài viết sẽ tập trung vào việc trình bày các tham số Ref1Mux và Ref1Sel.

Chương 4 Phân tích hệ truyền động điện một chiều sử dụng bộ biến đổi DCS 800

Hình 4.3 Sơ đồ khâu đặt tốc độ

Bảng 4.1 Nguồn lựa chọn tham số Ref1Sel

Ref1Sel Nguồn được lựa chọn làm tốc độ đặt

0 Tham số đặt tốc độ chủ đạo SpeedRef (23.01)

1 Tham số đặt tốc độ phụ AuxSpeedRef (23.13)

2 Đầu vào tương tự AI1

8 Tham số đặt tốc độ cố định 1 trong bộ biến đổi FixedSpeed1 (23.02)

9 Tham số đặt tốc độ cố định 2 trong bộ biến đổi FixedSpeed2 (23.03)

10 Tín hiệu logic MotPot thay đổi tốc độ động cơ

11 AuxSpeedRef – AI1 Tham số đặt tốc độ phụ trừ đầu vào tương tự AI1

13 Giá trị nhỏ nhất của AI2 và AI4

14 Giá trị lớn nhất của AI2 và AI4

15 Đầu vào tương tự AI1 được đưa thảng đến bộ điều khiển tốc độ mà không qua khâu hạn chế gia tốc AI1Direct+

16 Đầu vào tương tự AI2 được đưa thảng đến bộ điều khiển tốc độ mà không qua khâu hạn chế gia tốc AI2Direct+

17 Xung encoder được đưa thảng đến bộ điều khiển tốc độ mà không qua khâu hạn chế gia tốc Enc2Direct+

Tham số Ref1Mux điều chỉnh trạng thái của khóa logic để lựa chọn tín hiệu tốc độ từ Ref1Sel Khi khóa ở trạng thái 0, tốc độ đặt sẽ là 0; ngược lại, nếu khóa ở trạng thái 1, tốc độ đặt sẽ tương ứng với giá trị được chọn từ tham số Ref1Sel.

4.2.2 Khâu hạn chế gia tốc

Hình 4.4 Khâu hạn chế gia tốc

Tốc độ đặt sử dụng SpeedrefUsed (2.17) được đưa vào khâu hạn chế tốc độ, trong đó sử dụng các tham số:

M1SpeedMax (20.02) : giới hạn tốc độ dương trong khoảng:

M1SpeedMin (20.01) : giới hạn tốc độ âm trong khoảng:

Bộ hạn chế tốc độ có đầu ra là Speedref2 (2.01), đây là tham số đầu vào cho bộ tăng, giảm tốc Người dùng có thể lựa chọn đầu vào cho bộ tăng, giảm tốc từ các tham số khác nhau.

0: Không sử dụng bộ tăng, giảm tốc

0: Ghi đè giá trị đầu vào bộ tăng, giảm tốc bằng 0

0: Ghi đè giá trị đầu ra tăng, giảm tốc bằng 0

Ramp2Select (22.11) cho phép người dùng điều chỉnh các thông số hoạt động, bao gồm thời gian tăng tốc thông qua tham số AccTime1 (22.01) hoặc AccTime2 (22.09), và thời gian giảm tốc qua tham số DecTime1 (22.02) hoặc DecTime2 (22.10).

Ramptimescale (22.03) : Hệ số cho các tham số AccTime1 (22.01)/ AccTime2 (22.09) và DecTime1 (22.02)/DecTime2 (22.10) thay đổi thời gian tăng, giảm tốc

Estopramp (22.04) quy định thời gian để động cơ giảm tốc độ về 0 trong tình huống khẩn cấp Trong khi đó, Shapetime (22.05) liên quan đến thời gian làm mềm tham số tốc độ, nhưng chức năng này sẽ không được thực hiện nếu có dừng khẩn cấp.

Hình 4.5 Đường đặt tốc độ khi có khâu Ramp

BalrampRef (22.08) : Ghi đè giá trị lên đầu ra bộ tăng, giảm tốc

FixSpeed1 (23.02) là tham số tốc độ không đổi, ghi đè lên SpeedRef2 (2.01) tại đầu vào bộ giới hạn tốc độ, lấy từ Jog1 (10.17) hoặc MainCtrlWord (7.01) Thời gian được xác định bởi JogAccTime (22.12) và JogDecTime (22.13) Đầu ra của bộ tăng, giảm tốc giữ nguyên khi động cơ quay thuận, và nhân với -1 khi động cơ quay ngược, được điều chỉnh bởi SpeedRef3 (2.02).

SpeedRef3 (2.02) được điều chỉnh bằng tham số tốc độ SpeedCorr (23.04) và nhân với tỉ lệ SpeedRefScale (23.16), sau đó đưa vào Bộ giới hạn chế tốc độ Đầu vào của tham số SpeedRef4 có thể nhận từ đầu ra của bộ hạn chế tốc độ hoặc được ghi đè bởi tham số đầu vào của Bộ giới hạn chế tốc độ.

4.2.3 Khâu phản hồi tốc độ

Tốc độ phản hồi được xác định bởi tham số M1SpeedFbSel (50.03), và giá trị này có thể được tính toán dựa trên sức điện của động cơ, tín hiệu từ xung encoder hoặc thông qua máy phát tốc tương tự.

Hình 4.6 Khâu phản hồi tốc độ

4.2.4 Khâu điều chỉnh tốc độ

- Window Control: Tạo vùng chết, khe hở

Bộ điều chỉnh PID được sử dụng để tính toán sai lệch giữa tốc độ thực và tốc độ đặt, nhằm giảm thiểu tối đa sai số Qua việc điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào, bộ điều khiển này giúp cải thiện hiệu suất hệ thống.

Window Control: Ý tưởng của khối Window Control là không sử dụng bộ điều

Chương 4 Phân tích hệ truyền động điện một chiều sử dụng bộ biến đổi DCS 800 khiển tốc độ miễn là sai số tốc độ (Δn) tương ứng với tốc độ thực tế được thiết lậpbởi các tham số WinWidthPos (23.08) Điều này cho phép Momen xoắn bên ngoài tác động trực tiếp lên quá trình Nếu sai số tốc độ (Δn) vượt quá giá trị cho trước, bộ điều khiển tốc độ sẽ hoạt động

Hình 4.7 Khâu điều chỉnh tốc độ

SpeedErrFilt (23.06) : Bộ lọc sai số tốc độ Timer 1

SpeedErrFilt (23.11) : Bộ lọc sai số tốc độ Timer 2

WinIntegOn (23.07) : Cho phép bộ tích phân của khối Window Control hoạt động hay dừng hoạt động

WinWidthPos (23.08) : Giới hạn tốc độ dương cho Window Control, khi Δn dương WinWidthNeg (23.09) : Giới hạn tốc độ dương cho Window Control, khi Δn âm

SpeedStep (23.10) : Là tham số tốc độ bước nhảy, được thêm vào sai lệch ở đầu vào bộ điều khiển tốc độ, giá trị được giới hạn bởi M1SpeedMin (20.02) và M1SpeedMax (20.01)

0 = SpeedErrWin : Sai số tốc độ Δn nằm trong khoảng xác định bởi tham số WinWidthPos (23.08) và WinWidthNeg (23.09)

1 = SpeedActWin : Tốc độ thực tế nằm trong khoảng xác định bởi tham số WinWidthPos (23.08) và WinWidthNeg (23.09)

Hình 4.8 Tương quan giữa tốc độ và mô men đặt

Phương trình thuật toán điều khiển PID: n ref (s) ref (s) act(s)

Với T ref (s) : Mô men đặt

KpS : Khâu tỉ lệ [KpS (24.03)]

Chương 4 Phân tích hệ truyền động điện một chiều sử dụng bộ biến đổi DCS 800 n ref (s) : Tốc độ đặt n act(s) : Tốc độ thực

TiS: Thời gian khâu tích phân [TiS (24.09)]

TD : Thời gian khâu vi phân [DerivTime (24.12)]

TF : Thời gian lọc khâu vi phân [DerivFiltTime (24.13)]

Tn : Mô men động cơ bình thường

Khâu đặt momen đóng vai trò quan trọng trong việc tạo tín hiệu momen đặt trước khi đưa vào khối hạn chế momen Tín hiệu TorqRef2 được truyền đến khóa lựa chọn momen, trong khi tín hiệu TorqRefA Sel được lựa chọn dựa trên các tham số cụ thể.

0 = TorqRefA2501: Lượng đặt momen bên ngoài theo giá trị tính toán của momen động cơ ở chế độ làm việc bình thường

1 = AI1: Lượng đặt từ đầu vào tương tự AI1

Tín hiệu TorqRefExt được tạo ra, lọc và nhân với hệ số LoadShare, sau đó cộng với tín hiệu TorqRefB từ khâu trễ, với các giá trị TorqRampUp và TorqRampDown thể hiện thời gian chuyển đổi momen của động cơ Tín hiệu này tiếp tục qua khâu hạn chế với các tham số TorqMaxTref và TorqMinTref để giới hạn momen lớn nhất và nhỏ nhất, cùng với TorqMaxAll và TorqMinAll nhằm tính toán và hạn chế momen thực tế từ giá trị phần trăm của momen định mức.

Chương 4 Phân tích hệ truyền động điện một chiều sử dụng bộ biến đổi DCS 800 trị phần trăm của momen định mức) tạo ra tín hiệu TorqRef1 đưa vào khóa lựa chọn momen và tạo ra tín hiệu TorqRef3 đi vào Khâu hạn chế momen

Nguyên lý điều khiển lực căng

Bộ điều khiển lực căng sử dụng PLC S7-400 để quản lý quá trình cán phôi PLC sẽ lấy mẫu dòng phần ứng của động cơ truyền động tại hai thời điểm: khi phôi vào giá cán thứ i và khi phôi vào giá cán thứ i+1 Dựa trên sai lệch giữa hai giá trị dòng này, PLC tính toán lượng thay đổi tốc độ cho giá cán thứ i và các giá cán trước đó.

Việc điều chỉnh tốc độ đặt hàng sẽ được thực hiện nhiều lần trên từng thanh phôi cho đến khi sai lệch giữa hai lần lấy mẫu dòng nằm trong giới hạn cho phép.

Hình 5.1: Quá trình cán liên tục giữa giá cán liền nhau

Xét trục cán thứ i:Momen động cơ ứng với hai lần lấy mẫu dòng điện là:

Trong đó I i,1 là dòng điện khi phôi vào hộp cán i(lần 1)

I i,2 là dòng điện khi phôi vào hộp cán i+1(lần 2)

M i,1 là mô men cán khi phôi vào hộp cán i (lần 1)

Chương 5 Tính toán điều khiển lực căng cho công đoạn cán thô

M i,2 là mô men cán khi phôi vào hộp cán i+1( lần 2)

Khi M i >0, mô men cán tại hộp cán i+1 cao hơn tại hộp cán i, dẫn đến dòng điện khi phôi vào hộp cán i+1 lớn hơn dòng điện tại hộp cán i Điều này cho thấy tốc độ của phôi vào hộp cán i+1 thấp hơn so với hộp cán i, cho thấy phôi đang bị trùng và cần giảm lượng bù tốc độ.

Khi M i Không cần hiệu chỉnh ( i,j =0)

Nếu T i T 2 => Lượng bù tốc độ dương ( i,j >0)

Nếu T i T 1 => Lượng bù tốc độ âm ( i,j

Tiêu đề	Nghiên Cứu Hệ Thống Truyền Động Điện Một Chiều Cán Liên Tục
Tác giả	Dương Xuân Việt
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Mạnh Tiến, PGS.TS. Trần Trọng Minh
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Tự Động Hóa Công Nghiệp
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	71
Dung lượng	2,26 MB