TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ QUẠT ID
Tìm hiều về công nghệ sản xuất xi măng
Lưu đồ sản xuất xi măng như hình 1.1
Hình 1 1 Sơ đồ công đoạn sản xuất xi măng
Theo sơ đồ thì dây chuyền sản xuất xi măng có 7 công đoạn:
Công đoạn 1: Chuẩn bị nguyên liệu
Công đoạn 2: Nghiền nguyên liệu
Công đoạn 4: Nung luyện Cliker
Công đoạn 5: Nghiền xi măng
Công đoạn 6: Nghiền phụ gia
+ Đá vôi khai thác trực tiếp từ những núi đá vôi theo phương pháp nổ mìn cắt tầng được xúc và vận chuyển bằng ôt ô tải đổ vào két
+ Năng suất đập đá vôi đạt 750 tấn/h, cỡ hạt nhỏ và chuyển về kho bằng băng tải cao su qua máy rải thành các đống khối lượng khoảng 3200 tấn
Đất sét được khai thác từ mỏ sét núi và sau đó được vận chuyển về cảng nhập của nhà máy Kích thước của đất sét khoảng nhỉnh hơn 60mm² và được chuyển về kho thông qua hệ thống băng tải cao su.
Các nguyên liệu silicat và quặng sắt được vận chuyển về nhà máy tương tự như đất sét Chúng được xử lý qua hệ thống cán sơ bộ cấp 2 và băng tải, sau đó được rải động để tạo thành các đống cùng với đất sét Khối lượng của các đống silicat đạt khoảng 1x4200 tấn, trong khi quặng sắt đạt 1x2400 tấn.
Nguyên liệu được vận chuyển qua hệ thống băng tải đến két chứa, nơi có gắn các loadcell ở đáy để đo khối lượng và vận tốc của nguyên liệu Thông tin này giúp điều khiển việc cấp nguyên liệu tiếp theo.
- Từ các két chứa nguyên liệu được tháo qua hệ thống cân bằng định lượng với tỉ lệ đặt trước:
+ Các nguyên liệu được trộn với nhau rồi đưa vào máy nghiền
+ Trước khi được nghiền, hỗn hợp được tách vụn sắt bằng các băng tải chạy ngang và lọc bụi tay áo, hệ thống đối trọng để giữ cân bằng
Than được nhập khẩu và được vận chuyển qua cấp liệu rung đến kho đồng nhất sơ bộ Tại đây, than được rải thành hai đống hình chữ V bằng máy rải kiểu Tripper Sau đó, than được chuyển lên băng tải cao su qua hệ thống máy cào cào và đưa đến máy nghiền.
Các thiết bị chính bao gồm:
- Một tháp trao đổi nhiệt 5 tầng cylon cao (tháp sấy 5 tầng)
- Lò nung Để quay lò người ta sử dụng hai động cơ chính và phụ:
+ Động cơ chính là động cơ một chiều
+ Động cơ phụ là động cơ roto lồng sóc dùng khi lò quay chậm
Hệ thống làm mát clinker:
+ Hệ thống làm mát bằng bơm nước khi nhiệt độ cao nhờ các cảm biến đo nhiệt độ lò Máy đập clinker kiểu dập búa
Quạt ID (quạt hút tạo áp suất âm cho lò)
Hệ thống nhiên liệu của lò: gồm 2 đầu phun:
+ Một đầu phun dầu dùng khi sấy lò
Bột liệu từ silon đồng nhất CF được vận chuyển qua hệ thống gầu và máng khí động, sau đó qua van cấp liệu quay, trước khi được đưa vào hệ thống sấy 5 tầng Tại đây, bột liệu được nâng nhiệt độ lên gần mức cần thiết để đảm bảo quá trình sấy hiệu quả.
1000 độ Qua hệ thống lò nung bột liệu được nung luyện tọa pha lỏng có nhiệt độ 1450 độ ở zone nung
Quá trình làm nguội clinker được thực hiện bằng hệ thống 6 quạt thổi và phun nước, đảm bảo nhiệt độ giảm xuống còn 650°C Clinker sau khi đạt tiêu chuẩn sẽ được vận chuyển tới silo 30.000 tấn qua hệ thống dàn ghi, trong khi các phần clinker có kích thước ≥ 30 mm sẽ được xử lý bằng máy dập búa Khí thải từ hệ thống làm nguội được lọc bụi qua hệ thống lọc tĩnh điện trước khi được sử dụng cho hệ thống sấy máy nghiền than, đồng thời một phần nhiệt cũng được tận dụng cho tháp trao đổi nhiệt 5 tầng.
1.1.5 Công đoạn nghiền xi măng
- Clinker sau quá trình đồng nhất sẽ đưa vào hệ thống nghiền để tạo ra xi măng Hệ thống nghiền xi măng bao gồm 2 máy nghiền:
+ Máy nghiền đứng CKD (nghiền sơ bộ): dùng để nghiền thô clinker
+ Máy nghiền nằm (nghiền bi): dùng để nghiền tinh cliker với phụ gia
+ Động cơ khởi động qua biến trở dung dịch Na 2 CO 3 Động cơ máy nghiền bi là động cơ roto dây quấn
Khi clinker được nghiền trực tiếp qua máy nghiền bi thì năng suất của nó chỉ đạt 120 ÷
150 tấn/h Nguyên lí hoạt động:
Clinker từ silo được chuyển xuống máy nghiền CKP qua hệ thống cân băng định lượng Sau khi nghiền sơ bộ, clinker được sàng rung và đưa vào băng tải cao su, rồi tiếp tục vào máy nghiền bi cùng với thạch cao và phụ gia Tỉ lệ các thành phần clinker, thạch cao và phụ gia được điều chỉnh để sản xuất loại xi măng theo yêu cầu.
Sau khi được nghiền, xi măng sẽ được chuyển xuống máng khí động và qua hệ thống gàu để vào hệ thống phân ly Tại đây, những hạt xi măng có kích thước quá lớn sẽ được tái hồi về máy nghiền để tiếp tục quá trình nghiền.
Hệ thống lọc bụi thu hồi những hạt nhỏ, và các hạt đạt tiêu chuẩn sẽ được vận chuyển bằng vít tải đến hệ thống gàu để đổ vào silo chứa xi măng.
+ Silo nhỏ hay còn gọi là silo đơn để chứa xi măng mac PC30
+ Silo to hay còn gọi là silo hai lõi: Lõi trong là xi măng nguyên chất
1.1.6 Công đoạn nghiền phụ gia
Phụ gia được chuyển từ két chứa qua hệ thống ống sấy và sau đó được sấy khô qua băng tải trước khi đưa vào máy nghiền Sản phẩm sau khi ra khỏi máy nghiền sẽ được vận chuyển qua hệ thống gầu nông nhờ vào hệ thống hồi lưu Khí bụi phát sinh từ quá trình nghiền và sấy sẽ được xử lý qua hệ thống lọc bụi tĩnh điện.
Sau khi nghiền, xi măng và phụ gia đạt độ mịn quy định sẽ được chuyển vào silo Từ đây, qua hệ thống van, xi măng được dẫn vào máng khí động và gàu vận chuyển, sau đó đổ vào sàn rung và két chứa của cân PFISTER Tại két chứa, xi măng được tháo xuống bao thông qua các van mở, có gắn cảm biến mức để theo dõi khối lượng bao đang đóng, với ba mức: thấp, bình thường và cao Van sẽ tiếp tục mở để xi măng được đổ vào bao cho đến khi đạt đủ khối lượng, sau đó sẽ đóng lại Hệ thống đóng bao này hoạt động tự động nhằm đảm bảo quy trình sản xuất hiệu quả.
4 máy đóng bao loại quay 8 vòi theo thiết kế của hãng Ventomatic (trong đó có hai máy tự động)
Máy có năng suất 100 tấn/h, với bao bì được làm sạch bằng khí nén và vận chuyển qua hệ thống băng tải cao su Sản phẩm được đưa xuống hai máng xuất ô tô và hai máng xuất tàu, trong đó băng tải được trang bị sensor để đếm số lượng sản phẩm.
Chi tiết về công đoạn nung và trao đổi nhiệt
Hình 1 2 Tháp trao đổi nhiệt lò quay
Sau khi nguyên liệu được nghiền và vận chuyển đến silo đồng nhất, hệ thống gầu múc sẽ đưa nguyên liệu lên đỉnh tháp trao đổi nhiệt Tại đây, nguyên liệu được cấp vào ống nối giữa cyclone 1 và cyclone 2, sau đó đi vào cyclone 1 cùng với dòng khí nóng để được gia nhiệt và lắng xuống Nguyên liệu sau khi gia nhiệt sẽ được chuyển vào ống nối giữa cyclone 2 và cyclone 3, tiếp tục vào cyclone 2, nơi nó tách ra khỏi dòng khí nóng và lắng xuống Quá trình này lặp lại ở các cyclone khác, giúp nguyên liệu được chuyển qua từng bước và đồng thời trao đổi nhiệt với khí nóng.
Sau khi chuyển đến cyclone 4, một phần nguyên liệu sẽ được tách ra để đi trực tiếp vào lò, trong khi phần còn lại sẽ được chuyển đến buồng phân hủy Tại buồng phân hủy, nguyên liệu được gia nhiệt bằng dòng khí nóng có tốc độ cao, giúp chúng lơ lửng trong không gian này.
Trong quá trình sản xuất, 25% đến 40% bột liệu được chuyển đến nhánh của lò, trong khi 60% đến 75% được chuyển tới nhánh của buồng phân hủy Trước khi rời khỏi tầng đáy, nguyên liệu cần đạt mức canxi hóa từ 90% đến 95%.
Nguyên liệu được chuyển vào lò thông qua sự kết hợp giữa độ nghiêng và chuyển động quay Khi nguyên liệu tiếp cận ngọn lửa, nhiệt độ tăng cao và quá trình Clinker hoá diễn ra Sau khi rời khỏi lò, nguyên liệu được đưa vào máy làm nguội kiểu ghi, nơi nó được làm mát đột ngột bằng cách trao đổi nhiệt với gió 2, trước khi được chuyển tới thiết bị vận chuyển Clinker qua máy đập Clinker.
Tốc độ quay của lò được người vận hành điều chỉnh đảm bảo đủ thời gian cho quá trình Clinker hoá thích hợp xảy ra
Hình 1 3 Sơ đồ tháp trao đổi nhiệt trong nhà máy xi măng Long Sơn
- Gió được đưa vào hệ thống lò bao gồm hai nhiệm vụ chính:
Nhiệm vụ đầu tiên của gió trong quá trình cháy là cung cấp lượng oxy cần thiết để nhiên liệu cháy hoàn toàn Nếu gió không đủ, nhiên liệu sẽ không cháy hết, trong khi nếu gió quá nhiều, nhiên liệu sẽ cháy quá nhanh, dẫn đến lãng phí Hơn nữa, lượng gió đưa vào sẽ ảnh hưởng đến áp suất khí trong lò, từ đó tác động đến nhiệt độ và chất lượng clinker.
Nhiệm vụ chính của hệ thống là cung cấp nhiệt để sấy nhiên liệu đến nhiệt độ tối ưu, nhằm đạt hiệu suất cao nhất Đồng thời, hệ thống cũng tạo ra áp suất cần thiết để đẩy nhiên liệu vào lò, với lượng gió vào lò qua hệ thống vòi đốt tỷ lệ thuận với lượng nhiên liệu cấp vào.
Lượng gió đi qua lò có thể được phân làm 3 đường gió chính như sau:
+ Đường gió 1 là: đường khí tươi lấy trực tiếp từ môi trường mục đích để phun nhiên liệu vào trong lò
Đường gió 2 là nguồn cung cấp gió cho vòi đốt lò nung sau khi đã trao đổi nhiệt với clinker nóng Gió 2 được quạt ID đưa vào lò, với lưu lượng được điều chỉnh bởi hệ thống van và tốc độ quạt ID nhằm đảm bảo đủ oxy cho quá trình cháy của nhiên liệu Việc điều chỉnh gió 2 một cách chính xác sẽ giúp kiểm soát ngọn lửa và nhiệt độ trong zôn nung.
Đường gió 3 cung cấp gió cho vòi đốt canxiner, tương tự như đường gió 2, và được lấy từ hệ thống làm nguội sau khi đã trao đổi nhiệt với clinker nóng Nhiệt độ của gió 3 phụ thuộc vào hiệu quả làm mát của hệ thống Lưu lượng gió 3 được điều chỉnh thông qua quạt ID và van điều chỉnh lưu lượng gió từ buồng phân hủy, đảm bảo nhiên liệu trong buồng phân hủy được đốt cháy hoàn toàn.
Nhiệt độ trung bình trong buồng phân huỷ và tầng Cyclone của nhánh buồng phân huỷ dao động từ 870 °C đến 900 °C, giúp quá trình Canxi hoá bột liệu diễn ra nhanh chóng với mức Canxi hoá đạt khoảng 90-95% Để duy trì nhiệt độ ổn định trong buồng phân huỷ, cần điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp vào buồng Việc kiểm soát nhiệt độ này thường được thực hiện thông qua chu trình điều khiển tự động, nhằm đảm bảo mức Canxi hoá của liệu đưa vào lò luôn ổn định.
Chức năng của quạt ID và yêu cầu điều khiển
1.3.1 Chức năng của quạt ID
Trong nhà máy xi măng, quạt ID giữ vai trò quan trọng như lá phổi của hệ thống, giúp duy trì hoạt động hiệu quả Là loại quạt có công suất lớn nhất, quạt ID thường được đặt sau bộ sấy và có nhiệm vụ hút gió 1, gió Việc sử dụng quạt ID không chỉ đảm bảo quá trình sản xuất diễn ra suôn sẻ mà còn góp phần tối ưu hóa hiệu suất của toàn bộ nhà máy.
Quá trình cháy trong lò canxiner diễn ra nhờ vào sự kết hợp của 2 và gió 3, tạo ra áp suất âm ở đỉnh tháp năm tầng Khi khí ra khỏi cyclone 1, quạt ID sẽ hút một phần khí để dẫn đến máy nghiền nhằm sấy nguyên liệu trước khi nghiền, trong khi phần còn lại được đưa tới hệ thống lọc bụi tĩnh điện và thải ra ống khói Nếu không có quạt ID, sẽ không có dòng khí lưu thông trong tháp năm tầng, dẫn đến việc quá trình đốt cháy nhiên liệu không thể thực hiện Điều này ngăn cản việc loại bỏ khí từ hệ thống và cản trở sự trao đổi nhiệt giữa bột liệu lạnh và dòng khí nóng, cho thấy quạt ID có vai trò vô cùng quan trọng trong nhà máy xi măng.
1.3.2 Yêu cầu điều khiển của quạt ID Điều khiển quạt ID để duy trì lượng oxy trong trong lò theo một mức đã đặt trước đảm bảo quá trình nhiên liệu trong lò được cháy hết Hay yêu cầu điều khiển quạt ID là điều chỉnh lưu lượng gió theo yêu cầu cháy trong lò canxiner Tỷ lệ gió có thể thay đổi trong một dải sai số điều khiển Nếu một hệ thống với việc điều chỉnh gió quá thấp so với yêu cầu sẽ gây thiếu gió để đốt cháy nhiên liệu, nếu lượng gió quá lớn sẽ làm quá trình cháy xảy ra với tốc độ nhanh và nhiên liệu gây lãng phí, ảnh hưởng tới quá trình nhiệt trong lò Hệ thống phân tích thành phần Oxy trong khí thải lò được sử dụng trong chiến lược điều khiển tỷ lệ gió để duy trì một lượng khí thừa nhất định đảm bảo quá trình nhiên liệu trong lò được cháy hết Khi nồng độ Oxy trong khí thải của lò nhỏ hơn nồng độ Oxy cần thiết, tín hiệu điều khiển đưa về bộ tính toán sẽ giảm đi Bộ tính toán sẽ tính toán giá trị đặt cho van gió 3, làm giảm lưu lượng gió qua van gió 3 Do đó lưu lượng gió 2 vào lò sẽ tăng lên, lượng Oxy cung cấp cho lò tăng lên Để duy trì lượng gió 2 theo yêu cầu, ta sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển van gió 3 Lượng gió đi vào canxiner gồm có gió 1 đi vào buồng phân hủy từ ống phun nhiên liệu, gió 3 vào canxiner được trích từ gió làm nguội clinker ở đầu ra của lò nung Mục đích của gió 3 là tận dụng nhiệt từ gió làm mát clinker để sấy nguyên liệu trong canxiner và trong nhánh tháp trao đổi nhiệt, đồng thời cũng cung cấp Oxy cho quá trình cháy trong buồng phân hủy Khi nồng độ Oxy trong nhánh tháp trao đổi nhiệt thấp, tức là lượng Oxy cung cấp cho buồng phân hủy không đủ để cho than cháy hết hoàn toàn thì ta phải điều chỉnh lưu lượng gió qua hệ thống lò nhờ quạt ID đặt phía sau của nhánh tháp trao đổi nhiệt.
Cấu tạo và đặc tính điều chỉnh lưu lượng của quạt công suất lớn, quạt li tâm
Trong nhà máy xi măng có nhiều loại quạt công suất phân bố ở các công đoạn khác nhau như:
+ Công đoạn nghiền: Quạt nghiền hút liệu từ máy nghiền liệu Quạt lọc bụi có tác dụng hút bụi dư ở bộ lọc tĩnh điện hay bộ lọc túi
Trong công đoạn lò, quạt sơ cấp (gió 1) đóng vai trò quan trọng trong việc tạo áp lực để đẩy và đốt than Quạt làm mát clinker giúp giảm nhiệt độ từ 1400 độ xuống khoảng 100 độ Đồng thời, quạt ID cũng tạo ra nguồn gió ngược nhằm sấy khô nhiên liệu trước khi đưa vào lò.
1.4.1 Cấu tạo của quạt li tâm
Quạt gió là thiết bị thiết yếu trong nhà máy xi măng, đặc biệt là các loại quạt có công suất lớn như quạt ID và quạt hút liệu Những quạt này thường được thiết kế theo kiểu ly tâm với số lượng cánh cắt không khí lớn Cánh rotor của quạt ly tâm được gắn chặt vào mặt đỡ và vòng giữ đỡ, trong khi rotor nằm trong vỏ quạt có hình dạng xoắn ốc.
Bánh công tác có cánh cong về phía trước tạo ra áp lực cao hơn so với bánh công tác có cánh thẳng hoặc cong về phía sau khi hoạt động ở cùng một số vòng quay Trong các loại quạt, bánh công tác thường được thiết kế với cánh cong về phía trước hoặc cánh thẳng.
Cuối ống dẫn ra thường dùng đoạn ống chuyển tiếp có dạng loa để tiếp tục tăng áp khí sau khi ra khỏi vỏ
Hình 1 5 Sơ đồ kết cấu của quạt ly tâm
1 – Trục; 2 – Đĩa chính; 3 – Cánh dẫn; 4 – Đĩa phụ; 5 – Mạng cánh; 6 – Vành truyền động; 7 – Vỏ quạt; 8 – Bệ quạt; 9 – Ổ đỡ; 10 ,11 – Ống ra ống vào
Bánh công tác của quạt được tạo bởi trục 1, gắn chặt với đĩa chính 2 Các cánh dẫn làm việc 3 cũng được gắn với đĩa chính 2 và đĩa phụ 4, đảm bảo độ cứng cần thiết cho mạng cánh 5 Thanh truyền động của quạt là 6, trong khi vỏ quạt 7 được gắn với bệ 8, nơi có ổ đỡ 9 mang trục quạt Bánh công tác 10 và nắp kẹp 11 của ống vào và ống ra hoàn thiện cấu trúc của quạt.
Quạt ly tâm hoạt động bằng cách hút không khí dọc theo trục và sử dụng lực ly tâm để đẩy gió ra theo hướng vuông góc với trục quạt, giúp nâng cao áp suất không khí và giảm tiếng ồn so với quạt hướng trục Để đáp ứng nhu cầu lắp đặt của người sử dụng, quạt ly tâm được sản xuất với hai chiều quay khác nhau, bao gồm quạt quay phải (chiều kim đồng hồ) và quạt quay trái Quạt có thể được gắn trực tiếp với động cơ điện hoặc kết nối gián tiếp thông qua hệ thống bánh đai.
1.4.2 Đường đặc tính của quạt ly tâm Đặc tính của quạt ly tâm thường thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng gió Q và áp suất P tác dụng lên đường ống là độ mở van và là tốc độ của quạt Quạt làm việc tại điểm A là giao giữa đường đặc tính của đường ống ứng với độ mở van và đường đặc tính quạt Tại điểm A ứng với lưu lượng gió và áp suất
Hình 1 6 Đường đặc tính của quạt ly tâm
1.4.3 Các phương pháp điều chỉnh lưu lượng gió Để điều chỉnh lưu lượng gió, có 2 phương pháp sau:
+ Điều chỉnh bằng van tiết lưu:
Điều chỉnh lưu lượng bằng van tiết lưu thông qua việc thay đổi góc mở van, dẫn đến sự thay đổi lưu lượng Tốc độ quạt thường được đặt ở mức hằng số, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
+ Khi góc mở van là ta có điểm làm việc là A với lưu lượng và áp suất
+ Khi thay đổi góc mở van là < ta có điểm làm việc mới là B với lưu lượng và áp suất Trong đó < và >
- Điều chỉnh bằng thay đổi tốc độ quạt:
Phương pháp này điều chỉnh đường đặc tính của quạt bằng cách thay đổi tốc độ quạt trong khi giữ nguyên góc mở van tiết lưu Khi tốc độ quạt được tăng lên và góc mở van tiết lưu được đặt ở mức 100%, đặc tính của quạt sẽ thay đổi, dẫn đến sự biến đổi trong lưu lượng khí.
+ Khi tốc độ quạt là và góc mở van tiết lưu là 100% ta có điểm làm việc A với lưu lượng và áp suất
Khi thay đổi tốc độ quạt mà giữ nguyên góc mở van ở mức 100%, điểm làm việc mới sẽ là B với lưu lượng và áp suất tương ứng Tại điểm này, lưu lượng và áp suất sẽ có sự thay đổi nhất định.
Hình 1 8 Điều chỉnh bằng thay đổi tốc độ động cơ Ưu điểm của phương pháp điều khiển lưu lượng bằng tốc độ:
Khi quạt hoạt động tại điểm A với lưu lượng tối đa và góc mở van là 100%, để đạt được lưu lượng mong muốn, chúng ta có hai phương pháp điều chỉnh: thay đổi tốc độ quạt hoặc sử dụng van tiết lưu.
Hình 1 9 Ưu điểm của phương pháp điều khiển bằng tốc độ
Ta có công suất động cơ là P = M mà p M và Q nên ta có P Pq
Khi điều chỉnh lưu lượng bằng thay đổi góc mở van tiết lưu ta có:
Khi điều chỉnh lưu lượng bằng thay đổi tốc độ quạt ta có:
Việc điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi tốc độ quạt tiết kiệm năng lượng hơn so với việc sử dụng van tiết lưu Phương pháp này chỉ hiệu quả trong một khoảng nhất định, nhưng về mặt kinh tế, nó mang lại lợi ích lớn hơn so với việc thay đổi góc mở của van tiết lưu.
PHÂN TÍCH BỘ BIẾN TẦN TRUNG THẾ PERFECT HARMONY CỦA
Đặc điểm của bộ biến tần Perfect Harmony
Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách điều khiển điện áp và tần số giúp hệ thống phân phối nhà máy không bị biến dạng sóng và không cần bộ lọc điện Hệ thống đạt hệ số công suất cao, lên tới 95% hoặc hơn, trong phạm vi tốc độ dưới định mức mà không cần hiệu chỉnh Động cơ không bị giảm tải do tác động của sóng hài đầu ra, không bị nóng khi sử dụng biến tần Khi được thiết lập đúng cách, hệ thống không tạo ra nhịp xung mômen xoắn, giảm thiểu nguy cơ kích thích cộng hưởng cơ học và giảm tiếng ồn so với hoạt động trực tiếp không sử dụng biến tần.
Động cơ cho phép sử dụng mômen xoắn không hạn chế trong phạm vi tốc độ dưới định mức, chỉ bị giới hạn bởi các yếu tố nhiệt Thiết kế hoàn toàn theo modul giúp dễ dàng thay thế các modul khiếm khuyết trong vài phút, cùng với hệ thống chẩn đoán thông minh xác định chính xác vị trí lỗi Hiệu năng không bị hạn chế đạt được nhờ công nghệ tiên tiến trong cấu hình sản phẩm mới Các mức điện áp trung bình được tạo ra bằng cách cộng các đầu ra từ nhiều nguồn điện áp thấp, với các thành phần điện áp thấp là phiên bản đơn giản hóa của động cơ PWM tiêu chuẩn.
Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần trung thế
Bộ biến tần trung thế đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm bơm công suất lớn trong ngành dầu khí, quạt công suất cao trong ngành xi măng, tàu điện trong giao thông vận tải, và máy cán thép trong ngành chế biến kim loại Hiện nay, 85% các hệ truyền động điện sử dụng bộ biến tần trung thế để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.
Bộ biến tần trung thế có điện áp cao và công suất lớn, khác biệt với các loại biến tần thông thường Nó sử dụng nghịch lưu một pha ghép nối để tạo ra nhiều mức điện áp phù hợp Trong lĩnh vực công nghiệp, hệ truyền động điện trung áp chiếm đến 97% tổng số hệ thống truyền động với nhiều loại hoạt động khác nhau.
Hình 2 1 Cấu trúc từng phần của bộ biến tần + Nguồn : Là nguồn xoay chiều ba pha với các cấp điện áp tùy chọn
Bộ lọc phía lưới giúp giảm thiểu sóng hài trong lưới điện, bao gồm tụ điện C và điện cảm L Tụ C và điện cảm L ổn định dòng điện, đảm bảo nguồn cung cấp cho các khối tiếp theo không bị ảnh hưởng bởi biến động điện áp lưới.
Máy biến áp đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra điện áp phù hợp với các thông số của bán dẫn, giúp giảm tốc độ tăng vòng giữa các van và cách ly mạch động lực khỏi lưới điện Đối với bộ chỉnh lưu 6 xung, máy biến áp chỉ cần cung cấp điện áp cần thiết Tuy nhiên, với các bộ chỉnh lưu 12, 18 và 24 xung, máy biến áp còn tạo ra các góc lệnh pha cân bằng, từ đó nâng cao mức công suất cho toàn bộ hệ thống.
Chỉnh lưu là quá trình chuyển đổi điện áp xoay chiều 3 pha thành điện áp một chiều Quá trình này có thể thực hiện thông qua hai phương pháp: chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển.
+ Bộ lọc một chiều: Gồm có điện cảm L và tụ điện C Tụ C để chứa năng lượng điện một chiều và giữ cho điện áp không đổi
Nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều 3 pha để cung cấp cho động cơ, thường sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp nhiều mức với quá trình chuyển mạch cưỡng bức Để đảm bảo điện áp và dòng điện ổn định cho động cơ, bộ lọc bên phía động cơ giữ vai trò quan trọng sau khối nghịch lưu.
Mạch chỉnh lưu trong biến tần trung thế
Bộ chỉnh lưu trong biến tần trung thế thường là bộ chỉnh lưu nhiều xung, bao gồm các loại 12 xung, 18 xung và 24 xung, được tạo ra từ máy biến áp với nhiều cuộn thứ cấp có điện áp lệch nhau Mỗi cuộn thứ cấp cung cấp cho một chỉnh lưu 6 xung, giúp giảm thiểu tổng sóng hài trong dòng điện lưới, nhờ đó không cần sử dụng bộ lọc LC hay bộ lọc hình sin Tuy nhiên, bộ chỉnh lưu 30 xung trở lên ít được áp dụng trong thực tế do chi phí biến áp cao và hiệu suất cải tiến không đáng kể.
Các bộ chỉnh lưu nhiều xung có thể phân làm hai loại:
Các bộ chỉnh lưu nối tiếp cung cấp điện áp ra từ các điện áp chỉnh lưu 6 xung, thường được sử dụng cho các bộ nghịch lưu có điốt kẹp và sơ đồ tụ bay.
Các bộ chỉnh lưu riêng biệt tạo ra sáu nguồn một chiều 6 xung khác nhau, cung cấp năng lượng cho nghịch lưu cầu H Để đánh giá tổng thành phần sóng hài, có thể sử dụng công thức phù hợp.
Trong đó: là giá trị hiệu dụng của dòng điện lưới là giá trị hiệu dụng thành phần bậc 1 của dòng điện lưới
Bảng 2-1 Các chỉnh lưu nối tiếp sử dụng trong biến tần trung thế
Chỉnh lưu 12 xung sử dụng máy biến áp với hai cuộn thứ cấp: một cuộn đấu hình sao và một cuộn đấu tam giác, có sự dịch pha 30 độ Tổng sóng hài THD của dòng điện ở phía sơ cấp là 8,38%.
Chỉnh lưu 18 xung Sơ đồ có 3 cuộn dây thứ cấp có điện áp dịch pha so với nhau Cuộn đấu Z(20 ), cuộn đấu sao (0 ) và Z(-
Tổng sóng hài THD của dòng điện sơ cấp chỉ có 3,06%
Sơ đồ điện có 4 cuộn dây ở phía thứ cấp, với các pha dịch nhau 15 độ Cụ thể, cuộn Z có độ dịch pha -15 độ, cuộn sao ở 0 độ, cuộn Z ở 15 độ và cuộn tam giác ở 30 độ Tổng sóng hài tổng THD của dòng điện sơ cấp chỉ đạt 1,49%.
Bài viết này trình bày hình ảnh so sánh độ méo sóng hài dòng điện tổng (THD) của lưới điện khi sử dụng các bộ biến tần 6 xung, 12 xung và biến tần Perfect Harmony Những so sánh này giúp người đọc hiểu rõ hơn về hiệu suất và chất lượng điện năng của từng loại biến tần, từ đó đưa ra lựa chọn phù hợp cho nhu cầu sử dụng.
Hình 2 2 So sánh độ méo sóng hài của 3 loại biến tần
Cụ thể là độ méo sóng hài dòng điện THD của bộ biến tần 6 xung là 25%, 12 xung là 8.8%, và của bộ Perfect Harmony là 0.8%.
Mạch Nghịch lưu
Trong biến tần trung thế có các loại mạch nghịch lưu như
Biến tần đa mức điot kẹp
Biến tần đa mức tụ kẹp
Biến tần đa mức cầu H nối tầng
Biến tần PERFECT HARMONY sử dụng mạch nghịch lưu nối tầng 5 mức Trong mục này chỉ phân tích về biến tần đa mức cầu H nối tầng
2.4.1 Mạch nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng a) Mạch nghịch lưu cơ bản (cell)
Bộ biến tần trung thế có đặc điểm nổi bật là điện áp cao và công suất lớn, khác với các loại biến tần thông thường Để tạo ra nhiều mức điện áp phù hợp, bộ biến tần này sử dụng nghịch lưu một pha ghép nối tiếp Mạch nghịch lưu của biến tần trung thế được thiết kế dưới dạng mạch nghịch lưu cầu H nối tầng.
Sơ đồ nguyên lý cơ bản mạch nghịch lưu một pha cầu H trình bày như hình vẽ:
Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu cầu H cơ bản
Bốn van bán dẫn công suất T1, T2, T3, T4 cùng với các điốt được sử dụng để điều chỉnh công suất phản kháng của tải trở về lưới điện, giúp ngăn chặn hiện tượng quá áp tại đầu nguồn.
Tụ C được kết nối song song với nguồn điện để tạo ra nguồn hai chiều, vì nguồn một chiều chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng Điều này cho phép tụ C tiếp nhận công suất phản kháng từ tải, đồng thời đảm bảo nguồn đầu vào là nguồn áp Khi giá trị của tụ C tăng lên, nội trở của nguồn giảm, giúp điện áp đầu vào ổn định hơn.
Trong mạch nghịch lưu cầu 1 pha nguồn áp cơ bản, trong nửa chu kỳ đầu tiên (0 ÷ θ 2), cặp van T1 và T4 dẫn điện, và phụ tải được kết nối vào mạch.
T 2 nguồn, do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải U t = E
Tại thời điểm θ = θ 2, T1 và T4 bị khóa trong khi T2 và T3 mở ra, dẫn đến việc tải được đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, khiến dấu điện áp trên tải đổi chiều và U t = -E Mặc dù tải mang tính trở cảm, dòng điện vẫn giữ nguyên hướng cũ; khi T1 và T4 bị khóa, dòng điện khép mạch qua điốt D2 và D3 Suất điện động cảm ứng trên tải trở thành nguồn trả năng lượng qua D2 và D3 về tụ C.
Khi khóa cặp T2 và T3, dòng tải sẽ được khép mạch qua các diod D1 và D4 Đồ thị điện áp tải U_t và dòng điện qua các van được thể hiện trong hình 2.4.
Nguyên lý tạo xung PWM cho nghịch lưu cầu một pha:
Xung điều khiển cho van T1 và T2 được tạo ra bằng cách so sánh tín hiệu sin chuẩn U đkA với tín hiệu răng cưa tần số cao U rc, với độ rộng tương ứng tại thời điểm U đkA = U rc Trong khi đó, xung điều khiển cho van T4 và T3 có độ rộng tương ứng tại thời điểm U đkB = -U rc.
Khi U đkA > U rc thì T1 có xung điều khiển, T 1 mở U AN = +V dc
Khi U đkA < U rc thì T2 mở U AN = 0
Khi –U đkB > U rc thì T3 mở U BN = +V dc
Khi –U đkB < U rc thì T4 mở U BN = 0
Tổng hợp lại có các trường hợp sau:
Nguyên lý tạo xung PWM cho nghịch lưu một pha được mô tả như đồ thị hình 2.5
Hình 2 5 Điện áp trên tải U AB gồm 3 mức điện áp: -V dc , 0, +V dc b) Nguyên lý điều khiển mạch nghịch lưu nối tầng cầu H
Mạch nghịch lưu của BBT trung thế Perfect Harmony cung cấp điện cho quạt ID được thiết kế theo sơ đồ nghịch lưu cầu H nối tầng, với mỗi pha bao gồm 5 cell nghịch lưu cơ bản, như thể hiện trong hình 2.6.
Hình 2 6 Sơ đồ nghịch lưu trung thế 11 mức
Bộ nghịch lưu này bao gồm nhiều cầu H một pha nối tiếp, mỗi cầu H được cấu tạo từ 4 khóa bán dẫn và được cấp nguồn một chiều Khi hoạt động, 5 bộ nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo ra 5 mức điện áp âm, 5 mức điện áp dương và một mức điện áp 0.
Xét 1 cell nghịch lưu: mỗi một cell nghịch lưu được cấp từ một nguồn một chiều độc lập như hình 2.7
Hình 2 7 Sơ đồ một cell nghịch lưu
Sơ đồ một cell nghịch lưu tương tự như sơ đồ nghịch lưu cầu H 1 pha đã được phân tích trước đó Điện áp ra của một cell bao gồm ba mức: +V dc, 0 và -V dc Ba mức điện áp này được tạo ra nhờ sự kết hợp trạng thái của các van trong cầu H.
Mức điện áp mỗi pha của động cơ được tính theo công thức m = 2S + 1, trong đó S là số cell nghịch lưu Đối với bộ biến tần trung thế Perfect Harmony, mỗi nhánh pha tải bao gồm 5 cell Sơ đồ nghịch lưu cầu H mang lại nhiều ưu điểm vượt trội.
+ Tạo ra được nhiều mức điện áp mong muốn
Bộ nghịch lưu của biến tần chế tạo được thiết kế theo dạng mô-đun, sử dụng van IGBT trung thế, mang lại độ linh động và độ tin cậy cao Thiết kế này không chỉ giúp dễ dàng trong việc bảo trì mà còn đơn giản hóa quá trình lắp ráp và hiệu chỉnh.
+ Mỗi cầu H cần một nguồn một chiều riêng biệt,cấu tạo mạch lực phức tạp
2.4.2 Nguyên lý điều khiển mạch nghịch lưu
Xét cell 1 trong pha A, nguyên lý tạo xung như sau:
+ RA là điện áp điều khiển pha A tần số 50Hz
+ U rc1 là điện áp răng cưa
+ Xung L1 là xung điều khiển đóng mở van S1, S2 được tạo ra bởi so sánh hai điện áp
U rc1 và điện áp điều khiển RA:
RA > U rc1 thì L1 = “1” xung điều khiển S1 dẫn
RA < U rc1 thì L1 = “0” xung điều khiển S2 dẫn
+ Xung R1 là xung điều khiển đóng mở van S3, S4 được tạo ra bởi so sánh hai điện áp
U rc1 và điện áp điều khiển RA:
RA > -U rc1 thì R1 = “0” xung điều khiển S4 dẫn
RA < -U rc1 thì R1= “1” xung điều khiển S3 dẫn Điện áp ra cầu nghịch lưu của pha A như hình 2.8
Hình 2 8 Nguyên lý tạo xung điều khiển của 1 cell của pha A
Hình 2 9 Điện áp các cell của pha A và điện áp pha A động cơ
Góc dịch pha giữa các điện áp răng cưa của các cầu nghịch lưu trong một pha, cụ thể là pha B và pha C, có nguyên lý điều khiển tương tự như pha A Điểm khác biệt là điện áp điều khiển RA lệnh pha nhau 120° Do đó, điện áp xung răng cưa U rc của pha này sẽ lệch pha so với pha kia một góc θ.
Cấu hình chung hệ thống điều khiển bộ biến tần Perfect Hamony
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tổng quát BBT gồm các khối:
+ Khối ghép nối tín hiệu (Signal Interface)
+ Khối đo lường (Conditioning Boards)
+ Khối biến đổi A/D (A/D converter board)
+ Khối sử lý trung tâm (Pentium Processor Board)
+ Khối đầu vào số (Digital Modulator Board)
+ Một hoặc hai khối truyền xung sử dụng cáp quang (Fiber Optic Interface Boards)
Khối ghép nối tín hiệu xử lý phản hồi chuyển đổi tín hiệu thành số qua cáp 50 sợi, với tần số mẫu 3-6 kHz phụ thuộc vào tần số chuyển mạch của IGBT Digital Modulator khởi động chu kỳ mẫu cho khối biến đổi A/D, và khi hoàn tất, phát xung ngắt đến khâu xử lý trung tâm để bắt đầu tính toán Khâu xử lý tính toán các bộ điều chỉnh và phát ra 3 tín hiệu chuẩn 3 pha RA, RB, RC cho khâu điều chế xung điều khiển, đồng thời thu thập và xử lý tín hiệu phản hồi cho chỉ thị dòng điện, điện áp, công suất, thực hiện chức năng bảo vệ như quá dòng, thấp áp, và quá áp một pha Khối điều chế gồm 4 khâu EPLD, với một khâu chủ và 3 khâu tớ, thực hiện điều chế và truyền thông cho 5 cell, bao gồm dịch xung tam giác và điều chế PWM Tín hiệu điều khiển được truyền cho IGBT qua cáp quang, trong khi tín hiệu trạng thái của các cell được thu nhận và mã hóa nhờ một khâu EPLD, và truyền về khâu xử lý trung tâm FOLA (for Fiber Optic Link Adapter) là bộ phận phần cứng EPLD nhận và truyền tín hiệu từ các cell.
Khâu EPLD có nhiệm vụ lưu trữ thông tin về các sự cố liên quan đến nguồn, phần cứng và truyền thông với khâu điều khiển Bypass Khi phát hiện sự cố ở một cell, khâu EPLD sẽ gửi tín hiệu tới khâu điều khiển Bypass để kích hoạt công tắc tơ Bypass, ngắt kết nối cell gặp sự cố.
Mỗi khâu của bảng giao diện quang (Fiber Optic Interface Boards) có nhiệm vụ truyền tín hiệu xung cho 15 cell của BBT Khâu điều khiển mỗi cell (CCB) sẽ chuyển đổi tín hiệu xung nhận được thành xung cung cấp cho cực điều khiển của IGBT.
Cấu hình điều khiển vector của bộ biến tần Perfect Hamony
Hình 2 11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vector BBT Perfect Harmony thực hiện cấu hình điều khiển vector có sơ đồ khối như hình 2.11
1 Mô hình động cơ (Motor Model): Sử dụng để đo lường điện áp, dòng điện, tính toán sụt áp trên điện trở để ước lượng từ thông stator động cơ, tính toán tốc độ, góc từ thông Điện trở stator được bù một cách tự động Đơn giản hóa phương trình động cơ thu được bằng cách chuyển 3 pha động cơ xoay chiều (trong hệ quy chiếu đứng yên) sang động cơ một chiều (hệ quy chiếu dp) Khâu PLL sẽ tính toán góc từ thông và tần số stator Biên độ từ thông động cơ được điều khiển bằng bộ điều chỉnh từ thông Tín hiệu phản hồi tốc độ động cơ được xác định từ tốc độ stator và tốc độ trượt bằng bộ điều chỉnh tốc độ
2 Hệ thống điều khiển vector vòng hở (OLVC): Được sử dụng cho nhiều hệ truyền động một động cơ Ở chế độ điều khiển này không dùng encoder mà sử dụng khâu tính độ trượt là hàm momen phụ tải nhằn đáp ứng chất lượng tương đương như sơ đồ dùng cảm biến tốc độ Hệ thống có thể đáp ứng chất lượng điều khiển ở vùng tốc độ lớn hơn 1% định mức Tốc độ được tính toán từ tần số stator và tốc độ trượt ước lượng được
3 Hệ thống điều khiển vector vòng kín (CLVC): Ứng dụng cho các hệ truyền động điện làm việc ở tốc độ động cơ thấp hơn 1% định mức Sử dụng encoder để phản hồi tốc độ.
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTOR VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG
Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha
Động cơ không đồng bộ 3 pha là loại máy điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, trong đó tốc độ của rotor không đồng nhất với tốc độ của từ trường quay trong máy.
Động cơ không đồng bộ ba pha là lựa chọn phổ biến trong sản xuất và sinh hoạt nhờ vào thiết kế đơn giản, chi phí thấp và độ tin cậy cao Với hiệu suất vận hành tốt và yêu cầu bảo trì gần như không có, loại động cơ này có dải công suất rộng từ vài Watt đến 10.000 hp.
Giống như các loại máy điện khác, động cơ không đồng bộ ba pha gồm có các bộ phận chính như sau:
+ Phần tỉnh hay còn gọi là Stator
+ Phần quay hay còn gọi là Rotor a) Phần tỉnh (Stator)
Trên Stator có vỏ, lõi thép và dây quấn
Vỏ máy có vai trò quan trọng trong việc cố định lõi thép và dây quấn, thường được chế tạo từ gang Đối với những máy có công suất lớn khoảng 1000kW, vỏ máy thường được làm từ thép tấm hàn Phương pháp làm nguội cũng ảnh hưởng đến thiết kế và chất liệu của máy và vỏ.
Lõi thép là thành phần quan trọng trong việc dẫn từ, được thiết kế để giảm thiểu tổn hao do từ trường quay Để đạt được hiệu quả tối ưu, lõi thép được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm, được ép lại với nhau Mỗi lõi đều được phủ sơn cách điện nhằm hạn chế hao tổn, và các tấm thép được ghép thành những đoạn ngắn dài từ 6 đến 8cm, cách nhau 1cm để đảm bảo thông gió tốt Bên trong lá thép có các rãnh để đặt dây quấn, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Dây quấn là bộ phận quan trọng nhất của động cơ, bao gồm dây quấn Stator được đặt trong các rãnh của lõi thép và được cách điện tốt, cùng với dây quấn phần ứng làm từ đồng, được đặt trong các rãnh phần ứng và tạo thành một hoặc nhiều vòng kín Dây quấn không chỉ tham gia trực tiếp vào quá trình biến đổi năng lượng từ điện năng sang cơ năng, mà còn ảnh hưởng đáng kể đến giá thành của máy, chiếm tỷ lệ cao trong tổng chi phí.
Các yêu cầu đối với dây quấn bao gồm:
Sinh ra một sức điện động đủ lớn để cho phép dòng điện chạy qua mà không làm tăng nhiệt độ quá mức, nhằm tạo ra một momen cần thiết và đảm bảo khả năng đổi chiều hiệu quả.
+ Triệt để tiết kiệm vật liệu, kết cấu đơn giản làm việc chắc chắn an toàn b) Phần quay (Stator)
Phần này gồm 2 bộ phận chính là lõi thép và dây quấn Rotor
Lõi thép trong máy điện thường được làm từ các lá thép kỹ thuật điện, được ép chặt lên trục máy hoặc giá Rotor Bên ngoài các lá thép này có rãnh để lắp đặt dây quấn, giúp tối ưu hóa hiệu suất của máy.
- Dây quấn Rotor: phân loại làm hai loại chính đó là Rotor kiểu dây quấn và Rotor kiểu lồng sóc:
Rotor kiểu dây quấn tương tự như dây quấn ba pha của Stator, với số cực từ tương ứng Loại dây quấn này luôn được đấu hình sao và có ba đầu ra kết nối vào ba vành trượt gắn vào trục để dẫn điện Ngoài ra, một biến trở cũng được nối sao bên ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.
Rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lồng sóc đều là những thành phần quan trọng trong động cơ điện Rotor kiểu lồng sóc được cấu tạo từ các thanh đồng hoặc nhôm đặt trong rãnh và được ngăn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu Đối với động cơ nhỏ, dây quấn rotor thường được đúc nguyên khối, bao gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và quạt làm mát.
Hình 3 2 Cấu tạo Rotor động cơ không đồng bộ a) Dây quấn rotor lồng sóc b) Lõi thép rotor c) ký hiệu động cơ trên sơ đồ
Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ, dao động từ 0.2mm đến 1mm cho các máy cỡ nhỏ và vừa, do rotor có hình dạng tròn Việc duy trì khe hở đều giúp hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới, từ đó nâng cao hệ số công suất của máy.
3.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha
Khi dòng điện ba pha chạy qua dây quấn stator, một từ trường quay xuất hiện trong khe hở với tốc độ n = f1/p, trong đó f1 là tần số lưới điện và p là số cặp cực Từ trường này quét qua thanh dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch, tạo ra dòng điện I2 trong dây quấn rotor Dòng điện này sinh ra từ thông, kết hợp với từ thông của stator để tạo thành từ thông tổng trong khe hở Dòng điện trong dây quấn rotor tương tác với từ thông khe hở, sinh ra mô men có mối liên hệ chặt chẽ với tốc độ quay n của rotor.
Phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông Rotor
Động cơ một chiều (ĐCMC) cho phép điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện: dòng điện kích thích tạo từ thông và dòng điện phần ứng tạo momen quay Nhờ vào việc hai mạch điện của ĐCMC hoàn toàn cách ly, chúng ta có thể áp dụng các thuật toán điều chỉnh đơn giản, yêu cầu thời gian tính toán không lớn từ vi xử lý.
Động cơ xoay chiều ba pha có cấu trúc phức tạp do hệ thống cuộn dây và nguồn cấp điện ba pha, gây khó khăn trong việc mô tả toán học các đặc điểm cách ly Mục đích của phương pháp tựa theo từ thông Rôtor là tạo ra công cụ tách biệt các thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo momen quay từ dòng điện xoay chiều ba pha trong cuộn dây stator Hệ truyền động tựa theo từ thông Rôtor hoạt động dựa trên nguyên tắc điều khiển cách ly các thành phần dòng này thông qua mạch vòng điều chỉnh stator.
3.2.1 Các hệ trục tọa độ trong phương pháp ĐKVT và mối liên quan
Ba dòng pha hình sin phía stator i su , i sv , i sw của ĐCXCBP không nối điểm trung tính:
Có thể được mô tả dưới dạng vector ⃗⃗ quay trên không gian với tần số stator
Ba dòng pha sẽ được biểu diễn dưới dạng hình chiếu của vector xuống các trục của các cuộn dây tương ứng Hình 3.3 minh họa ba dòng pha dưới dạng vector phức.
Hình 3 3 Biểu diễn ba dòng pha dưới dạng vector phức
Trong một hệ tọa độ có hai trục d và q, được quay đồng bộ với vector ⃗⃗, tất cả các vector có thể được biểu diễn dưới dạng thành phần.
Khi trục d của hệ tọa độ mới trùng với trục của vector từ thông rotor, thành phần q của từ thông rotor sẽ biến mất Điều này giúp làm rõ mối quan hệ vật lý giữa momen quay, từ thông rotor và các thành phần dòng.
Momen quay được xác định bởi số đôi cực, từ thông rotor và các thành phần vector dòng stator Hệ số cảm ứng từ giữa stator và rotor, cùng với điện cảm rotor, đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán hằng số thời gian rotor, sử dụng toán tử Laplace s.
Mối quan hệ tuyến tính giữa mômen và thành phần dòng rất rõ ràng Khi từ thông rotor được coi là hằng, dòng sẽ phản ánh mômen quay, cho phép chúng ta sử dụng giá trị đầu ra của bộ điều khiển tốc độ quay làm đại lượng chính cho thành phần dòng trục q Do từ thông rotor biến thiên chậm, nó có thể được xem như hằng trong chu kỳ trích mẫu của vòng điều khiển dòng Vì vậy, giá trị chủ đạo của dòng được tạo ra từ từ thông sẽ là đầu ra của bộ điều khiển từ thông.
Khi hình dung hệ tọa độ dq đứng yên tại một vị trí, trục thực d trùng với trục của một trong ba cuộn dây pha, ta có được một hệ tọa độ cố định với stator Hệ thống cuộn dây ba pha là cố định, cho phép chúng ta thực hiện phép tính chuyển từ ba cuộn dây pha U, V và W sang một hệ hai cuộn dây mới Dòng chảy qua hai cuộn dây này được ký hiệu là và
Hình 3 4 Đồ thị góc pha của phương pháp điều khiển gián tiếp
Lúc này, dễ dàng ta có mối quan hệ giữa 2 hệ toạ độ dq và thông qua góc lệch (hay là góc quay của vector dòng ⃗⃗ )
3.2.2 Cấu trúc hệ điều khiển vector của động cơ không đồng bộ
Hình 3 5 Cấu trúc hệ điều khiển vector của động cơ không đồng bộ
Các khối R Ψ , R ω lần lượt là khối điều chỉnh từ thông (ĐCTT) và khối điều chỉnh tốc độ (ĐCTĐ)
Khối R isd , R isq lần lượt là khối điều chỉnh dòng điện I sd , I sq có nhiệm vụ áp cho từng thành phần dòng các đặc tính truyền đạt cho trước
Khối mô hình động cơ, hay còn gọi là mô hình từ thông, bao gồm các phương trình toán học được tính toán và biến đổi cụ thể Nhiệm vụ chính của khối mô hình này là ước lượng chính xác Ψrd dựa trên các đại lượng đo được như I sd, I sq và ω.
Bài viết trình bày quy trình chuyển đổi hệ tọa độ từ d-q sang α-β và từ α-β sang a-b-c, trong đó tính toán góc θ s (góc giữa Ψ r và trục α) là rất quan trọng Đầu ra từ khối α-β sang a-b-c sẽ tạo ra các điện áp u* as, u* bs, và u* cs, tương ứng với điện áp sin do điều khiển vector xác định Cuối cùng, điện áp ba pha này được đưa vào khối phát xung, sử dụng phương pháp điều chế xung PWM để tạo ra xung và điều khiển IGBT trong mạch nghịch.
Góc θ s là góc quay của hệ tọa độ (d-q) so với hệ tọa độ cố định (α-β) có thể được tính trực tiếp hoặc gián tiếp
+ Tính trực tiếp θ s nghĩa là ta đo trực tiếp ̅ sau đó dựa vào mối liên hệ trong các hệ trục ta đưa ra được công thức tính θ s như sau :
+ Tính gián tiếp θ s bằng cách lấy tích phân tốc độ quay ω s của dòng, áp stator hoặc của từ thông rotor:
Công thức tính góc quay s : s 0 sdt
Trong đó: s góc quay của từ thông rotor
s tốc độ góc của từ thông rotor s r
Từ mô hình đối tượng của động cơ ta có: m m sd r r p m sq t di 1 1 i i dt T T d z
Laplace hai vế phương trình thứ nhất của hệ phương trình 3.9 ta được: m sd r i 1 i
Kết hợp công thức tính tốc độ trượt r ta có: m sq r r rd
3.2.3 Phương trình của ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq
- Ta có hệ phương trình vector của động cơ KĐB trong hệ tọa độ quay đồng bộ (d,q):
Ta rút i từ phương trình r r vào phương trình s ta được: m r r m s s s s r m s r r
Thay các đại lượng mới rút vào phương trình đầu ta được: s m r m s s s s s r s s r r d i
L L Chiếu lên hệ trục toạ độ dq ta được: m m sd s s sd rd s rq s s sq r r m m sq s s sq rq s rd s s sd r r
Vì trục d trùng với trục của từ thông Rotor nên ta có rq =0, ta được: s s s s s s r r r r r s s s m r r m s r r u R i d j dt
m sd s s sd rd s s sq r m sq s s sq s rd s s sd r u (R L s)I L s L I
Cấu hình hệ thống điều khiển lưu lượng
Ta có sơ đồ khối hệ thống điều khiển lưu lượng như hình 3.6
Hình 3 6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lưu lượng
Hệ thống điều khiển lưu lượng sử dụng BBT điều khiển vector với bộ điều khiển lưu lượng vòng ngoài, nhằm tạo ra đầu ra là tốc độ cho hệ điều khiển vector Bộ điều khiển này có nhiệm vụ duy trì lưu lượng theo giá trị đặt thông qua việc điều chỉnh tốc độ quay của quạt, như đã được trình bày trong chương 1.
Ta có phương trình tổng quát về mối liên hệ giữa momen cản và tốc độ ở máy sản xuất: c co dm co dm
M c là momen ứng với tốc độ
M dm là momen ứng với tốc độ định mức dm
M co là momen ứng với tốc độ 0
Momen cản M c của quạt gió tỷ lệ với bình phương tốc độ quay , thể hiện mối quan hệ giữa momen và tốc độ Điều này được mô tả qua đường đặc tính cơ của quạt, cho thấy sự phụ thuộc chặt chẽ giữa hai yếu tố này.
Hình 3 7 Dạng đặc tính cơ của tải quạt gió
Trong quá trình điều khiển, từ thông M luôn tăng, vì vậy không thể điều chỉnh từ thông giảm xuống do chúng tỷ lệ thuận với nhau Từ thông biến thiên chậm, cho phép coi nó là hằng trong chu kỳ trích mẫu của vòng điều khiển dòng, giữ ổn định giá trị từ thông Thay vào đó, chúng ta điều khiển tốc độ quạt thông qua thành phần dòng i sq Phương pháp điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi tốc độ quạt giúp thay đổi đường đặc tính riêng của quạt mà không làm thay đổi góc mở van tiết lưu Khi thay đổi tốc độ quạt và giữ góc mở van tiết lưu ở 100%, đặc tính của quạt sẽ thay đổi, từ đó ảnh hưởng đến lưu lượng Như đã chứng minh ở chương 1, phương pháp này tiết kiệm công suất hơn so với việc điều chỉnh van tiết lưu, mang lại lợi ích kinh tế Tóm lại, cấu trúc vòng điều khiển bao gồm vòng điều khiển dòng điện i sq ở trong cùng, vòng điều khiển tốc độ ω ở giữa, và vòng điều khiển lưu lượng Q ở ngoài cùng.
Tổng hợp các mạch vòng điều khiển
3.4.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện Isd
Từ phương trình mô tả động cơ (phương trình 3.15) ta có: m sd s s sd rd s s sq r u (R L s)I L s L I
L (3.17) phương trình động cơ như sau: sd sd s s
Kết hợp với cấu hình hệ điều khiển vector (Hình 3.4) ta có sơ đồ mạch vòng dòng điện I sd như hình 3.8
Hình 3 8 Sơ đồ mạch vòng dòng điện điều khiển dòng I sd
Hàm truyền đối tượng có dạng: bd id bd id id bd s s id s s d k 1 k k k w 1 T sR (1 T s) 1 T s R (1 T s)(1 T s)
Sử dụng phương pháp tối ưu module sẽ được bộ điều khiển có dạng: p I isd p
Dựa vào công thức đã có ta thu được:
Từ đây ta sẽ thu được bộ điều khiển:
3.4.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện Isq
Từ phương trình mô tả động cơ (phương trình 3.15) ta có: m sq s s sq s rd s s sd r u (R L s)I L L I
L (3.22) Ở đây, khi bỏ qua thành phần suất điện động và thành phần xen kênh ta sẽ thu được phương trình động cơ như sau: sq sq s s
Kết hợp với cấu hình hệ điều khiển vector (Hình 3.4) ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Isq như hình 3.9
Hình 3 9 Sơ đồ mạch vòng dòng điện điều khiển dòng I sq
Tương tự ta có được:
Ta có hàm truyền đối tượng: bd iq iq s s q w k k
Ta thu được hàm truyền của hệ hở là: bd iq s s hiq isq iq bd iq q s s s q q q
Từ đây ta có hàm truyền hệ kín là: hiq kiq 2 2 hiq q sq
3.4.3 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ
Xuất phát từ quan hệ giữa momen quay, từ thông rotor và các thành phần dòng
(phương trình 3.3, 3.4), kết hợp với cấu hình hệ điều khiển vector (Hình 3.4) ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ như hình 3.10
Hình 3 10 Sơ đồ mạch vòng điều khiển tốc độ
Ta có toàn bộ mạch vòng dòng điện Isq được thay thế bằng khâu quán tính bậc 2: kiq 2 2 q sq
Ta có hàm truyền đối tượng BĐK tốc độ:
Khi tính F ta phải nhân thêm hệ số kiq iq
1 k Từ đây ta được đối tượng của bộ điều khiển tốc độ:
Ta sẽ sử dụng BĐK PI dùng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng để thiết kế BĐK cho mạch vòng tốc độ, ta có: p I
Theo phương pháp thiết kế thì
Giá trị a được chọn càng lớn, độ quá điều chỉnh càng nhỏ Chọn a=4 ta được:
3.4.4 Tổng hợp hệ thống điều khiển lưu lượng
Xấp xỉ hàm truyền kín mạch vòng điều khiển tốc độ: ch 2 2 3 3
Dựa trên cấu hình hệ điều khiển lưu lượng trong hình 3.5 và cấu hình hệ điều khiển vector trong hình 3.4, chúng ta có thể xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển lưu lượng như được thể hiện trong hình 3.11.
Hình 3 11 Sơ đồ mạch vòng điều khiển lưu lượng Hàm truyền đối tượng mạch vòng điều chỉnh lưu lượng: q q q q q ch q q q q q q k k 1 k k K
Sử dụng phương pháp tối ưu modul ta có:
Từ đây ta thu được bộ điều khiển lưu lượng: q Q q q q q k T 1
XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
Thông số động cơ và tính toán thông số các mạch vòng điều khiển
Động cơ quạt ID có các thông số sau:
- Công suất định mức: P đm = 2800 kW
- Điện áp định mức: U đm = 6000 V
- Dòng điện định mức: I đm = 306,6 A
- Tốc độ định mức: n = 994 vòng/phút
4.1.2 Tính toán một số tham số
Ta có tốc độ định mức: dm n 994
Điện cảm toàn phần trên stator và rotor là: s r m s
Hằng số thời gian stator: s s s
Hằng số thời gian rotor: r r r
Áp dụng công thức hệ số từ tản:
Dòng Isq ở chế độ xác lập: I sq0 287.4A
Dòng Isd ở chế độ xác lập: I sd0 324.6A
Từ thông rotor khi xác lập: rd0 L I m sd0 0.0292 324.6 9.478Wb
Hệ số khuếch đại: pha bd ch
Hằng số thời gian: bd x
2f Với f là tần số răng cưa chọn x f x 1kHzT bd 0.0005s
4.1.3 Tính toán bộ điều khiển mạch vòng dòng điện Isd
Ta có hàm truyền bộ điều khiển dòng điện I sd : isd p
Chọn T id T iq 0.0005s từ đây ta được: T d T bd T id 0.0005 0.0005 0.001s id '
Với k là hệ số quá dòng kích từ xác lập Chọn ' I k ' I 1
Từ đây ta thu được: p 0.226 0.1555 0.2135 k 0.249
Ta được hàm truyền bộ điều khiển: isd 1
4.1.4 Tính toán mạch vòng dòng điện Isq
Ta đi xác định các thông số ở hàm truyền phản hồi dòng I sq: iq
Từ đây ta thu được hàm truyền bộ điều khiển dòng I sq là:
4.1.5 Tính toán mạch vòng điều khiển tốc độ
Ta có hàm truyền hệ kín mạch vòng điều khiển dòng I sq là: ksq q iq
Ta có BĐK tốc độ: p
Từ đây ta thu được BĐK: s 1
4.1.6 Tính toán mạch vòng điều khiển lưu lượng
Ta có tốc độ gió V= 2.15m/s với quãng đường S= 4.5m thì sẽ thu được thời gian đến vị trí cần thiết là: q
Từ đây ta thu được bộ điều khiển lưu lượng: Q 1
Mô phỏng với mô hình vật lý
4.2.1 Mô phỏng bộ biến tần cầu H nối tầng với tín hiệu sin chuẩn
Ta có sơ đồ mô phỏng tín hiệu đầu ra của BBT khi kết nối với mô hình vật lý:
Hệ thống được mô phỏng với điện áp chuẩn hình Sin, trong đó đầu ra 3 pha của bộ biến tần kết nối với động cơ vật lý Tín hiệu cung cấp cho mỗi cell của từng pha là tín hiệu sin chuẩn với biên độ A=9V và tần số fPHz Sơ đồ mô phỏng bộ biến tần cầu H và sơ đồ 1 cell được thể hiện trong các hình 4.2 và 4.3 Đồng thời, sơ đồ mô phỏng khâu tạo xung điều khiển 1 cell cũng được trình bày trong hình 4.4.
Hình 4 3 Mô hình 5 cell bộ biến tần Đây là mô hình mạch tạo xung điều khiển cho từng cell Ta có tần số của xung răng cửa bientanso00Hz, a, b= -10
Mô hình mạch tạo xung điều khiển cho một cell được trình bày trong Hình 4.4 Kết quả mô phỏng của xung điều khiển đã được minh họa trong Hình 2.8, cho thấy điện áp pha, điện áp dây và điện áp của một cell.
Hình 4 5 Dạng đồ thị điện áp dây
Hình 4 6 Dạng đồ thị điện áp 1 pha của bộ biến tần
Hình 4 7 Dạng đồ thị điện áp 1 cell của bộ biến tần
4.2.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển lưu lượng
Ta có sơ đồ mô phỏng toàn bộ hệ thống điều khiển lưu lượng như hình 4.8
Hệ thống điều khiển lưu lượng được mô phỏng qua sơ đồ trong Hình 4.8, với vòng điều khiển trong cùng là mạch vòng dòng điện, vòng điều khiển tốc độ ở giữa, và mạch vòng điều khiển lưu lượng bên ngoài Đầu ra của bộ điều khiển dòng điện sẽ được chuyển qua các khâu chuyển tọa độ trước khi được cấp vào BBT, cụ thể là qua hai khâu chuyển từ hệ tọa độ dq sang αβ (Hình 4.9) và từ αβ sang abc (Hình 4.10) Mô hình tính toán gián tiếp góc được thể hiện trong Hình 4.11.
Hình 4 9 Mô hình biến đổi hệ toạ độ từ dq sang
Hình 4 10 Mô hình biến đổi hệ tọa độ (αβ) sang hệ tọa độ (abc)
Mô hình tính toán góc quay θs cho thấy rằng các tín hiệu đo từ động cơ sẽ được phản hồi và so sánh với giá trị đặt tại đầu vào các bộ điều khiển Giá trị phản hồi lưu lượng được đo thông qua tốc độ và một hàm truyền đạt, thể hiện mối liên hệ giữa tốc độ và lưu lượng Các thông số mô phỏng đã được tính toán chi tiết trong mục 3.4 chương 3, từ đó cho ra kết quả mô phỏng cụ thể.
Hình 4 12 Đồ thị tốc độ động cơ
Hình 4 13 Đồ thị Momen động cơ
Hình 4 14 Đồ thị mô tả dòng Isq
Hình 4 15 Đồ thị mô tả dòng Isd
Hình 4 16 Đồ thị lưu lượng
Hình 4 17 Đồ thị điện áp dây cấp cho động cơ
Nhận xét
Khi áp dụng khối tốc độ 10V tương ứng với tốc độ định mức, thời gian tác động là 2.5 giây Sau thời gian quá độ, giá trị thực của tốc độ đã bám sát với tốc độ đặt, cho thấy bộ điều khiển đáp ứng yêu cầu bài toán Tuy nhiên, đối với động cơ có công suất lớn, thời gian quá độ của bộ điều khiển lại hơi nhanh.
Để đơn giản hóa, chúng ta đã loại bỏ khối điều khiển từ thông và gán giá trị I sd là 10V, tương ứng với giá trị định mức của I sd.
Sau thời gian quá độ, các giá trị thức đã ổn định và bám sát tốc độ đặt, tuy nhiên momen vẫn còn dao động lớn Các giá trị dòng điện và từ thông cũng duy trì ở mức gần với giá trị định mức của động cơ.
Sau khoảng 12 giây, giá trị thực của lưu lượng đã đạt được sự đồng nhất với giá trị đặt, cho thấy bộ điều khiển đã đáp ứng hiệu quả yêu cầu của bài toán.