Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển kênh tốc độ của máy khoan xoay cầu

TRN HU MNH Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học mỏ - địa chất TRN HU MNH * luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIấN CU THIT K BỘ ĐIỀU KHIỂN KÊNH TỐC ĐỘ CỦA MÁY KHOAN XOAY CU Luận văn thạc sĩ kỹ thuật * hà nội 2010 Hµ néi - 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT TRẦN HỮU MẠNH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KÊNH TỐC ĐỘ CỦA MÁY KHOAN XOAY CẦU Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số : 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN CHÍ TÌNH Hµ néi - 2010 -1- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cao học cơng trình nghiên cứu riêng cá nhân hướng dẫn TS Nguyễn Chí Tình Các số liệu tài liệu nêu luận văn trung thực, đảm bảo tính khách quan, khoa học Các tài liệu có nguồn gốc suất xứ rõ rang Các luận điểm kết chưa công bố cơng trình khác Hà nội, ngày 14 tháng 11 năm 2010 Tác giả luận văn Trần Hữu Mạnh -2- LỜI CẢM ƠN Với quan tâm, giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo, TS Nguyễn Chí Tình, với nỗ lực thân đến tơi hồn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành sâu sắc Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô giáo môn Tự động hóa – Trường Đại học Mỏ Địa Chất HN, người truyền dạy cho kiến thức quý báu Tôi xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo phịng điện cơng ty than Đèo Nai, Cọc Sáu Cao Sơn giúp đỡ, tạo điều kiện cho tơi q trình thực đề tài Cảm ơn tồn thể bạn bè gia đình giúp đỡ động viên để tơi hồn thành tốt luận văn Hà nội, ngày 14 tháng 11 năm 2010 Học viên Trần Hữu Mạnh -3- MỤC LỤC Danh mục hình vẽ……………………………………………….……….…5 Danh mục bảng ………… ……………………… ……………….…8 Mở đầu…………………………………………………… …….……… Chương Tổng quan máy khoan xoay cầu………………………… 11 1.1 Giới thiệu thông số kỹ thuật cấu tạo máy khoan xoay cầu CБШ-250T ………… … .11 1.1.1.Các thông số kỹ thuật máy khoan xoay cầu CБШ-250T….….… 11 1.1.2.Cấu tạo máy khoan ……………………………………….….… 14 1.2 Giới thiệu hệ thống cung cấp điện truyền động điện máy khoan xoay cầu CБШ-250T………………………………… ………………… 15 1.2.1 Hệ thống cung cấp điện máy khoan cầu CБШ-250T 15 1.2.2 Truyền động phụ máy khoan CБШ-250T .16 1.2.3 Truyền động quay ty máy khoan CБШ-250T .29 Chương Giới thiệu hệ thống điều khiển kênh tốc độ quay ty máy khoan xoay cầu CБШ-250T…………………… ……………………… 37 2.1.Giới thiệu tủ biến đổi chiều ТПE-200-460 máy khoan xoay cầu CБШ 250T 37 2.1.1 Các thông số kỹ thuật tủ biến đổi chiều 37 2.1.2 Thành phần tủ biến đổi chiều .39 2.1.3 Cấu tạo nguyên lý làm việc tủ biến đổi chiều 40 2.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc phần tử tủ biến đổi chiều ТПЕ-200-460 máy khoan xoay cầu CБШ-250T… …….…… 47 2.2.1 Cấu tạo làm việc biến đổi điện 47 2.2.2 Hệ thống điều khiển tủ biến đổi chiều 48 2.2.3 Hệ thống điều khiển xung pha СИФУ 54 2.2.4 Nguồn điện kích từ có điều chỉnh 62 -4- 2.2.5 Bộ đảo chiều 62 2.2.6 Cụm nguồn đồng .63 Chương Mô điều khiển kênh tốc độ quay ty máy khoan xoay cầu CБШ-250T…………………………… ……………………… 66 3.1 Ứng dụng phần mềm CircuitMaker để mô hệ thống điều khiển xung pha ……………………….………………………………………… 67 3.1.1.Mô khâu đồng ………… ……………… ……….…… 67 3.1.2.Mô khâu dịch pha …………… ….……… ……….…… 69 3.1.3.Mô khâu khuyếch đại xung… ……….……… ……….…… 71 3.1.4.Mô hệ thống khuyếch đại xung pha…….… …….…….…… 73 3.2 Ứng dụng phần mềm Simulink Matlab để mô hệ thống điềukhiển tốc độ động chiều quay ty khoan…… … 77 3.2.1.Mô động quay ty điều chỉnh tốc độ phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng… ….…… …… 89 3.2.2.Mô động quay ty điều chỉnh tốc độ phương pháp điều chỉnh điện áp kích từ có phản hồi dịng điện phần ứng … .… … 93 Kết luận kiến nghị………….…………………………………….… 98 Tài liệu tham khảo………….….………………………………………….100 -5- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Tên hình vẽ đồ thị Trang Hình 1.1 Sơ đồ khối cung cấp điện cho máy khoan CБШ-250T 16 Hình 1.2 Sơ đồ điều khiển mạch lực từ xa 17 Hình 1.3 Sơ đồ mạch lực truyển động di chuyển máy khoan 19 Hình 1.4 Sơ đồ điều khiển truyển động di chuyển máy khoan 19 Hình 1.5 Sơ đồ mạch lực hệ thống động bơm thuỷ lực 21 Hình 1.6 Sơ đồ mạch điều khiển động bơm thuỷ lực 21 Hình 1.7 Sơ đồ mạch lực hệ thống động bơm nước, quạt thổi 23 phoi Hình 1.8 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống động bơm nước, quạt 23 thổi phoi Hình 1.9 Sơ đồ mạch lực hệ thống động ép khí quạt làm mát 24 Hình 1.10 Sơ đồ mạch lực hệ thống động ép khí quạt làm mát 25 Hình 1.11 Sơ đồ mạch lực hệ thống động quạt làm mát, cấu khuấy 26 dầu Hình 1.12 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống động quạt làm mát 26 cấu khuấy dầu Hình 1.13 Sơ đồ mạch điều khiển Clê 27 Hình 1.14 Sơ đồ mạch điều khiển kích thuỷ lực 28 Hỡnh 1.15 Sơ đồ mạch điều khiển nâng (hạ) ống thổi phoi 29 Hình 1.16 Sơ đồ khối điều khiển tốc độ ty khoan 29 Hình 1.17 Sơ đồ khối chức hệ thống 32 Hình 2.1 Sơ đồ khối chức hệ thống điều khiển kênh tốc độ 42 Hình 2.2 Sơ đồ khối khuyếch đại tổng hợp tín hiệu điều chỉnh 49 Hình 2.3 Sơ đồ ngun lý cảm biến điện áp 50 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh dòng điện cảm biến điện áp 52 -6- Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ điều khiển xung theo pha biến đổi 55 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển cụm mạch đầu vào 56 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý СИФУ theo pha 57 Hình 2.8 Đồ thị đường đặc tính điều khiển xung pha 58 Hình 2.9 Sơ đồ ổn định điện áp Tranzitor 64 Hình 3.1 Sơ đồ mạch mơ khâu đồng 67 Hình 3.2 Đồ thị đường đặc tính điện áp đồng 68 Hình 3.3 Đồ thị đường đặc tính điện áp tụ C12 67 Hình 3.4 Sơ đồ mạch mơ khâu dịch pha 69 Hình 3.5a Đồ thị đường đặc tính điện áp cực phát Transistor V18 70 Hình 3.5b Đồ thị đường đặc tính điện áp cực phát Transistor V18 70 Hình 3.6 Sơ đồ mạch mơ khâu khuyếch đại xung kênh 72 Hình 3.7 Đồ thị đường đặc tính xung phát 72 Hình 3.8 Sơ đồ mạch mô hệ thống điều khiển xung pha kênh 73 Hình 3.9 Đồ thị đường đặc tính hệ thống điều khiển xung phát kênh 74 Hình 3.10 Sơ đồ mạch mô hệ thống khuyếch đại xung hai kênh 74 Hình 3.11 Đồ thị đường đặc tính điện áp đồng hệ thống khuyếch đại 75 xung hai kênh Hình 3.12 Đồ thị đường đặc tính điện áp hệ thống khuyếch đại xung hai 75 kênh tụ C12 hai kênh Hình 3.13 Đồ thị đường đặc tính điện áp hệ thống khuyếch đại xung hai 76 kênh cực phát Transistor V18 Hình 3.14 Đồ thị đường đặc tính xung phá hệ thống khuyếch đại xung 76 hai kênh Hình 3.15 Sơ đồ mơ hệ thống điều khiển kênh tốc độ 78 Hình 3.16 Sơ đồ mô hệ thống điều khiển kênh tốc độ khởi 90 động khơng tải -7- Hình 3.17 Đồ thị đường đặc tính điện áp đặt vào cầu chỉnh lưu 90 Hình 3.18 Đồ thị đường đặc tính tốc độ khởi động động khơng tải 91 Hình 3.19 Đồ thị đường đặc tính dịng điện khởi động động khơng tải 91 Hình 3.20 Đồ thị đường đặc tính dịng điện kích từ động khơng tải 92 Hình 3.21 Đồ thị đường đặc tính mơ men khởi động động khơng tải 92 Hình 3.22 Đồ thị đường đặc tính điện áp chỉnh lưu khởi động khơng 93 tải Hình 3.23 Đồ thị đường đặc tính tốc độ khởi động động không tải 94 với góc điều khiển α=1400, lúc có tải phản hồi dịng điện Hình 3.24 Đồ thị đường đặc tính tải 94 Hình 3.25 Đồ thị đường đặc tính dịng điện phần ứng khởi động động 95 không tải với góc điều khiển α=1400, lúc có tải phản hồi dịng điện Hình 3.26 Đồ thị đường đặc tính dịng điện kích từ khởi động động 95 khơng tải với góc điều khiển α=1400, lúc có tải phản hồi dịng điện Hình 3.27 Đồ thị đường đặc tính mơ men khởi động động khi 96 khơng tải với góc điều khiển α=1400, lúc có tải phản hồi dịng điện Hình 3.28 Đồ thị đường đặc tính điện áp kích từ khởi động động khi khơng tải với góc điều khiển α=1400, lúc có tải phản hồi dịng điện 96 -8- DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang B¶ng 1.1 Thơng số kỹ thuật máy khoan xoay cầu 11 B¶ng 1.2 Thơng số kỹ thuật dộng điện máy khoan 13 B¶ng 1.3 Thơng số kỹ thuật di chuyển xích máy khoan 13 B¶ng 1.4 Thơng số kỹ thuật động truyền động phụ 18 B¶ng 1.5 Thơng số kỹ thuật động điện chiều ДΠB-52 30 B¶ng 2.1 Thông số kỹ thuật tủ biến đổi chiều điều khiển tốc độ quay ty 38 B¶ng 2.2 Các thành phần tủ biến đổi chiều ТПЕ-200-460 39 B¶ng 2.3 Các vị trí chuyển điện áp mạch điều khiển 54 - 86 - - Khối tạo xung điều khiển chỉnh lưu ba pha có điều khiển - Khối tạo xung điều khiển chỉnh lưu pha khơng đối xứng phản hồi dịng điện - 87 - - Khối chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển, cấp nguồn cho mạch phần ứng có lắp tụ lọc nguồn - Khối chỉnh lưu cầu pha có khơng đối xứng, cấp nguồn cho kích từ có lắp tụ lọc nguồn - Khối trễ phản hồi dòng điện - 88 - - Khối động chiều kích từ độc lập - 89 - - Khối tạo tải đặt động 3.2.1 Mô động quay ty điều chỉnh tốc độ phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng - Từ (hình 3.15) ta lược bỏ khối để mơ điều chỉnh tốc độ phương pháp thay đổi điện áp phần ứng động - 90 - Hình 3.16 Sơ đồ mơ hệ thống điều khiển kênh tốc độ khởi động khơng tải Hình 3.17 Đồ thị đường đặc tính điện áp đặt vào cầu chỉnh lưu Điện áp đặt vào chỉnh lưu cầu ba pha dùng thyristor sin hệ thống truyền động điện không gây nhiễu cho hệ thông lưới điện - 91 - Khi động khởi động với việc thay đổi điện áp ta đường đặc tinh sau: Hình 3.18 Đồ thị đường đặc tính tốc độ khởi động động khơng tải Hình 3.19 Đồ thị đường đặc tính dịng điện khởi động động khơng tải - 92 - Hình 3.20 Đồ thị đường đặc tính dịng điện kích từ động khơng tải Hình 3.21 Đồ thị đường đặc tính mơ men khởi động động khơng tải - 93 - Hình 3.22 Đồ thị đường đặc tính điện áp chỉnh lưu khởi động không tải Nhận xét: Phương pháp sử dụng điều chỉnh tốc độ động hạn chế dòng khởi động Tại thời điểm tăng điện áp đặt vào hai đầu động dịng điện khởi đơng, tốc độ khỏi động mô men khởi động lại tăng lên Với phương pháp giá tri dịng điện khởi động, mô men khởi động không vượt giá trị dịng định mức, mơ men định mức tốc độ định mức Phương pháp điều chỉnh tốc độ không cho phép vượt điện áp định mức, nên việc điều chỉnh tốc độ tốc độ định mức không phép 3.2.2 Mô động quay ty điều chỉnh tốc độ phương pháp điều chỉnh điện áp kích từ có phản hồi dịng điện phần ứng - Từ (hình 3.15) ta tiến hành mơ hệ thống, với thông số khai báo Khơng xét đến q trình khởi động động cơ, việc điều chỉnh dịng kích từ động giảm 40% dịng kích từ định mức tốc độ 1,5 lần tốc độ định mức - 94 - Hình 3.23 Đồ thị đường đặc tính tốc độ khởi động động khơng tải với góc điều khiển α=1400, lúc có tải phản hồi dịng điện Hình 3.24 Đồ thị đường đặc tính tải - 95 - Hình 3.25 Đồ thị đường đặc tính dịng điện phần ứng khởi động động không tải với góc điều khiển α=1400, lúc có tải phản hồi dịng điện Hình 3.26 Đồ thị đường đặc tính dịng điện kích từ khởi động động khơng tải với góc điều khiển α=1400, lúc có tải phản hồi dịng điện - 96 - Hình 3.27 Đồ thị đường đặc tính mơ men khởi động động khi khơng tải với góc điều khiển α=1400, lúc có tải phản hồi dịng điện Hình 3.28 Đồ thị đường đặc tính điện áp kích từ khởi động động khi khơng tải với góc điều khiển α=1400, lúc có tải phản hồi dịng điện Nhận xét: Khơng xét tới q trình khởi động với góc mở thyristor cầu chỉnh lưu mạch kích từ với góc mở α=250 coi tín hiệu phản hồi điện áp phần ứng khơng đổi Tại thời điểm từ 0÷2,4s thời điểm động khởi động cách tăng điện áp đặt vào hai đầu cực động cơ, dịng kích từ có - 97 giá trị giá trị điện áp kích từ tương ứng với góc mở α=1400 đặt Do khoảng thời gian tốc độ, dòng phần ứng lớn so với giá trị tốc độ, dòng phần ứng khởi động giá trị α=250 Khi có tải khoảng thới gian từ 2,4s đến 5s lúc động làm việc theo biểu đồ tải, có phản hồi dòng điện kết hợp với giá trị đặt ban đầu, thời điểm dòng điện phần ứng tăng tải tăng, tới giá trị dòng điện cắt đặt 1.5 lần dòng điện định mức Thời điểm t=3s lúc dịng điện phần ứng có giá trị lớn 1,5 lần dòng định mức, lúc phản hồi dòng điện đưa tín hiệu điều khiển để tăng từ thơng tức tăng dịng điện kích từ Khi cầu chỉnh lưu pha khơng đối xứng có giá trị điện áp chỉnh lưu lớn ứng với góc mở α=250 Lúc dòng điện phần ứng tăng cực đại ứng dòng dừng với giá tri Iư=Uư/Rư làm cho tốc độ giảm “0” thời điểm t=4s, giữ nguyên tăng tải tốc độ xác lập giá trị “0” Cơ cấu quay ty khoan máy khoan trình làm việc thường hay tải, cho lên hạn chế mô men nhỏ trị số cho phép chế độ tĩnh động yêu cầu quan trọng bậc Để máy có suất cao đồng thời bảo vệ thiết bị khơng hỏng hóc q tải cần thực yêu cầu: hạn chế mô men trị số mô men cho phép đảm bảo độ cứng đường đặc tính phạm vi mô men phụ tải mô men định mức động - 98 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Xét lĩnh vực kinh tế kỹ thuật, việc nghiên cứu thiết kế điều khiển kênh tốc độ máy khoan xoay cầu hợp lý, giải vấn đề thay hỏng hóc tiết kiệm thời gian, kinh tế phải chuyển modul từ nước Việc nghiên cứu thiết kế điều khiển kênh tốc độ máy khoan xoay cầu nhằm chủ động mặt kỹ thuật, từ có hướng thay sửa chữa hỏng hóc Do q trình vận hành cách linh kiện bán dẫn, điện tử công suất phải liện tục thay đổi trạng thái làm việc trình hỏng hóc thường xảy Phương pháp điều khiển tốc độ quay ty máy khoan xoay cầu thực cách thay đổi điện áp phần ứng đặt vào hai đầu động chiều thay đổi từ thơng kích từ q tải Trong khn khổ luận văn, nghiên cứu việc điều khiển tốc độ thông qua việc điều chỉnh xung điều khiển mở thyristor cầu chỉnh lưu ba pha dùng thyristor cấp điện phần ứng cho động điện chiều, phần điều chỉnh xung điều khiển xung điều khiển mở thyristor cầu chình lưu pha khơng đối xứng để điều chỉnh mạch kích từ thực tương tư Các kết mô phần mềm CircuitMaker cho thấy linh kiện bán dẫn mạch cịn có nhiễu động, nhiên đường đặc tính tương đối so với lý thuyết Khi mơ trên phần mềm Simunlik Matlab kết cho thấy việc điều chỉnh tốc độ thoả mãn yêu cầu điều chỉnh điện áp phần ứng, tăng tải đột ngột việc điều chỉnh tốc độ thực việc thay đổi từ thông (thay đổi điện áp kích từ) Để hồn thiện cần phải có thực nghiệm để đạt kết xác so với lý thuyết để từ áp dụng vào thực tiễn - 99 - Từ kết mơ góp phần khẳng định linh kiện thay hồn tồn áp dụng hệ thống Hơn hệ thống làm việc tương đương với hệ thống có vận hành, giá thành thấp, tiết kiệm thời gian đặc biệt chủ động mặt kỹ thuật Xây dựng hoàn thiện điều khiển kênh tốc độ máy khoan xoay cầu, thiết kế mach lắp giáp linh kiện đưa vào thử nghiệm Từ kết kiểm tra chạy thử nghiêm tiến hành đánh giá để đưa vào áp dụng điều khiển thực tiễn sản xuất nhân rộng nghiên cứu điều khiển tốc độ khác công nghiệp - 100 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Bính (2006), Điện tử công suất ,NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Thế Cường (1987), 10.000 Tranzito quốc tế, NXB Viên khoa học Việt Nam Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hoà, Võ Thạch Sơn, Đào Văn Tân (2001), Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển , NXB Khoa học kỹ thuật , Hà nội Vũ Gia Hạnh, Trần Khánh Hà (2001), Máy điện tập 2, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi, (1996), Điều chỉnh tự động truyền động điện NXB Khoa học kỹ thuật Bùi Quốc Khanh, Nguyễn Văn Liên (2001), Truyền động điện, NXB Khoa học & kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Thương Ngô (1999) , Lý thuyết điều khiển tự động đại, Nxb Khoa học kỹ thuật , Hà Nội Nguyễn Thương Ngô (2000), Lý thuyết điều khiển tự động hệ tuyến tính, NXB Khoa học & kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulik dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học & kỹ thuật, Hà Nội 10.Hoàng Minh Sơn (2002) , Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động trình, Nxb khoa học kỹ thuật, Hà Nội 11 Thái Duy Thức (2001), Truyền động điện tự động cơng nghiệp mỏ đầu khí ... Xây dựng thiết kế điều khiển kênh tốc độ máy khoan xoay cầu + Chủ động mặt kỹ thuât Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài - Đối tượng nghiên cứu đề tài điều khiển kênh tốc độ máy khoan xoay cầu -... nghiên cứu điều khiển kênh tốc độ quay ty máy khoan xoay cầu CБШ-250T - 10 - Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu kênh tốc độ quay ty máy khoan xoay cầu CБШ-250T - Mô hệ thống truyền động điện điều. .. quan máy khoan xoay cầu Chương 2: Giới thiệu hệ thống điều khiển kênh tốc độ quay ty máy khoan xoay cầu CБШ-250T Chương 3: Mô điếu khiển kênh tốc độ quay ty máy khoan xoay cầu CБШ-250T Kết luận