nghiên cứu khái quát về cơ cấu quay của máy xúc. mô phỏng điều khiển truyền động điện cho động cơ truyền động cơ cấu quay

Máy xúc có cơ cấu bốc xúc kiểu gàu treo tren dâyMáy xúc có cơ cấu bốc xúc kiểu gầu ngoạm Máy xúc có cơ cấu bốc xúc kiểu gầu quay Máy xúc có cơ cấu bốc xúc kiểu máng cao nhiều gầu xúc --

mục lục

Trang

Mục lục 1

Lời gới thiệu 2

1.Tổng quan về truyền động điện điều khiểncơ cấu quay máy xúc 3

1.1 Giới thiệu chung về máy xúc 3

1.2 Tổng quan về cơ cấu quay 6

1.3 Cơ cấu quay máy xúc 9

2 Thành lập mô hình thuật toán 10

2.1 Nghiên cứu máy xúc ਤ kt- 4 10

2.2 Sơ đồ mạch của cơ cấu máy xúc 10

2.3 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ 13

2.4 Xây dựng mô hình thuật toán 14

2.4.1 mô hình động cơ điện một chiều 14

2.4.2 mô hình máy phát 17

2.4.3 mô hình khuếch đại từ 18

2.4.4.mô hình hệ thống 19

3 Mô phỏng hệ truyền động điện, đành giá các kết quả mô phỏng 19 3.1 Dùng phần mềm mô phỏng Matlab 19

3.2 Kết quả mô phỏng 20

3.2.1 Đặc tính cơ của hệ truyền động 20

3.2.2 Đặc tính cơ của tải máy xúc 21

Kết luận 21

Tài liệu tham khảo 22

lời nói đầu Ngày nay với sự phát triển nh vũ bảo của khoa học công nghệ nói chung và sự phát triển của lỉnh vực điện- điện tử – tin học nói riêng ,với nhng u thế của bản thân , trang bị điện điện tử đang đóng một vai trò quan trọng trong tự động hoá quá trình sản xuất Từ lâu các dạng máy xúc đã đợc sử dụng và phát triển công việc khai thác bốc rỡ hàng hóa phần lớn đều nặng nhọc, nếu dùng sức ngời thì quá vất vã khó khăn mà năng suất lao động lại thấp Do đó đòi hỏi phải cơ giới hoá toàn bộ dây truyền sản xuất tại các nhà máy, xí nghiệp các công trờng khai thác, xây dựng

Cấu trúc mạch động lực của hệ thống truyền động điện điều khiển bao giờ cũng là phần cơ bản của các cơ cấu máy sản xuất Hiện nay trong dây truyền công nghệ, hệ truyền động cơ cấu nâng quay dùng hệ thống động cơ, đang đợc sử dụng rộng rãi, trong các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp

Hải phòng ngày 15 tháng 5 năm 2005 Phạm Văn Tuyên

nghiên cứu tổng quan về cơ cấu quay của máy xúc mô phỏng điều khiển truyền động điện cho động cơ truyền động cơ cấu quay

1 tổng quan về truyền động điện điều khiển cơ cấu quay máy xúc 1.1 Giới thiệu chung về máy xúc

Máy xúc đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp khai thác mỏ lộ thiên., trên các công trờng xây dựng, trên công trờng thuỷ lợi, các công trình xây dựng cầu đờng để san lấp mặt bằng, bốc xúc đất đá quặng

Máy xúc có thể phân loại theo nhiều cách khác nhau nh sau:

Phân loại theo tính năng sử dụng :

Máy xúc xây dựng chạy bánh xích, bánh lốp có thể tích gầu từ 0.252 m3

Máy xúc dùng trong công nghiệp khai thác lộ thiên có thể tích gầu từ 4.6 8 m3

Máy xúc bốc đát đá có thể tích gầu từ 435 m3

Máy xúc bớc gầu ngoạm có thể tích gầu từ 4 80 m3

Phân loại theo cơ cấu bốc xếp

Máy xúc có cơ cấu bốc xúc là gầu xúc thuận

Máy xúc có cơ cấu bốc xúc kiểu gầu cao di chuyển

Máy xúc có cơ cấu bốc xúc kiểu gàu treo tren dây

Máy xúc có cơ cấu bốc xúc kiểu gầu ngoạm

Máy xúc có cơ cấu bốc xúc kiểu gầu quay

Máy xúc có cơ cấu bốc xúc kiểu máng cao nhiều gầu xúc

Phân loại theo thể tích gầu xúc

Máy xúc công suất nhơ, có thể tích gầu xúc từ 0.25 đến 2 m3

Máy xúc công suất trung bình, có thể tích gầu xúc từ 2 dến 6 m3

Máy xúc công suất lớn, có thể tích gầu xúc từ 6 đến 80 m3

Phân loại theo cơ cấu truyền lực

Máy xúc dùng cơ cấu truyền lực là động cơ đốt trong

Máy xúc dùng cơ cấu truyền lực là động cơ điện

Phân loại theo cơ cấu của cơ cấu di chuyển

Máy xúc chạy bánh xích

Máy xúc chạy bánh lốp

Máy xúc chạy trên đờng ray

Hình dạng máy xúc nh sau:

( h.1 ) Cơ cấu bốc xúc là gầu xúc thuận

(h.2) Máy xúc kiểu máng cào nhiều gầu xúc Yêu cầu chung đối của các thiết bị điện với máy xúc nh sau:

Độ bền cơ khí cao vì máy xúc phải làm trong những điều kiện thờng xuyên dùng phụ tải xung kích Phải làm việc tốt trong các điều kiện công trờng xây dựng ( ma, gió, độ ẩm, nhiệt độ ) thay đổi ở phạm vi rộng

Phải đảm bảo làm việc khi bàn của máy xúc nghiêng đi từ 10 – 150 so với mặt nằm ngang (các trục,

ổ đặc biệt )

Phải có kích thớc hạn chế và momen vô lăng nhỏ ( để kết cấu máy gọn hơn, mở máy hãm máy thuận lợi hơn )

Hệ truyền động điện thờng có kết cấu phổ biến nh sau:

( h.3 )

Kết cấu phổ biến của hệ truyền động điện

1 Động cơ thực hiện cho tất cả các cơ cấu của thiết bị

2.Phanh hãm điện từ

3 Bộ truyền cơ khí – bộ giảm tốc ( i <1)

4 Cơ cấu thực hiện

5 Phanh hãm an toàn : phanh hãm bằng tay nó đợc sử dụng khi hệ thống có sự cố

Tuy nhiên hiện nay ngời ta hay dùng hệ Đs + PWM Hệ này có sơ đồ nh sau :

( h.4 ) Kết cấu dùng PWM 1.Động cơ thực hiện

2 Phanh hãm

3 Bộ truyền cơ khí

4, 4’ Phụ tải động để điều chỉnh và ổn định tốc độ cho hệ thống 4 là roto của phụ tải động 4’

là stato của phụ tải động

5 Phanh hãm an toàn

6.Cơ cấu thực hiện

Chú ý : 1và 2 là hai thiết bị hợp bộ , khi 2 = (1) thì giải phóng 1

Chế độ làm việc của máy xúc là một vấn đề rất phớc tạp Nhng trên những điểm chung nhất ta có thể

đi sâu nghiên cứu cấu tạo và chế độ làm việc của máy xúc Máy xúc có ba chuyển động cơ bản: đào, nâng - hạ, quay, ngoài ra còn có một số chuyển động phụhác nh : nâng cần di chuyển, đóng mở đáy gầu Chu kỳ làm việc của máy xúc bao gồm các giai đoạn sau: hạ gầu xuống mặt bằng làm việc - đào

đồng thời nâng gầu - quay gầu về vị trí đổ tải - mở đáy gầu đổ tải - quay gầu về vị trí ban đầu Thời gian một chu kỳ làm việc khoảng từ 20 giây đến 60 giây Cơ cấu nâng - hạ và cơ cấu đẩy tay gầu th-ờng xuyên làm việc quá tải ( gọi là quá tải làm việc ) do gầu bốc xúc phải đất đá cứng, hoặc lớp cắt quá sâu

Các cơ cấu chính của máy xúc làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại với hệ số tiếp điện tơng đối TĐ % = (25 - 100 )% Các cơ cấu của máy xúc làm việc trong điều kiện môi trờng nặng nề, chao lắc mạnh, nhiều bụi, nhiệt độ thay đổi trong phạm vi rộng Các yếu tố khác cũng ảnh hởng đến các cơ cấu

của máy xúc nh: độ nghiêng, độ chênh dọc trục máy xúc, gia tốc lớn khi mở máy và hãm Do chế độ làm việc của máy xúc nặng nề nh vậy nên các thiết bị của máy xúc phải đợc chế tạo chắc chắn, độ bền cơ học cao và độ tin cậy cao

1.2 Tổng quan về cơ cấu quay

Trang bị điện sản xuất máy xúc có cấu trúc hệ điều khiển truyền động điện cơ cấu quay thờng

đ-ợc chuyển động bằng hai động cơ, đặt đối xứng nhau qua trục đối quay Việc điều chỉnh tốc độ

và thay đổi chiều quay của cơ cấu quay thiết bị thờng đợc điều chỉnh bằng nhiều cách khác nhau nh : Thay đổi điện trở phụ trong mạch Roto của động cơ (đối với động cơ không đồng bộ roto dây quấn )

và hệ truyền động điện đợc thiết kế thao kiểu mạch hở, không có sự phản hồi của đáp ứng điều khiển

do vậy chất lợng hệ điều khiển chua cao Thực hiện nhờ đảo chiều 2 trong 3 pha ở động cơ bằng cách

đặt vị trí cho các côngtắctơ với truyền động điện cơ cấu quay dùng động cơ dị bộ 3 pha roto dây quấn

Điều chỉnh tốc độ động cơ và đảo chièu quay cũng có thể thực hiện bằng cách thay đổi trị số các cực tính của dòng điện trong các cuộn kích từ đối với hệ truyền động điện là máy phát động cơ

Hiện nay kỹ thuật hiện đại; dùng biến tần để cấp cho động cơ không đồng bộ roto lồng sóc đã

đem lại chất lợng rất cao thể hiện bằng dãi điều chỉnh tốc độ rộng, hệ thống gọn nhẹ song bên cạnh… song bên cạnh

đó giá thành rất cao

Ta cũng có thể xây dựng hệ thống có chất lợng điều khiển cao với việc sử dụng kết hợp điều khiển động cơ không đồng bộ roto dây quấy và máy phát hãm có mạch vòng điều chỉnh tốc độ Cách

điều chỉnh này ta điều chỉnh sâu tốc độ của hệ thống, tốc độ có thể đạt tới ( 10, 15, 20 – 30 )% nđm ứng với tôcvs độ quay này sễ tạo ra sự dịch chuyển rất chậm của cơ cấu quay sẽ giảm đuợc rất lớn sự rung lắc của hàng đồng thời cũng có sự dừng chính xác, thờng ứng dụng cho công nghệ xây dựng và một só lĩnh vc kỹ thuật đặc biệt khác… song bên cạnh

Thông số đặc trng cho cơ cấu quay là momen cản trở chuyển động Mc tốc độ quay, phản lực gối tựa trục quay Tốc độ quay của cơ cấu thờng không lớn ( 0.25 – 2) v/p Cơ cấu quay, lực quán tính phụ thuộc vào chế độ tĩnh Khi góc quay nhỏ thì sự làm việc phụ thuộc rất nhiều vào thời gian khởi động

và hãm Nên khi tính toán cơ cấu quay tải bên ngoài phải đợc kể đến nh là momen cản trở sự chuyển

động bằng tổng momen cản trở tĩnh và động

Công thức tính momen cản đợc đa ra nh sau :

Mcq = Mct + Mđ (1.1)

Mct : Momen cản tĩnh của cơ cấu

Mđ : Momen động, momen này xuất hiện khi cơ cấu quay làm việc trong thơi gian quá độ

Trong đó momen Mct đợc tính bằng

Mct = M± M gió + Mms M± M  (1.2)

Mms Momen cản do ma sát gây ra trên các ổ trục

Mms = A ii r i (1.3)

Ai áp lực ổ đỡ

i Hệ số ma sát

ri Bán kính ma sát đỡ

Mgió Momen cản do gió tác động lên cần Momen cản do gió tác động phụ thuộc vào kết cấu của cần, mặt cản gió của cần và thân máy xúc Khi quay giá trị của momen này thay đổi và sự tác động lên trục quay cũng thay đổi

(h.5) Momen gió tác dụng Dạng của momen cản nh sau:

Mgió = Pgió.Ft.R.sin + Pgió.Fti.ri sin2  (1.4)

Trong đó Pgió : áp lực gió

Ft : diện tích cản gió

R : khoảng cách từ trọng tâm của hàng đến trọng tâm quay

sin  : góc quay của cần

FTi : diện tích cản gió của các thiết bị trên phần quay

Ri : khoảng cách từ trọng tâm của các thiết bị trên phần quay của máy xúc đến tâm quay

Nh vạy momen này nhận giá trị max khi

2



 

Khi đó momen gió max

M maxgió P gió.F T.R P gió.F Ti.r i





Momen cản do góc nghiêng:

Khi máy xúc làm việc ở một góc nghiêng nhất định khi quay thì nghiêng sẽ tạo ra một lực cản nhất định Khi quay ngợc chiều quay thì gây cản trở song khi quay cùng chiều thì momen này hổ trợ chuyển động

Momen này đợc tính nh sau:

M  [G.r o  (Qq).R] sin  sin  (1.6)

Trong đó :

0

r : khoảng cach từ trọng tâm phần quay của máy xúc đến tâm quay

G : trọng lợng toàn bộ phần quay

Q : trọng lợng hàng

q : trọng lợng phụ kiện móc

 : góc nghiêng của máy xúc

Nh vạy momen này cục đại khi

2



  và

2

3 

 

Mmax  [G.r o.(Qq).R].sin (1.7)

1.3 Cơ cấu quay máy xúc

Cơ cấu quay đợc đặt trên cơ cấu dịch chuyển của máy, có thể là bánh xích bánh lốp hay trên đờng ray Cơ cấu mâm của máy xúc gồm hai động cơ dân động theo hai hóng chiều trái và phải Mỗi động cơ dẫn động đợc đặt ở cột và có thể quay xung quanh đờng tâm quay của mình Trong lúc đang quay

động cơ dẫn động đợc tỳ vào các cột nhờ các lò xo ép Ơ phía trớc, việc tỳ vào xung quanh khung cẩu

đợc thực hiện nhờ các con lăn quay vòng Trờng hợp định mức hai dộng cơ làm việc song song và đợc

điều khiển bởi tay điều khiển trong bộ điều khiển Việc điều chỉnh bằng các cấp tốc độ bằng cách thay

đổi tần số Mỗi một động cơ có một phanh điện thuỷ lực để hãm bằng cơ khí Khi không có điện hai guốc phanh tỳ vào trục động cơ để động cơ ở trạng thái đứng in Khi có điện vào phanh, hai guốc phanh nhả ra và truc động cơ đợc giải phóng

Công suất của động cơ truyền động cơ cấu quay của máy xúc phụ thuộc vào: momen quán tính của các thành phần quay của máy xúc J, momen cản tỉnh Mc , tốc độ cực đại max gia ăng tốc và hãm, góc quay 

2 Thành lập mô hình thuật toán

2.1 Nghiên cứu máy xúc ਤ kt- 4

Là loại máy xúc dùng hệ truyền động một chiều : hệ máy phát ba cuộn dây - động cơ Hệ thống mạch lực đợc giới thiệu trên hình (h.4) Nguồn cung cấp 6kv cấp cho máy xúc qua hệ thống tiếp điên Các mạch phụ : máy nén, máy bơm, quạt gió là những động cơ roto lồng sóc đợc cấp điện qua MBA

Động cơ chính truyền động cho máy phát 8, 9, 10 để cung cấp cho các động cơ nâng , quay và đẩy

Động cơ di chuyển đợc cung cấp bằng máy phát 10 hoặc 9

Điều khiển truyền động điện các cơ cấu làm việc đợc thực hiện bằng cách thay đổi độ lớn và chiều dòng điện ở mạch cuộn kích thích máy phát 3 cuộn dây Điều khiển các động cơ phụ bắng công tắc tơ,

điều khiển các động cơ di chuyển bằng phanh hãm thuỷ lực điện Điều chỉnh tốc độ động cơ và đảo chiều quay thực hiện bằng cách thay đổi trị số và cực tính dòng điện trong cuộn kích từ của máy phát

Đảo chiều quay bắng các công tắc tơ quay trai và quay phải

2.2 Sơ đồ mạch của cơ cấu quay máy xúc

(h.6) Sơ đồ động lực máy xúc  KT - 4

1 Cáp mềm cao áp loại KIII- (3*35+1*10)

2 Vòng nhận điện

3 Cái ngắt – máy ngắt cao áp

4 Máy cắt dầu

5 Động cơ biến đổi liên hợp (chính)

6 Máy biến áp

7 Máy cắt

8 Máy phát điện cung cấp cho động cơ một chiều nâng

9 Máy phát điện cung cấp cho động cơ một chiều quay

10 Máy phát điện cung cấp cho động cơ một chiều đẩy

11 Máy phát kích thích phụ

12, 14 Động cơ quạt gió

13, 15, 16 Động cơ bơm dầu

(h.7) Sơ đồ mạch cơ cấu quay máy xúc

2.3 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ

Hai động cở truyền động đt và Đp đuợc cấp nguồn từ máy phát f cuộn kích từ của máy phát cktf

đợc nối với đầu ra của máy điện khuếch đại từ trờng ngang mđkđ máy điện khuếch đạitừ trờng có bốn cuộn điều khiển :cuộn chủ đạo CCĐ , cuộn phản hồi âm điện áp CFA ; cuộn phản hồi âm có ngắt CFD và cuộn ổn định CÔĐ

Điều khiển hệ truyền động bằng bộ khống chế chỉ huy KC có hai vị trí : quay trái và quay

phải.Cuộn chủ đạo CCĐ của máy điện khuếch đại đợc cấp nguồn từ máy phát kích từ qua các tiếp

điểm của côngtắctơ quay trái T và quay phải P và điện trở r1 Cuộn phản hồi âm điện áp CFA đảm bảo quá trình cỡng bức kích từ cho máy điện khuếch đại để giảm thời gian mở máy cho hệ.Khi dừng máy, cuộn CFA đợc cấp nguồn qua hai tiếp điểm thờng kín của côngtắctơ T và P qua điện trơ r2 Do phản ng của cfa sẽ làm giảm điện áp d của máy phát cũng chính là giảm dòng điện tĩnh của hệ F-Đ

Trong quá trình làm việc ,cuộn CFA đợc nối vào phần ứng của máy phát F qua hai tiếp điểm T (hoặc P ) và hai diot d3 (hoặc đ4 ) và điện trở r3

Điều chỉnh tốc độ quay của động cơ thực hiện bằng cách thay đổi sức từ động (s.t.đ) sinh ra trong cuộn CFA ở tốc độ thấp, tiếp điểm của côngtắctơ gia tốc G kín , sức từ động sinh ra trong cuộn CFA lớn nhất Sức từ động tổng của các cuộn điều khiển MĐKĐ giảm và điện áp ra của máy F phát giảm

Tăng tốc độ động cơ bằng cách cấp điện cho cuộn dây của côngtăctơ G dẫn đến s.đ.đ của cuộn CFA giảm , sức từ động tổng của MĐKĐ tăng lên , điện áp ra của máy phát F tăng len

Thay đổi chiều quay các động cơ bằng bộ khống chế chỉ huy KC có hai vị trí quay trái và quay phải,khi đặt KC ở vị trí số 1 quay phải Công tắc tơ P có điện tác động làm cho phanh điện từ trái có

điện bó trục động cơ quay trái lại, đồng thời rơ le thời gian Rtp tác dụng sau một thời gian nhất định sẽ tác dụng đóng tiếp điểm thờng mở của nó lại cấp nguồn cho động cơ ĐP máy xúc quay phải Hai động cơ đợc khống chế liên động với nhau bằng hai công tắc tơ T và P không cho chúng hoạt động đồng thời một thời gian

Cuộn phản hồi âm dòng có ngắt CFD của máy điện khuếch đại dùng để hạn chế dòng khi mở máy

và đảo chiều Cuộn phản hồi âm dòng có ngắt đợc đấu vào điện áp rơi trên điện trở shunt Rsh Điện áp này tỉ lệ vôi dòng của động cơ và đợc so sánh với điện áp độc lập qua hai điện trở phân áp R

Do trong hệ có cuộn CFA , nên đặc tính cơ của hệ sẽ cứng Khi làm việc, trong cuộn CFD luôn có dòng chạy qua (hạn chế dòng bằng điện trở r4 ) nên đặc tính cơ ở vùng làm việc có mềm bớt đi do tác dụng phản hồi âm của CFD Khi dòng điện của động cơ quá lớn (lớn hơn dòng điện ngắt ), điện áp rơi trên điện trở Rsh lớn hơn điện áp trên Uab (hoặc Ubc) của hai điện trở phân áp R, trong cuộn CFD sễ có dòng phụ chạy qua làm giảm sức từ động tổng của MĐKĐ và hạn chế momen của động cơ Để nâng cao tính ổn định của hệ thống , có cuộn ổn định CÔĐ Cuộn dây đó đấu vào cuộn dây sơ cấp của biến

áp ổn định BA Cuộn sơ cấp của BA đấu vào cuộn kích từ của máy phát qua điện trở hạn chế dòng r9 (không vẽ trong sơ đồ)

Trong mạch cua cuộn dây kích từ của động cơ có rơle bảo vệ mất kích từ Rkt và điện trở phụ r8 và

r7 ở chế độ làm việc ổn định , cuộn dây kích từ của động cơ đấu nối tiếp vói r7..Trong thòi gian mở máy , tiếp điểm của côngtăctơ KKĐ sẽ ngắn mạch điện trở r7 Kết quả là mômen động cơ sẽ tăng trong thời gian khởi động Thời gian có điện của cuộn dây côngtắctơ KKĐ đợc điều chỉnh bằng hai rơle thời gian 2Rth và 3Rth (ở chiều trái hoặc chiều phải)

2.4 Xây dựng mô hình thuật toán

Phơng pháp nghiên cứu để mô phỏng hệ thống này Từ các phơng trình vi phân mô tả các mạch điện ,

ta chuyển sang dạng dùng toán t LapLace Sau đó biến đổi để tạo ra hàm truyền các phần tử

Tiếp đó dùng phần mền simulink để mô phỏng hệ thống

2.4.1 mô hình động cơ điện một chiều

Từ sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động ta có :

U = RƯΣ.I(t) + LƯ.di ) dt(t + E(t)

M(t) – MC(t) = J

dt

ự(t)

d