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

TÓM TẮT NHỮNG KẾT LUẬN MỚI CỦA LUẬN ÁN 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

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

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

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

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

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

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

4.1.3 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

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

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 3.4 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 3.29 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 4.8 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

Ký hiệu Giải thích

eudc Sức điện động phần ứng động cơ

eumf Sức điện động phần ứng máy phát

Lktmf Điện cảm kích từ máy phát

Ludc Điện cảm phần ứng động cơ

Lumf Điện cảm phần ứng máy phát

Rktmf Điện trở kích từ máy phát

Rudc Điện trở phần ứng động cơ

Rumf Điện trở phần ứng máy phát

Uđkkt Điện áp điều khiển kích từ

Uktmf Điện áp kích từ máy phát

ωđmdc Tốc độ góc động cơ

Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ

Momen trên trục động cơ

HYBRID CONTROLLER Điều khiển lai (Điều khiển mờ và PID thích

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

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

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

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 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

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật một số máy xúc ЭΚΓ [2]

4

Chiều cao đào tối đa khi

công tác đầu cuối ở trạng

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 công nghiệp ở nước ta hầu hết được trang bị từ các nước này Do đó, trong công 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]

 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 công 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

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 trò quan trọng trong quá 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 toàn 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

gầu và quay, ngoài ra còn 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 thông 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

giảm điện áp máy phát để đảm bảo công suất không vượt quá giới hạn cho phép Nếu dòng 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 dòng điện trung bình bình phương không 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 dòng 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

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 không 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 công 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

DC, nhưng đồng thời Công ty cũng tích cực tiến hành các nghiên cứu khoa học nhằm tìm ra các hệ thống tiên tiến hơn thay thế cho hệ thống MF DC cũ

Ưu điểm thiết kế của các thiết bị trong hệ thống truyền động dạng Máy phát

- Động cơ: Động cơ có độ tin cậy tương đối với điều kiện phải thường xuyên theo dõi và thay thế kịp thời các bộ phận hao mòn (như vòng bi, chổi than, );

Các hạn chế của hệ thống máy phát động cơ: Kết cấu rất phức tạp, việc bảo dưỡng mất nhiều thời gian do có nhiều thiết bị cơ khí nặng Ngoài ra, việc vận hành hệ thống gây nhiều lần tổn hao do sử dụng hệ thống có nhiều cấp chuyển đổi (động cơ không đồng bộ 3 pha làm nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng, cơ năng lại chuyển qua máy phát 1 chiều thành điện năng sau

đó điện mới được cấp cho hệ thống động cơ một chiều dùng sinh công)

1.3.4 Hệ thống điều khiển truyền động máy xúc ЭKΓ

a Cấu trúc hệ thống truyền động máy xúc ЭKΓ [18]

Hình 1.3 Cấu trúc của hệ truyền động máy xúc ЭKΓ

Cấu trúc chung của hệ thống truyền động bao gồm động cơ xoay chiều

3 pha loại đồng bộ hoặc không đồng bộ, trục động cơ được gắn với trục của các máy phát điện một chiều thông qua cầu truyền động Mỗi một máy phát tại một

thời điểm được sử dụng cung cấp điện áp một chiều cho một động cơ truyền động của máy xúc tương ứng với các cơ cấu chuyển động trong 1.3.1 Chúng tạo ra các hệ truyền động Máy phát - Động cơ (MFDC) tương ứng trên máy xúc Hình 1.3 Các cuộn kích từ của các máy phát điện được nối vào các bộ biến đổi điện áp một chiều có điều chỉnh để thực hiện điều chỉnh điện áp đầu ra của máy phát Trên các máy xúc ЭKΓ ở Việt Nam cho đến nay thì các bộ biến đổi này thường là: Bộ biến đổi khuếch đại máy điện (hiếm); Bộ biến đổi bằng khuếch đại từ (phổ biến); Bộ chỉnh lưu Thyristor (trong các máy xúc ЭKΓ 10) Các phần ứng của máy phát điện một chiều được nối trực tiếp với phần ứng của động cơ điện một chiều Cuộn kích từ của động cơ điện một chiều được nối với nguồn một chiều có thể thay đổi hoặc không thay đổi Nguồn cấp một chiều cho cuộn kích từ máy phát và kích từ của động cơ là hai nguồn riêng biệt.[42]

b Điều khiển truyền động máy xúc ЭKΓ điển hình [42]

Trong các hệ thống máy xúc điện ЭKΓ đang được sử dụng ở Việt Nam thì máy xúc ЭKΓ 8И là loại máy xúc có hệ truyền động điện điển hình do tính phổ biến của chúng Ưu điểm của hệ truyền động điện trong máy xúc ЭΚΓ 8И

so với máy ЭΚΓ 4,6, ЭΚΓ 5A cơ bản là: Sử dụng động cơ đồng bộ làm động

cơ truyền động cho máy phát chính nên tốc độ động cơ ổn định, do đó đảm bảo được yêu cầu tốc độ máy phát, đồng thời cải thiện được một phần hệ số công suất của lưới điện mỏ; Có năng xuất bốc xúc lớn hơn

Cấu trúc điều khiển của hệ truyền động máy xúc ЭKΓ 8И được thể hiện trên Hình 1.4 Hệ thống điều khiển của máy xúc với 5 cuộn dây và tay điều khiển KK (K1, K2, K3, K4, K5) Cụ thể là:

Hình 1.4 Sơ đồ truyền động chính của máy xúc ЭΚΓ 8И

Các mũi tên trong hình vẽ từ trường có độ dịch chuyển dương được biểu thị bằng các mũi tên đặc và độ chuyển dịch âm được biểu thị bằng các mũi tên đứt nét, mũi tên đều thể hiện 2 chiều chiều bên phải thể hiện hạ, chiều bên trái thể hiện nâng

Trên hình vẽ được chia làm 4 cuộn dây thể hiện:

1: MY(1) dịch chuyển dương

2: MY(4) hồi tiếp âm theo điện áp

3: MY(3) Hồi tiếp âm theo dòng điện tạo đặc tính mềm cho máy xúc 4: MY(2), MY(5) dịch chuyển âm và phân cực âm liên tục

Bộ khuếch đại có năm cuộn dây điều khiển, một trong các cuộn dây 5H5K tạo ra phân cực âm yếu liên tục, và cuộn dây còn lại 2H2K tạo ra các dịch chuyển khác nhau tùy thuộc vào vị trí tay điều khiển của KK.Tại vị trí 0 của bộ điều khiển, một dịch chuyển âm mạnh được đưa vào và tại các vị trí vận hành để đảm bảo dòng kích thích máy phát giảm nhanh, cũng như loại trừ tác động của khớp nối hiện tại trong phạm vi tải bình thường Điều này giúp hệ thống nhận được phản hồi truyền động khá cứng trong khi giữ gầu, một chuyển dịch dương yếu Một đặc điểm khác của các khối khuếch đại từ được sử dụng trên máy xúc ЭΚΓ 8И là các cuộn dây điều khiển của các bộ khuếch đại được đấu song song (Hình 1.4), cho phép điều khiển riêng từng thành phần MY ở các chế độ riêng biệt

Hình 1.5,b thể hiện đặc tính tĩnh 1 và 2 của mỗi MY có trong khối, cũng như đặc tính tĩnh thuận nghịch З của khối đẩykéo của bộ khuếch đại từ tại vị trí không của bộ điều khiển Hình 1.5,a thể hiện các đặc điểm giống nhau cho các

vị trí hoạt động của bộ điều khiển Trong đó, các điểm hoạt động A và A’ trên đặc tính tĩnh của bộ khuếch đại từ của máy xúc ЭΚΓ 8И được chọn ở phần giá trị nhỏ nhất của dòng điện ban đầu IH1 = IH2 = IHmin

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]

Trên đường đặc tính tĩnh của khuếch đại từ, dòng điện đầu ra của của bộ khuếch đại thứ nhất I1(HP) lớn hơn dòng ra của bộ khuếch đại thứ hai I2 (HT)

Do đó, dòng điện đi qua nửa cuộn dây kích từ máy phát theo một chiều, bằng hiệu của dòng điện I1 I2 (điểm d trên đường đặc tính).Với sự thay đổi hướng của dòng điện trong cuộn dây điều khiển MY1và MY2, dòng điện tạo thành sẽ thay đổi hướng của nó

Sơ đồ nguyên lý hệ thống TĐĐ Cơ cấu nâng / hạ gầu

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động điện cơ cấu nâng / hạ

gầu máy xúc ЭΚΓ 8И

Máy phát điện một chiều trong sơ đồ ký hiệu là Г có mã ký hiệu là ПƎM l558k cung cấp điện cho hai động cơ dẫn động cơ cấu Khuyếch đại từ kép ba pha (ký hiệu MU) có mã hiệu UM3P32.32A1 được dùng để điều khiển điện áp phát ra của máy phát dùng Hai động cơ 1 chiều có ký hiệu là 1Д và 2Д có mã hiệu ДПƎ82A Thay đổi vị trí điều khiển KK (Hình 1.4) sẽ làm thay đổi dòng kích thích máy phát và thay đổi điện áp máy phát ra trên cực máy phát, qua đó điều chỉnh tốc độ động cơ một cách tương ứng Hai nửa cuộn dây kích thích máy phát được mắc vào hai nhánh cầu ở cửa ra của khuếch đại từ (KĐT) KĐT kép do hai KĐT đơn ghép lại có nhiệm vụ tổng hợp và khuếch đại tín hiệu điều khiển cửa ra của hai khuếch đại từ được mắc vào mạch sao cho dòng kích thích máy phát bằng hiệu hai dòng tải của hai khuếch đại từ Mỗi động cơ 1Д, 2Д có cuộn kích độc lập là 1ДOB và 2ДOB

Hệ thống truyền động điện cơ cấu nâng hạ gầu cần đảm bảo các yêu cầu

kỹ thuật sau:

+ Đảm bảo tăng nhanh tốc độ và mô men ở chu kỳ đầu tiên;

+ Tốc độ khi hạ gầu tốt hơn tốc độ khi nâng gầu;

+ Tạo ra đặc tính cơ có dạng đặc tính kiểu máy xúc ở từng vị trí làm việc của tay điều khiển KK (Hình 1.5);

 Khi tăng tải đột ngột vượt quá giá trị cực đại thì yêu cầu giảm nhanh tốc độ động cơ, tránh quá tải về cơ và điện

a Nguyên lý điều khiển chế độ làm việc cơ cấu nâng / hạ gầu

Chế độ làm việc của hệ thống truyền động điện cơ cấu hạ gầu chuyển động được thay đổi bởi vị trí tay điều khiển KK (Hình 1.4), Khi chuyển KK sang vị trí 1, khuếch đại từ kép MY bắt đầu được điều khiển MY1, MY2 tạo nên sức điện động điều khiển tổng của khuếch đại từ có một dòng tải Lúc này máy phát Г được kích thích và hai động cơ 1Д và 2Д bắt đầu khởi động trên đường đặc tính số 1 (Hình 1.7) [42]

Hình 1.7 Đặc tính điều khiển chế độ truyền động điện nâng/ hạ gầu

Chuyển tay điều khiển sang vị trí số II, III để tăng tốc độ xúc, động cơ sẽ khởi động trên các đường đặc tính số 2, số 3 tương ứng (Hình 1.7) Khi gầu xúc đầy đất đá, tay điều khiển KK được chuyển vị trí số 0 theo thứ tự ngược lại

Các đặc điểm của hệ thống truyền động điện cơ cấu nâng hạ gầu:

+ Chế độ điều khiển khuếch đại từ là không đối xứng, hồi tiếp âm liên tục theo dòng phần ứng có tác dụng nhỏ khi dòng phần ứng không lớn hơn giá trị dòng điện cắt (IC) Khi dòng mạch chính lớn hơn hoặc bằng giá trị dòng điện cắt thì tác dụng hồi tiếp âm theo dòng điện là rất lớn, đảm bảo giảm nhanh tốc

độ động cơ;

+ Ở vị trí số III khi điện áp máy phát đạt 500 (v) kích thích động cơ giảm xuống làm tăng tốc độ hạ gầu, rút ngắn được thời gian hạ gầu và tăng năng suất của máy;

+ Hồi tiếp liên tục theo điện áp máy phát có tác dụng ổn định tốc độ động

cơ khi tải thay đổi, nâng cao độ cứng của đặc tính tĩnh và góp phần tăng cường cho quá trình khởi động hệ thống

Nhận xét: Các hệ thống điều khiển truyền động điện ở các máy xúc ЭΚΓ

ở Việt Nam hiện nay là khá lạc hậu Các bộ biến đổi dùng trong các mạch điều khiển kích từ của máy phát cồng kềnh, điều chỉnh phức tạp, thời gian đáp ứng chậm

1.4 Các nghiên cứu về máy xúc

1.4.1 Các nghiên cứu về máy xúc trên thế giới

Cho đến nay các loại máy xúc gàu điện đã được nghiên cứu, cải tiến theo các hướng:

 Tối ưu hóa các quá trình vận hành;

 Tự động hóa, giám sát các thông số vận hành;

 Nâng cao chất lượng điều khiển truyền động

ABB là một trong những tập đoàn lớn với những nghiên cứu và sản phẩm liên quan tới máy xúc Quá trình vận hành máy xúc được tối ưu thông qua các hoạt động nâng cấp, cải tiến hệ thống cũ đồng thời nghiên cứu sản xuất các thành phần thiết bị mới Máy xúc gầu điện ЭΚΓ5A được hãng thay thế bộ

khuếch đại từ mới, các chuyển động được điều khiển bởi bộ PLC [18] Trong

đó ABB sử dụng bộ bù công suất tự động ACS800 được đưa vào hệ thống nhằm giảm thiểu tổn thất công suất phản kháng được tạo ra trong lưới 415 V Công suất phản kháng được bù ngay tại chỗ, liên tục và tự động

Theo [16] bộ chuyển đổi DCS800 của hãng là bộ biến tần nguồn dòng với chỉnh lưu thyristor và nghịch lưu IGBT Bộ chuyển đổi này có hiệu suất xấp xỉ 98%, tổn thất không tải không còn xảy ra khi bộ chuyển đổi đang ở chế

độ chờ Điều này dẫn đến tiết kiệm năng lượng ~ 15% Năng suất hoạt động cũng được cải thiện khi các thiết bị đo, thiết bị chuyển mạch được thiết kế dưới dạng modul và tự điều chỉnh momen

Hệ thống giám sát các thông số quan trọng như mô men và tốc độ cũng đã được nghiên cứu phát triển và hoàn thiện Tất cả các thông số quan trọng như mô men và tốc độ được điều khiển và kiểm soát thông qua một PC, với khả năng kết nối từ xa thông qua mạng LAN Hệ thống có khả năng giám sát, sao lưu tập tin linh hoạt, ghi nhận các thông số thông qua mạng cáp quang tốc độ cao Mạng cáp quang đảm bảo sự an toàn và kháng nhiễu chịu cho các tín hiệu

Bộ điều khiển số của hãng cho phép hệ thống được kiểm soát với độ tin cậy cao Toàn bộ các chức năng hoạt động được số hóa, khả năng ghi nhận hoàn toàn bằng máy tính Năm 1999, máy xúc gầu BucyrusErie 295BII đã đưa ứng dụng đầu tiên của truyền động AC sử dụng công nghệ IGBT vào loại máy đào Với bộ ACS 600 điều khiển đa năng, hệ thống được điều khiển, kiểm soát

và chẩn đoán thông qua một liên kết radio từ xa

Truyền động AC với bộ chuyển đổi tần số IGBT và động cơ rôto lồng sóc đáp ứng yêu cầu tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng điều khiển Công suất được sử dụng trong phạm vi rộng từ 2,2 đến 4300 kW với điện áp

380 830 V, kích thước nằm trong phạm vi nhất định Chu trình điều khiển rất

nhanh (16μs) đồng thời khả năng tạo ra gia tốc cao khi ứng dụng công nghệ DTC của ABB Các ưu điểm của DTC [15]:

Điều khiển mômen xoắn nhanh để điều chỉnh tốc độ, đặc biệt là trong trường hợp tải tăng nhanh;

Làm giảm sự rung động cơ học;

Kiểm soát nhanh với nguy cơ quá dòng giảm tốc lực tối thiểu của máy; Giảm tiếng ồn hoạt động của động cơ

Ngoài ra, các phân tích và nghiên cứu các yếu tố khác cũng đã được thực hiện: các tác động ảnh hưởng đến tuổi thọ và năng suất của máy [16] như độ căng cáp [30], không gian làm việc, lực đào tối đa, các thành phần sóng hài trong hệ thống phân phối điện…

Nghiên cứu đánh giá tác động của máy xúc gầu sử dụng điện xoay chiều

và điện một chiều thông thường lên hệ thống điện khai thác mỏ [16] đã được thực hiện tại Mỏ Hail Creek của Rio Tinto ở Queensland Kết quả nghiên cứu cho thấy:

+ Hệ thống truyền động múc máy xúc gầu sử dụng điện xoay chiều hoạt động tốt hơn các giải pháp điều khiển sử dụng điện một chiều thông thường (Hình 1.8)

 Tiêu thụ năng lượng cụ thể trên mỗi tấn thấp hơn 15% so với DC

 Hiệu suất máy múc gầu điều khiển điện xoay chiều cao hơn 3%, độ sẵn sàng cơ học cao hơn 1,5%

 Nghiên cứu so sánh về năng suất của sử dụng điện xoay chiều và một chiều [20] cho thấy: Chuyển động bàn quay khi có tải như nhau, quá trình đổ giống nhau, chuyển động bàn khi không tải sử dụng điện xoay chiều nhanh hơn điện một chiều quá trình đào nhanh hơn điện một chiều, tổng thời gian của chu trình đối với máy sử dụng điện xoay chiều là nhanh hơn

Hình 1.8 Bảng so sánh năng suất của 2 máy

Sơ đồ cấu trúc của hệ 4100 BOSS điện xoay chiều và điện một chiều thể hiện trên Hình 1.9

Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển truyền động thay thế 4100 BOSS

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt nam

Theo như Kết quả khảo sát [12] tình hình máy xúc điện tại 6 mỏ khai thác lộ thiên cho thấy số lượng máy xúc điện đang sử dụng chiếm đa số Tuy nhiên các máy đều có thời gian sử dụng đã lâu nên tình trạng thiết bị không còn tốt Các máy xúc điều khiển qua các cuộn khuếch đại từ, các bộ điều khiển của các máy tương đối cũ, bị hư hỏng và đã trải qua nhiều lần bảo dưỡng, sửa chữa Việc điều khiển các cơ cấu của các máy xúc này càng ngày chậm dẫn đến năng suất múc giảm làm ảnh hưởng đến quá trình vận hành và khai thác

Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật điều khiển truyền động điện kiểm mới cho một số thiết bị khai thác lộ thiên” thuộc Viện Khoa học Công nghệ Mỏ Vinacomin [12] đã ứng dụng công nghệ giám sát trong máy xúc Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có công trình nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống điều khiển truyền động cho máy xúc gầu điện

1.5 Kết luận và định hướng nghiên cứu

Các máy xúc ЭΚΓ 4,6, ЭΚΓ5A, ЭΚΓ 8И có các cơ cấu chính được trang bị truyền động điện theo hệ “khuếch đại từ máy phát động cơ”, việc điều khiển các cơ cấu chính của máy xúc bằng hệ truyền động khuếch đại từ máy phát động cơ cho phép điều khiển đơn giản, cải thiện chế độ động lực học của máy

Một trong những hạn chế của hệ thống truyền động khuếch đại từ máy phát động cơ là việc chỉnh định, bảo dưỡng hệ thống gặp nhiều khó khăn, sau một thời gian làm việc, chất lượng điều khiển đạt độ chính xác không cao

Ngày nay, với sự phát triển của kỹ thuật vi điều khiển đã làm thay đổi nhiều phương thức điều khiển trong sản xuất, việc ứng dụng kỹ thuật vi xử lý trong điều khiển truyền động cho máy xúc đã tạo được các đặc tính của máy xúc một cách hoàn hảo Việc chuyển đổi sang hệ truyền động sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất là hết sức cần thiết vì các lý do sau:

 Dễ dàng trong sửa chữa, vận hành bảo dưỡng;

 Các thiết bị điện tử thay thế tương đối rẻ, không phức tạp;

 Bù được công suất, hoạt động với độ tin cậy cao, dễ điều khiển;

 Chi phí vận hành và sửa chữa tương đối thấp

Vì tính chất bảo mật công nghệ cao của các hãng sản xuất, cho nên các máy móc đang sử dụng khó tiếp cận được thông tin công nghệ Việc bảo trì, bảo dưỡng hay sửa chữa hoàn toàn phụ thuộc vào các chuyên gia nước ngoài Việc nghiên cứu áp dụng giải pháp điều khiển mới cho hệ thống máy xúc nhằm nâng cao hiệu quả vận hành thiết bị và năng suất lao động tại các mỏ ngày càng trở nên cấp thiết

Xu hướng nghiên cứu và phát triển máy xúc điện trên thế giới là hoàn toàn sử dụng các thiết bị tự động hóa, phải mềm hóa các cơ cấu truyền động Muốn vậy phải đưa toàn bộ các thiết bị điện tử công suất để vận hành các cơ cấu bằng các bộ điều khiển trung tâm và các phần mềm chuyên dụng

Với tình trạng của các máy móc, thiết bị đã và đang sử dụng tại các mỏ

than ở Việt nam, 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” là một nghiên cứu cần thiết giúp cải tạo, nâng cao chất

lượng điều khiển và năng suất làm việc của hệ thống, hội nhập với xu hướng phát triển trên thế giới Mục tiêu của đề tài sẽ đề xuất phương án sử dụng bộ biến đổi thay thế cho bộ khuếch đại từ và ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại để đạt được chất lượng điều khiển theo yêu cầu của máy xúc

1.5.1 Đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển kích từ máy phát

Xuất phát từ thực tế nhiều máy xúc ЭΚΓ 8И của các mỏ lộ thiên đã được đưa vào vận hành từ lâu tại các vùng mỏ ở Việt nam, mặc dù các kết cấu cơ khí vẫn hoạt động được, tuy nhiên, hệ thống điều khiển truyền động điện bị hỏng nhiều, việc thay thế khó khăn, tốn kém, đồng thời mức độ tiêu thụ điện lớn Trong khi đó, tại CHLB Nga, nơi chế tạo các thiết bị nói trên, người ta đã áp dụng hệ thống truyền động điện kiểu mới, nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, đồng thời tiết kiệm năng lượng Do đó các bộ biến đổi khuếch đại từ chỉnh lưu cũng như các linh kiện thay thế không còn được cung cấp bởi các hãng sản xuất Vì vậy các bộ biến đổi điện tử công suất theo xu hướng của các hệ thống truyền động điện hiện đại sẽ được phân tích và lựa chọn thay thế cho bộ điều khiển khuếch đại từ

Theo [16], các bộ điều khiển kích từ trong các máy xúc điện cũ dùng hệ thống truyền động máy phát động cơ có thể thay thế bằng các bộ biến đổi AC/DC Thyristor hoặc bộ biến đổi DC/DC IGBT Việc phân tích so sánh ưu, nhược điểm hai phương án bộ biến đổi được thể hiện như trong bảng 1.3

Bảng 1.3 So sánh bộ biến đổi Thyristor và IGBT [16]

Dễ điều khiển mở bằng dòng điện, Khó

điều khiển đóng (khóa)

Dễ dàng điều khiển đóng mở bằng điện

V L , Điện áp trên tải

IGBT đảo chiều kích từ DC vào, Băm xung DC raV0dV dc0,9 2V L

Trong đó:

V 0 , Điện áp trung bình ngõ ra

D, Hiệu suất chu trình

V dc , Điện áp sau bộ biến đổi

V L , Điện áp trên tải

Ưu điểm: Công suất lớn; giá thành rẻ

Nhược điểm: Khó điều khiển; Tiêu thụ

công suất phản kháng; Khi dòng điện

không liên tục khó kiểm soát

Ưu điểm: Đáp ứng nhanh; dễ điều khiển

Nhược điểm: Đắt hơn; phức tạp hơn

Các máy biến áp hoạt động riêng biệt Các máy biến áp hoạt động chung Truyền động tích hợp đầy đủ riêng biệt

Bộ cách ly bên ngoài cho phản hồi

Sự thay đổi mức thấp của các thẻ

truyền động

Không có sự thay đổi của các thẻ truyền động

Đường dẫn AC riêng biệt và hoạt động

máy biến áp

Lớn nhất chung 2 máy biến áp

chủ

Nhận xét: Với công nghệ mới hiện nay việc điều khiển kích từ bằng

IGBT sẽ điều khiển nhanh, chính xác, dễ điều khiển

Từ việc nghiên cứu tài liệu, phân tích so sánh giữa hai phương án, luận

án đề xuất sử dụng bộ biến đổi DC/DC dùng IGBT để điều khiển dòng điện kích từ thay cho bộ biến đổi khuếch đại từ trên máy xúc ЭΚΓ

Hình 1.10 Cấu trúc điều khiển hệ thống máy xúc cũ

Trong hệ thống đề xuất mới (Hình 1.11) thay thế cho hệ thống cũ (Hình 1.10), tất cả các cuộn khuếch đại từ sẽ được thay thế hoàn toàn bằng bộ biến đổi DC/DC điều khiển trực tiếp trên cuộn kích từ máy phát Hệ thống máy phát động cơ được giữ không đổi, trong đó cuộn kích từ của máy phát được điều khiển thông qua bộ băm xung áp một chiều dùng IGBT Hai van Thyristor mắc song song ngược được sử dụng để giải phóng năng lượng dư thừa trong các cuộn dây kích từ ở thời điểm cần thiết Ở hệ cũ, việc tổng hợp các tín hiệu điều khiển và đưa ra dòng kích từ tương ứng được thực hiện trực tiếp trên mạch khuếch đại từ Ở hệ thống đề xuất mới, các tín hiệu được tổng hợp trên mạch

vi xử lý (P) để tính toán ra quyết định điều chỉnh bộ biến đổi IGBT tạo ra dòng kích từ phù hợp Với cấu trúc đề xuất, hệ thống điều khiển truyền động điện có thể dễ dàng thực hiện các thuật toán điều khiển hiện đại; liên kết truyền thông để phối hợp điều khiển đồng bộ toàn bộ hệ thống