Tóm tắt luận văn ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa 1

- Biểu đồ tốc độ 7 thời kỳ là dạng biểu đồ tổng quát nhất cho các tời trục mỏ - Việc chọn các chế độ làm việc của tời trục mỏ cần thỏa mãn yêu cầu sau:+ Tời trục chuyển động trong khu vự

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

CỦA TỜI TRỤC MỎ TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1 Tình hình sử dụng tời trục trên thế giới và Việt Nam

1.1.1 Tình hình sử dụng tời trục trên thế giới

Vận tải bằng tời trục là hình thức vận tải phổ biến ở các nước trên thế giới Vậntải bằng tời trục có nhiệm vụ giải quyết vấn đề đi lại ở các khu vực khai thác mỏ, vậnchuyển vật liệu, khoáng sản trong các hầm mỏ

Trên thế giới, tời trục vẫn là phương tiện vận tải quan trọng và hiệu quả để vậnchuyển đất đá, khoáng sản, thiết bị vật tư và con người phục vụ sản xuất

1.1.2 Tình hình sử dụng tời trục mỏ ở Việt Nam

Vận tải bằng tời trục có ưu điểm là năng suất vận tải lớn, độ tin cậy cao, dễ bảoquản sử dụng và điều khiển, chi phí sản xuất nhỏ nên hầu hết các mỏ than khai tháchầm lò ở nước ta đều sử dụng tời trục làm phương tiện vận chuyển

Hiện nay, động cơ truyền động cho tời trục mỏ thường là động cơ điện xoaychiều không đồng bộ ba pha rôto dây quấn, điều khiển chủ yếu bằng phương pháp điềuchỉnh điện trở phụ mạch rôto thông qua các công tắc tơ

Động cơ điện không đồng bộ ba pha rôto dây quấn có ưu nhược điểm là:

* Ưu điểm:

- Giảm dòng khởi động động bằng cách đưa các điện trở phụ vào mạch rôto

- Điều chỉnh tốc độ thực hiện bằng điện trở phụ ra nhờ công tắc tơ

- Có mômen tới hạn (Mth) không đổi trong quá trình làm việc

- Dải điều chỉnh tốc độ phụ thuộc vào mômen tải

* Nhược điểm:

- Tổn thất điện năng đáng kể trên các điện trở đặc biệt khi làm việc ở tốc độ thấp

- Quá trình chuyển cấp tốc độ không êm dịu

- Chi phí vận hành lớn

1.2 Các nguyên tắc điều khiển tự động truyền động điện

1.2.1 Nguyên tắc điều khiển theo thời gian

Mômen, dòng điện khởi động chịu ảnh hưởng bởi các tham số mômen cản (Mc),

mômen quán tính (J), điện áp nguồn (U) và nhiệt độ môi trường ( θ )

1.2.2 Nguyên tắc điều khiển theo tốc độ

* Ưu điểm:

Dùng ít thiết bị

* Nhược điểm:

- Điện áp chỉnh định của các công tắc tơ khác nhau

- Thời gian mở và hãm máy phụ thuộc vào Mc, J, U, θ , R của cuộn dây

- Khi nhiệt độ thay đổi thì tốc độ chuyển cấp cũng thay đổi

- Phương pháp này dùng khi hãm động cơ một chiều và xoay chiều

1.2.3 Nguyên tắc điều khiển theo dòng điện

* Ưu điểm:

- Duy trì được mômen động cơ trong một giới hạn xác định.

- Quá trình mở máy, hãm máy không phụ thuộc vào cuộn dây rơle

* Nhược điểm:

- Thời gian mở máy phụ thuộc vào sự tăng (giảm) của Mc và J

- Mômen động phụ thuộc vào Mc, J, U

1.2.4 Nguyên tắc điều khiển theo hành trình (vị trí)

* Ưu điểm:

Sơ đồ đơn giản, dùng ít thiết bị

* Nhược điểm:

- Độ chính xác không cao

- Thiết bị thường dùng: các loại công tắc giới hạn

- Chỉ áp dụng được ở máy, cơ cấu có từng vị trí xác định trong không gian

1.2.5 Kết luận

Trong thực tế còn có nhiều nguyên tắc điều khiển khác theo công nghệ, theochức năng, công suất, nhiệt độ v.v…Tất cả mọi nguyên tắc điều khiển có thể đượcphối hợp với nhau trong cùng một sơ đồ điều khiển

1.3 Tổng quan về chế độ làm việc tời trục mỏ vùng than Quảng Ninh

1.3.3 Các chế độ làm việc của tời trục mỏ

Hình 1-5 Biểu đồ tốc độ 2 thời kỳ của tời trục

Biểu đồ tốc độ 2 thời kỳ là biểu đồ tốc độ đơn giản, sử dụng đối với tời trục kéothùng cũi có quãng đường vận chuyển ngắn (< 80m)

Biểu đồ tốc độ 3 thời kỳ là dạng biểu đồ tốc độ đơn giản, song quá trình tăngtốc và giảm tốc không phù hợp với tời trục mỏ có đường cong dỡ tải.

1.3.3.3 Biểu đồ tốc độ 5 thời kỳ

Đặc trưng của biểu đồ tốc độ 5 thời kỳ trong giai đoạn tăng tốc và giảm tốc cóhai gia tốc khác nhau Để goòng không tải khi đi ra khỏi đường cong dỡ tải dễ dànghơn goòng có tải khi đi vào đường cong dỡ tải chọn vk1 > vk2

Hình 1-9 Biểu đồ tốc độ 7 thời kỳ của tời trục

Biểu đồ tốc độ 7 thời kỳ thích hợp với tời trục kéo hai thùng skíp hoặc haithùng cũi lật

1.3.3.6 Biểu đồ tốc độ 5 thời kỳ khi nâng và 6 thời kỳ khi hạ

Biểu đồ 5 thời kỳ khi nâng và 6 thời kỳ khi hạ thích hợp cho tời trục kéo mộtthùng skíp hoặc một thùng cũi lật

- Tời trục kéo hai xe goòng cho năng suất gấp đôi tời trục kéo một xe goòng

- Biểu đồ tốc độ 7 thời kỳ là dạng biểu đồ tổng quát nhất cho các tời trục mỏ

- Việc chọn các chế độ làm việc của tời trục mỏ cần thỏa mãn yêu cầu sau:+ Tời trục chuyển động trong khu vực nhận tải hoặc dỡ tải phải êm dịu

+ Tời trục sau khi ra khỏi khu vực nhận tải cần phải tăng tốc nhanh đến tốc độcho phép hoặc gần vào đến khu vực dỡ tải cần phải giảm tốc nhanh đến tốc độ nhỏnhất cho phép

+ Gia tốc khi tăng tốc hoặc khi giảm tốc phải nhỏ hơn giá trị cho phép, tải trọng

tác động lên máy trục là nhỏ.

1.3.5 Các hệ thống truyền động điện cho tời trục mỏ

1.3.5.1 Hệ truyền động điện một chiều máy phát - động cơ (MF - ĐC)

a Hệ truyền động máy phát - động cơ với khuếch đại máy điện

H KOP

KOP

N

H KAN

KAH

KAP

OA B§K

U KT§

®c MF

Hình 1-12 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động điện máy phát

động cơ với khuếch đại máy điện và khuếch đại từ trung gian

Hệ thống này có ưu điểm là cải thiện được đặc tính tĩnh và đặc tính động tốthơn, giảm được công suất của mạch điều khiển do dòng điều khiển trong khuếch đại từtrung gian nhỏ hơn nhiều so với dòng điều khiển trong khuếch đại máy điện

d Ưu, nhược điểm của hệ truyền động điện một chiều máy phát - động cơ

- Thực hiện việc điều khiển theo đúng biểu đồ tốc độ của tời trục mỏ

- Khi điều chỉnh tốc độ cho hiệu quả kinh tế cao

- Có khả năng duy trì tốc độ trung gian độc lập với tải

- Có khả năng chuyển từ chế độ động cơ sang chế độ hãm điện

- Quá trình khởi động và giảm tốc êm dịu

- Có khả năng tự động hóa và điều chỉnh tự động cao

- Kích thước hệ thống lớn, chi phí đầu tư và chi phí vận hành cao

- Hiệu suất làm việc và độ tin cậy không cao do phải sử dụng nhiều máy điện quay

1.3.5.2 Hệ truyền động điện xoay chiều

a Truyền động điện động cơ rôtor dây quấn có biến trở kim loại (hình 1-15)

Hệ thống truyền động điện này có nhược điểm là tổn hao năng lượng lớn trêncác điện trở phụ, gia tốc trong quá trình khởi động và giảm tốc thay đổi gây nên cácxung lực ảnh hưởng đến độ bền cơ học của tời trục

A

380V

Hình 1-15 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động điện động

cơ rôtor dây quấn có biến trở kim loại trong mạch rôtor

b Truyền động điện động cơ rôtor dây quấn có biến trở lỏng

Trong hệ thống này, việc dịch chuyển các điện cực nhúng trong dung dịch chấtlỏng do động cơ điện một chiều kích từ độc lập truyền động thông qua hộp giảm tốc cótính tự hãm Hộp giảm tốc có tỉ số truyền lớn và mômen quán tính nhỏ để tăng tính tácđộng nhanh của hệ thống

N H

Hình 1-16 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động điện động

cơ rôtor dây quấn có biến trở lỏng trong mạch rôtor

1.3.5.3 Các phương pháp điều khiển hệ truyền động điện xoay chiều trong giai đoạn giảm tốc và chuyển động đều trên đường cong dỡ tải

a Điều khiển trong thời kỳ giảm tốc

Phương pháp đơn giản nhất để điều khiển truyền động điện trong thời kỳ giảmtốc là sử dụng phanh cơ khí Trong quá trình giảm tốc nếu cần gia tốc không đổi vànhỏ hơn gia tốc cho phép thì cần phải thay đổi mômen hãm Nếu không duy trì gia tốckhông đổi sẽ dẫn đến trong thời kỳ giảm tốc quãng đường làm việc của tời trục sẽthay đổi, do đó tời trục sẽ không dừng chính xác ở vị trí mong muốn

b Điều khiển truyền động trong thời kỳ chuyển động đều trên đường cong dỡ tải

Trong thời kỳ chuyển động đều trên đường cong dỡ tải yêu cầu tời trục chuyểnđộng sử dụng các biện pháp sau:

+ Điều khiển mômen hãm cơ khí

+ Sử dụng hệ thống truyền động điện phụ công suất nhỏ

+ Sử dụng hệ thống truyền động điện hai động cơ

+ Cung cấp cho động cơ nguồn dòng có tần số thấp

1.3.5.4 Hệ thống truyền động điện Biến tần - Động cơ

Để nhận được chế độ giảm tốc và chuyển động đều với tốc độ thấp trong đườngcong dỡ tải tốt hơn so với truyền động điện đông cơ không đồng bộ rôtor dây quấn sửdụng hệ thống truyền động điện Biến tần - Đông cơ

Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động điện Biến tần - Động cơ

BT §

U2, f2

U1, f1

Hình 1-19 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện Biến tần - Động cơ

Trong hệ truyền động điện Biến tần - Động cơ, để điều chỉnh tốc độ động cơ tatiến hành thay đổi tần số và điện áp nguồn cấp cho mạch stator của động cơ

Chương 2

TỔNG HỢP ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHO PHÙ HỢP TỜI TRỤC MỎ 2.1 Các hệ thống truyền động điện cho tời trục mỏ vùng Quảng Ninh

2.1.1 Hệ thống truyền động tời trục mỏ JTK -1.6 giếng nghiêng (- 80) công ty than Mạo Khê

A

H

K1 K2 K3 K4 K5

- Tổn hao năng lượng lớn đặc biệt là vùng tốc độ thấp

- Dải điều chỉnh hẹp, độ êm dịu trong quá trình điều chỉnh kém

- Điều khiển không linh hoạt kết hợp nhiều thao tác cùng một lúc

- Thường xuyên phải bảo dưỡng và kiểm tra

- Hệ thống mạch lực và mạch điều khiển cồng kềnh, diện tích lắp đặt lớn

1.1.2 Hệ thống truyền động điện của tời trục mỏ công ty than Vàng Danh

Hình 2-3 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động điện tời trục mỏ Vàng Danh

- Hệ thống truyền động điện động cơ rôtor dây quấn điều khiển đơn giản, vốnđầu tư thấp

- Tự động cắt và đưa điện trở phụ vào làm việc theo từng chế độ bằng các rơle

- Có thiết bị hiển thị độ sâu và bộ phận giới hạn tốc độ để đảm bảo hệ thốnglàm việc đúng hành trình, tốc độ và vị trí.

- Có thiết bị bảo vệ khi lỏng cáp

- Điều khiển các chế độ làm việc gây nên tổn thất năng lượng lớn

- Dải điều chỉnh tốc độ thấp, độ êm dịu trong dải điều chỉnh kém

- Dải điều chỉnh hẹp, độ êm dịu trong quá trình điều chỉnh kém.

- Vận tốc, gia tốc và lực động tác dụng nên tời trục thay đổi lớn

2.1.4 Hệ thống truyền động điện tời trục mỏ БМ-2000 công ty than Hà Lầm

CG1

CG3 CG2

- Động cơ truyền động cho tời trục là động cơ không đồng bộ rôto dây quấn

- Điều khiển các chế độ làm việc gây nên tổn thất năng lượng lớn

- Dải điều chỉnh tốc độ thấp, độ êm dịu trong dải điều chỉnh kém

- Giàn điện trở phụ cồng kềnh, thiết bị điều khiển là hệ thống phức tạp

2.1.5 Hệ thống truyền động điện của tời trục mỏ công ty than Khe Chàm

6KV 6KV

L11 L12 L13

LH2

LH3

L21 L22 L23 XLC

DZC L+

L-JLJ JLJ JLJ

1KC 2KC

1SLJ 2SLJ

1KC 1KC 2KC 2KC

1JC 2JC 3JC 4JC 5JC 6JC 7JC 8JC

Q12 Q22 Q32 Q42 Q52 Q62 Q72 Q82

Q11 Q21 Q31 Q41 Q51 Q61 Q71 Q81

Q13 Q23 Q33 Q43 Q53 Q63 Q73 Q83

Hình 2-7 Sơ đồ hệ truyền động điện tời trục mỏ JK-2,5

.1.5.2 Nhận xét

- Hệ làm việc tin cậy chắc chắn, các hình thức bảo vệ hệ thống liên động

- Mạch điều khiển phức tạp, không linh hoạt

- Cồng kềnh chiếm nhiều diện tích nắp đặt thiết bị

- Tổn hao năng lượng lớn trên các cấp điện trở phụ

- Dải điều chỉnh hẹp, độ êm dịu trong quá trình điều chỉnh kém

- Vận tốc, gia tốc và lực động tác dụng nên tời trục thay đổi lớn

- Thường xuyên phải bảo dưỡng và kiểm tra

2.2 Đánh giá thực trạng hệ thống truyền động điện và các hệ thống điều khiển hiện nay của tời trục mỏ khu vực khai thác mỏ hầm lò vùng than Quảng Ninh

- Quá trình chuyển cấp tốc độ không êm dịu

- Mạch điều khiển quá trình làm việc của hệ là phức tạp nhiều dây nối gây khókhăn cho việc kiểm tra và khắc phục sự cố

- Chi phí vận hành tăng do phải thường xuyên bảo dưỡng, sửa chữa, thay thếvành góp điện, chổi than và các tiếp điểm

- Do thường xuyên phải làm việc trong môi truờng ẩm ướt và có khí bụi nổ nênphải thường xuyên hiệu chỉnh lại các rơle và công tắc tơ

- Làm việc không tin cậy, điều khiển không linh hoạt, cồng kềnh chiếm nhiềudiện tích lắp đặt

2.4 Cấu trúc của hệ thống truyền động điện Biến tần - Động cơ

Hệ truyền động điện Biến tần - Động cơ có sơ đồ cấu trúc chung được thể hiệntrên hình 2-11

U2, f2

U1, f1

Hình 2-11 Sơ đồ hệ truyền động điện Biến tần - Động cơ

2.5 Hệ thống truyền động điện Biến tần - Động cơ

2.5.1 Động cơ điện

Để khắc phục những nhược điểm trên cần thay thế hệ truyền động điện cũ bằng

hệ truyền động điện Biến tần - Động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc

Động cơ điện không đồng bộ rôtor lồng sóc có những ưu điểm cơ bản như sau:

- Chế tạo đơn giản, được sử dụng rộng dãi trong các ngành công nghiệp

- Giá thành rẻ so với động cơ không đồng bộ rôtor dây quấn

- Khi sử dụng biến tần để điều khiển động cơ có khả năng tiết kiệm năng lượng

2.5.2 Biến tần

Biến tần nguồn áp được sử dụng phổ biến với những ưu điểm cơ bản sau:

- Dải điều chỉnh rộng so với biến tần trực tiếp và biến tần nguồn dòng

- Dòng điện sau biến tần có dạng hình sin, do đó phù hợp với động cơ khôngđồng bộ rôtor lồng sóc

- Công suất lớn, giá thành thấp so với biến tần nguồn dòng

Vì vậy ta lên chọn biến tần nguồn áp kết hợp với động cơ không đồng bộ rôtorlồng sóc truyền động cho tời trục mỏ

2.5.3 Bộ điều chỉnh dòng

a Các đặc điểm chung của bộ điều chỉnh dòng điện

Bộ nghịch lưu dòng điện và nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM) có thểlàm việc với phương thức điều khiển dòng điện Ở bộ nghịch lưu dòng điện, nguồnmột chiều đầu vào là một nguồn dòng thực, nên dễ dàng thích nghi với chế độ điềukhiển dòng điện

Trong bộ nghịch lưu PWM, bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc phức tạp hơn,nhưng dải thông lớn hơn và thành phần sóng hài bậc cao của dòng nhỏ hơn so vớinghịch lưu dòng điện Sơ đồ cấu trúc hệ biến tần nghịch lưu PWM hình 2-14

PWM

Hình 2-14 Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần nghịch lưu PWM

Các tín hiệu điện áp chuẩn điều khiển mạch nghịch lưu PWM usad, usbd, uscd làcác tín hiệu ra của các bộ điều chỉnh dòng xoay chiều Tín hiệu đầu vào là bộ điềuchỉnh dòng điện sai lệch giữa giá trị đặt dòng xoay chiều các pha isad, isbd, iscd và giá trịdòng điện thực các pha tương ứng isa, isb, isc

Bộ điều chỉnh dòng điện xoay chiều có chức năng điều chỉnh véc tơ điện ápstator sao cho dòng điện stator luôn bám tín hiệu dòng đặt Do điện áp ra chứa thànhphần sóng hài nhỏ và có đặc tính động tốt nên bộ nghịch lưu PWM được coi là bộ điềukhiển tốt nhất hiện nay

b Bộ điều chỉnh dòng điện

Muốn duy trì từ thông rôto không đổi và đặt áp nhanh dòng điện isq thành đại

lượng điều khiển mô men quay sử dụng bộ điều khiển dòng riêng rẽ kiểu PI Sơ đồ cấu

M 3

s



3

5 6

4

7 8

Hình 2-17 Sơ đồ khối cấu trúc hệ truyền động động cơ không đồng

bộ xoay chiều ba pha điều khiển tựa từ thông rotor

Khối (1) là khâu điều chỉnh từ thông, khối (2) là khâu điều chỉnh dòng điện có

nhiệm vụ điều chỉnh hai thành phần dòng điện một chiều isd và isq, khối (8) là khâu điều

chỉnh tốc độ quay, khối (9) cho trước giá trị đặt của từ thông phụ thuộc vào tốc độ

quay, nó quyết định trạng thái từ hoá của động cơ, khối (7) là mô hình từ thông có

nhiệm vụ tính toán giá trị thực của từ thông rotor Ψrd , góc pha ϑ s từ dòng điện

stator và tốc độ góc ωr .

Nếu ta chọn một hệ trục toạ độ vuông góc dq có gốc toạ độ trùng với gốc toạ độ

của hệ ba pha, trục d trùng với vector từ thông rotor Ψr và quay với tốc độ đồng bộ

ωs thì Ψrq=0 , và Ψr= Ψrd , các thành phần isd, isq là các đại lượng một chiều.

Trong chế độ xác lập, các phần tử có thể là không đổi, trong quá trình quá độ chúng có

thể thay đổi theo một thuật toán điều khiển đã được định trước

2.5.4 Mô hình hệ thống truyền động điện Biến tần - Động cơ cho tời trục mỏ

Từ những phân tích trên ta xây dựng hệ truyền động điện Biến tần - Động cơ

truyền động cho tời trục mỏ như hình 2-18

~ 3

+ -

BB§

isabcL§K

Hình 2-21 Luật điều khiển tốc độ động cơ thay đổi tuyến tính theo thời gian

Luật điều khiển tốc độ động cơ thay đổi tuyến tính theo thời gian, đơn giản dễđiều khiển song có nhược điểm tải trọng động lớn

2.6.2 Luật điều khiển tốc độ động cơ thay đổi tuyến tính theo quãng đường

Hình 2-18 Mô hình hệ truyền động điện Biến tần - Động cho tời trục mỏ