Tài liệu ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHỞI ĐỘNG TUABIN KHÍ М15Э-OM5 BẰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN LIÊN HOÀN

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHỞI ĐỘNG TUABIN KHÍ М15Э-OM5 BẰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN LIÊN HOÀN THE CONTROL OF THE М 15Э-OM5 GAS TURBINE STARTER MOTOR THROUGH CONSECUTIVE CONTROL STRUCTURE Nguyễn Phùng Quang Nguyễn Ngọc Dĩnh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Nhà máy X50 Tổng Cục CNQP TÓM TẮT Bài báo trình bày k quả nghiên cứu và thiết kế cấu trúc điều khiển cho động cơ điện ết một chiều chuyên dụng ГСР-СТ-18000, dùng để khởi động động cơ tua bin khí loại М15Э-OM5 lắp đặt trên tàu biển. Mô hình động cơ và bộ điều khiển được xây dựng phù hợp với từng giai đoạn hoạt động của động cơ trong quá trình khởi động tua bin. Kết quả nghiên cứu được mô phỏng, kiểm chứng bằng Matlab cho thấy đối tượng và cấu trúc điều khiển đã xây dựng đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của tổ hợp. ABSTRACT The paper presents the research result and the design of control structure for the specific DC starter motor ГСР-СТ-18000 of the М15Э-OM5 gas turbine, which is installed on ships. The model of direct current motor and its regulator is performed adequately for each period of operation of motor during the gas turbine starting. The investigation results verified by the simulation using Matlab shows that the process modeling and the design of the control structure are accurately made to be adapted to the technical requirements of the equipment. 1. Đặt vấn đề Tổ hợp động cơ tuabin khí loại М15Э-OM5 được sử dụng làm hệ động lực lai chân vịt trên tàu biển. Việc quay động cơ tuabin khi khởi động được thực hiện bằng động cơ điện một chiều chuyên dụng ГСР-СТ-18000. Trong quá trình ho động (80 ạt giây), động cơ khởi động làm việc ở hai chế độ: giai đoạn đầu động cơ làm việc ở chế độ kích từ độc lập, sau đó chuyển sang làm việc ở chế độ kích từ hỗn hợp cho đến hết quá trình khởi động. Động cơ được cấp nguồn từ tổ hợp nắn dòng khởi động ΤΠС-60К1,7КДЖ. việc chuyển chế độ làm việc của động cơ được thực hiện từ chương trình điều khiển khởi động tua bin. Tuy nhiên do được chế tạo từ năm 1990, nên h thống điện ệ điều khiển có kết cấu rất phức tạp, linh kiện thuộc thế hệ cũ. Sau nhiều năm đưa vào khai thác sử dụng, hiện nay độ tin cậy và tính ổn định của tổ hợp nắn dòng không cao. Bài báo này giới thiệu các kết quả nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển cho động cơ khởi động tuabin khí М15Э-OM5 làm tiền đề cho việc cải tiến thay thế cấu trúc điều khiển cũ đang được sử dụng hiện nay. 2. Động cơ khởi động ГСР-СТ-18000 và biểu đồ thời gian khởi động tuabin Mạch phần ứng của động khởi động được nhận nguồn từ kênh 1, cuộn kích từ 42 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009 của động cơ nhận nguồn từ kênh 2 của tổ hợp nắn dòng như hình 1. Sự biến đổi dòng điện trong mạch phần ứng và mạch cuộn kích từ của động cơ được thể hiển như biểu đồ thời gian các thông số ra của tổ hợp nắn dòng như hình 2. - Trong khoảng thời gian tt được mô tả trên không gian trạng thái như sau: Mô hình trạng thái mô tả đối tượng: • = x A x + B u − −  = y C x+ Du − − − 1 (7)  iA  ukI  i  Trong đó: x =  i f 1  : Vectơ trạng thái; u =   : Vectơ đầu vào; y =  A  : Vectơ đầu ra   −  mT  i f 1  ωm    Trong đó:i A dòng điện phần ứng; i f1 dòng điện kích từ; ωm tốc độ động cơ; u kI điện áp cấp cho phần ứng từ trạm nắn dòng; m T mô men tải Trong đó ma trận hệ thống A, ma trận điều khiển B và các ma trận đầu ra C,D:  L f 2 R f 2 − R1L2  2  L1 L2 − L f 2 L R −R L f2 1 f2 1 A =  2  L1 L2 − L f 2  kMψ   J  L f 2 R2 − R f 2 L2 L1 L2 − L f 2 2 L f 2 R f 2 − R2 L1 L1 L2 − L f 2 2 0  L −L -  2 f2 keψ L2  0  L1 L2 − L f 2 2 2   L1 L2 − L f 2   L −L  1 0 0  0 0  keψ L f 2  ; B =  1 f 2 0 ; C =   ; D = 0 0   2 0 0 1     L1 L2 − L f 2  L1 L2 − L f 2 2     1   0 -  0   J    Bộ điều khiển phản hồi trạng thái K được thiết kế theo phương pháp 44 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009 Roppenecker là: K =  -0.0249 -3.0996 -0.0151 (8)  -0.4086 -6.5146 -5.3900    Từ cấu trúc điều khiển của đối tượng trong hai giai đoạn tt 1 ta thu được sơ đồ cấu trúc điều khiển liên hoàn của động cơ khởi động tuabin trong cả quá trình như hình 4. Hình 4. Sơ đồ cấu trúc điều khiển liên hoàn cho động cơ khởi động tuabin 4. Các kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng kiểm chứng trên Matlab & Simulink với các thông số của động cơ khởi động như sau: U Ađm = 60 V, I Ađm = 1000 A, U ktđm = 40 V, Iktđm = 34 A, n đcđm = 9000 v/p, R A = 0,04 Ω; L A = 0.001 H, R f1 = 1,15 Ω; Lf1 = 0.047 H, R f2 = 0,03 Ω; Lf2 = 0.010 H, R f3 = 0,006 Ω, Lf3 = 0.012 H, L m = 1.8, J = 1 kg.m2 Kết quả mô phỏng đối tượng trong giai đoạn làm việc ở chế độ kích từ độc lập 400 35 350 30 300 Gia tri dat Dap ung dong kich tu giai doan tt1 Dong [A] Dong [A] Gia tri dat 25 600 400 Dap ung dong phan ung t>t1 20 15 10 200 5 0 0 -200 0 1 2 3 4 Thoi gian[s] 5 6 7 -5 8 Hình 7. Đáp ứng dòng phần ứng trong giai đoạn t>t 1 0 1 2 3 4 Thoi gian [s] 5 6 7 8 Hình 8. Đáp ứng dòng kích từ trong giai đoạn t>t 1 Kết quả mô phỏng quá trình làm việc của đối tượng với cấu trúc điều khiển liên hoàn trong hai giai đoạn tt 1 được ghép với nhau. 40 1000 Thoi diem t=t3 35 Thoi diem t=t3 800 30 Dap ung dong phan ung qua trinh khoi dong Dap ung dong kich tu ca qua trinh Dong [A] t=t1=2s. thoi diem chuyen mo hinh cua doi tuong Dong [A] Gia tri dat 25 600 400 Thoi diem t=t4 200 20 15 10 5 Thoi diem ngat dong co khoi dong t=t4 0 0 -200 0 10 20 30 40 Thoi gian[s] 50 60 70 -5 80 Hình 9. Đáp ứng dòng phần ứng trong cả quá trình khởi động a) 0 10 20 30 40 Thoi gian [s] 50 Hình 10. Đáp ứng dòng kích từ trong cả quá trình khởi động b) Hình 11. a) Biểu đồ thời gian tăng trưởng dòng điện phần ứng b) Biểu đồ thời gian lý tưởng các thông số ra của tổ hợp khi khởi động tuabin[4] 5. Kết luận 46 60 70 80 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(33).2009 Từ đặc điểm cấu trúc thực tế của động cơ khởi động, đối tượng được xây dựng theo hai mô hình: mô hình hàm truyền đạt và mô hình trên không gian trạng thái tương ứng với hai cấu trúc điều khiển phản hồi đầu ra và phản hồi trạng thái. Giải pháp điều khiển này đã cho phép ta xây dựng được một cấu trúc điều khiển liên hoàn cho đối tượng bằng cách chuyển tiếp giá trị phản hồi đầu ra của mô hình hàm truyền đạt sang mô hình không gian tr ng thái thông qua các biến trạng thái, đây là một phương pháp ạ điều khiển có thể áp dụng để điều khiển cho các đối tượng có cấu trúc tương tự. Các kết quả mô phỏng so sánh với đặc tính lý thuyết hình 11 của tài liệu kỹ thuật [4] ta thấy rằng thời gian phát triển dòng phần ứng đạt đến giá trị xác lập là 5,5 giây, như vậy đảm bảo được yêu cầu đặt ra. Tại các thời điểm t = t 1 , t = t 3 , t = t 4 trên đặc tính của tài liệu không được thể hiện, điều này cũng dễ hiểu vì đáp ứng được xây dựng một cách lý tưởng và thể hiện ở chế độ xác lập. Qua kết quả mô phỏng cho phép ta khẳng định rằng phương pháp điều khiển cho đối tượng là phù hợp, có thể áp dụng làm cơ sở nghiên cứu để thiết kế bộ điều khiển mới thay thế cho hệ thống điều khiển cũ, góp phần giải quyết những vấn đề cấp thiết như đã được trình bày ở trên. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn Phước (2007), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [2] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink, NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [3] Nguyễn Phùng Quang (2006), Truyền động điện thông minh NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [4] Эксплуатационная документация на агрегаты выпрямительные ТПС-60к- 1,7 кдж техническое описание и инструкция по эксплуатации 2 ДЖ. 947.279.ТО. [5] Групповая система управления техническими средствами техническое. описание 1241РЭ-079-010-ТО. [6] Групповая система управления техническими средствами катера албом схем Электрических 1241РЭ-079-010-ТО. 47