Xây dựng bộ điều khiển truyền động cho máy xúc zkt 10

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
----------------------------

NGUYỂN THANH LỊCH

XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG
CHO MÁY XÚC ЭKΓ – 10

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
----------------------------

NGUYỂN THANH LỊCH

XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG
CHO MÁY XÚC ЭKΓ – 10

Chuyên ngành : Tự Động Hóa
Mã số : 60.52.60

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN ĐỨC KHOÁT

HÀ NỘI - 2010


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong
luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ cơng trình nào
khác. Tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm về mọi vấn đề nêu trong luận văn.

Tác giả luận văn

Nguyễn Thanh Lịch


-1-

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC……………………………………………………………………….......

1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ………….……………………………………………..

3

DANH MỤC CÁC BẢNG ………..………………………………………………….

6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT………………………………………………………..

7

MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………

8

Chương 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ MÁY XÚC TRONG MỎ LỘ THIÊN VIỆT NAM

11

1.1. Lịch sử phát triển của máy xúc……………………………………………..

11

1.2. Cấu trúc chung hệ truyền động của máy xúc điện…………………………

11

1.2.1. Hệ máy phát – động cơ (F - Đ)………………………………………

13

1.2.2. Khuếch đại từ trong máy xúc…………………………………………

15

1.2.3. Các loại hồi tiếp sử dụng trong máy xúc………………………………

16

1.3. Một số loại máy xúc điện đang được sử dụng ở Việt Nam…………………

16

1.3.1. Máy xúc ЭКГ – 4,6……………………………………………………

16

1.3.2. Máy xúc ЭКГ – 5A……………………………………………………

19

1.3.3. Máy xúc ЭКГ – 8И……………………………………………………

21

1.3.4. Máy xúc ЭКГ – 10……………………………………………………

22

1.4. Nhận xét……………………………………………………………………

23

Chương 2: HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY XÚC ЭКГ–10…

24

2.1. Giới thiệu chung……………………………………………………………

24

2.1.1. Các thơng số chính của ЭКГ–10………………………………………

24

2.1.2. Các thiết bị chính trong hệ thống truyền động điện của máy xúc
ЭКГ–10……………………………………………………………….
2.2. Hệ truyền động điện máy xúc ЭКГ–10……………………………………

25
26

2.2.1. Thông số kỹ thuật các thiết bị trong hệ truyền động nâng hạ…………

26

2.2.2. Sơ đồ nguyên lý truyền động điện cơ cấu nâng hạ ……………………

31

2.3. Yêu cầu đặc tính cơ máy xúc ЭКГ – 10……………………………………
2.3.1. Đường đặc tính cơ điện máy xúc ЭКГ – 10……………………………

34
34

-22.3.2. Nguyên lý làm việc của truyền động số trong máy xúc ЭКГ – 10…….
2.4. Bộ điều khiển truyền động máy xúc ЭКГ – 10……………………………

34
38

2.4.1. Chức năng, nhiệm vụ của các bộ điều khiển trong máy xúc
ЭКГ – 10……......................................................................................

38

2.4.2. Thông số và đặc tính kỹ thuật của bộ điều khiển ……………………

42

2.4.3. Cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển…………………………

43

2.5. Nhận xét ……………………………………………………………………

46

Chương 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG MÁY XÚC ЭKΓ – 10….

47

3.1. Đặt vấn đề…………………………………………………………………..

47

3.2. Cấu tạo và các thành phần của bộ điều khiển ………………………………

48

3.2.1. Biến áp đồng bộ và khối nguồn điều khiển (A2)………………………

48

3.2.2. Khối tạo tín hiệu đồng pha (A5)……………………………………….

48

3.2.3. Khối cảm biến mất pha (A3)…………………………………………..

49

3.2.4. Khối cách ly tín hiệu (A4)……………………………………………

50

3.2.5. Khối điều khiển trung tâm (A1)……………………………………….

51

3.2.6. Cấu trúc mạch thyristor công suất……………………………………..

52

3.3. Ứng dụng vi điều khiển trong bài toán điều khiển tốc độ động cơ …………

54

3.3.1. Lựa chọn vi điều khiển…………………………………………………

54

3.3.2. Thuật toán phát xung điều khiển………………………………………

54

3.4. Xây dựng mạch chỉnh định…………………………………………………

62

3.5. Xây dựng giao diện điều khiển từ máy tính PC……………………………

63

3.6. Xây dựng mơ hình mơ phỏng mạch điều khiển……………………………

63

3.7. Kết quả mô phỏng mạch điều khiển…………………………………………

66

3.8. Nhận xét……………………………………………………………………

70

KẾT LUẬN…………………………………………………………………………

71

DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ……………………………………………

72

TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………

73

PHỤ LỤC A: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC18Fxx2…………………

74

PHỤ LỤC B: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN…………………………………

93


-3-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1.

Đặc tính cơ điện kiểu máy xúc…………………………………...

12

Hình 1.2.

Sơ đồ nguyên lý hệ F – Đ………………………………………...

13

Hình 1.3.

Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại từ kép dùng trong máy xúc ЭКГ..

15

Hình 1.4.

Sơ đồ nguyên lý hồi tiếp sử dụng trong máy xúc ЭКГ………….

16

Hình 1.5.

Sơ đồ điều khiển truyền động nâng gầu của máy xúc ЭКГ – 4,6..

17

Hình 1.6.

Đặc tính cơ của ЭКГ – 4,6………………………………………

18

Hình 1.7.

Sơ đồ ngun lý truyền động điện nâng của ЭКГ – 5A………….

19

Hình 1.8.

Bộ hồi tiếp cắt nhanh theo dịng БTO……………………………

20

Hình 1.9.

Sơ đồ ngun lý truyền động điện nâng máy xúc ЭКГ – 8И……

21

Hình 1.10.

Đặc tính cơ hệ truyền động điện nâng máy xúc ЭКГ – 8И………

22

Hình 1.11.

Sơ đồ nguyên lý máy xúc ЭКГ – 10……………………………..

22

Hình 2.1.

Đặc tính khơng tải của máy phát…………………………………

28

Hình 2.2.

Sơ đồ nguyên lý truyền động điện nâng hạ máy xúc ЭКГ – 10….

32

Hình 2.3.

Sơ đồ nguyên lý mạch phần ứng…………………………………

33

Hình 2.4.

Sơ đồ ngun lý mạch kích từ máy phát…………………………

33

Hình 2.5.

Sơ đồ ngun lý mạch kích từ động cơ…………………………..

33

Hình 2.6.

Đặc tính cơ điện truyền động nâng………………………………

34

Hình 2.7.

Sơ đồ cấu trúc số của cơ cấu nâng……………………………….

35

Hình 2.8.

Đặc tính của bộ P3И……………………………………………..

37

Hình 2.9.

Sơ đồ ghép nối của bộ điều khiển ПТЭМ_1…………………….

39

Hình 2.10.

Sơ đồ ghép nối của bộ điều khiển ПТЭМ_2, ПТЭМ_5………….

40

Hình 2.11.

Sơ đồ ghép nối của bộ điều khiển ПТЭМ_3, ПТЭМ_6………….

40

Hình 2.12.

Sơ đồ ghép nối của bộ điều khiển ПТЭМ_4, ПТЭМ_7………….

41

Hình 2.13.

Sơ đồ nguyên lý mạch điện bộ điều khiển ПТЭМ……………….

44

Hình 2.14.

Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm (A1)……………….

45


-4-

Hình 3.1.

Sơ đồ mạch nguồn……………………………………………….

48

Hình 3.2.

Khối tạo tín hiệu đồng pha……………………………………….

49

Hình 3.3.

Tín hiệu đồng pha………………………………………………..

49

Hình 3.4.

Khối cảm biến mất pha…………………………………………..

50

Hình 3.5.

Khối cách ly tín hiệu điều khiển với mạch cơng suất…………….

50

Hình 3.6.

Mạch điều khiển trung tâm……………………………………….

52

Hình 3.7.

Cấu trúc mạch thyristor cơng suất………………………………..

52

Hình 3.8.

Trình tự phát xung mở thyristor ứng với góc mở α = 300………..

53

Hình 3.9.

Sơ đồ hệ thống phát xung………………………………………...

54

Hình 3.10.

Lưu đồ thuật tốn phát xung điều khiển khi dùng điện áp đồng
bộ của một pha……………………………………………………

57

Hình 3.11.

Lưu đồ thuật tốn của chương trình con tạo xung……………….

58

Hình 3.12.

Lưu đồ thuật toán phát xung điều khiển khi dùng điện áp đồng
bộ của ba pha…………………………………………………….

60

Hình 3.13.

Lưu đồ thuật tốn phát xung điều khiển pha A………………….

60

Hình 3.14.

Lưu đồ thuật tốn chương trình con ngắt Timer2 và ngắt truyền
thơng……………………………………………………………..

61

Hình 3.15.

Mạch chỉnh định…………………………………………………

62

Hình 3.16.

Giao diện điều khiển từ máy tính PC…………………………….

63

Hình 3.17.

Mơ hình mạch điều khiển có ghép nối với máy tính và mạch
chỉnh định………………………………………………………..

64

Hình 3.18.

Mơ hình mơ phỏng mạch điều khiển…………………………….

65

Hình 3.19.

Kết quả mơ phỏng phát xung T1, T2, T3 với α = 300 (máy hiện
sóng 1)……………………………………………………………

Hình 3.20.

Kết quả mơ phỏng phát xung T4, T5, T6 với α = 300 (máy hiện
sóng 2)……………………………………………………………

Hình 3.21.
Hình 3.22.

67
67

0

Kết quả mô phỏng phát xung T1, T2, T3 với α = 90 (máy hiện
sóng 1)……………………………………………………………

68

Kết quả mơ phỏng phát xung T4, T5, T6 với α = 900 (máy hiện

68


-5-

sóng 2)……………………………………………………………
Hình 3.23.

Nhóm thyristor đấu Katot chung ( T1, T3, T5) được cấp xung…..

69

Hình 3.24.

Nhóm thyristor đấu Anod chung ( T2, T4, T6) được cấp xung….

69

Hình A.1.

Kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman…………………….

74

Hình A.2.

Các dạng sơ đồ chân của Pic18Fxx2…………………………….

76

Hình A.3.

Các dạng sơ đồ chân của Pic18Fxx2……………………………..

76

Hình A.4.

Sơ đồ khối vi điều khiển Pic18F2x2…………………………….

78

Hình A.5.

Sơ đồ khối vi điều khiển Pic18F4x2…………………………….

79

Hình A.6.

Bộ nhớ chương trình của PIC18Fxx2……………………………

80

Hình A.7.

Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu của PIC18F242 và PIC18F442……………

81

Hình A.8.

Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu của PIC18F252 và PIC18F452……………

81

Hình A.9.

Sơ đồ khối của Timer0 ở chế độ 8 bit……………………………

83

Hình A.10.

Sơ đồ khối của Timer0 ở chế độ 16 bit………………………….

83

Hình A.11.

Sơ đồ khối của Timer1…………………………………………..

84

Hình A.12.

Sơ đồ khối của Timer2…………………………………………..

85

Hình A.13.

Sơ đồ khối của Timer3…………………………………………..

85

Hình A.14.

Sơ đồ khối CCP (Capture mode)…………………………………

87

Hình A.15.

Sơ đồ khối CCP (Compare mode)……………………………….

88

Hình A.16.

Sơ đồ khối CCP (PWM mode)…………………………………...

89

Hình A.17.

Sơ đồ khối của truyền khơng đồng bộ……………………………

90

Hình A.18.

Sơ đồ khối của nhận khơng đồng bộ……………………………..

91

Hình A.19.

Sơ đồ khối của ADC……………………………………………..

92

Hình A.20.

Các cách lưu kết quả chuyển đổi ADC…………………………..

92


-6-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1

Thơng số chính của ЭКГ–10…………………………………..

24

Bảng 2.2

Các máy điện chính của máy xúc ЭКГ–10…………………….

25

Bảng 2.3

Thơng số kỹ thuật của máy phát nâng hạ 4ГΠЭM600 – 1/1T2..

26

Bảng 2.4

Thông số kỹ thuật của động cơ nâng/hạ ………………………

29

Bảng 2.5

Thông số kỹ thuật của động cơ đồng bộ………………………..

30

Bảng 2.6

Thông số và đặc tính kỹ thuật của bộ điều khiển……………….

41

Bảng A.1

Đặc trưng kỹ thuật của vi điều khiển Pic18Fxx2……………….

77


-7-

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Giải thích

ADC

Analog-to-Digital (A/D) converter

CCP

Capture/Compare/PWM

CPU

Center Processor Unit

F-Đ

Hệ máy phát – động cơ

GPR

General Purpose Register

KĐT

Khuếch đại từ

NRZ

None-Return-to-Zero

SCI

Serial Communication Interface

SFG

Special Function Register

PIC

Programmable Intelligent Computer

PWM

Pulse Width Modulation

Timer

Các bộ định thời

USART

Universal Synchronous Asynchronous Receiver
Transmitter


-8-

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.

Máy xúc là một thiết bị quan trọng, góp phần khơng nhỏ vào việc nâng cao năng
suất lao động và hiệu quả kinh tế trong ngành công nghiệp Mỏ. Hệ truyền động điện
cho máy xúc 4,6m3 đến 10m3 ở các mỏ lộ thiên Việt Nam phổ biến là hệ máy phát động cơ một chiều, với hệ điều khiển truyền động điện sử dụng hệ khuếch đại từ máy phát - động cơ (máy xúc ЭKΓ - 4,6, ЭKΓ - 5A, ЭKΓ - 8И). Trong những năm
gần đây, các Mỏ Cọc Sáu và Cao Sơn đã trang bị máy xúc ЭKΓ-10 với hệ điều
khiển truyền động chính có sử dụng các bộ điều khiển Thyristor loại БYT-3,
ПТЭМ-2Р-22Ц. Đây là các bộ điều khiển số với thuật toán điều khiển phức tạp ứng
dụng các vi điều khiển. Vì là họ máy xúc hiện đại, tài liệu chuyển giao cơng nghệ
cịn rất ít, do đó việc lắp đặt, sửa chữa, bảo hành, bảo trì hiện nay vẫn phụ thuộc
hoàn toàn vào các chuyên gia Nga.
Bài toán đặt ra đối với các kỹ sư và chuyên gia máy xúc Việt Nam là cần phải
nội địa hóa các bộ điều khiển truyền động trên, để chủ động trong việc thay thế, sửa
chữa, bảo trì, đồng thời giảm giá thành nhập khẩu các bộ điều khiển đó.
Với mục tiêu trên, đề tài ”Xây dựng bộ điều khiển truyền động cho máy xúc
ЭKΓ - 10” đi sâu vào nghiên cứu xây dựng hồn chỉnh bộ điều khiển truyền động
chính cho máy xúc ЭKΓ - 10.
2. Mục đích của đề tài:
o Tìm hiểu hệ truyền động điện của các loại máy xúc ở mỏ lộ thiên;
o Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển truyền động chính máy xúc ЭKΓ - 10 để
chủ động trong việc thay thế, sửa chữa cũng như bảo hành, bảo trì, nâng cao
hiệu quả sử dụng máy.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Hệ truyền động trong máy xúc ЭKΓ - 10, ứng dụng vi điều khiển để xây dựng
bộ điều khiển truyền động máy xúc ЭKΓ - 10.


-9-

4. Nội dung nghiên cứu
o Nghiên cứu tìm hiểu hệ truyền động của các loại máy xúc ở mỏ lộ thiên;
o Nghiên cứu tìm hiểu hệ truyền động của máy xúc ЭKΓ - 10 và công nghệ

điều khiển;
o Xây dựng mạch điều khiển truyền động của máy xúc ЭKΓ - 10;
o Thực hiện mô phỏng mạch điều khiển trên phần mềm Proteus.
5. Phương pháp nghiên cứu
o Nghiên cứu tìm hiểu hệ truyền động và các bộ điều khiển của máy xúc ЭKΓ
- 10 hiện có ở mỏ lộ thiên Việt Nam;
o Ứng dụng phần mềm Proteus để mô phỏng các mạch điều khiển nhằm chế
tạo và thay thế các bộ điều khiển nhập ngoại.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
o Sử dụng phần mềm Proteus để mô phỏng các bộ điều khiển máy xúc ЭKΓ 10. Lập trình cho vi điều khiển PIC18;
o Mô phỏng và chế tạo bộ điều khiển cho máy xúc góp phần giảm bớt giá
thành của máy và sự phụ thuộc của các chuyên gia nước ngoài, đồng thời
nâng cao hiệu quả vận hành máy xúc và hiệu quả kinh tế cho ngành công
nghiệp Mỏ tại Việt Nam.
7. Cấu trúc luận văn
Luận văn được trình bày trong 114 trang, 69 hình và 7 bảng gồm các phần như
sau:
o Chương 1: Tổng quan các loại máy xúc trong Mỏ lộ thiên ở Việt Nam;
o Chương 2: Hệ truyền động điện và bộ điều khiển máy xúc ЭKΓ - 10;
o Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển truyền động máy xúc ЭKΓ - 10;
o Phụ lục A: Tổng quan về vi điều khiển PIC18Fxx2;


- 10 -

o Phụ lục B: Chương trình điều khiển.
8. Lời cảm ơn
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của Thầy giáo hướng dẫn
TS. Nguyễn Đức Khốt để tơi có thể hồn thành bản luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cơ trong bộ mơn Tự động hóa xí nghiệp

Mỏ và dầu khí - ĐH Mỏ - Địa chất đã tạo điều kiện giúp đỡ và đóng góp những ý
kiến quý báu giúp tơi hồn thiện luận văn.

Tác giả

Nguyễn Thanh Lịch


- 11 -

Chương 1
TỔNG QUAN CÁC HỆ MÁY XÚC
TRONG MỎ LỘ THIÊN VIỆT NAM

1.1. Lịch sử phát triển của máy xúc
Máy xúc một gàu vạn năng xuất hiện cách đây khoảng 1,5 thế kỷ. Trong những
năm 1845 - 1851 ở Liên Xô, lần đầu tiên máy xúc được sử dụng để xây dựng tuyến
đường sắt Pêtecbua - Matxcơva.
Năm 1926 - 1931 máy xúc hơi nước chạy trên đường ray bắt đầu xuất hiện.
Năm 1936 máy xúc bánh xích có bàn quay trọn vòng với động cơ điêzen ra đời.
Năm 1995 Liên Xô bắt đầu sản xuất máy xúc thủy lực dùng bệ máy kéo. Từ năm
1970 - 1975, máy xúc thủy lực có bàn quay trọn vịng đã được chế tạo. Các loại
thiết bị công tác thay thế và các bộ phận của máy xúc thủy lực được sản xuất với số
lượng lớn nên phạm vi sử dụng của máy xúc được mở rộng và hiệu quả làm việc
được nâng cao.
Ngày nay, các hệ máy xúc điện đã thay thế hầu hết máy xúc thủy lực và được sử
dụng phổ biến trong ngành khai thác khoáng sản, thủy điện, thủy lợi, khai thác vật
liệu xây dựng….Với ưu thế về khả năng bốc xúc đất đá có độ cứng cao, các hệ máy
xúc ЭКГ - 4,6; ЭКГ - 5A; ЭКГ - 8И, ЭКГ - 10 của Nga đã góp phần nâng cao hiệu
quả sản xuất và là thiết bị không thể thiếu đặc biệt trong ngành khai thác mỏ lộ

thiên.
1.2. Cấu trúc chung hệ truyền động của máy xúc điện
Máy xúc điện là thiết bị có kích thước khá lớn, việc truyền động cho các cơ cấu
địi hỏi có một hệ thống gọn nhẹ, linh hoạt do yêu cầu sản xuất, vì vậy người ta sử
dụng phương pháp truyền động nhiều động cơ để có hiệu quả làm việc cao nhất.


- 12 -

Hầu hết hệ thống điều khiển truyền động điện của các máy xúc đều sử dụng hệ
KĐT - máy phát - động cơ.
Các cơ cấu truyền động chính của máy xúc là cơ cấu ra/vào tay gầu, nâng, hạ,
quay, di chuyển, mở đáy gầu. Với tính chất đặc trưng luôn làm việc trong điều kiện
tải trọng thay đổi, các cơ cấu địi hỏi phải có một đường đặc tính cơ điện riêng được
gọi là đường đặc tính kiểu máy xúc (hình 1.1).
- Vùng I (vùng cơng tác): Vùng
biến thiên cho phép của mơmen và
dịng điện động cơ. Ở vùng này đặc
tính cơ có độ cứng cao để đảm bảo sai
số điều khiển nhỏ, tốc độ ổn định,
năng suất cao.
- Vùng II: Khi xảy ra quá tải,

Hình 1.1. Đặc tính cơ điện kiểu máy xúc

đặc tính tự động mềm xuống để bảo
vệ động cơ.
Để tạo ra đặc tính này, nhìn chung, các cơ cấu ở thế hệ máy xúc cũ đều sử dụng
hệ máy phát - động cơ - KĐT với hai loại hồi tiếp:
- Hồi tiếp âm theo áp: nhằm tăng độ cứng của đặc tính cơ.

- Hồi tiếp âm cắt nhanh theo dòng phần ứng: làm mềm nhanh chóng đặc tính
cơ, giảm đột ngột tín hiệu điều khiển nếu dòng phần ứng tăng lên quá dòng cắt (Icắt).
Yêu cầu giảm sai số tốc độ (tăng độ cứng đặc tính cơ) sẽ làm tăng giá trị dịng
điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch, kết quả sẽ gây nguy hiểm cho động cơ khi
quá tải lớn và gây hỏng hóc các bộ phận truyền lực bởi gia tốc quá lớn khi khởi
động và hãm. Phương pháp phân vùng tác dụng đã giải quyết được mâu thuẫn này.
Mặt khác, trong quá trình khởi động, hãm, điều chỉnh tốc độ động cơ thường có u
cầu giữ gia tốc khơng đổi để đạt tối ưu về thời gian quá độ. Vì thế trong các hệ


- 13 -

truyền động có mơmen tải khơng đổi thì đặc tính phải có đoạn độ cứng bằng khơng.
[6]
1.2.1. Hệ máy phát - động cơ (F - Đ)
Hệ máy phát - động cơ (F - Đ) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện là
máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát này thường do động cơ sơ cấp
đồng bộ ba pha quay (đối với máy phát công suất lớn) hoặc động cơ không đồng bộ
(đối với máy phát công suất nhỏ) và coi tốc độ quay của máy phát là khơng đổi.
Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai đặc tính: đặc tính khơng tải
(thể hiện sự phụ thuộc giữa sức điện động máy phát vào dịng điện kích từ) và đặc
tính tải (sự phụ thuộc của điện áp trên hai cực của máy phát vào dịng điện tải).

Hình 1.2. Sơ đồ ngun lý hệ F - Đ
Trong tính tốn gần đúng có thể tuyến tính hố các đặc tính này:

E f = K f Φ f ωf = K f ωf Ci kf
Trong đó:
- Kf là hệ số kết cấu của máy phát;
- Φf là từ thông của máy phát (Wb);

- C = ∆ Φf / ∆ ikf là hệ số góc của đặc tính từ hố;

(2-1)


- 14 -

- ikf là dịng điện kích từ máy phát (A);
- Ef là sức điện động của máy phát (V);
- ωf là tốc độ góc (rad/s).
Nếu dây quấn kích thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng Ukf thì:
U kf
rkf

i kf =

(2-2)

Sức điện động của máy phát trong trường hợp này sẽ tỷ lệ với điện áp kích thích
bởi hệ số hằng Kf, như vậy có thể coi gần đúng phát điện một chiều kích từ độc lập
là một bộ khuyếch đại tuyến tính:

E f = K f .U kf

(2-3)

Nếu đặt R = Rưf + Rưd thì có thể viết được phương trình các đặc tính của hệ F - Đ
như sau:

ω=

Kf
RI
U kf −
KΦ
KΦ

(2-4)

ω=

Kf
R
U kf −
M
KΦ
(KΦ ) 2

(2-5)

ω = ωo (U kf , U kđ ) −

M
β U kđ

(2-6)

Các biểu thức (2-4), (2-5), (2-6) chứng tỏ rằng, khi điều chỉnh dịng điện kích
thích của máy phát thì điều chỉnh tốc độ khơng tải của hệ thống cịn độ cứng đặc
tính cơ thì giữ ngun. Cũng có thể điều chỉnh kích từ của động cơ để có dải điều

chỉnh tốc độ rộng hơn. [4]

Nhận xét:
Ưu điểm nổi bật của hệ F - Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt,
khả năng quá tải lớn. Do vậy thường sử dụng hệ truyền động F - Đ ở các máy khai
thác mỏ trong công nghiệp mỏ.


- 15 -

Tuy nhiên, nhược điểm quan trọng nhất của hệ F - Đ là dùng nhiều máy điện
quay, trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, cơng suất lắp đặt máy
ít nhất bằng ba lần cơng suất động cơ chấp hành. Ngồi ra do các máy phát một
chiều có từ dư, đặc tính từ hố có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ.

1.2.2. Khuếch đại từ (KĐT) trong máy xúc
Khuếch đại từ (KĐT) được dùng để khuếch đại và tổng hợp tín hiệu được sử
dụng rộng rãi trong công nghiệp mỏ với những ưu điểm nổi bật: hệ số khuếch đại
lớn, có thể tổng hợp nhiều tín hiệu điều khiển và tín hiệu hồi tiếp đồng thời, khơng
có tiếp điểm, làm việc ổn định trong mơi trường có nhiều rung động, sử dụng đơn
giản, ít phải bảo dưỡng. Nhược điểm của KĐT là quán tính lớn ảnh hưởng đến khả
năng xử lý những sự cố bất thường khi hệ thống hoạt động, đặc biệt là đối với máy
xúc làm việc trong môi trường tải thay đổi thường xuyên, thời gian quá độ lớn dẫn
đến thời gian xử lý việc thay đổi tốc độ chưa được đảm bảo.
Thực tế có rất nhiều loại KĐT như KĐT đơn một pha, KĐT có phản hồi trong,
KĐT có phản hồi ngồi, KĐT kép, KĐT một pha có đảo chiều, KĐT ba pha có đảo
chiều…Máy xúc họ ЭКГ thường sử dụng loại KĐT kép có sơ đồ nguyên lý như

hình 1.3

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý bộ KĐT kép dùng trong máy xúc ЭКГ


- 16 -

1.2.3. Các loại hồi tiếp sử dụng trong máy xúc
Để tạo được đặc tính cơ kiểu máy xúc (xem hình 1.1), cần có hai loại hồi tiếp:
hồi tiếp âm theo áp và hồi tiếp cắt nhanh theo dòng điện phần ứng.
Trong vùng làm việc (vùng dòng điện cho phép) sử dụng hồi tiếp âm theo áp để
độ cứng đặc tính cơ cao, hệ thống làm việc ổn định.
Trong vùng dịng điện q tải lớn, đặc tính cơ phải mềm hẳn xuống để bảo vệ
động cơ. Khi đó, sử dụng hồi tiếp cắt nhanh theo dịng điện phần ứng.

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý hồi tiếp sử dụng trong máy xúc ЭКГ
1.3. Một số loại máy xúc điện đang được sử dụng ở Việt Nam
Ngành công nghiệp mỏ ở Việt Nam trước kia và tại một số mỏ hiện nay chủ yếu
sử dụng máy xúc ЭКГ - 4,6; ЭКГ - 5A; ЭКГ - 8И.

1.3.1. Máy xúc ЭКГ - 4,6
Các cơ cấu của ЭКГ - 4,6 đều sử dụng hệ máy phát - động cơ - KĐT. Hình 1.5
giới thiệu sơ đồ nguyên lý hệ truyền động điện nâng của ЭКГ - 4,6. Bộ truyền động
này có nhiệm vụ nâng - hạ gầu. Tay điều khiển KKП có tác dụng làm thay đổi dòng
điện chủ đạo trong cuộn YMC2, cung cấp điện cho cuộn kích từ độc lập của máy
phát ГП phát điện cung cấp cho động cơ ДП.


- 17 -

Hình 1.5. Sơ đồ điều khiển truyền động nâng gầu của máy xúc ЭКГ - 4,6
Việc tổng hợp tín hiệu điều khiển và hồi tiếp được thực hiện bằng KĐT kép

YMCП, tín hiệu ra của KĐT được đấu vào mạch kích từ của máy phát, từ đó đưa
đến hai nửa cuộn dây kích từ đấu theo sơ đồ cầu đối xứng.
ЭКГ - 4,6 có 4 cấp tốc độ, nguyên tắc điều chỉnh dựa trên việc thay đổi điện trở
đấu trên cuộn YMCП2. Động cơ được đảo chiều bằng cách đảo chiều điện áp kích
từ của máy phát dẫn đến đảo chiều điện áp máy phát bằng phương pháp không tiếp
điểm.
Hệ truyền động điện của ЭКГ - 4,6 sử dụng hai loại hồi tiếp:
-

Hồi tiếp âm theo áp nhờ cuộn YMC6;


- 18 -

-

Hồi tiếp cắt nhanh theo dòng điện phần ứng nhờ cuộn YMC1 thông qua phân
áp so sánh 1CY. Hai đầu phân áp so sánh được đưa vào điện áp mẫu, khi
dòng điện phần ứng tăng cao làm điện áp đưa vào cuộn YMC-1 lớn hơn điện
áp mẫu sẽ làm hồi tiếp cắt nhanh theo dòng hoạt động để bảo vệ hệ thống.

Hồi tiếp âm mềm theo dòng được thực hiện nhờ cuộn YMC-4 đấu qua biến áp
ổn định. Biến áp có cuộn sơ cấp là cuộn phụ của máy phát, cuộn thứ là cuộn ổn
định. Khi dòng điện trong mạch dao động sẽ làm xuất hiện sức điện động trên cuộn
thứ cấp máy biến áp, lúc đó qua cuộn YMC-4 tín hiệu hồi tiếp âm mềm theo dịng
đưa về KĐT có tác dụng làm ổn định dịng điện trong mạch, khi sự dao động dịng
mất đi thì tín hiệu hồi tiếp này cũng mất. Hệ số hồi tiếp âm áp được điều chỉnh bằng
cách thay đổi điện trở 7CДΠ.

Hình 1.6. Đặc tính cơ của ЭКГ - 4,6

Khi so sánh giáng áp iư(RtF + Rsơn + RfĐ) với điện áp mẫu, do nhiệt độ thay đổi
làm tham số điện trở thay đổi nên sự so sánh kém chính xác, tín hiệu hồi tiếp âm sai
lệch dẫn đến tác động không chuẩn. Để khắc phục nhược điểm này, máy xúc ЭКГ 5A được chế tạo có cải tiến khâu hồi tiếp cắt nhanh theo dịng, bên cạnh đó dung
lượng gầu còn lớn hơn.


- 19 -

1.3.2. Máy xúc ЭКГ - 5A

3H2
2H2
6H2
1H2
4H2
5H2

3H1
2H1
6H1
1H1
4H1
5H1

-1 +1 -2 +2
УK-1CБΠ
AГ-Г1-OBH

УK-2CБΠ

0 450

УK-BTΠ
УK-Π

YK-4CДΠ

4
12
1

14
11 13 9 15

УK-БTOΠ

6
5
2

УK-PБ

YK-9CДΠ
AГ-Г1-CT

УK-БAK

AГ-Г1-ДΠ

AГ-Г1-CT

1A1

1A2
YK-1A

УK-PTMTΠ

M1

AГ-Г1
Ш1

AГ-Г1-OBШ

Ш2

YK-Д1

YK-2CДΠ

YK-2CДΠ

УK-P1

УK-P7

YK-3CДΠ

KKΠ

K2

4

3 2 1

0

1

K1

2 3

4

УK-P2

K3

YK-2R2

YK-Д2

K4

YK-Д10

K5

УK-P2
УK-BTΠ
IV

450 0 450

0
УK-PTΠ 45 0 450

Ш

ЭB1

УK-P2
УK-ΠΠ

Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý truyền động điện nâng của ЭКГ - 5A
Mạch hồi tiếp cắt nhanh theo dòng phần ứng sử dụng bộ khuếch đại bán dẫn
БTO. Bộ БTO được nối với hai cuộn dây điều khiển của KĐT YMC4 và YMC5,


- 20 -

gồm một đèn bán dẫn 3 cực T1, các điốt ổn áp CT1, CT2, cầu chỉnh lưu B và các
điện trở.

M

Г
RS

Г-ДΠ

M-ДΠ

+

+
BT -45 0 +45

4CД

YK-Π
YMC-4

Д5

YMC-5

Д6

CT2
T1
RЭ

9
13

Д7

RH

÷ Д10
……

4
CT1

11
7

R1

R2

RT

11

RΠ

1
3

RΠ1
4

2

Д1 ÷ Д4

Hình 1.8. Bộ hồi tiếp cắt nhanh theo dòng БTO
Điện áp đặt vào mạch hồi tiếp chính là sụt áp trên các cuộn dây cực từ phụ của
máy phát CFF và của động cơ điện một chiều CFĐ.

U ht = U CF = I u (R CFF + R CFĐ )

(2-7)

Như vậy điện áp mạch hồi tiếp tỷ lệ với dòng điện phần ứng, tức là tỷ lệ với tải
của động cơ dẫn động cơ cấu chính của máy xúc.
Khi máy xúc làm việc ở chế độ định mức (Iư = Iđm) thì CT1 khóa, sụt áp trên (R2
+ RT) nhỏ hơn điện áp mở T1, T1 khóa do đó khơng có dòng qua cuộn hồi tiếp.
Nếu dòng điện phần ứng tăng lên thì sẽ có dịng điện hồi tiếp chạy qua YCM4,
KĐT bị khử từ mạnh làm dịng kích thích độc lập của máy phát giảm nên điện áp ra
của máy phát và dòng điện phần ứng cũng như tốc độ của động cơ một chiều giảm
nhanh tới khi Iư = Idừng thì hệ thống truyền động điện sẽ dừng lại.


- 21 -

1.3.3. Máy xúc ЭКГ - 8И

Hệ truyền động điện của máy xúc ЭКГ - 8И là hệ máy phát - động cơ - KĐT.
ЭКГ - 8И có cơng suất rất lớn nên động cơ truyền động cho máy phát là loại động
cơ đồng bộ.

Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý truyền động điện nâng máy xúc ЭКГ – 8И

- 22 -

Hình 1.10. Đặc tính cơ hệ truyền động điện nâng máy xúc ЭКГ – 8И
1.3.4. Máy xúc ЭКГ - 10

ЭКГ - 10 có nhiều ưu điểm vượt trội về kết cấu, truyền động điện, độ bền cao,
có khả năng xúc tải ở các tầng có độ cao khác nhau. Hệ truyền động điện của ЭКГ 10 là hệ điều khiển số máy phát - động cơ - bộ biến đổi sử dụng thysistor với vi điều
khiển có phản hồi theo dòng điện phần ứng và điện áp máy phát.
Cảm biến
dịng

Mạch điều khiển
phát xung

Cảm biến

thysistor

áp

RS3H
Đ1
CKF

F

CKĐ1

CKĐ1
KVIH

Đ2
A
CKF CKF

CKĐ2

CKĐ2

RSH
A

Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý máy xúc ЭКГ - 10