Kết luận và định hướng nghiên cứu

1.3..3 Các hệ thống truyền động điển hình

1.5. Kết luận và định hướng nghiên cứu

Các máy xúc ЭΚΓ 4,6, ЭΚΓ5A, ЭΚΓ 8И có các cơ cấu chính được trang bị truyền động điện theo hệ “khuếch đại từ máy phát động cơ”, việc điều khiển các cơ cấu chính của máy xúc bằng hệ truyền động khuếch đại từ máy phát động cơ cho phép điều khiển đơn giản, cải thiện chế độ động lực học của máy.

Một trong những hạn chế của hệ thống truyền động khuếch đại từ máy phát động cơ là việc chỉnh định, bảo dưỡng hệ thống gặp nhiều khó khăn, sau một thời gian làm việc, chất lượng điều khiển đạt độ chính xác khơng cao.

Ngày nay, với sự phát triển của kỹ thuật vi điều khiển đã làm thay đổi nhiều phương thức điều khiển trong sản xuất, việc ứng dụng kỹ thuật vi xử lý trong điều khiển truyền động cho máy xúc đã tạo được các đặc tính của máy xúc một cách hoàn hảo. Việc chuyển đổi sang hệ truyền động sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất là hết sức cần thiết vì các lý do sau:

 Dễ dàng trong sửa chữa, vận hành bảo dưỡng;

 Các thiết bị điện tử thay thế tương đối rẻ, không phức tạp;

 Bù được công suất, hoạt động với độ tin cậy cao, dễ điều khiển;

 Chi phí vận hành và sửa chữa tương đối thấp.

Vì tính chất bảo mật cơng nghệ cao của các hãng sản xuất, cho nên các máy móc đang sử dụng khó tiếp cận được thơng tin cơng nghệ. Việc bảo trì, bảo dưỡng hay sửa chữa hoàn toàn phụ thuộc vào các chuyên gia nước ngoài. Việc nghiên cứu áp dụng giải pháp điều khiển mới cho hệ thống máy xúc nhằm nâng cao hiệu quả vận hành thiết bị và năng suất lao động tại các mỏ ngày càng trở nên cấp thiết.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển máy xúc điện trên thế giới là hoàn toàn sử dụng các thiết bị tự động hóa, phải mềm hóa các cơ cấu truyền động. Muốn vậy phải đưa toàn bộ các thiết bị điện tử công suất để vận hành các cơ cấu bằng các bộ điều khiển trung tâm và các phần mềm chuyên dụng.

Với tình trạng của các máy móc, thiết bị đã và đang sử dụng tại các mỏ than ở Việt nam, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý để nâng cao chất lượng điều khiển một số cơ cấu truyền động chính của máy xúc điện trong cơng nghiệp khai thác” là một nghiên cứu cần thiết giúp cải tạo, nâng cao chất

lượng điều khiển và năng suất làm việc của hệ thống, hội nhập với xu hướng phát triển trên thế giới. Mục tiêu của đề tài sẽ đề xuất phương án sử dụng bộ biến đổi thay thế cho bộ khuếch đại từ và ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại để đạt được chất lượng điều khiển theo yêu cầu của máy xúc.

1.5.1. Đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển kích từ máy phát

Xuất phát từ thực tế nhiều máy xúc ЭΚΓ 8И của các mỏ lộ thiên đã được đưa vào vận hành từ lâu tại các vùng mỏ ở Việt nam, mặc dù các kết cấu cơ khí vẫn hoạt động được, tuy nhiên, hệ thống điều khiển truyền động điện bị hỏng nhiều, việc thay thế khó khăn, tốn kém, đồng thời mức độ tiêu thụ điện lớn. Trong khi đó, tại CHLB Nga, nơi chế tạo các thiết bị nói trên, người ta đã áp dụng hệ thống truyền động điện kiểu mới, nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, đồng thời tiết kiệm năng lượng. Do đó các bộ biến đổi khuếch đại từ chỉnh lưu cũng như các linh kiện thay thế khơng cịn được cung cấp bởi các hãng sản xuất. Vì vậy các bộ biến đổi điện tử công suất theo xu hướng của các hệ thống truyền động điện hiện đại sẽ được phân tích và lựa chọn thay thế cho bộ điều khiển khuếch đại từ.

Theo [16], các bộ điều khiển kích từ trong các máy xúc điện cũ dùng hệ thống truyền động máy phát động cơ có thể thay thế bằng các bộ biến đổi AC/DC Thyristor hoặc bộ biến đổi DC/DC IGBT. Việc phân tích so sánh ưu, nhược điểm hai phương án bộ biến đổi được thể hiện như trong bảng 1.3

Bảng 1.3. So sánh bộ biến đổi Thyristor và IGBT [16]

Thyristor IGBT

Dễ điều khiển mở bằng dịng điện, Khó điều khiển đóng (khóa)

Dễ dàng điều khiển đóng mở bằng điện áp

Thyristor đảo chiều kích từ 3 pha AC vào, DC ra / 1.35 cos i d 2 v 2 k d d L V  V  R I  D  L I t Trong đó: Vd, Điện áp trung bình ngõ ra 2 2 i d v k d t R I  D  L I  , Sụt áp bên trong

VL, Điện áp trên tải

IGBT đảo chiều kích từ DC vào, Băm xung DC raV0dVdc0,9 2VL

Trong đó:

V0, Điện áp trung bình ngõ ra D, Hiệu suất chu trình

Vdc, Điện áp sau bộ biến đổi VL, Điện áp trên tải

Ưu điểm: Công suất lớn; giá thành rẻ Nhược điểm: Khó điều khiển; Tiêu thụ cơng suất phản kháng; Khi dịng điện khơng liên tục khó kiểm sốt

Ưu điểm: Đáp ứng nhanh; dễ điều khiển

Nhược điểm: Đắt hơn; phức tạp hơn Các máy biến áp hoạt động riêng biệt Các máy biến áp hoạt động chung Truyền động tích hợp đầy đủ riêng biệt

bằng chuyển động

Truyền động chuẩn với bộ PLC riêng biệt

Bộ cách ly tích hợp cho hầu hết các phản hồi

Bộ cách ly bên ngoài cho phản hồi Sự thay đổi mức thấp của các thẻ

truyền động

Khơng có sự thay đổi của các thẻ truyền động

Yêu cầu thay thế thiết bị thấp Yêu cầu thay thế thiết bị cực thấp Đường dẫn AC riêng biệt và hoạt động

máy biến áp

Lớn nhất chung 2 máy biến áp

Chức năng khối truyền động rộng Mơ hình điều khiển truyền động PLC là

Nhận xét: Với công nghệ mới hiện nay việc điều khiển kích từ bằng

IGBT sẽ điều khiển nhanh, chính xác, dễ điều khiển.

Từ việc nghiên cứu tài liệu, phân tích so sánh giữa hai phương án, luận án đề xuất sử dụng bộ biến đổi DC/DC dùng IGBT để điều khiển dịng điện kích từ thay cho bộ biến đổi khuếch đại từ trên máy xúc ЭΚΓ.

Hình 1.10. Cấu trúc điều khiển hệ thống máy xúc cũ

Trong hệ thống đề xuất mới (Hình 1.11) thay thế cho hệ thống cũ (Hình 1.10), tất cả các cuộn khuếch đại từ sẽ được thay thế hoàn toàn bằng bộ biến đổi DC/DC điều khiển trực tiếp trên cuộn kích từ máy phát. Hệ thống máy phát động cơ được giữ khơng đổi, trong đó cuộn kích từ của máy phát được điều khiển thông qua bộ băm xung áp một chiều dùng IGBT. Hai van Thyristor mắc song song ngược được sử dụng để giải phóng năng lượng dư thừa trong các cuộn dây kích từ ở thời điểm cần thiết. Ở hệ cũ, việc tổng hợp các tín hiệu điều khiển và đưa ra dịng kích từ tương ứng được thực hiện trực tiếp trên mạch khuếch đại từ. Ở hệ thống đề xuất mới, các tín hiệu được tổng hợp trên mạch vi xử lý (P) để tính tốn ra quyết định điều chỉnh bộ biến đổi IGBT tạo ra dịng kích từ phù hợp. Với cấu trúc đề xuất, hệ thống điều khiển truyền động điện có thể dễ dàng thực hiện các thuật tốn điều khiển hiện đại; liên kết truyền thơng để phối hợp điều khiển đồng bộ tồn bộ hệ thống.

Hình 1.11. Cấu trúc điều khiển hệ thống máy xúc đề xuất

1.5.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển truyền động

Từ cấu trúc phần cứng như đề xuất ở trên, cấu trúc điều khiển cho các hệ truyền động của máy xúc được đề xuất như trên Hình 1.12.

Hình 1.12. Sơ đồ cấu trúc điều khiển truyền động

Cấu trúc điều khiển được đề xuất theo cấu trúc điều khiển kinh điển của truyền động điện bao gồm 03 mạch vòng điều khiển: Mạch vòng điều khiển điện áp kích từ; Mạch vịng điều khiển dịng điện phần ứng; mạch vòng điều khiển điện áp phần ứng. Tuy nhiên do tính chất phức tạp của tải máy xúc (biến động của tính chất đất đá, dao động của hệ thống cơ khí…), các bộ điều khiển mờ (Fuzzy), mờ lai sẽ được nghiên cứu ứng dụng để nâng cao chất lượng điều khiển cho máy xúc.

CHƯƠNG 2

MƠ HÌNH TỐN HỌC 2.1. Cấu trúc hệ thống truyền động [45]

Từ những tìm hiểu về cấu trúc hệ truyền động điện máy xúc điện như đã trình bày ở chương 1, sơ đồ khối chức năng của hệ truyền động máy phát động cơ có thể được mơ tả như trên.

Kích từ Máy

phát

Động

cơ Tải

Uđkkt Ukt Emf M, w

Hình 2.1. Cấu trúc hệ thống truyền động điện

Trong sơ đồ cấu trúc ở trên, việc điều khiển cho hệ thống được thực hiện thơng qua việc điều chỉnh từ thơng kích từ của máy phát. Điện áp điều khiển kích từ (Uđkkt) đưa vào bộ biến đổi để tạo ra điện áp Ukt tương ứng. Điện áp kích từ này sẽ tạo ra trên cuộn kích từ một dịng điện Ikt tạo ra từ thơng kích từ MF và tạo ra sức điện động Emf. Sđđ máy phát được cấp vào mạch phần ứng động cơ tạo ra mô men quay cho hệ truyền động. Tùy theo chế độ làm việc, đặc điểm của tải thì hệ truyền động sẽ quay với tốc độ khác nhau.

Để có cơ sở cho việc lựa chọn, tính tốn bộ điều chỉnh cho hệ thống điều khiển tự động truyền động điện máy xúc thì mơ hình tốn học của hệ thống máy phát động cơ nêu trên cần được phân tích và xây dựng. Trong nội dung tiếp theo của chương này tác giả sẽ lần lượt phân tích các thành phần của hệ thống để đưa ra mơ hình tốn của chúng.

2.2. Mơ hình tốn học máy phát [48],[49]

Hệ thống máy phát bao gồm các khối kích từ và khối máy phát trong sơ đồ (Hình 2.2) Sơ đồ tương đương của máy phát và bộ biến đổi điện áp kích từ được mơ tả như trên.

Hình 2.2. Sơ đồ bộ biến đổi dùng IGBT

Sơ đồ tương đương của hệ thống bao gồm bộ biến đổi IGBT (bộ biến đổi DCDC) để tạo ra điện áp kích từ Uktmf cho máy phát. Cuộn dây kích từ được mơ tả bằng các phần tử điện trở Rktmf và điện cảm Lktmf. Từ thơng của dịng điện trong cuộn dây kích từ sẽ cảm ứng lên stator máy phát một sức điện động Emf.

Trên sơ đồ tương đương Hình 2.2, bộ biến đổi điện áp một chiều IGBT có thể được coi như một khâu quán tính với hằng số thời gian trễ bằng thời gian đáp ứng của mạch điện tử công suất. Hàm truyền đạt của bộ biến đổi sẽ có dạng: ktmf bd ktmf K W (s) T s 1   (2. 1)

Kktmf là hệ số khuếch đại của bộ biến đổi điện áp một chiều, được xác định bởi tỉ số giữa điện áp định mức kích từ Uđmktmf và điện áp điều khiển kích từ Udkkt: ñmktmf ktmf f ñkñm U K K U  (2. 2) Hệ số truyền động của mạch kích từ

Uđmktmf: Điện áp định mức cuộn dây kích từ máy phát; Uđkkt: Điện áp điều khiển định mức; Kf: Hệ số khuếch đại bộ biến đổi; Tktmf = Tdt = 0,01s: Hằng số thời gian của mạch

kích từ và từ thơng tương ứng trên máy phát. Dựa vào sơ đồ tương đương trên, phương trình cân bằng dịng điện trên mạch kích từ của máy phát được biểu diễn như sau

ktmf ktmf ktmf ktmf ktmf di u R i L dt   (2. 3)

Thực hiện biến đổi Laplace với biểu thức (2.3) ta được ktmf ktmf ktmf ktmf

u (s) i (s)[R sL ] (2. 4)

Trong đó:

Rktmf là điện trở kích từ máy phát; Lktmf là điện trở kháng kích từ máy phát Sức điện động cảm ứng trên stator động cơ được xác định theo

  w

mf mf mf

e K (2.5)

Nếu coi máy phát làm việc ở vùng tuyến tính với tốc độ wmf là khơng đổi thì:

  w 

mf mf mf mf ktmf

e K K i (2. 6)

Từ (2.4) và (2.6) ta có hàm truyền đạt của máy phát được xác định bởi:

    mf ktmf mf mf ktmf mf ktmf ktmf ktmf ktmf mf K I (s).E (s) K R W (s). U (s).I (s) R s.L T s 1 (2. 7)

Trong đó Tktmf là hằng số thời gian của mạch kích từ máy phát được xác định bởi:  ktmf ktmf ktmf L T R (2. 8)

2.3. Mơ hình tốn học hệ máy phát động cơ

a. Cấu tạo máy điện một chiều b. Sơ đồ thay thế tương đương

Hình 2.3. Cấu tạo và sơ đồ tương đương của máy điện một chiều

Máy điện (động cơ, máy phát) một chiều có cấu tạo như trên Hình 2.3a, được chia làm hai phần chính: Phần tạo từ trường kích thích (kích từ) và phần tương tác với từ trường kích từ tạo ra mơ men quay cho động cơ (phần ứng).

Phần kích từ của động cơ điện một chiều bao gồm các cuộn dây kích từ được quấn quanh các cực từ bố trí trên phần tĩnh (stator) của động cơ. Các cuộn dây này khi được cấp một dòng điện một chiều ikt chạy qua sẽ sinh ra một từ trường tĩnh. Từ trường này được tập trung ở các khe hở quanh cực từ của động cơ. Trong sơ đồ tương đương, phần kích từ của động cơ được biểu diễn bởi một mạch RL tương ứng với điện trở và điện cảm của cuộn dây kích từ như Hình 2.3b. Phần ứng của động cơ bao gồm các cuộn dây quấn quanh lõi thép kỹ thuật của phần ứng của động cơ. Khi cuộn dây có dịng điện iu chạy qua nó sẽ tương tác với từ trường và tạo ra lực từ vng góc với hướng của từ trường và hướng của dòng điện theo quy tắc bàn tay trái. Các lực từ này sẽ tạo ra mô men làm rotor động cơ quay. Khi rotor quay sẽ tạo ra từ trường biến thiên trong khung dây phần ứng làm cảm ứng trên khung dây một sức điện động eu. Do đó sơ đồ mạch điện tương đương của phần ứng động cơ điện một chiều được thể hiện dưới dạng mạch RLE như trên Hình 2.3b.

Hình 2.4. Sơ đồ tương đương mạch phần ứng

Hệ thống truyền động điện máy phát động cơ được thể hiện bằng mạch điện thay thế như trên Hình 2.4 với phần ứng máy phát được mắc nối tiếp với phần ứng động cơ.

Theo đó phương trình cân bằng điện áp trên mạch điện thay thế của hệ máy phát động cơ được thể hiện bởi:

   u umf udc u u u di e e i R L dt (2. 9) u umf udc R R R (2.10) u umf udc L L L (2.11)  w udc e e c (2. 12)    dc dc dc u M u M K . .I c I (2. 13) Trong đó:

Rumf: điện trở phần ứng máy phát; Rudc: điện trở phần ứng động cơ; Lumf: điện cảm phần ứng máy phát; Ludc: điện cảm phần ứng động cơ; Sức điện động trên mạch phần ứng động cơ tỉ lệ thuận với tốc độ làm việc của động cơ; Ce: hằng số sức điện động của động cơ; CM: hằng số mô men của động cơ

động cơ là sấp xỉ nhau và được gọi chung là hằng số cấu tạo của động cơ (C). Ce = CM = C. Với các hệ truyền động điện máy phát động cơ mà sức điện động máy phát được cung cấp cho nhiều động cơ mắc nối tiếp thì hằng số C được xác định theo cơng thức:    w đmdc đmdc udc e đmdc U I .R c c n. (2. 14)

Với n là số động cơ được mắc nối tiếp với máy phát.

Dựa vào cấu trúc điều khiển Hình 2.1, Hàm truyền đạt của hệ máy phát động cơ được xác định theo công thức:

 dc  dc u mfdc mf u mf M (s) M (s) I (s) W (s) . E (s) I (s) E (s) (2. 15) Từ phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng (2.9) có:

   u mf dc u u L E (s) E (s) I (s).R(1 s ) R (2. 16) Và từ (2.13) có  dc  M CM u M (s) (s) c W I (s) (2. 17) Thay vào (2.15) thu được hàm truyền đạt trên mạch phần ứng của máy phát, động cơ:    dc u mf M u mf u 1 M (s) R W (s) c . L E (s) 1 s R (2. 18)

2.4. Hàm truyền đạt của tải cơ học

Theo cấu trúc Hình 2.1, mơ men sinh ra trên trục động cơ được truyền qua hệ thống truyền lực đến tải cơ học gây nên gia tốc quay cho hệ truyền động. Theo phương trình cơ bản của động lực học trên trục động cơ có:

w   dc dc c dc d M M J dt (2. 19)

Hàm truyền đạt giữa tốc độ và mô men trên trục động cơ tương ứng:

w  dc  dc dc dc