Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý để nâng cao chất lượng điều khiển một số cơ cấu truyền động chính của máy xúc điện trong công nghiệp khai thác mỏ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.33 MB, 126 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
LƯU HỒNG QUÂN
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ ĐỂ
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỘT SỐ
CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG CHÍNH CỦA MÁY XÚC
ĐIỆN TRONG CƠNG NGHIỆP KHAI THÁC MỎ
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
LƯU HỒNG QUÂN
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ ĐỂ
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỘT SỐ
CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG CHÍNH CỦA MÁY XÚC
ĐIỆN TRONG CƠNG NGHIỆP KHAI THÁC MỎ
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 9520216
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS KHỔNG CAO PHONG
2. TS. NGUYỄN HOÀNG VÂN
Hà Nội - 2022
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng luận án này là cơng trình nghiên cứu khoa học
độc lập của tơi. Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực,
chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Tôi cũng xin cam đoan rằng
mọi sự tham khảo cho việc thực hiện luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày
tháng năm 2022
Tác giả
Lưu Hồng Quân
LỜI CẢM ƠN
Luận án tiến sĩ kỹ thuật ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
“Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý để nâng cao chất lượng điều khiển một số cơ
cấu truyền động chính của máy xúc điện trong công nghiệp khai thác mỏ” là
kết quả của quá trình nghiên cứu, cố gắng khơng ngừng của tác giả trong suốt
thời gian qua với sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo Trường Đại học Mỏ
- Địa chất, các nhà khoa học trong ngành tự động hóa, bạn bè, đồng nghiệp và
gia đình.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Ban Giám hiệu Trường Đại học
Mỏ Địa chất, Phòng Đào tạo Sau đại học, Ban lãnh đạo Khoa Cơ điện, Ban chủ
nhiệm và tập thể các thầy, cơ giáo Bộ mơn tự động hóa cùng các thầy, cô giáo
trong Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ để NCS
hồn thành luận án tiến sĩ của mình.
Tác giả xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới Tiểu ban hướng
dẫn: PGS.TS Khổng Cao Phong và TS Nguyễn Hồng Vân đã trực tiếp hướng
dẫn tận tình, cung cấp tài liệu và các thông tin cần thiết cho NCS cũng như
thường xuyên đôn đốc NCS làm việc và hồn thành luận án tiến sĩ của mình
đúng thời hạn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Công nghệ
Đồng Nai, các anh, chị, bạn bè đồng nghiệp, các nhà khoa học trong ngành tự
động hóa và các ngành khác có liên quan đã tạo điều kiện giúp đỡ Tác giả trong
suốt thời gian học tập và làm luận án. Qua đây, tác giả cũng xin cảm ơn gia
đình đã ln ở bên cạnh và động viên trong suốt thời gian qua để NCS hoàn
thành tốt cơng việc nghiên cứu khoa học của mình.
Tác giả
Lưu Hồng Quân
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .................................................. 4
1.1. Giới thiệu chung ..................................................................................... 4
1.1.1. Khái niệm ........................................................................................ 4
1.1.2. Phân loại .......................................................................................... 4
1.2. Thực trạng sử dụng máy xúc điện ở Việt nam ....................................... 5
1.2.1. Máy xúc điện ................................................................................... 5
1.2.2. Tình hình sử dụng ........................................................................... 6
1.3. Hệ thống điều khiển truyền động của máy xúc ..................................... 8
1.3.1. Các cơ cấu cơ bản của một máy xúc điện. ...................................... 8
1.3.2. Yêu cầu truyền động máy xúc......................................................... 9
1.3..3. Các hệ thống truyền động điển hình ............................................ 11
1.3.4. Hệ thống điều khiển truyền động máy xúc ЭKΓ .......................... 12
1.4. Các nghiên cứu về máy xúc ................................................................. 19
1.4.1. Các nghiên cứu về máy xúc trên thế giới...................................... 19
1.4.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt nam ................................................. 22
1.5. Kết luận và định hướng nghiên cứu ..................................................... 23
1.5.1. Đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển kích từ máy phát ............... 24
1.5.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển truyền động .................................... 27
CHƯƠNG 2 MƠ HÌNH TỐN HỌC ............................................................ 28
2.1. Cấu trúc hệ thống truyền động [45] ..................................................... 28
2.2. Mơ hình tốn học máy phát [48],[49] .................................................. 28
2.3. Mơ hình tốn học hệ máy phát động cơ ............................................... 31
2.4. Hàm truyền đạt của tải cơ học.............................................................. 33
2.5. Tổng hợp mơ hình tốn học của hệ truyền động máy phát động cơ [49] .. 35
2.6. Cấu trúc hệ điều khiển ba mạch vòng và mơ hình bù nhiễu [37], [51],
[52]. ............................................................................................................. 37
2.6.1. Mạch điện kích từ [54] .................................................................. 37
2.6.2. Mạch điện phần ứng [50], [51], [52]. ........................................... 39
2.6.3. Mạch tốc độ [37] ........................................................................... 41
Kết luận chương 2 ....................................................................................... 43
CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ......................... 44
3.1. Tính tốn các thơng số của máy xúc ЭΚΓ 8И ..................................... 44
3.2. Mô phỏng hệ thống điều khiển truyền động với PID kinh điển .......... 49
3.2.1. Xây dựng mơ hình mơ phỏng ....................................................... 49
3.2.2. Kết quả mô phỏng với bộ điều chỉnh PID .................................... 51
3.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển truyền động điện máy
xúc ............................................................................................................... 57
3.3.1. Đặt vấn đề ..................................................................................... 57
3.3.2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và đề xuất thuật toán điều khiển lai .. 58
3.3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển ......................................................... 63
3.4. So sánh điều khiển PID kinh điển với lai, điều khiển lai..................... 73
Kết luận chương 3: ...................................................................................... 80
CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM.................................................... 82
4.1. Mơ hình thực nghiệm ........................................................................... 82
4.1.1. Cấu trúc cơ khí của mơ hình thực nghiệm .................................... 82
4.1.2. Thiết bị điện của hệ thống ............................................................. 82
4.1.3. Mạch điều khiển kích từ máy phát ................................................ 84
4.2. Thiết kế bộ điều khiển PID số .............................................................. 86
4.3. Kết quả đo được từ thực nghiệm.......................................................... 90
Kết luận chương 4. ...................................................................................... 91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 92
DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ
CỦA TÁC GIẢ CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...................................... 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 95
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 101
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật một số máy xúc ЭΚΓ [3] .................................... 6
Bảng 1.2. Số lượng và sản lượng của máy xúc ЭKΓ4,6; 5A [11] .................... 7
Bảng 1.3. So sánh bộ biến đổi Thyristor và IGBT [17] .................................. 25
Bảng 3.1.Thông số máy phát động cơ của cơ cấu nâng / hạ [36] ................... 44
Bảng 3.2.Thông số tính tốn thu được của máy xúc ЭΚΓ 8И [36] ................ 45
Bảng 3.3. Thông số các thành phần ứng với momen khác nhau .................... 56
Bảng 3.4. Sai lệch e khi tải khác nhau ............................................................ 56
Bảng 3.5. Ma trận điều khiển mờ Δe(de/dt).................................................... 68
Bảng 3.6. Ma trận luật điều khiển hệ số kp’ ................................................... 72
Bảng 3.7. Ma trận luật điều khiển hệ số ki’ .................................................... 72
Bảng 3.8. Ma trận luật điều khiển hệ số kD’ .................................................. 73
Bảng 3.9. So sánh dòng kích từ máy phát (Ikt) khi thực hiện điều khiển PID
và điều khiển lai (điều khiển mờ với PID thích nghi) .................... 78
Bảng 3.10. So sánh dòng phần ứng (Iu) khi thực hiện điều khiển PID và lai 78
Bảng 3.11. So sánh các thông số tốc độ của PID kinh điển và Hybrid .......... 79
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cơ cấu cơ bản của máy xúc ............................................................. 8
Hình 1.2. Giới hạn cơ - điện của hệ truyền động máy xúc ............................. 10
Hình 1.3. Cấu trúc của hệ truyền động máy xúc ЭKΓ .................................... 12
Hình 1.4. Sơ đồ truyền động chính của máy xúc ЭΚΓ 8И ............................. 14
Hình 1.5. Đặc tính tĩnh của bộ khuếch đại đẩy kéo từ tính (УМЗП) tại vị trí
khơng (a) và làm việc (b) của bộ điều khiển. [42] .......................... 16
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động điện cơ cấu nâng / hạ gầu
máy xúc ЭΚΓ 8И ............................................................................ 17
Hình 1.7. Đặc tính điều khiển chế độ truyền động điện nâng/ hạ gầu ............ 18
Hình 1.8. Bảng so sánh năng suất của 2 máy.................................................. 22
Hình 1.9. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển truyền động thay thế 4100 BOSS..... 22
Hình 1.10. Cấu trúc điều khiển hệ thống máy xúc cũ ..................................... 26
Hình 1.11. Cấu trúc điều khiển hệ thống máy xúc đề xuất ............................. 27
Hình 1.12. Sơ đồ cấu trúc điều khiển truyền động ......................................... 27
Hình 2.1. Cấu trúc hệ thống truyền động điện ................................................ 28
Hình 2.2. Sơ đồ bộ biến đổi dùng IGBT ......................................................... 29
Hình 2.3. Cấu tạo và sơ đồ tương đương của máy điện một chiều ................. 31
Hình 2.4. Sơ đồ tương đương mạch phần ứng ................................................ 32
Hình 2.5. Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống truyền động máy phát động cơ ........ 36
Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động máy phát động cơ rút gọn .............. 36
Hình 2.7. Sơ đồ hàm truyền của hệ thống 3 mạch phản hồi ........................... 37
Hình 2.8. Hàm truyền mạch điện kích từ ........................................................ 37
Hình 2.9. Mạch điện phần ứng ........................................................................ 39
Hình 2.10. Mạch tốc độ có phản hồi ............................................................... 41
Hình 3.1. Mơ hình mơ phỏng hệ thống điều khiển nâng hạ gầu sử dụng PID 50
Hình 3.2. Cấu trúc giới hạn dịng điện theo đặc tính máy xúc ....................... 51
Hình 3.3. Sức điện động máy phát thay đổi từ quá tải đến định mức............. 52
Hình 3.4. Sức điện động máy phát thay đổi từ quá tải đến non tải ................. 52
Hình 3.5 Sức điện động máy phát thay đổi từ định mức đến q tải.............. 52
Hình 3.6. Dịng điện phần ứng thay đổi từ định mức đến quá tải ................... 53
Hình 3.7. Dịng điện phần ứng thay đổi từ non tải đến q tải ....................... 53
Hình 3.8. Dịng điện phần ứng thay đổi từ quá tải đến tải định mức .............. 53
Hình 3.9. Tốc độ động cơ thay đổi từ non tải đến quá tải............................... 53
Hình 3.10. Tốc độ động tốc cơ thay đổi từ quá tải đến non tải....................... 54
Hình 3.11. Tốc độ động tốc cơ thay đổi từ định mức đến q tải .................. 54
Hình 3.12. Dịng điện kích từ máy phát thay đổi từ quá tải đến tải đinh mức 54
Hình 3.13. Dịng điện kích từ máy phát khi thay đổi từ non tải đến quá tải ... 54
Hình 3.14. Dịng điện kích từ máy phát thay đổi từ tải định mức đến quá tải 55
Hình 3.15. Sai lệch khi non tải ........................................................................ 55
Hình 3.16. Sai lệch khi tải định mức ............................................................... 55
Hình 3.17. Sai lệch khi quá tải ........................................................................ 55
Hình 3.18. Sơ đồ nguyên lý bộ PID kinh điển ................................................ 58
Hình 3.19. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển mờ ............................................... 59
Hình 3.20. Sơ đồ nguyên lý, cấu trúc ứng dụng điều khiển mờ ..................... 60
Hình 3.21. Sơ đồ nguyên lý bộ lai (điều khiển mờ với PID) .......................... 61
Hình 3.22. Sơ đồ nguyên lý PID tự chỉnh ....................................................... 62
Hình 3.23. Sơ đồ cấu trúc, nguyên lý hệ điều khiển lai giữa điều khiển mờ và
PID tự chỉnh. ................................................................................... 63
Hình 3.24. Sơ đồ nguyên lý hệ thống TĐĐ MF DC ứng dụng thuật toán mờ lai. 64
Hình 3.25. Sơ đồ nguyên lý đề xuất các hệ điều khiển mờ lai cho bộ TĐĐ
MF DC ............................................................................................ 65
Hình 3.26. Định nghĩa các tập mờ ETu .......................................................... 66
Hình 3.27. Định nghĩa tập mờ DET ................................................................ 67
Hình 3.28. Định nghĩa tập mờ đầu ra bộ điều khiển mờ................................. 67
Hình 3.29. Hàm liên thuộc ngõ ra điện áp ...................................................... 68
Hình 3.30. Quan hệ giữa biến đầu vào và tham số đầu ra của điện áp ........... 69
Hình 3.31. Hàm liên thuộc ngõ vào e ............................................................. 70
Hình 3.22. Hàm liên thuộc ngõ vào sai lệch ∆e .............................................. 71
Hình 3.23. Định nghĩa hàm thuộc tập mờ ki’ ................................................. 71
Hình 3.24. Định nghĩa hàm thuộc tập mờ kD’................................................ 71
Hình 3.25. Quan hệ giữa biến đầu vào và tham số đầu ra KP, KI, KD .......... 73
Hình 3.26. Sơ đồ điều khiển Hybrid ............................................................... 74
Hình 3.27.Tốc độ động cơ thay đổi từ non tải đến định mức ......................... 75
Hình 3.28. Tốc độ động tốc cơ thay đổi từ định mức đến quá tải .................. 75
Hình 3.29. Tốc độ động cơ thay đổi từ non tải đến q tải............................. 75
Hình 3.30. Dịng điện phần ứng khi thay đổi từ quá tải đến định mức........... 75
Hình 3.31. Dịng điện phần ứng khi thay đổi từ non tải đến quá tải ............... 76
Hình 3.32. Dòng điện phần ứng khi thay đổi từ định mức đến quá tải........... 76
Hình 3.33. Sức điện động máy phát từ quá tải đến non tải ............................. 76
Hình 3.34. Sức điện động máy phát thay đổi từ định mức đến quá tải........... 76
Hình 3.35. Sức điện động máy phát từ non tải đến q tải ............................. 77
Hình 3.36. Dịng kích từ máy phát thay đổi từ quá tải đến non tải ................. 77
Hình 3.37. Dịng kích từ máy phát thay đổi từ định mức đến q tải............. 77
Hình 3.38. Dịng kích từ máy phát thay đổi từ non tải đến quá tải ................. 77
Hình 4.1. Bản vẽ thiết kế cơ khí...................................................................... 82
Hình 4.2. Hệ thống máy phát - Động cơ ......................................................... 83
Hình 4.3. Động cơ một chiều kích từ độc lập ................................................. 83
Hình 4.4. Máy biến áp 3 pha 3 cuộn dây ........................................................ 84
Hình 4.5. Bo điều khiển kích từ máy phát dùng IGBT ................................... 84
Hình 4.6. AVR ATmega2560 ......................................................................... 85
Hình 4.7. Card giao tiếp giữa nguồn và máy tính ........................................... 86
Hình 4.8. Cấu trúc bộ điều khiển PID số ........................................................ 86
Hình 4.9. Lưu đồ thuật tốn điều khiển PID số .............................................. 88
Hình 4.10. Lưu đồ ngắt chương trình PID số ................................................. 89
Hình 4.11.Sơ đồ kết nối điều khiển................................................................. 89
Hình 4.12. Điện áp phần ứng khi khơng tải .................................................... 90
Hình 4.13. Dịng điện phần ứng khi khơng tải ................................................ 90
Hình 4.14. Tốc độ động cơ khi khơng tải ....................................................... 90
Hình 4.15. Điện áp phần ứng khi có tải .......................................................... 90
Hình 4.16. Dịng điện phần ứng khi có tải ...................................................... 91
Hình 4.17. Tốc độ động cơ khi có tải.............................................................. 91
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu
Giải thích
Iu
Dịng điện phần ứng
Emf
Sức điện động máy phát
eudc
Sức điện động phần ứng động cơ
eumf
Sức điện động phần ứng máy phát
Ikt
Dịng điện kích từ
Lktmf
Điện cảm kích từ máy phát
Ludc
Điện cảm phần ứng động cơ
Lumf
Điện cảm phần ứng máy phát
Mt
Momen tải
Rktmf
Điện trở kích từ máy phát
Rudc
Điện trở phần ứng động cơ
Rumf
Điện trở phần ứng máy phát
Uđk
Điện áp điều khiển
Uđkkt
Điện áp điều khiển kích từ
Ukt
Điện áp kích từ
Uktmf
Điện áp kích từ máy phát
ωđmdc
Tốc độ góc động cơ
Г
Máy phát điện một chiều
Д
Động cơ điện một chiều
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Chữ viết đầy đủ
Momen trên trục động cơ
ADC
Chuyển đổi từ tương tự sang kỹ thuật số
BĐKKT
Bộ điều khiển kích từ
CKT
Cuộn kích tử
CPU
Bộ xử lý trung tâm
DC
Động cơ
ĐCĐB
Động cơ đồng bộ
ĐCKĐB
Động cơ không đồng bộ
ĐK
Điều khiển
ĐKKT
Điều khiển kích từ
FC
Bộ điều khiển mờ
HTĐK
Hệ thống điều khiển
HTTĐĐ
Hệ thống truyền động điện
HYBRID
Lai (Điều khiển mờ và PID)
HYBRID CONTROLLER
Điều khiển lai (Điều khiển mờ và PID thích
KĐT
KT
Khuếch
nghi) đại từ
Kích từ
MF
Máy phát
MF DC
Hệ máy phát - động cơ
MKT
Mạch kích từ
PWM
Điều chế độ rộng xung
SĐĐ
Sức điện động
TĐĐ
Truyền động điện
Thr
Thyristor
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong cơng nghiệp khai thác mỏ, do đặc thù công việc các thiết bị máy
móc được sử dụng thường có cơng suất làm việc từ lớn đến rất lớn. Máy xúc
cũng là một trong những thiết bị được sử dụng nhiều trong công tác khai thác
mỏ, đặc biệt là ở các mỏ lộ thiên. Với những địi hỏi về cơng suất làm việc,
khoảng vươn của tay gầu… thì các máy xúc sử dụng trong công nghiệp khai
thác mỏ vẫn phải sử dụng các máy xúc điện.
Ở nước ta các máy xúc được sử dụng trong lĩnh vực khai thác mỏ lộ thiên
từ trước đến nay vẫn thường được sử dụng là các máy xúc ЭΚΓ của Liên xô cũ
và của CHLB Nga sau này. Các máy xúc này vẫn sử dụng các hệ thống điều
khiển truyền động Máy phát Động cơ (MFDC) hay các hệ điều khiển dùng
Khuếch đại từ. Các hệ thống này có nhược điểm là cồng kềnh và có tổn hao
công suất lớn.
Cùng với sự phát triển của lĩnh vực điện tử công suất, các thiết bị điều khiển
truyền động điện đã dần được thay thế từ các hệ thống cồng kềnh phức tạp sang các
hệ thống điều khiển nhỏ gọn, đơn giản sử dụng các phần tử bán dẫn. Ngày nay kết
hợp với sự tiến bộ về khả năng tính tốn điều khiển của các hệ vi xử lý, các bộ biến
đổi cơng suất đã có những tiến bộ lớn về khả năng điều khiển cho động cơ điện.
Với các thuật toán điều khiển mới dựa trên nền tảng về khả năng xử lý của các hệ
vi xử lý, hệ thống điều chỉnh truyền động điện đã có những ưu điểm vượt trội so
với các thế hệ sử dụng mạch tương tự trước đây.
Với vai trò quan trọng như vậy, các bộ biến đổi công suất dựa trên nền
tảng điều khiển vi xử lý là phần không thể thiếu trong hệ thống điều khiển
truyền động ở các nhà máy công nghiệp hiện nay. Trong các máy xúc điện ЭΚΓ
đời mới được tập đồn Than khống sản Việt Nam nhập về trong những năm
gần đây, các hệ thống điều khiển truyền động cũng đã được thay thế bằng các
2
hệ thống bộ biến đổi công suất - động cơ. Tuy nhiên vì các vấn đề bản quyền
nên các vấn đề về công nghệ của các thiết bị vẫn là điều bí mật.
Trước những vấn đề nêu trên, tác giả mong muốn thực hiện đề tài:
“Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý để nâng cao chất lượng điều khiển một số cơ
cấu truyền động chính của máy xúc điện trong cơng nghiệp khai thác mỏ” để
từng bước góp phần giúp các kỹ sư Việt Nam làm chủ công nghệ của hệ thống
máy xúc trong Mỏ.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Tìm hiểu truyền động điện máy xúc mỏ lộ thiên.
Nghiên cứu thuật toán điều khiển, đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển
kích từ máy phát trên máy xúc ЭΚΓ 8И để nâng cao hiệu quả sử dụng trong
công tác khai thác mỏ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu về hệ thống truyền động và điều khiển
truyền động máy xúc điện.
Phạm vi: Máy xúc điện trong công nghiệp khai thác mỏ.
4. Nội dung
Tổng quan về hệ thống truyền động điện máy xúc trong công nghiệp khai
thác mỏ ở Việt Nam hiện nay.
Xây dựng mơ hình tốn học.
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển.
Nghiên cứu xây dựng thuật tốn, chương trình điều khiển cho hệ thống.
Xây dựng mơ hình thực nghiệm.
5. Phương pháp nghiên cứu và xử lý số liệu
Tìm hiểu và phân tích thực tế các hệ điều khiển truyền động điện của các
máy xúc điện;
Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn học, ứng dụng phần mềm mơ phỏng
để tìm ra thuật tốn cho vi xử lý trong các bộ điều khiển, chế tạo thử bộ điều
khiển trên mơ hình thực nghiệm.
3
6. Những đóng góp của đề tài về mặt khoa học cũng như thực tiễn
Phân tích đánh giá về hệ thống điều khiển truyền động của các máy xúc
điện hiện tại trong công nghiệp khai thác mỏ ở Việt Nam hiện nay.
Giải pháp sử dụng bộ biến đổi công suất để điểu khiển truyền động.
Thuật tốn, chương trình điều khiển mới cho các hệ thống truyền động
điện máy xúc.
7. Tính mới của đề tài
Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống truyền động điện máy phát động
cơ bộ điều khiển ứng dụng IGBT và sử dụng Matlab Simulink để khảo sát xây
dựng đặc tính động học cho máy xúc điện
Ứng dụng lai: kết hợp bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID cho mạch
vòng dòng điện phần ứng của hệ thống máy phát động cơ
Ứng dụng bộ điều khiển lai: kết hợp bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển
PID thích nghi cho mạch vịng dịng điện kích từ máy phát động cơ
8. Luận điểm bảo vệ
Luận điểm 1: Hệ thống khuếch đại từ và cuộn dây bằng được thay thế bởi bộ
vi xử lý và IGBT để cải thiện tính đáp ứng nhanh trong q trình điều khiển.
Luận điểm 2: Bộ điều khiển lai được sử dụng để đảm bảo đáp ứng nhanh
các chỉ tiêu chất lượng điều khiển khi thay đổi tải và đạt hiệu quả về mặt kỹ
thuật.
9. Cấu trúc luận án
Luận án được cấu trúc gồm: Mở đầu, 4 chương, kết luận kiến nghị, tài liệu
tham khảo và phụ lục. Nội dung luận án được trình bày trong 98 trang đánh máy
khổ A4 với 14 bảng biểu, 87 hình minh họa và 55 tài liệu tham khảo.
10. Các ấn phẩm đã công bố
Theo hướng nghiên cứu của luận án, NCS đã công bố 4 công trình đăng
trong đó 2 tạp chí chun ngành mỏ, hội nghị khoa học kỹ thuật mỏ trong nước
và quốc tế và 2 bài báo quốc tế.
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu chung
1.1.1. Khái niệm
Máy xúc, hay còn gọi là máy đào, là một loại máy móc cơ giới sử dụng
đa năng, chủ yếu dùng trong xây dựng, khai khoáng. Máy xúc là một loại máy
đào một gầu, có thể coi là "xẻng máy", dùng một cơ cấu tay cần gắn liền với
gầu đào, thực hiện thao tác đào, xúc, múc, đổ đất đá rời hay liền thổ và các loại
khoáng sản, vật liệu xây dựng rời (có thể vận chuyển trong cự ly ngắn hoặc rất
ngắn). Trong xây dựng, máy xúc là một loại máy xây dựng chính trong cơng
tác đất, ngồi ra nó cịn tham gia vào các cơng tác giải phóng mặt bằng, phá dỡ
cơng trình, bốc xếp vận chuyển vật liệu.
1.1.2. Phân loại
Việc phân loại cho các máy xúc được thực hiện dựa trên các tiêu chí phân
loại khác nhau. Cụ thể là các máy xúc có thể được thực hiện phần loại theo các
cách như dưới đây.[13]
Theo nguyên lý làm việc, có thể phân chia máy đào thành 2 nhóm chính:
-
Nhóm máy đào một gầu, là nhóm máy đào làm việc theo chu kỳ,
lặp đi lặp lại, bao gồm các cơ cấu vận hành tay gầu sau:
+ Máy xúc thủy lực, vận hành gầu đào bằng hệ cơ cấu xi lanh thủy lực.
+ Máy xúc truyền động cáp, vận hành gầu đào bằng hệ cơ cấu tời cáp.
-
Nhóm máy đào làm việc liên tục, đây là loại máy đào nhiều gầu.
Theo cơ cấu di chuyển
+Máy xúc bánh lốp
+Máy xúc bánh xích
Theo dạng gầu
+Máy xúc gầu sấp, cịn gọi là máy đào gầu sấp hay máy đào gầu ngược
5
(máy cuốc (nghịch) backhoe hay hoe), thích hợp cho việc đào đất đá và vật liệu
nằm thấp hơn (sâu hơn hoặc đơi khi ngang bằng) với vị trí máy đứng.
+ Máy xúc gầu ngửa, còn gọi là máy đào gầu ngửa hay máy đào gầu sấp
(xẻng máy shovel hay pront shovel), thích hợp cho việc đào đất đá và vật liệu
nằm cao hơn vị trí máy đứng.
+ Máy xúc lật, thích hợp cho việc đào, bốc, dỡ, vận chuyển vật liệu xây
dựng rời và đất xây dựng mềm (cấp I, II), nằm ở độ cao ngang (đôi khi cao hơn)
với vị trí máy đứng.
+ Máy đào gầu bào
+ Máy đào gầu ngoạm
+ Máy đào gầu dây (còn gọi là máy đào gầu quăng)
+ Máy đào nhiều gầu
1.2. Thực trạng sử dụng máy xúc điện ở Việt nam
1.2.1. Máy xúc điện
Trong cơng nghiệp khai thác khống sản nói chung và ngành khai thác
than lộ thiên nói riêng, máy xúc là một trong những thiết bị giữ vai trò quan
trọng quyết định đến năng suất lao động của đơn vị. Với ưu thế về năng xuất
và khả năng bốc xúc đất đá có độ cứng cao so với các máy xúc thủy lực, máy
xúc điện được sử dụng phổ biến tại các khai trường khai thác lộ thiên của Việt
Nam. Các dòng máy xúc được sử dụng chủ yếu là các máy xúc ЭΚΓ - 4,6, ЭΚΓ
- 5A, ЭΚΓ 8И và ЭΚΓ - 10. Đây là các dòng máy xúc điện của Liên Xô (cũ)
và của Nga, Ukraina sau này.
Do các thế hệ máy xúc đang được sử dụng tại các mỏ hầu hết được nhập
khẩu từ Liên Xô trong những năm 70, 80 của thế kỷ trước nên hệ thống điều
khiển truyền động điện của các máy xúc trên đều sử dụng hệ điều khiển truyền
động khuếch đại từ máy phát động cơ. Các thông số đặc trưng của các loại máy
xúc trên bảng 1.1
6
Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật một số máy xúc ЭΚΓ [2]
Các thông số kỹ thuật
TT
Đơn vị
ЭΚΓ 4,6
ЭΚΓ - 5A
ЭΚΓ 8И
1
Dung lượng gầu
m3
5,00
5,00
8,00
2
Chiều dài cần gầu
m
10,50
10,50
13,35
3
Chiều dài tay gầu
m
7,28
7,80
7,83
công tác đầu cuối ở trạng m
20,20
20,20
15,60
22,10
22,10
17,90
m
14,50
14,50
13,50
gy
23,00
23,00
26,00
Chiều cao đào tối đa khi
4
thái làm việc Hx
5
6
7
8
Bán kính dỡ tải lớn nhất Rp m
Chiều cao dỡ tải lớn nhất
Hp
Chu kỳ làm việc khi máy
quay 900
Lực max
A,
Nâng
45,00
45,00
80,00
80
B,
Ra vào gầu
20,50
20,50
40,00
40
C,
Di chuyển
80,00
80,00
180,00
180
Tốc độ trung bình
9
A,
Nâng gầu
0,87
0,87
0,94
0,94
B,
Ra vào tay gầu
0,45
0,45
0,61
0,61
C,
Quay
3,50
3,50
2,78
2,78
D,
Di chuyển
0,45
0,45
0,45
0,45
160,00
197,00
341,00
2,00
2,15
2,05
250,00
250,00
525,00
6,00
6,00
6,00
10
Trọng lượng máy
T
11
Áp lực nén trên đất
kg/cm2
12
Công suất động cơ dẫn động kW
13
Điện áp cung cấp
1.2.2. Tình hình sử dụng
kV
7
Với mối quan hệ đoàn kết, hữu nghị giữa Việt Nam, Liên Xô (cũ) và các
nước Đông Âu, các trang thiết bị máy móc cơng nghiệp ở nước ta hầu hết được
trang bị từ các nước này. Do đó, trong cơng nghiệp khai thác mỏ các khai thác
(trong đó có máy xúc) trong giai đoạn những năm 70, 80 của thế kỷ trước hầu
hết được trang bị từ Liên Xô. Kết quả khảo sát đánh giá tình hình quản lý và
vận hành máy xúc ЭKΓ4,6; 5A [12] tại các mỏ khai thác lộ thiên được thể hiện
trong Bảng 1.2
Bảng 1.2. Số lượng và sản lượng của máy xúc ЭKΓ4,6; 5A [12]
TT
Năm 2015
Số lượng
Đơn vị
1
Công ty CP Than Núi Béo Vinacomin
4
2
Công ty CP than Hà Tu - Vinacomin
10
3
Công ty CP Than Cọc Sáu
22
4
Công ty CP Than Cao Sơn
11
5
Công ty CP Than Đèo Nai
12
6
Công ty mỏ tuyển đồng Sin Quyền
Lào Cai
Tổng
4
Ghi chú
2 máy loại B
2 máy loại C
4 máy loại B
6 máy loại C
10 máy loại B
12 máy loại C
3 máy loại B
8 máy loại C
5 máy loại B
7 máy loại C
4 máy loại B
63
Số liệu khảo cho thấy các máy xúc ЭKΓ4,6; ЭKΓ 5A, ЭΚΓ 8И chủ yếu
được sử dụng tại các mỏ lộ thiên thuộc Tập đoàn TKV (57 máy) trong khoảng thời
gian từ 25 tới 35 năm và qua nhiều lần trung đại tu. Các máy xúc ЭKΓ10 là những
máy xúc được đưa vào sử dụng chưa lâu (từ khoảng năm 2007), các cơ cấu cũng
như các thiết bị cơng nghệ có nhiều ưu điểm hơn. Tuy nhiên, số lượng máy này chỉ
chiếm 16,17% so với tổng lượng máy của 5 mỏ lộ thiên.
Các số liệu ở trên cũng chỉ ra rằng số lượng các máy xúc được sử dụng
8
tại các mỏ than Việt Nam còn rất nhiều. Sản lượng cũng như năng lượng tiêu thụ
cho thấy các máy xúc điện vẫn đóng vai trị quan trọng trong q trình khai thác.
1.3. Hệ thống điều khiển truyền động của máy xúc
1.3.1. Các cơ cấu cơ bản của một máy xúc điện.
Kết cấu của một máy xúc là một hệ thống phức tạp gồm nhiều phần tử
như trên. Cấu trúc cơ bản của máy xúc bao gồm các cơ cấu chuyển động chính
như sau.
Cơ cấu quay bàn quay được lắp trên cơ cấu di chuyển bằng bánh xích, bàn
quay quay được 3600 tồn bộ thân máy và có thể quay bên trái hoặc bên phải.
Cần gàu và tay gầu cùng được lắp trên bàn quay. Tay gầu cùng với gầu xúc
di chuyển theo gương tầng, do cơ cấu đẩy tay gầu và cáp kéo của cơ cấu nâng /hạ
gàu. Quá trình bốc xúc được thực hiện kết hợp giữa hai cơ cấu: cơ cấu đẩy tay gầu
tạo ra bề dày lớp cắt, cơ cấu nâng hạ gầu tạo ra lớp cắt là đường di chuyển của gầu
theo gương tầng. Tải được đổ từ gầu xúc sang các phương tiện khác nhờ cơ cấu mở
đáy gầu lắp trên thành thùng xe của máy xúc.
Cơ cấu quay
Cơ cấu di chuyển
Hình 1.1. Cơ cấu cơ bản của máy xúc
Như vậy ở máy xúc có ba chuyển động cơ bản: nâng/ hạ gầu, ra /vào tay
9
gầu và quay, ngồi ra cịn có một số chuyển động phụ khác như:
Cơ cấu nâng cần gầu: Nâng lên và hạ xuống nhờ động cơ quay ru lô cáp;
Cơ cấu di chuyển máy xúc: Máy xúc có thể di chuyển tịnh tiến hoặc
lùi hoặc chạy sang trái hoặc phải;
Cơ cấu đóng mở đáy gầu: Để đổ vật liệu vào xe chuyên chở người ta
sử dụng chuyển động đóng mở đáy gầu. v.v…
1.3.2. Yêu cầu truyền động máy xúc
Trong máy xúc điện, các cơ cấu truyền động chính bao gồm [32]:
Cơ cấu nâng hạ: dùng đề điều khiển kéo tay gầu di chuyển lên theo
phương thẳng đứng;
Cơ cấu vào ra: Dùng để di chuyển tay gầu theo phương ngang;
Cơ cấu quay: Dùng để xoay máy xúc từ vị trí xúc tới vị trí xả tải;
Cơ cấu đóng mở đáy gầu: Dùng để đóng mở gầu để xúc và xả tải.
Trong đó thơng thường ba cơ cấu đầu thực hiện việc phối hợp với nhau
để thực hiện các chu kỳ xúc của máy (xúc; quay; xả tải; trở về). Với đặc điểm
làm việc của máy xúc là liên tục thay đổi tải trọng và thường xuyên gặp phải
các trường hợp tải vượt quá giới hạn làm việc, đòi hỏi các hệ truyền động của
máy xúc phải có khả năng tự bảo vệ. Đặc tính làm việc của máy xúc được thể
hiện như trên Hình 1.2 với các giới hạn về cơ và điện của động cơ và máy phát.
Hệ thống điều khiển phải phối hợp với nhau để hệ truyền động hoạt động trong
giới hạn cơ và điện. Đặc tính được chia làm các vùng làm việc như sau:
Vùng 1: là vùng động cơ làm việc tự do trong giới hạn thông số điện với
điểm công suất làm việc cực đại cho phép (tương ứng với điện áp giới hạn của
máy phát và động cơ). Trong vùng này điện áp và dòng điện của động cơ thường
nằm trong giới hạn định mức.
Vùng 2: là vùng khi dòng điện vượt quá giá trị định mức (khoảng 58%
của dòng điện cắt Ic). Lúc này hệ thống điều khiển phải thực hiện điều chỉnh
10
giảm điện áp máy phát để đảm bảo công suất khơng vượt q giới hạn cho phép.
Nếu dịng điện phần ứng của máy phát và động cơ tiếp tục tăng đến giới hạn
(Ic) thì hệ thống thực hiện điều khiển gim giá trị dòng tại đây. Trong vùng làm
việc này, để tránh hiện tượng quá nhiệt của động cơ thì giá trị dịng điện trung
bình bình phương khơng được vượt quá định mức 5 phút.
Hình 1.2. Giới hạn cơ - điện của hệ truyền động máy xúc
Vùng 3: là vùng giới hạn động, là vùng cho phép làm việc quá công suất
25% so với vùng giới hạn công suất tĩnh. Tương ứng với vùng giới hạn động
thì khi dịng điện vượt quá giá trị 72% so với dòng điện cắt Ic, hệ thống sẽ thực
hiện điều chỉnh giảm giới hạn điện áp để đảm bảo giới hạn công suất không
quá 125% giá trị cho phép. Thời gian làm việc quá công suất của hệ thống cũng
không được vượt quá 2 phút.
11
Bên phía đặc tính cơ - điện của hệ truyền động cũng được chia thành 3 vùng
Vùng 1: là vùng làm việc với từ thông động cơ định mức với tốc độ làm
việc tối đa là 100% tốc độ định mức. Trong vùng làm việc này động cơ làm
việc với giới hạn điện như trình bày ở trên.
Vùng 2: là vùng làm việc trên tốc độ định mức (175%) bằng việc điều
chỉnh giảm kích từ động cơ. Trong vùng này động cơ làm việc với giới hạn
dòng điện hiệu dụng của động cơ bằng dòng định mức.
Vùng 3: là vùng làm việc với giới hạn vượt quá giới hạn tĩnh 25%.
1.3.3. Các hệ thống truyền động điển hình
Cùng với sự phát triển trong lĩnh vực truyền động điện. Hệ thống truyền
động của máy xúc điện cũng được cập nhật theo lịch sử phát triển. Một số hệ
thống điều khiển truyền động điện cho máy xúc đang được áp dụng trên thế
giới [12]:
Hệ thống biến đổi điện dùng Thyristor Động cơ (Thr DC) có bộ lọc bù;
Hệ thống động cơ đồng bộ Máy phát Động cơ (ĐCĐB MF DC);
Hệ thống biến tần tần số thấp động cơ không đồng bộ (BT ĐCKĐB) có
bộ lọc bù;
Hệ thống động cơ không đồng bộ máy phát động cơ (ĐCKĐB MFDC);
Hệ thống biến tần dùng Transistor Động cơ (BTTR DC);
Hệ thống biến tần dùng Transistor Động cơ không đồng bộ (BTTR
ĐCKĐB).
Hiện nay, các nước phát triển trên thế giới đã áp dụng cho các máy mỏ các
hệ thống truyền động điện tiên tiến hơn với các bộ biến đổi điện khơng có các phần
tử truyền động. Việc sử dụng các bộ biến đổi điện bằng bán dẫn cho phép tăng hệ
số công suất cosφ và tốc độ đáp ứng nhanh, giảm cơng suất phản kháng.
Đứng vị trí đầu tiên ở Nga và SNG về sản xuất các hệ thống điều khiển
hạ áp trọn bộ (NKU) cho các loại máy xúc tại thời điểm hiện tại là công ty cổ
phần “Rudoavtomakita”. Phần lớn các NKU được thiết kế cho hệ thống MF
