ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH PHẦN LĨNH VỰC ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Ứng dụng MATLAB SIMULINK mô hệ truyền động điện máy khoan xoay cầu СБЩ-250MH Nguyễn Thị Thùy Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Nha Trang Email: nguyenthuy@ntu.edu.vn Mobil: 0912108618 Tóm tắt Từ khóa: Máy khoan xoay cầu СБЩ 250MH; Hệ truyền động thyristorđộng cơ; Mô hệ truyền động MATLAB SIMULINK Máy khoan xoay cầu thiết bị sử dụng phổ biến ngành khai thác khoáng sản Với đặc thù tải thay đổi liên tục q trình khai thác, địi hỏi máy khoan xoay cầu phải có hệ truyền động điện đáp ứng yêu cầu cao chất lượng điều khiển Việc tìm tham số hoạt động điều khiển đem lại hiệu suất làm việc cao trình làm việc, với mục tiêu báo giới thiệu việc nghiên cứu mô hệ truyền động máy khoan xoay cầu СБЩ –250MH phần mềm chuyên dụng MATLAB SIMULINK, kết cho thấy việc chế độ làm việc đáp ứng u cầu, đồng thời cịn thu thập tham số hoạt động hướng điều khiển phù hợp với đối tượng tải Abstract Keywords: Rotating head drilling machines СБЩ –250MH; The drive system Thyristor-motor; Simulation of drive system using MATLAB SIMULINK Rotating head drilling machines are equipment used very popular in the mining industry With the special changing loads during the exploitation process, the rotating head drilling machine requires an electric drive system that meets the high requirements of control quality Finding the operating parameters of the controller will bring about high efficiency in the process of working, so with the article introducing the research and simulation of the drive system of the rotating head drilling machine СБЩ –250MH using specialized software MATLAB SIMULINK, the results show that in addition to the working mode that meets the requirements, at the same time, it is possible to collect operating parameters and control directions suitable for the object load ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần điện tử công suất phát triển, việc áp dụng thành tựu vào sản xuất để đại hóa thiết bị nhằm tăng suất chất lượng sản phẩm, tiết kiệm sức lao động người Trong ngành khai thác khoáng sản, thiết bị thay đổi để phù hợp với điều kiện công nghệ Hệ 91 truyền động máy khoan xoay cầu hệ nghiên cứu để cải tiến Hệ truyền động máy khoan xoay cầu thực tổng hợp tín hiệu điều khiển hồi tiếp nhờ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển, cách đóng mở góc để thay đổi giá trị điện áp đặt lên cuộn kích từ Việc điều chỉnh góc mở * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH xử lý vi điều khiển lập trình sẵn, vấn đề đặt phải thực mơ q trình làm việc hệ để từ tìm tham số làm việc hợp lý cho điều khiển để cài đặt Xuất phát từ mục tiêu trên, báo nghiên cứu việc mô phần mềm MATLAB-SIMULINK hệ truyền động máy khoan xoay cầu СБЩ –250MH qua có bước cải tiến q trình vận hành sử dụng cách hiệu HỆ TRUYỀN ĐỘNG CỦA MÁY KHOAN XOAY CẦU СБЩ –250MH 2.1 Những yêu cầu với hệ truyền động điện máy khoan xoay cầu Hệ truyền động điện máy khoan xoay cầu [1] yêu cầu địi hỏi chất lượng cao q trình làm việc, dải điều chỉnh rộng, thường xuyên điều chỉnh tốc độ n mômen Trong vùng n0 làm việc, hệ thống có yêu cầu cao ổn định tốc độ Khi rơi vào vùng tải, hệ thống phải tự động giảm độ cứng đặc I I dõng Iđm Icắt tớnh bo v ng Hỡnh c cấu khí khác Để đáp ứng yêu cầu đặc tính làm việc hệ truyền động máy khoan có dạng hình 1, đường đặc tính gọi đặc tính kiểu “máy xúc”, gồm hai phần với độ cứng khác nhau[6]: - Vùng thứ vùng công tác Iu < Icắt, đặc tính cứng để tăng hiệu suất làm việc - Vùng II: vùng bị tải, Iu ≥ Idừng, đặc tính mềm để bảo vệ động khỏi tải lớn Để tạo đường đặc tính “kiểu máy xúc” hệ truyền động máy khoan sử dụng hệ Thyristor- Động sử dụng hệ kín với vịng phản hồi: - Hồi tiếp âm theo áp để nâng cao độ cứng đặc tính vùng làm việc( vùng hình 1) - Hồi tiếp âm cắt nhanh theo dịng phần ứng đề bảo vệ động khỏi tải (vùng 2-hình 1) Hồi tiếp âm theo áp có biểu thức tính: Uht áp=α.Uu * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 92 Cần ý hồi tiếp thứ hoạt động hồi tiếp thứ hai khơng có tác dụng ngược lại Khi ta có Uđk= Ud-Uht áp- Uht dòng Với: UhtI = Iu < Ic β (Iu-Ic) Iu ≥ Ic (1) Trong trình thực việc tính tốn mơ thường sử dụng hàm dấu 1(∆I) có giá trị: 1(ΔI) = Iu < Ic Iu ≥ Ic (2) Thay (2) vào (1) ta có cơng thức tính: Uđk= Ud-Uht áp- 1(∆I).β(Iu-Ic) 2.2 Hệ truyền động máy khoan xoay cầu СБЩ –250MH Hệ truyền động điện máy khoan xoay cầu СБЩ –250MH có nhiều cấu [1]: - Cơ cấu quay mũi khoan - Cơ cấu tạo áp lực dọc trục - Cơ cấu ép Trong cấu cấu quay mũi khoan quan trọng định trực tiếp đến suất làm việc máy Cũng giống máy xúc, máy khoan xoay cầu làm việc phá vỡ đất đá thường có phụ tải thay đổi đột ngột nên cấu phải điều chỉnh tự động Cơ cấu quay mũi khoan có phụ tải thay đổi thường xuyên nên cần có thiết bị điều chỉnh tự động momen tốc độ Hệ thống truyền động điện cấu xoay mũi khoan máy khoan xoay cầu (СБЩ – 250MH) mô tả hình hệ thống Thyristor- Động chiều kích từ độc lập Phần ứng động chiều cấp từ van chỉnh lưu cầu pha có điều khiển Cịn cuộn kích từ độc lập động cấp điện từ chỉnh lưu cầu pha có điều khiển Tốc độ mô men động chiều cấu xoay mũi khoan điều chỉnh tự động theo hai hướng: + Điều khiển theo điện áp phần ứng động + Điều khiển theo điện áp kích từ động Để ổn định tốc độ động sử dụng hồi tiếp âm theo áp, để hạn chế dòng sử dụng mạch hổi tiếp cắt nhanh theo dòng phần ứng Thay đổi điện áp phần ứng động cách điều chỉnh góc mở chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển Muốn thay đổi điện áp ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH kích từ thay đổi góc mở chỉnh lưu cầu pha có điều khiển Bộ điều khiển lấy tín hiệu từ hồi áp theo dòng đưa điều khiển để điều chỉnh góc mở thay đổi tốc độ mơ men động Hệ truyền động điện cấu quay mũi khoan mô tả dạng sơ đồ khối hình [1] K1 ДT PT F4 CYP KY CИΦY cách tuyến tính hóa đoạn thu được: Φ = α.Ikt, mối quan hệ tuyến tính Khi mơ tả tốn học động biểu diễn sau: * Phần ứng động cơ: Ru I u ( s) Lu sI u ( s) E ( s) U ( s ) Js. ( s) M ( s) M C ( s) U ( s) R I ( s) sL I ( s) kt kt kt kt kt F1 Y * Xét phần kích từ động cơ: Mối quan hệ từ thơng dịng kích từ biểu diễn cơng thức: Φ = f(Ikt) (3) Theo đường cong từ hóa, mối quan hệ phi tuyến Tuy nhiên, đoạn Ikt nhỏ ta sử dụng phương pháp tính gần LA БP (4) TT MC MCB дH Đ M CYPB CUYB Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý khối máy khoan xoay cầu C 250MH Hỡnh Sơ đồ khối hệ truyền động điện máy khoan xoay cầu СБЩ –250MH LA: cuộn kháng điện TT: máy biến dòng MC: chỉnh lưu pha có điều khiển M: động điện chiều ДT: cảm biến dòng điện PT: phận điều chỉnh dòng điện KY: cấu hiệu chỉnh ДH:cảm biến điện áp Y: bàn điều khiển CYP: khâu khuếch đại tổng hợp CИΦУ: khâu điều khiển pha xung mạch lực CYPB: khâu khuếch đại điều khiển dịng kích thích MƠ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG CỦA MÁY KHOAN XOAY CẦU СБЩ –250MH 3.1 Xây dựng mơ hình tốn học hệ truyền động máy khoan xoay cầu СБЩ –250MH Thực tế, hệ truyền động máy khoan xoay cầu СБЩ-250MH hệ phi tuyến phần dịng kích từ động từ thơng mạch kích từ theo đường cong từ hóa, mơ dựa vào phương trình phi tuyến gặp nhiều khó khăn, tác giả thực mô cách tuyến tính hố quanh điểm làm việc sở lý thuyết điều khiển hệ tuyến tính để lập phương trình Chi tiết việc tuyến tính hóa thực sau [5]: 93 * Bộ chỉnh lưu: - Chỉnh lưu kích từ động cơ: 𝑇kt𝑠.𝛼kt(𝑠)+𝛼kt(𝑠)=0,9𝑈kt (5) - Chỉnh lưu phần ứng động cơ: (6) Tu s.u (s) u (s) 2,34Uu (s) Mạch hồi tiếp: - Hồi tiếp âm theo áp: Uhtáp = α.Uu (7) - Hồi tiếp dương theo dòng: (8) U ht I 1(I ) ( I d I c ) * Từ mơ hình tốn học xây dựng trên, tác giả xây dựng mơ hình cấu trúc hệ truyền động máy khoan xoay cầu hình 3: Hình Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động máy khoan xoay cầu СБЩ –250MH 3.2 Mô MATLAB SIMULINK Từ mơ hình tốn học xây dựng ta chuyển sang mô MATLABSIMULINK [4] Thực mô hệ truyền động máy khoan xoay cầu theo số liệu sau: Bảng Thông số mô hệ truyền động Loại động Д 808 Б1 Phần Phần Bộ chỉnh lưu Một pha Ba pha * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH ứng 60 380 160 800 P(kW) U(V) I(A) n(r/m) kích từ 85 25.6 380 30 380 60 Sơ đồ cấu trúc mơ MATLABSIMULINK thể hình Điều chỉnh từ thông động việc thay đổi điện áp đặt vào biến đổi mạch kích từ động giá trị 3V,6V,9V,12V nhằm tăng tốc độ động vượt tốc độ không tải lý tưởng máy xúc làm việc chế độ không tải nhẹ tải Tuy nhiên việc giảm từ thông( hay tăng tốc độ động cơ) vơ cấp khơng thể tăng tốc độ động đến ∞ Do phần thực khảo sát giới hạn giảm từ thông mô hệ thống truyền động máy khoan thay đổi từ thông động Sơ đồ cấu trúc mô MATLABSIMULINK thể hình Hình Sơ đồ mô Matlab hệ truyền động máy khoan xoay cầu 3.2.1.Đáp ứng tốc độ hệ với giá trị điều chỉnh điều chỉnh điện áp phần ứng: Khi thay đổi giá trị điện áp đặt đầu vào chỉnh lưu mạch phần ứng với giá trị 3V,6V,9V,12V làm thay đổi điện áp phát đặt vào phần ứng động cơ, nhận đường đặc tính mơ tốc độ động hình Uu 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 t Hình Đáp ứng tốc độ cuả hệ điều chỉnh điện áp phần ứng động Từ kết mơ tốc độ động hình sử dụng thông số tối ưu cho điều chỉnh ta thấy đáp ứng hệ hoàn toàn phù hợp 3.2.2 Điều chỉnh từ thơng mạch kích từ động * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 94 Hình Mơ hình mơ Matlab phần kích từ động Thực mô hệ thay đổi từ thơng mạch kích từ động Khi thay đổi giá trị điện áp đặt đầu vào chỉnh lưu mạch kích từ động với giá trị khác 3V, 6V, 9V,12V làm tốc độ động tăng giá trị lớn so với giá trị tốc độ không tải lý tưởng thường áp dụng trường hợp không tải Kết tốc độ thu hình hồn tồn đáp ứng với yêu cầu điều khiển ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH mơ đặc tính tốc độ hình 8, ta thấy hệ truyền động hoàn toàn đáp ứng yêu cầu KẾT LUẬN Hệ truyền động máy khoan xoay cầu sử dụng hệ Thyristor- Động có chế độ làm việc linh hoạt, đáp ứng yêu cầu cao theo đặc tính làm việc kiểu “máy xúc” Phương pháp mơ phần mềm MATLAB-SIMULINK cho thấy trình làm việc hệ ứng với điều chỉnh hệ, kết mô cho thấy hoạt động hệ hoàn toàn phù hợp với yêu cầu đặt Từ ta thực Hình Kết qủa mơ tốc độ động thay đổi từ thơng mạch kích từ 3.2.4.Thực mô hệ xảy tải Khi xảy tải lớn, dòng điện phần ứng tăng cao gây cháy động cơ, người ta thực việc hạn chế dòng cách sử dụng hồi tiếp âm theo dòng vùng hồi tiếp âm theo áp không hoạt động việc thay đổi tham số để tìm giá trị tối ưu cho điều khiển Đây bước chuẩn bị cho việc áp dụng vi điều khiển vào để xử lý tín hiệu từ hồi tiếp đưa Tuy nhiên kết kết bước đầu khảo sát số điều kiện định khách quan tác động nên q trình vận hành cần có điều chỉnh cho phù hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO w 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t Hình Kết mơ tốc độ động xảy tải Giả thiết xảy tải lớn, Mc tăng nhanh, dòng điện phần ứng tăng đến giá trị đến giá trị Idừng, tốc độ động trường hợp giảm để bảo vệ động Thông qua 95 [1] Bài giảng Tự động hóa dành cho hệ cao đẳng- Trường đại học Công nghiệp Quảng Ninh [2] Thân Ngọc Hoàn, Nguyễn Tiến Ban(2007)Điều khiển tự động hệ thống truyền động điện-NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền(2001)- Truyền động điện-NXB Khoa học kỹ thuật Hà nội [4] Nguyễn Phùng Quang(2006) - Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động-NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội [5] Thái Duy Thức (2001)-Cơ sở lý thuyết truyền động điện-NXB Giao thông vận tải, Hà nội [6] Thái Duy Thức (2000)-Thiết kế truyền động điện tự động- tập 1-NXB Giao thông vận tải, Hà nội [7] Tài liệu máy khoan xoay cầu công ty than Cọc Sáu * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 ... vận hành sử dụng cách hiệu HỆ TRUYỀN ĐỘNG CỦA MÁY KHOAN XOAY CẦU СБЩ –250MH 2.1 Những yêu cầu với hệ truyền động điện máy khoan xoay cầu Hệ truyền động điện máy khoan xoay cầu [1] yêu cầu đòi hỏi... thích MƠ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG CỦA MÁY KHOAN XOAY CẦU СБЩ –250MH 3.1 Xây dựng mơ hình tốn học hệ truyền động máy khoan xoay cầu СБЩ –250MH Thực tế, hệ truyền động máy khoan xoay cầu СБЩ-250MH hệ phi... Từ mô hình tốn học xây dựng trên, tác giả xây dựng mơ hình cấu trúc hệ truyền động máy khoan xoay cầu hình 3: Hình Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động máy khoan xoay cầu СБЩ –250MH 3.2 Mô MATLAB SIMULINK