Nghiên cứu cải tiến hệ điều khiển truyền động điện động cơ không đồng bộ rôto dây quấn điều khiển biến trở của các trục tải giếng nghiêng đang sử dụng ở các mỏ việt nam

NGÔ VĂN ANH NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ RÔTO DÂY QUẤN ĐIỀU KHIỂN BIẾN TRỞ CỦA CÁC TRỤC TẢI GIẾNG NGHIÊNG ĐANG SỬ DỤNG Ở CÁC MỎ VIỆT NAM LU

NGÔ VĂN ANH

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ RÔTO DÂY QUẤN ĐIỀU KHIỂN BIẾN TRỞ CỦA CÁC TRỤC TẢI GIẾNG NGHIÊNG ĐANG SỬ DỤNG Ở CÁC MỎ VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà nội – 2010

NGÔ VĂN ANH

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ RÔTO DÂY QUẤN ĐIỀU KHIỂN BIẾN TRỞ CỦA CÁC TRỤC TẢI GIẾNG NGHIÊNG ĐANG SỬ DỤNG Ở CÁC MỎ VIỆT NAM

Chuyên ngành: Tự động hóa

Mã số: 60.52.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS – TS Thái Duy Thức

Hà nội - 2010

quyển luận văn này là kết quả làm việc của bản thân tôi trong thời gian qua Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng nếu bị phát hiện có sự sao chép nội dung ở các tài liệu hoặc các công trình nghiên cứu khác đã được công bố

Hà nội, ngày tháng 09 năm 2010

Học viên

Ngô Văn Anh

PGS _ TS Thái Duy Thức, cùng với nỗ lực của bản thân đến nay tôi đã hoàn thành cuốn luận văn thạc sĩ kỹ thuật này Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn và gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hóa – Trường Đại học Mỏ Địa Chất HN, những người đã truyền dạy cho chúng tôi những kiến thức quý báu

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo phòng cơ điện mỏ than Thống Nhất, Khe Chàm, Nam Mẫu, Vàng Danh, Mạo Khê, Quang Hanh, Cẩm Thành đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài này

Cảm ơn toàn thể bạn bè và gia đình đã giúp đỡ động viên để tôi hoàn thành tốt luận văn này

Hà nội, ngày tháng 09 năm 2010

Học viên

Ngô Văn Anh

Lời cảm ơn

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Chương 1: TÌNH HÌNH SỬ DỤNG CÁC LOẠI TRỤC TẢI GIẾNG

1.1 Tình hình sử dụng các loại trục tải giếng ghiêng mỏ hầm lò đang

1.2 Thông số kỹ thuật của các trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò đang

1.3 Phân loại biểu đồ tốc độ đang được ứng dụng ở các trục tải giếng

nghiêng mỏ hầm lò đang ứng dụng ở Việt Nam 15

Chương 2: MÔ PHỎNG CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐẶC TRƯNG

CỦA TRỤC TẢI GIẾNG NGHIÊNG MỎ HẦM LÒ HIỆN NAY 17

2.1.1.1 Tính lực căng tĩnh khi kéo một goòng 18 2.1.1.2 Tính lực căng tĩnh khi kéo hai goòng 18 2.1.2 Mômen cản quy đổi về trục động cơ 18

2.2 Ứng dụng phần mềm Simulink của Matlab để xây dựng sơ đồ cấu

trúc của các hệ truyền động đặc trưng trục tải giếng nghiêng mỏ 19

truyền động đặc trưng trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò của Việt Nam để xác định các tham số động học

20

2.4 Tổn thất năng lượng trong quá trình làm việc 22

Chương 3: NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN –

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ RÔTO DÂY QUẤN ĐIỀU

KHIỂN BIẾN TRỞ CỦA CÁC TRỤC TẢI GIẾNG NGHIÊNG

ĐANG SỬ DỤNG Ở CÁC MỎ VIỆT NAM

3.2.2 Mô phỏng hệ thống truyền động điện trục tải điều khiển bằng

3.3 Giải pháp sử dụng hệ truyền động biến tần động cơ 49

3.3.2.1 Mô phỏng hệ thống truyền động điện trục tải sử dụng biến tần -

3.3.2.3 Thông tin khai báo các khối mô phỏng 67

Chương 4: ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRỤC TẢI SỬ

DỤNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ BẰNG PLC VÀ XÂY DỰNG

GIAO DIỆN ĐỂ GIÁM SÁT HỆ THỐNG TRỤC TẢI GIẾNG

NGHIÊNG MỎ HẦM LÒ

76

4.1 Nghiên cứu xác định luật điều khiển hợp lý 76 4.1.1 Yêu cầu tự động hóa điều khiển cho trục tải 76 4.1.2 Lựa chọn giải pháp điều khiển tốc độ trục tải giếng nghiêng mỏ

4.1.2.1 Điều khiển tốc độ động cơ theo thời gian 76 4.1.2.2 Điều khiển tốc độ động cơ theo quãng đường 77 4.2 Nghiên cứu các thiết bị tự động được dùng trong hệ thống điều

khiển trục tải giếng nghiêng mỏ Thống Nhất 78 4.2.1 Mô hình hệ thống điều khiển khả trình (PLC) – Biến tần - Động

4.3.2.1 Bảng đặt các địa chỉ cho các chức năng trong hệ thống điều

hầm lò

4.4.1 Nghiên cứu thiết kế giao diện trên TD200 111

4.4.1.4 Giao tiếp TD200 và PLC S7-200 113 4.4.2.Thiết kế giao diện giám sát hệ thống trục tải giếng nghiêng mỏ

Bảng 1.1 Danh mục các loại trục tải giếng nghiêng đang dùng ở

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật trục tải JTK- 1.6 Mỏ than Thống Nhất 7

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật trục tải JTB- 1.0x0.8 Mỏ than Thống

Bảng 1.4 Thông số kỹ thuật trục tải JTK- 1.6 Mỏ than Nam Mẫu 9 Bảng 1.5 Thông số kỹ thuật trục tải щ 1.6x 1.2 Mỏ than Khe Chàm 10 Bảng 1.6 Thông số kỹ thuật trục tải SJ- 1600 Mỏ than Mạo Khê 11

Bảng 1.7 Thông số kỹ thuật trục tải JK- 2/20A Mỏ than Vàng

Bảng 2.1 Thông số của động cơ khi mô phỏng hệ truyền động điện

Bảng 2.2 Tốc độ và tổn thất công suất ở các cấp điện trở 29

Bảng 3.1 So sánh tổn thất công suất khi làm việc ở các cấp tốc độ

Bảng 4.1 Các đặc tính kỹ thuật của CPU 212, CPU 214 82

Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật của biến tần ATV71HC11N4 92 Bảng 4.4 Đặc điểm cổng thông tin của biến tần ATV71HC11N4 97 Bảng 4.5 Đặc tính kỹ thuật của cảm biến 99

Bảng 4.6 Bảng đặt các địa chỉ cho các chức năng trong hệ thống

Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển trục tải JTK – 1.6 mỏ than Thống

Hình 2.2

Sơ đồ mô phỏng hệ thống truyền động chính trục tải

mỏ sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn

Hình 2.6 Đồ thị tổn hao công suất tác dụng P và công suất phản

kháng Q trên mạch rôto khi khởi động 23

Hình 2.7 Đồ thị các thông số của động cơ khi khởi động và

làm việc với 5 cấp Rf

25

Hình 2.8 Đồ thị tổn hao công suất tác dụng P và công suất phản

kháng Q trên mạch rôto khi làm việc với 5 cấp Rf 25

Hình 2.9 Đồ thị tổn hao công suất tác dụng P và công suất phản

kháng Q trên mạch rôto khi làm việc với 4 cấp Rf 26

Hình 2.10 Đồ thị tổn hao công suất tác dụng P và công suất phản

kháng Q trên mạch rôto khi làm việc với 3 cấp Rf 26

Hình 2.11 Đồ thị tổn hao công suất tác dụng P và công suất phản

kháng Q trên mạch rôto khi làm việc với 2 cấp Rf

27

Hình 2.13

kháng Q trên mạch rôto khi làm việc nâng 2 goòng 28

Hình 2.14 Đồ thị tổn hao công suất tác dụng P và công suất phản

kháng Q trên mạch rôto khi làm việc nâng 1 goòng 28

Hình 2.15

Sơ đồ mô phỏng hệ thống truyền động chính trục tải

mỏ sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

31

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung trở 34 Hình 3.2 Đồ thị đóng cắt điện trở phụ 34 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý băm xung trở 35

Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động điện trục tải sử dụng

phương pháp băm xung điện trở mạch rôto 36

Hình 3.5 Kết quả mô phỏng với Rf= 1,86 Ω; L= 0 H; T = 0,01

45

Hình 3.25 Kết quả mô phỏng quá trình khởi động bằng phương

Hình 3.28 Sơ đồ gói của một cấp tốc độ 47 Hình 3.29 Đồ thị tốc độ động cơ ở các cấp tốc độ khác nhau 48 Hình 3.30 Tổn thất công suất ở các cấp tốc độ khác nhau 48 Hình 3.31 Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần gián 49 Hình 3.32 Các dạng nghịch lưu của bộ biến tần 50

Hình 3.34 Nguyên lý làm việc của mạch điều biến độ rộng xung 51 Hình 3.35 Sơ đồ mạch biến tần một pha 53 Hình 3.36 Điều biến độ rộng xung lưỡng cực 53

Hình 3.37 Sơ đồ mạch nghịch lưu với trường hợp đầu vào và

Hình 3.38 Đồ thị điều biến độ rộng xung đơn cực 57 Hình 3.39 Sơ đồ nguyên lý biến tần ba pha nguồn áp 58

Hình 3.40 Đồ thị so sánh điện áp giữa một pha với cực âm của

nguồn và điện áp dây UAB của tải 59 Hình 3.41 Đồ thị của phương pháp khi điều biến ma > 1 60 Hình 3.42 Đồ thị điện áp ra trên tải 60 Hình 3.43 Sơ đồ nguyên lý của nghịch lưu dòng điện 61 Hình 3.44 Đồ thị dòng áp đầu ra nghịch lưu 61

Hình 3.45 Sơ đồ mô phỏng thu gọn hệ truyền động biến tần

Hình 3.52 Tốc độ đặt khi vận hành trục tải với biểu đồ 7 thời kỳ:

Hình 4.1 Luật điều khiển tốc độ động cơ theo thời gian 77 Hình 4.2 Luật điều khiển tốc độ động cơ theo quãng đường 77 Hình 4.3 Mô hình hệ thống PLC- Biến tần – Động cơ 78 Hình 4.4 Các mô đun phần cứng của một bộ PLC 80

Hình 4.5 Hai cách ghép nối PLC S7-200 với máy tính để

Hình 4.6 Gá lắp PLC S7-200 với các module mở rộng 84

Hình 4.7 Kết nối module CPU và module mở rộng sử dụng bus

Hình 4.8 Sơ đồ cung cấp nguồn cho module CPU 85

Hình

4.10-4.12 cách mắc cho các loại đầu vào/ra của module 86 Hình 4.13 Ghép nối các đầu vào/ra tương tự 87 Hình 4.14 Màn hình của biến tần ATV71HC11N4 89 Hình 4.15 Ngoại hình hiển thị của biến tần ATV71HC11N4 89

Hình 4.16 Mạch điện lực và mạch điều khiển của biến tần

Hình 4.17 Hình dáng cảm biến E2A-M30LN30-M1-C1 100 Hình 4.18 Sơ đồ đấu dây của E2A-M30LN30-M1-C1 100

Hình 4.19 lưu đồ thuật toán điều khiển chính của hệ thống trục

Hình 4.24

Hình 4.25 Ghép nối TD200 với PLC S7-200 114 Hình 4.26 Ghép nối nhiều TD200 với nhiều PLC S7-200 114 Hình 4.27-

4.31 Các bước xây dựng giao diện TD 200

115

-117 Hình 4.33

– 4.41 Kết quả mô phỏng trên PLC S7-200 simulator

118

-121 Hình 4.42 Sơ đồ nối dây biến tần – động cơ - PLC 122

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay các công ty khai thác mỏ đang được thiết kế và xây dựng có công suất ngày càng lớn, biên giới mỏ được mở rộng, các mỏ than hầm lò thì ngày càng xuống sâu và trình độ trang bị cơ giới hóa cao hơn Đồng nghĩa với việc đó là nhu cầu sử dụng điện năng cho các khâu: Bơm thoát nước mỏ, thông gió mỏ, máy khai thác, vận tải mỏ…ngày một gia tăng Vì vậy vấn đề

sử dụng điện năng một cách có hiệu quả, đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật, an toàn là rất cần thiết

Trong công nghệ khai thác khoáng sản nói chung cũng như khai thác than nói riêng, khai thác bằng công nghệ hầm lò đóng một vai trò hết sức quan trọng vì nó có thể khai thác khoáng sản ở mức sâu, ít ảnh hưởng đến môi trường…Trong tương lai khai thác khoáng sản bằng công nghệ hầm lò đóng vai trò chủ đạo Công nghệ khai thác hầm lò chủ yếu dùng giếng nghiêng Để vận chuyển khoáng sản, đất đá, thiết bị máy móc…người ta thường dùng trục tải Vì vậy trục tải giếng nghiêng trong các mỏ hầm lò có vai trò hết sức quan trọng

Trục tải mỏ sử dụng khá phổ biến ở vùng mỏ Quảng Ninh, với điều kiện khai thác ngày càng xuống sâu thì trục tải sẽ là phương tiện vận tải chủ yếu Trong hệ truyền động điện của trục tải ở các mỏ hầm lò Việt Nam, động

cơ dẫn động cho trục tải là động cơ không đồng bộ rôto dây quấn Điều khiển các chế độ làm việc của động cơ bằng cách sử dụng hệ thống rơle – côngtắctơ

để thay đổi giá trị điện trở phụ trong mạch rôto Khi đó sẽ gây tổn hao năng lượng đáng kể, các thông số động lực học thay đổi lớn ảnh hưởng đến độ bền của cáp kéo và các thiết bị cơ khí khác trong hệ thống truyền động Đồng thời

hệ thống điều khiển cồng kềnh, tác động chậm gây khó khăn khi thay đổi luật điều khiển đáp ứng với yêu cầu thực tế

Nhằm đáp ứng được yêu cầu tăng sản lượng của mỏ, giảm tổn thất năng lượng, cải thiện tốt các thông số động học và ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật mới trong lĩnh vực điều khiển trục tải mỏ chúng ta phải phân tích được các nhược điểm của hệ thống truyền động hiện tải từ đó đưa ra các phương pháp điều khiển thay thế Đồng thời phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp thay thế để chọn được phương pháp điều khiển thay thế hợp lý nhất

2 Mục đích của đề tài

- Thành lập mô hình và nghiên cứu động lực học, tính tổn hao công suất của hệ truyền động điện trục tải giếng nghiêng sử dụng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn (hệ điều khiển trục tải hiện nay)

- Xây dựng các phương pháp điều khiển thay thế hệ điều khiển trục tải hiện nay Phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp để chọn được phương pháp điều khiển thích hợp nhất cho trục tải

- Xây dựng được hình thức, chương trình điều khiển cho các trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò

Nhằm giải quyết các vấn đề sau:

+ Tự động hóa việc điều khiển công nghệ vận tải bằng trục tải qua giếng nghiêng

+ Tiết kiệm điện năng, đáp ứng yêu cầu điều khiển mềm dẻo theo sơ đồ công nghệ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Hệ truyền động trục tải giếng nghiêng của các mỏ hầm lò Việt Nam hiện nay

Hệ truyền động Biến tần – Động cơ trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò Việt Nam Tính toán và mô phỏng trục tải mỏ than Thống nhất

4 Nội dung nghiên cứu

- Khảo sát thực trạng các hệ truyền động điện của các trục tải giếng nghiêng

mỏ hầm lò Việt Nam, đặc biệt là các mỏ hầm tại vùng mỏ Quảng Ninh

- Mô phỏng hệ thống truyền động điện hiện nay của các trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò bằng phần mềm Simulink của Matlab, mô phỏng cụ thể trục tải mỏ than Thống Nhất

- Mô phỏng phương pháp băm xung trở mạch rôto động cơ không đồng

bộ bằng phần mềm Simulink của Matlab Mô phỏng cụ thể trục tải mỏ than Thống Nhất

- Mô phỏng hệ biến tần động cơ bằng phần mềm Simulink của Matlab

Mô phỏng cụ thể trục tải mỏ than Thống Nhất

- Nghiên cứu ứng dụng hệ thống PLC – Biến tần – Động cơ để tự động hóa cho trục tải giếng nghiêng mỏ than Thống Nhất Đồng thời xây dựng giao diện giám sát trục tải bằng TD – 200

5 Phương pháp nghiên cứu

Trong khuôn khổ luận văn, học viên đã sử dụng các phương pháp

nghiên cứu tổng hợp sau:

- Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát thực trạng các trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò tại Việt Nam, đặc biệt các mỏ hầm lò tại vùng mỏ Quảng Ninh

- Phương pháp phân tích hệ thống: Nhằm mô phỏng hệ thống truyền động điện cho trục tải

- Phương pháp tính toán lý thuyết: Phục vụ cho mô phỏng tính toán và thiết kế tự động hóa hệ thống truyền động điện cho hệ thống trục tải giếng nghiêng

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Để tiết kiệm điện năng, giảm giá thành sản xuất, đáp ứng yêu cầu điều khiển được mềm dẻo cho hệ thống trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò cần có

hệ truyền động điện thay thế Hệ truyền động điện Biến tần – Động cơ là phương án tối ưu hiện nay

- Để tự động hóa hệ thống Biến tần – Động cơ cần có PLC và máy tính

- Dùng phần mềm trên PLC kết hợp cài đặt biến tần để tự động hóa hệ thống truyền động điện Biến tần – Động cơ cho trục tải

CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH SỬ DỤNG CÁC LOẠI TRỤC TẢI GIẾNG NGHIÊNG Ở

Hiện nay các mỏ hầm lò ngày càng xuống sâu và trình độ trang bị cơ giới hóa cao hơn Đồng nghĩa với việc sử dụng nhiều thiết bị do đó nhu cầu về điện năng là rất lớn Phần lớn các trục tải mỏ hiện nay chưa đáp ứng được yêu cầu

về tự động hóa Mặt khác các trục tải này tiêu thụ rất nhiều điện năng (tổn thất năng lượng trong quá trình làm việc lớn)

Thời gian gần đây thực tế người ta bắt đầu ứng dụng một số thiết bị tự động đưa vào điều khiển các loại trục tải của mỏ hầm lò ví dụ như đưa biến tần và PLC vào điều khiển khiển trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò tuy nhiên việc ứng dụng đó chưa có được những nghiên cứu cơ bản để khai thác triệt để tính ưu việt của các thiết bị tự động

Hiện nay phần lớn các hệ truyền động của các thiết bị trục tải giếng nghiêng ở trong mỏ hầm lò trước đây thường dùng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, điều khiển các động cơ này bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto, hoặc sử dụng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc tùy thuộc vào công suất của hệ thống

Đại bộ phận các trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò hiện nay vẫn điều khiển theo công nghệ cũ ví dụ như điều khiển hệ thống trục tải bằng hệ thống các rơle, côngtắctơ Những hệ thống điều khiển này có độ tin cậy thấp, khả năng tự động hóa rất thấp, khi muốn thay đổi phương pháp điều khiển phải thay đổi lại sơ đồ đấu dây của hệ thống điều khiển rất phức tạp…Đồng thời các hệ thống này gây tổn thất năng lượng lớn trên các điện trở phụ (đây là chỉ tiêu quan trọng trong chiến lược tiết kiệm năng lượng để hạ giá thành sản phẩm và tăng tính cạnh tranh )

Vì vậy vấn đề sử dụng trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò một cách có hiệu quả đáp ứng được các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và đảm bảo an toàn là rất cần thiết

Qua khảo sát ta thu được các loại trục tải giếng nghiêng đang dùng ở các mỏ hầm lò của Việt Nam như sau:

Bảng 1.1

1 Công ty CP than Thống Nhất JTK – 1.6

JTB – 1.0x0.8

2 Công ty CP than Khe Chàm щ 1.6x 1.2

3 Công ty CP than Quang Hanh JTK – 1.6

4 Công ty CP than Cẩm Thành JTK – 1.6

5 Công ty CP than Mạo Khê SJ – 1600

6 Công ty CP than Nam Mẫu JTK – 1.6

7 Công ty than Vàng Danh JK – 2/ 20A

1.2 Thông số kỹ thuật của các trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò đang dùng ở Việt Nam

Thông số kỹ thuật trục tải JTK- 1.6 Mỏ than Thống Nhất

Bảng 1.2 Giá trị

Thông số kỹ thuật trục tải JTB- 1.0x0.8 Mỏ than Thống Nhất

Bảng 1.3 Giá trị

Thông số kỹ thuật trục tải JTK- 1.6 Mỏ than Nam Mẫu

Bảng 1.4 Giá trị

Thông số kỹ thuật trục tải щ 1.6x 1.2 Mỏ than Khe Chàm

Bảng 1.5 Giá trị

Thông số kỹ thuật trục tải SJ- 1600 Mỏ than Mạo Khê

Bảng 1.6 Giá trị

Thông số kỹ thuật trục tải JK- 2/20A Mỏ than Vàng Danh

Bảng 1.7 Giá trị

ZC TA

LK2 LK3 LK4 LK5 LK6 LK7 LK8

HÌNH 1.1 SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN TRỤC TẢI JTK- 1.6 MỎ THAN THỐNG NHẤT

X 1 X 2 X 3

A 1

6K 7K

7K 6K

6K

7K

7K3 6K3

2RT 1RI 2RI

Đèn sự cố quá tải, quá dòng

Đèn báo goòng đi lên 6K3

Đèn báo goòng đi xuống 7K5

1.3 Phân loại biểu đồ tốc độ đang được ứng dụng ở các trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò đang ứng dụng ở Việt Nam

Các chế độ vận hành khác nhau sẽ cho chúng ta các biểu đồ tốc độ khác nhau Khi biểu đồ tốc độ khác nhau thì kết quả mô phỏng tính toán cũng khác nhau và chế độ điều khiển cũng khác nhau Vì vậy chúng ta phải phân loại biểu đồ tốc độ của các loại trục tải

Trục tải có ba chế độ làm việc cơ bản là tăng tốc, chạy đều và giảm tốc đến dừng

Chế độ tăng tốc là chế độ mà goòng chuyển động từ tốc độ bằng 0 đến tốc độ cho phép

Chế độ chạy đều là chế độ mà goòng chuyển động với vận tốc không đổi và cho phép trên suốt quãng đường vận chuyển

Chế độ giảm tốc là chế độ mà tốc độ goòng giảm dần vận tốc về không

Trong ba chế độ làm việc thì giai đoạn tăng tốc và giảm tốc có ý nghĩa quan trọng, phụ thuộc vào từng loại trục tải và kết cấu của goòng Đặc trưng cho các chế độ làm việc của trục tải mỏ là biểu đồ tốc độ, biểu đồ tốc độ của trục tải mỏ rất đa dạng

Nghiên cứu quy trình vận hành các loại tời trục khi kéo xe goòng lên hoặc thả xe goòng xuống ta tìm ra biểu đồ tốc độ của các trục tải như sau:

* Biểu đồ tốc độ ba thời kỳ

n

t Hình 1.3 Biểu đồ tốc độ 3 thời kỳ trục tải giếng nghiêng

mỏ hầm lò của Việt Nam để xác định các tham số động học

t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7

t Hình 1.2 Biểu đồ tốc độ 7 thời kỳ trục tải giếng nghiêng

t 1 t 2 t 3 t 4 t 5

t Hình 1.4 Biểu đồ tốc độ 5 thời kỳ trục tải giếng nghiêng

n

t 1 t 2 t 3 t 4 t 5

t Hình 1.5 Biểu đồ tốc độ 6 thời kỳ trục tải giếng nghiêng

n

t 6

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐẶC TRƯNG CỦA TRỤC

TẢI GIẾNG NGHIÊNG MỎ HẦM LÒ HIỆN NAY

2.1 Tính toán mômen cản

2.1.1 Lực cản trên tang:

Sơ đồ nguyên lý của các trục tải là gần giống nhau vì vậy để đơn giản trong nghiên cứu tôi chọn tính toán và mô phỏng cho mỏ than Thống Nhất Các số liệu được tính theo các số liệu của mỏ than Thống Nhất

Theo sơ đồ trắc dọc đường lò vận chuyển thì goòng được kéo qua các đoạn đường có độ dốc khác nhau

Để tính toán mômen cản ta tính toán cho trường hợp mở máy nặng nhọc nhất tương đương với Mc sinh ra trên đoạn đường có độ dốc lớn nhất và tải nặng nhất

Sơ đồ phân tích lực cho trên hình 2.1

Từ sơ đồ phân tích ta tính được lực căng tĩnh lớn nhất trên cáp là:

F  Q Q pL  Q Q c  f  pL f c 

Trong đó:

Qb: Trọng lượng của goòng

Q: Trọng lượng của vật liệu

Lc: Tổng chiều dài của cáp Lc= 381m

f1= 0,01÷0,02 là hệ số ma sát của bánh goòng và đường ray

F2= 0,1÷0,2 là hệ số ma sát giữa cáp và các con lăn đỡ cáp và nền đường

2.1.1.1 Tính lực căng tĩnh khi kéo một goòng

2.1.2 Mômen cản quy đổi về trục động cơ

2.1.2.1 Khi kéo một goòng:

Mômen cản trên tang quấn cáp là:

Mc tang= Ft1 x R = 15427,2 x 0,8 = 12341,7 Nm

R: bán kính tang quấn cáp

Mômen cản quy đổi về trục động cơ là:

Mc đc = Mc tang/I = 12341,7 / 23,34 = 528,7 Nm

i : tỉ số truyền của hộp giảm tốc

2.1.2.2 Khi kéo hai goòng:

Mômen cản trên tang quấn cáp là:

Mc tang= Ft2 x R = 25244 x 0,8 = 20195,3 Nm

Mômen cản quy đổi về trục động cơ là:

Mc đc = Mc tang/I = 20195,2 / 23,34 = 796,5 Nm

Vậy khi mô phỏng tính toán chúng ta chọn Mc = 800Nm

2.2 Ứng dụng phần mềm Simulink của Matlab để xây dựng sơ đồ cấu trúc của các hệ truyền động đặc trưng trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò của Việt Nam

Hiện nay phần lớn các hệ truyền động của các thiết bị trục tải giếng nghiêng ở trong mỏ hầm lò trước đây thường dùng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn, điều khiển các động cơ này bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto, hoặc sử dụng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc tùy thuộc vào công suất của hệ thống

Đại bộ phận các trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò hiện nay vẫn điều khiển theo công nghệ cũ ví dụ như điều khiển hệ thống trục tải bằng hệ thống các rơle, côngtắctơ…

Để nghiên cứu cải tiến hệ truyền động điện – động cơ không đồng bộ

ba pha rôto dây quấn điều khiển biến trở của các trục tải giếng nghiêng đang

sử dụng tại Việt Nam Trước hết chúng ta phải mô phỏng các hệ truyền động

cũ của các trục tải giếng nghiêng đặc trưng tại các mỏ hầm lò Muốn mô phỏng hệ truyền động trục tải giếng nghiêng tôi sử dụng phần mềm Simulink của Matlab để mô phỏng các phần tử trong hệ thống truyền động điện trục tải

mỏ Khi mô phỏng chúng ta sẽ biết được các kết quả mô phỏng, từ đó sẽ đánh giá được thực trạng các hệ truyền động trục tải mỏ hầm lò hiện nay

Muốn mô phỏng hệ truyền động điện – động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn điều khiển biến trở trước tiên chúng ta phải biết được sơ đồ điều khiển hệ truyền động cũ Từ sơ đồ nguyên lý điều khiển trên hình 1-1 tôi

mô phỏng truyền động chính của hệ thống trục tải mỏ than Thống Nhất vì ở

cơ cấu truyền động chính tồn tại các nhược điểm cần cải tạo

Hình 2-2: Sơ đồ mô phỏng hệ thống truyền động chính trục tải mỏ sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn

2.3 Ứng dụng phần mềm Simulink của Matlab để mô phỏng các hệ truyền động đặc trưng trục tải giếng nghiêng mỏ hầm lò của Việt Nam để xác định các tham số động học

Để xác định được các tham số động học của hệ thống truyền động cũ chúng ta phải xây dựng và mô phỏng giống như hệ truyền động cũ đang tồn tại ở mỏ Thống Nhất Vì vậy các số liệu tính toán và mô phỏng tôi đều tôn trọng đúng như số liệu thực tế

Sơ đồ mô phỏng của hệ thống truyền động cũ chúng ta biết được điện

áp đặt vào Stato của động cơ có dạng như hình 2.3

Hình 2-3: Đồ thị điện áp đặt vào Stato của động cơ Như vậy ta thấy điện áp đặt vào Stato là sin như vậy hệ thống truyền động điện này không gây ra nhiễu cho hệ thống lưới điện

Khi khởi động với các cấp điện trở phụ trên và thời gian cắt giữa các cấp điện trở là 1s (theo quy trình vận hành tời trục của mỏ Thống Nhất) thì các thông số của động cơ khi khởi động là

Hình 2- 4: Đồ thị các thông số của động cơ khi khởi động

Từ các thông số của động cơ khi mô phỏng ta thấy rằng dòng điện khởi động được hạn chế đến phạm vi cho phép nhờ các cấp điện trở mắc trong mạch rôto của động cơ Đồng thời sau khi khởi động thì tốc độ động cơ đạt tốc độ định mức

Hình 2- 5: Graph mômen điện từ và tốc độ động cơ khi khởi động

Bảng 2.1

STT Qúa trình thực hiện

Tốc độ động cơ,vg/ph

Mômen điện từ,N.m

Dòng điện Stato,A

Dòng điện Rôto,A

phương pháp này lại có các nhược điểm sau: Mô men điện từ thay đổi lớn khi thay đổi giá trị điện trở trong mạch rôto, tốc độ động cơ thay đổi đột ngột khi thay đổi giá trị điện trở trong mạch rôto Những đặc điểm này làm cho tuổi thọ của các bộ phận cơ khí bị giảm

Từ nhược điểm này chúng ta cần thiết phải cải tạo hệ thống truyền động điện cũ bằng một hệ thống truyền động điện mới tốt hơn khắc phục được nhược điểm trên

2.4 Tổn thất năng lượng trong quá trình làm việc

Khi khởi động với các cấp điện trở mắc ở mạch rôto thì sẽ gây ra các tổn hao công suất trên mạch rôto Các tổn hao này gây lãng phí vì nó biến thành công không có ích Như vậy làm cho hiệu suất của hệ thống sẽ giảm xuống vì hệ thống trục tải mỏ thường xuyên phải khởi động và điều chỉnh tốc độ Tổn hao công suất trên mạch rôto khi khởi động thể hiện trên hình 2.5

Hình 2-6: Đồ thị tổn hao công suất tác dụng P và công suất phản kháng

Q trên mạch rôto khi khởi động

Từ đồ thị kết quả mô phỏng khi khởi động ta thấy rằng tổn thất công suất trên mạch rôto khi khởi động là rất lớn Khi bắt đầu khởi động tổn thất công suất P ≈ 80kW và Q≈ 90kVAr Tổn thất công suất trên mạch rôto khi động cơ làm việc bình thường là rất nhỏ (tổn thất trên dây quấn của rôto) Nếu hệ thống trục tải mỏ càng khởi động nhiều thì tổn thất công suất trong một ca và một ngày làm việc là rất lớn Như vậy với công nghệ hiện tại không cho phép một hệ thống truyền động điện làm việc với tổn hao công suất rất lớn, hiệu suất thấp vì vậy chúng ta phải cải tạo hệ thống này để khắc phục nhược điểm trên

Khi điều chỉnh tốc độ động cơ chúng ta sẽ thu được các tổn hao khác nhau tùy theo điện trở phụ trong mạch rôto Sau đây chúng ta mô phỏng để tính toán tổn hao với từng cấp điện trở phụ

+ Với 5 cấp điện trở phụ trong mạch rôto

Khi đưa 5 cấp Rf vào mạch rôto thì tốc độ của động cơ là 295 vòng/ phút Tổn hao công suất trên mạch rôto khi đó là P ≈ 34 kW

Khi đưa 4 cấp Rf vào mạch rôto thì tốc độ của động cơ là 525 vòng/ phút Tổn hao công suất trên mạch rôto khi đó là P ≈ 15 kW

Khi đưa 3 cấp Rf vào mạch rôto thì tốc độ của động cơ là 640 vòng/ phút Tổn hao công suất trên mạch rôto khi đó là P ≈ 9 kW

Khi đưa 2 cấp Rf vào mạch rôto thì tốc độ của động cơ là 698 vòng/ phút Tổn hao công suất trên mạch rôto khi đó là P ≈ 5 kW

Khi đưa 1 cấp Rf vào mạch rôto thì tốc độ của động cơ là 727 vòng/ phút Tổn hao công suất trên mạch rôto khi đó là P ≈ 2 kW

Hình 2- 7: Đồ thị các thông số của động cơ khi khởi động và làm việc với 5

cấp Rf

Hình 2-8: Đồ thị tốc độ, tổn hao công suất tác dụng P và công suất phản

kháng Q trên mạch rôto khi làm việc với 5 cấp Rf