Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:126

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "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" trình bày các nội dung chính sau: 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

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 CÔNG 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 CÔNG 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 công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. 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 không 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, cô giáo Bộ môn 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 hoàn thành luận án tiến sĩ của mình. Tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới Tiểu ban hướng dẫn: PGS.TS Khổng Cao Phong và TS Nguyễn Hoàng 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 hoàn 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 luôn ở bên cạnh và động viên trong suốt thời gian qua để NCS hoàn thành tốt công 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 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ............................................................ 28 2.1. Cấu trúc hệ thống truyền động [45] ..................................................... 28 2.2. Mô hình toán học máy phát [48],[49] .................................................. 28 2.3. Mô hình toán học hệ máy phát động cơ ............................................... 31 2.4. Hàm truyền đạt của tải cơ học.............................................................. 33 2.5. Tổng hợp mô hình toán học của hệ truyền động máy phát động cơ [49] .. 35 2.6. Cấu trúc hệ điều khiển ba mạch vòng và mô 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 toán các thông 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 mô hình mô 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: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM.................................................... 82 4.1. Mô hình thực nghiệm ........................................................................... 82 4.1.1. Cấu trúc cơ khí của mô 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 CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ 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 toán 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 không (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. Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển nâng hạ gầu sử dụng PID 50 Hình 3.2. Cấu trúc giới hạn dòng 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 quá tải.............. 52 Hình 3.6. Dòng điện phần ứng thay đổi từ định mức đến quá tải ................... 53 Hình 3.7. Dòng điện phần ứng thay đổi từ non tải đến quá tải ....................... 53 Hình 3.8. Dòng 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 quá tải .................. 54 Hình 3.12. Dòng điện kích từ máy phát thay đổi từ quá tải đến tải đinh mức 54 Hình 3.13. Dòng điện kích từ máy phát khi thay đổi từ non tải đến quá tải ... 54 Hình 3.14. Dòng 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 quá tải............................. 75 Hình 3.30. Dòng điện phần ứng khi thay đổi từ quá tải đến định mức........... 75 Hình 3.31. Dòng 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 quá tải ............................. 77 Hình 3.36. Dòng kích từ máy phát thay đổi từ quá tải đến non tải ................. 77 Hình 3.37. Dòng kích từ máy phát thay đổi từ định mức đến quá tải............. 77 Hình 3.38. Dòng 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 toán 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 không tải .................................................... 90 Hình 4.13. Dòng điện phần ứng khi không tải ................................................ 90 Hình 4.14. Tốc độ động cơ khi không tải ....................................................... 90 Hình 4.15. Điện áp phần ứng khi có tải .......................................................... 90 Hình 4.16. Dòng 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 Dòng 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 Dòng 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 nghi) đại từ Khuếch KT 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 công nghiệp khai thác mỏ, do đặc thù công việc các thiết bị máy móc được sử dụng thường có công 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 đòi hỏi về công 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 toán điều khiển của các hệ vi xử lý, các bộ biến đổi công 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 đoàn Than khoáng 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 công 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 mô hình toán học. Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển. Nghiên cứu xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển cho hệ thống. Xây dựng mô 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 mô hình toán học, ứng dụng phần mềm mô phỏng để tìm ra thuật toán cho vi xử lý trong các bộ điều khiển, chế tạo thử bộ điều khiển trên mô 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 toán, chương trình điều khiển mới cho các hệ thống truyền động điện máy xúc. 7. Tính mới của đề tài Xây dựng mô hình toán 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 vòng dòng 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 quá 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 chuyên 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 công tác đất, ngoài ra nó còn tham gia vào các công tác giải phóng mặt bằng, phá dỡ công 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, còn 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 đôi 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 công nghiệp khai thác khoáng 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] TT Các thông số kỹ thuật 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 Chiều cao đào tối đa khi 4 công tác đầu cuối ở trạng m 20,20 20,20 15,60 thái làm việc Hx 5 Bán kính dỡ tải lớn nhất Rp m 22,10 22,10 17,90 Chiều cao dỡ tải lớn nhất 6 m 14,50 14,50 13,50 Hp Chu kỳ làm việc khi máy 7 gy 23,00 23,00 26,00 quay 900 8 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 A, Nâng gầu 0,87 0,87 0,94 0,94 9 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 10 Trọng lượng máy T 160,00 197,00 341,00 11 Áp lực nén trên đất kg/cm2 2,00 2,15 2,05 12 Công suất động cơ dẫn động kW 250,00 250,00 525,00 13 Điện áp cung cấp kV 6,00 6,00 6,00 1.2.2. Tình hình sử dụng