Tổng quan nghiên cứu

Trong các nhà máy nhiệt điện than hiện nay, hệ thống cấp gió và hút khói lò hơi tiêu thụ khoảng 15% đến 25% tổng điện năng tự dùng của toàn bộ dây chuyền sản xuất. Việc duy trì tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu và không khí tối ưu có ý nghĩa sống còn đối với hiệu suất buồng đốt, trong đó sai lệch lưu lượng gió chỉ từ 2% đến 3% có thể làm suy giảm hiệu suất nhiệt từ 0.5% đến 1.2% và gia tăng đáng kể nồng độ khí thải độc hại ra môi trường. Để điều tiết lưu lượng gió chính xác, cơ cấu cánh hướng van gió đóng vai trò là cơ cấu chấp hành trực tiếp với phạm vi điều chỉnh góc quay từ 0 đến 90 độ. Tuy nhiên, đặc tính lưu lượng theo độ mở của cánh van mang bản chất phi tuyến rất mạnh, kết hợp với các tác động ngoại vi như áp lực gió biến thiên, ma sát cơ khí và quán tính của hộp giảm tốc khiến hệ thống truyền động truyền thống gặp nhiều khó khăn trong việc ổn định vị trí.

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên tập trung giải quyết đề tài: "Nghiên cứu điều khiển chuyển động vị trí để ứng dụng điều khiển cánh hướng van trong hệ thống điều khiển gió nhà máy nhiệt điện". Mục tiêu cốt lõi của công trình là nghiên cứu hoàn chỉnh lý thuyết điều khiển vị trí, xây dựng hệ truyền động biến tần kết hợp động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu công suất từ 0.5 kW đến 1 kW, đồng thời phát triển thuật toán điều khiển phi tuyến mờ trượt nhằm triệt tiêu sai số bám. Nghiên cứu hướng đến việc hạ thấp sai lệch tĩnh xuống dưới 1%, rút ngắn thời gian quá độ và nâng cao độ an toàn vận hành cho toàn bộ tổ máy nhiệt điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được thiết lập dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết điều khiển tự động kinh điển kết hợp với các phương pháp điều khiển phi tuyến hiện đại:

  1. Lý thuyết điều khiển vector định hướng từ trường rotor áp dụng cho động cơ điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu. Hệ thống thực hiện chuyển đổi hệ tọa độ ba pha stator sang hệ tọa độ cố định alpha-beta thông qua biến đổi Clarke, sau đó chuyển tiếp sang hệ tọa độ quay đồng bộ d-q theo biến đổi Park. Bằng giải pháp khống chế thành phần dòng điện trục d bằng 0, mô men điện từ sinh ra tỉ lệ tuyến tính với thành phần dòng điện trục q, giúp động cơ đồng bộ đạt được đặc tính điều chỉnh tương tự động cơ một chiều kích từ độc lập.
  2. Lý thuyết điều khiển trượt bền vững kết hợp logic mờ. Cấu trúc mặt trượt được xây dựng dựa trên hàm sai lệch vị trí và đạo hàm sai lệch vị trí. Để khắc phục hiện tượng chattering gây dao động cơ học tần số cao làm giảm tuổi thọ thiết bị, hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ 5 tập thuộc để làm mịn tín hiệu điều khiển đóng cắt trong lân cận mặt trượt.
  3. Các tiêu chuẩn chất lượng tối ưu hóa bao gồm tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch ISE, tiêu chuẩn tích phân sai lệch theo thời gian ITAE, phương pháp Module tối ưu và Module đối xứng được ứng dụng để chuẩn hóa các tham số mạch vòng điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa toán học giải tích kết hợp với kỹ thuật mô phỏng số trên môi trường chuyên dụng Matlab/Simulink. Dữ liệu đầu vào của mô hình được thiết lập dựa trên thông số kỹ thuật chuẩn của động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu công suất 0.75 kW, điện áp định mức 220V/380V và dải điện áp điều khiển đặt từ 10V đến 15V.

Về phương pháp chọn mẫu và khảo sát, nghiên cứu thực hiện kiểm thử trên 12 bộ kịch bản mô phỏng tương ứng với các góc mở van từ 0 độ đến 90 độ, thời gian khảo sát quá độ kéo dài 5 giây với bước lấy mẫu tích phân 0.001 giây. Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng số đa biến là vì môi trường lò hơi nhiệt điện hoạt động liên tục với mức độ rủi ro cao, đòi hỏi thuật toán điều khiển phải được kiểm chứng toàn diện về tính ổn định trước khi áp dụng trên thiết bị phần cứng thực tế. Cấu trúc hệ thống được phân chia thành 3 mạch vòng cascade khép kín: mạch vòng dòng điện bên trong, mạch vòng tốc độ ở giữa và mạch vòng điều khiển vị trí cánh van ngoài cùng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán lý thuyết và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink đã mang lại các phát hiện kỹ thuật quan trọng:

  1. Giải pháp điều khiển vector với dòng trục d bằng 0 giúp hệ thống triệt tiêu hoàn toàn thành phần từ thông phản ứng phần ứng, nâng cao hiệu suất truyền động của động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu lên trên 92%, vượt trội hơn mức 82% của động cơ không đồng bộ thông thường.
  2. Khi sử dụng bộ điều khiển PID tuyến tính truyền thống ở mức điện áp đặt 15V, hệ thống xuất hiện độ quá điều chỉnh khoảng 8.5%, thời gian quá độ kéo dài 1.8 giây và sai lệch tĩnh vẫn còn tồn tại ở mức 3.2% do tác động phi tuyến của cơ cấu truyền động trục vít và phản lực dòng khí.
  3. Khi chuyển sang ứng dụng bộ điều khiển mờ trượt, chất lượng động học được cải thiện vượt trội: độ quá điều chỉnh giảm từ 8.5% xuống tiệm cận 0%, sai số xác lập giảm từ 3.2% xuống dưới 0.8% (độ chính xác tăng hơn 75%), và thời gian quá độ rút ngắn còn 0.45 giây (nhanh gấp 4 lần so với bộ điều khiển PID).
  4. Tại cả hai mức tín hiệu đặt 10V và 15V, quỹ đạo trạng thái trên mặt phẳng pha tiến nhanh về mặt trượt và triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng chattering, bảo vệ an toàn cho cơ cấu truyền lực cơ khí.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của bộ điều khiển mờ trượt bắt nguồn từ khả năng bù trượt tự thích nghi trước các biến thiên tham số phi tuyến. Trong hệ thống điều khiển gió thực tế, quan hệ giữa góc quay của cánh hướng và lưu lượng gió không phải là quan hệ tuyến tính, đồng thời ma sát khô trong cơ cấu bản lề thường gây ra hiện tượng trễ đáp ứng. Bộ điều khiển PID tuyến tính với hệ số khuếch đại cố định không thể bao quát toàn bộ dải làm việc từ 0 đến 90 độ, dẫn đến hiện tượng dao động khi góc mở tiến sát các điểm biên.

Dữ liệu phản hồi của hệ thống được minh chứng cụ thể thông qua biểu đồ đáp ứng thời gian của góc quay và đồ thị dòng điện stator. Bảng so sánh các chỉ tiêu chất lượng quá độ giữa phương pháp PID tuyến tính và Mờ trượt cho thấy bộ điều khiển mờ trượt duy trì quỹ đạo chuyển động mượt mà, loại bỏ hiện tượng giật cục của trục động cơ. Kết quả này giúp lượng gió cấp vào buồng đốt bám sát nhu cầu phụ tải của lò hơi, hạn chế tối đa hiện tượng cháy thiếu oxy sinh ra muội than hoặc thừa oxy gây tổn thất nhiệt lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm mô phỏng, các đề xuất ứng dụng được đưa ra như sau:

  1. Nâng cấp hệ truyền động chấp hành van: Ban kỹ thuật tại các nhà máy nhiệt điện cần chủ động thay thế các cơ cấu van truyền động khí nén hoặc động cơ điện một chiều bằng hệ thống biến tần kết hợp động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu dải công suất 0.75 kW đến 1.5 kW. Mục tiêu đạt hiệu suất truyền động trên 95%, hoàn thành chuyển đổi kỹ thuật trong lộ trình 12 tháng tại các tổ máy vận hành chính.
  2. Ứng dụng thuật toán mờ trượt trên hệ thống điều khiển phân tán: Đội ngũ kỹ sư tự động hóa cần tiến hành tích hợp và số hóa thuật toán mờ trượt vào các bộ điều khiển logic lập trình được (PLC) hoặc hệ thống điều khiển phân tán (DCS). Thời gian triển khai cài đặt và chạy thử nghiệm là 6 tháng, hướng tới mục tiêu duy trì sai lệch góc mở van dưới 1 độ trong toàn bộ dải tải.
  3. Chuyển đổi cảm biến đo vị trí số hóa: Bộ phận bảo trì thiết bị đo lường cần thay thế các biến trở đo góc cơ học bằng cảm biến góc quay quang học số hóa hoặc cảm biến từ trường không tiếp xúc, giúp giảm tỷ lệ hư hỏng do bụi bẩn nhiệt điện và cắt giảm khoảng 30% chi phí bảo dưỡng định kỳ hàng năm kể từ Quý I năm 2024.
  4. Xây dựng quy trình hiệu chuẩn góc mở định kỳ: Đơn vị vận hành lò hơi cần thiết lập chu kỳ tự động kiểm tra và hiệu chuẩn mối quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và lưu lượng gió thực tế sau mỗi 2.000 giờ hoạt động, giúp tối ưu hóa mức tiêu hao nhiên liệu than từ 1.5% đến 2.0% trên toàn chu trình phát điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị ứng dụng kỹ thuật cao và tính chuẩn mực học thuật, đặc biệt hữu ích cho các nhóm đối tượng sau:

  1. Kỹ sư tự động hóa và kỹ sư nhiệt điện tại các nhà máy năng lượng: Tài liệu cung cấp giải pháp toàn diện để nâng cấp hệ thống điều tiết gió lò hơi, tối ưu hóa quá trình đốt cháy và xử lý dứt điểm các sự cố trễ phản hồi của cánh van.
  2. Nhà nghiên cứu và nghiên cứu sinh chuyên ngành Điều khiển tự động: Nguồn tham khảo sâu sắc về phương pháp thiết kế bộ điều khiển phi tuyến, kỹ thuật xây dựng mặt trượt và giải pháp mờ hóa triệt tiêu dao động chattering cho các hệ thống servo vị trí chính xác.
  3. Giảng viên và học viên cao học tại các trường đại học kỹ thuật: Tài liệu học tập và giảng dạy trực quan với các bước tổng hợp 3 mạch vòng điều khiển cascade, đi kèm mô hình mô phỏng hoàn chỉnh trên Matlab/Simulink.
  4. Các đơn vị chế tạo và tích hợp van công nghiệp: Hướng dẫn kỹ thuật thực tế để phát triển dòng van điều khiển thông minh thế hệ mới, tích hợp động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu nhằm nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường thiết bị công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu có ưu điểm gì nổi bật so với động cơ không đồng bộ? Động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu có kích thước nhỏ gọn hơn khoảng 30% so với động cơ không đồng bộ có cùng công suất. Thiết bị đạt hiệu suất năng lượng trên 92%, phản ứng nhanh nhạy với tín hiệu điều khiển và duy trì mô men ổn định ở dải tốc độ thấp, giúp định vị chính xác góc mở cánh van.

Tại sao bộ điều khiển PID truyền thống chưa đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển cánh hướng van nhiệt điện? Cánh hướng van nhiệt điện có đặc tính lưu lượng phi tuyến mạnh và chịu áp lực gió thay đổi liên tục. Bộ điều khiển PID chỉ hoạt động tối ưu tại một điểm làm việc cố định, dễ gây ra sai lệch tĩnh từ 3% đến 5% và xuất hiện độ quá điều chỉnh lớn khi tải dao động.

Hiện tượng chattering trong điều khiển trượt được khắc phục như thế nào trong nghiên cứu này? Hiện tượng chattering xuất hiện do sự đóng cắt gián đoạn tần số cao của hàm dấu quanh mặt trượt. Bằng cách tích hợp bộ điều khiển mờ 5 tập thuộc, tín hiệu điều khiển được làm mịn liên tục trong lân cận mặt trượt, qua đó triệt tiêu hoàn toàn rung lắc cơ học và bảo vệ hộp giảm tốc.

Ý nghĩa của việc khống chế thành phần dòng điện trục d bằng 0 trong cấu trúc điều khiển vector là gì? Khi duy trì dòng điện id bằng 0, từ thông cực từ nam châm vĩnh cửu giữ ở mức không đổi và mô men điện từ sẽ tỉ lệ thuận trực tiếp với dòng điện trục q. Kỹ thuật này giúp tuyến tính hóa mô hình động cơ xoay chiều phức tạp thành cấu trúc điều khiển đơn giản như động cơ một chiều.

Mô hình điều khiển trong luận văn có thể mở rộng cho các hệ thống van công nghiệp khác không? Mô hình toán học và thuật toán mờ trượt 3 mạch vòng trong luận văn hoàn toàn có thể áp dụng cho các loại van công nghiệp khác như van bướm, van bi hay van cấp nước lò hơi. Kỹ sư chỉ cần điều chỉnh các thông số mô men quán tính tải và đặc tính hành trình của van.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao chất lượng điều khiển vị trí cánh hướng van trong hệ thống cấp gió nhà máy nhiệt điện với các kết quả nổi bật:

  • Xây dựng thành công mô hình toán học và sơ đồ cấu trúc 3 mạch vòng điều khiển cho hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu.
  • Thiết kế hoàn chỉnh thuật toán điều khiển mờ trượt, triệt tiêu hiện tượng chattering và nâng độ chính xác định vị góc mở cánh van lên trên 99%.
  • Hoàn thiện mô hình mô phỏng chuẩn hóa trên Matlab/Simulink làm cơ sở tin cậy cho việc kiểm chứng và phát triển các hệ thống điều khiển vị trí công nghiệp.
  • Mở ra giải pháp kỹ thuật giúp các nhà máy nhiệt điện tiết kiệm từ 1.5% đến 2.0% lượng nhiên liệu tiêu thụ thông qua việc tối ưu hóa tỷ lệ cấp gió buồng đốt.
  • Xác định lộ trình nâng cấp thiết bị và chuyển đổi công nghệ rõ ràng cho các đơn vị sản xuất trong thời gian từ 12 đến 24 tháng tới.

Quý độc giả, kỹ sư và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể tham khảo toàn văn công trình luận văn thạc sĩ để tiếp nhận mô hình mô phỏng chi tiết và hợp tác triển khai ứng dụng thực tế vào dây chuyền sản xuất công nghiệp.