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 cơng 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 hồn tồn 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 hồn tồn sử dụng các thiết bị tự động hóa, phải mềm hóa các cơ cấu truyền động. Muốn vậy phải đưa tồn bộ các thiết bị điện tử cơng 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 công 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
V d 1.35V Lcos Ri I d 2Dv 2Lk I d / t
Trong đó:
Vd, Điện áp trung bình ngõ ra
Ri I d 2Dv 2 Lk I d t , Sụt áp bên trong VL,
Điện áp trên tải
IGBT đảo chiều kích từ DC vào, Băm
xung DC raV 0dV dc0,9 2V L 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 chủ
Nhận xét: Với cơng 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 thông 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