Xem mẫu
- ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
PHẦN 2
LĨNH VỰC ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
Ứng dụng MATLAB SIMULINK mô phỏng hệ truyền động điện của
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 là thiết bị được sử dụng rất phổ biến trong
Máy khoan xoay cầu СБЩ - ngành khai thác khoáng sản. Với đặc thù tải thay đổi liên tục trong
250MH; Hệ truyền động thyristor- quá trình khai thác, đòi hỏi máy khoan xoay cầu phải có một hệ
động cơ; Mô phỏng hệ truyền động truyền động điện đáp ứng những yêu cầu cao về chất lượng điều
bằng MATLAB SIMULINK. khiển. Việc tìm được các tham số hoạt động của bộ điều khiển sẽ
đem lại hiệu suất làm việc cao trong quá trình làm việc, do vậy với
mục tiêu trên bài báo giới thiệu việc nghiên cứu và mô phỏng hệ
truyền động của máy khoan xoay cầu СБЩ –250MH bằng phần
mềm chuyên dụng MATLAB SIMULINK, kết quả cho thấy được
ngoài việc chế độ làm việc đáp ứng được yêu cầu, đồng thời còn có
thể thu thập được các tham số hoạt động và hướng điều khiển phù
hợp với đối tượng tải.
Abstract
Keywords: Rotating head drilling machines are equipment used very popular
Rotating head drilling machines in the mining industry. With the special changing loads during the
СБЩ –250MH; The drive system exploitation process, the rotating head drilling machine requires an
Thyristor-motor; Simulation of electric drive system that meets the high requirements of control
drive system using MATLAB quality. Finding the operating parameters of the controller will
SIMULINK. 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.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ truyền động của máy khoan xoay cầu là một
Trong những năm gần đây khi điện tử trong những hệ được nghiên cứu để cải tiến. Hệ
công suất phát triển, việc áp dụng những thành truyền động của máy khoan xoay cầu thực hiện
tựu mới vào trong sản xuất để hiện đại hóa thiết tổng hợp tín hiệu điều khiển và hồi tiếp nhờ bộ
bị nhằm tăng năng suất chất lượng sản phẩm, tiết biến đổi là các bộ chỉnh lưu có điều khiển, bằng
kiệm sức lao động con người. Trong ngành khai cách đóng mở góc để thay đổi giá trị điện áp
thác khoáng sản, các thiết bị cũng được thay đổi
để phù hợp với điều kiện công nghệ mới. Hệ đặt lên các cuộn kích từ. Việc điều chỉnh góc mở
91 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020
- ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
có thể được xử lý bởi các bộ vi điều khiển đã
được lập trình sẵn, vấn đề đặt ra là phải thực hiện Cần chú ý là khi hồi tiếp thứ nhất hoạt
mô phỏng quá trình làm việc của hệ để từ đó có động thì hồi tiếp thứ hai không có tác dụng và
thể tìm ra được các tham số làm việc hợp lý cho ngược lại. Khi đó ta có Uđk= Ud-Uht áp- Uht dòng.
bộ điều khiển để cài đặt. Xuất phát từ mục tiêu Với:
trên, bài báo đã nghiên cứu việc mô phỏng bằng
phần mềm MATLAB-SIMULINK hệ truyền UhtI = 0 nếu Iu < Ic
động của máy khoan xoay cầu СБЩ –250MH β (Iu-Ic) nếu Iu ≥ Ic (1)
qua đó có những bước cải tiến trong quá trình Trong quá trình thực hiện việc tính toán
vận hành và sử dụng nó một cách hiệu quả. và mô phỏng thường sử dụng hàm dấu 1(∆I) có
giá trị:
2. HỆ TRUYỀN ĐỘNG CỦA MÁY KHOAN 1(ΔI) = 0 nếu Iu < Ic
XOAY CẦU СБЩ –250MH 1 nếu Iu ≥ Ic (2)
2.1. Những yêu cầu với hệ truyền động điện
của máy khoan xoay cầu Thay (2) vào (1) ta có công thức tính:
Uđk= Ud-Uht áp- 1(∆I).β(Iu-Ic)
Hệ truyền động điện của máy khoan xoay
cầu [1]. yêu cầu đòi hỏi chất lượng cao trong quá 2.2. Hệ truyền động của máy khoan xoay cầu
trình làm việc, dải điều chỉnh rộng, thường xuyên СБЩ –250MH
điều chỉnh tốc độ và n
mômen. Trong vùng n0 Hệ truyền động điện máy khoan xoay cầu
làm việc, hệ thống СБЩ –250MH có nhiều cơ cấu như [1]:
có yêu cầu cao về ổn - Cơ cấu quay mũi khoan.
định tốc độ. Khi rơi 1 - Cơ cấu tạo áp lực dọc trục.
vào vùng quá tải, hệ - Cơ cấu ép hơi.
thống phải tự động 2 Trong các cơ cấu trên thì cơ cấu quay mũi
giảm độ cứng đặc 0 I
khoan là quan trọng nhất vì nó quyết định trực tiếp
I dõng
tính để bảo vệ động I®m Ic¾t
đến năng suất làm việc của máy. Cũng giống như
Hình 1
cơ và các cơ cấu cơ máy xúc, máy khoan xoay cầu khi làm việc phá vỡ
khí khác. Để đáp ứng được những yêu cầu này đất đá thường có phụ tải thay đổi đột ngột nên các cơ
đặc tính làm việc của hệ truyền động máy khoan cấu phải được điều chỉnh tự động. Cơ cấu quay mũi
có dạng như hình 1, đường đặc tính này được gọi khoan có phụ tải thay đổi thường xuyên nên cần có
là đặc tính kiểu “máy xúc”, nó gồm hai phần với thiết bị điều chỉnh tự động về momen và tốc độ.
độ cứng khác nhau[6]: Hệ thống truyền động điện của cơ cấu
- Vùng thứ nhất là vùng công tác khi xoay mũi khoan máy khoan xoay cầu (СБЩ –
Iu < Icắt, đặc tính cơ cứng để tăng hiệu suất 250MH) được mô tả trong hình 2 là hệ thống
làm việc. Thyristor- Động cơ một chiều kích từ độc lập.
- Vùng II: vùng bị quá tải, khi Iu ≥ Phần ứng động cơ một chiều được cấp từ
Idừng, đặc tính cơ mềm để bảo vệ động cơ khỏi một bộ van chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển. Còn
quá tải lớn. cuộn kích từ độc lập của động cơ cũng được cấp
Để có thể tạo ra đường đặc tính “kiểu điện từ bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển.
máy xúc” này thì hệ truyền động của máy Tốc độ và mô men của động cơ một chiều của cơ
khoan sử dụng hệ Thyristor- Động cơ sử dụng cấu xoay mũi khoan được điều chỉnh tự động theo
hệ kín với các vòng phản hồi: hai hướng:
- Hồi tiếp âm theo áp để nâng cao độ + Điều khiển theo điện áp phần ứng của
cứng đặc tính trong vùng làm việc( vùng 1 động cơ.
hình 1). + Điều khiển theo điện áp kích từ của động cơ.
- Hồi tiếp âm cắt nhanh theo dòng Để ổn định tốc độ động cơ sử dụng hồi tiếp
phần ứng đề bảo vệ động cơ khỏi quá tải âm theo áp, để hạn chế quá dòng sử dụng mạch hổi
(vùng 2-hình 1). tiếp cắt nhanh theo dòng phần ứng.
Hồi tiếp âm theo áp có biểu thức tính: Thay đổi điện áp phần ứng động cơ bằng
Uht áp=α.Uu cách điều chỉnh bởi góc mở của bộ chỉnh lưu
cầu ba pha có điều khiển. Muốn thay đổi điện áp
* HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 92
- ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
kích từ thay đổi góc mở của bộ chỉnh lưu cầu 1 * Xét phần kích từ động cơ: Mối quan
pha có điều khiển. Bộ điều khiển sẽ lấy tín hiệu hệ giữa từ thông và dòng kích từ được biểu
diễn bởi công thức: Φ = f(Ikt) (3)
từ các hồi tiếp theo áp và theo dòng đưa về bộ Theo đường cong từ hóa, mối quan hệ
điều khiển để điều chỉnh góc mở thay đổi tốc này là phi tuyến. Tuy nhiên, trong đoạn Ikt nhỏ
độ và mô men của động cơ. ta có thể sử dụng phương pháp tính gần đúng
Hệ truyền động điện của cơ cấu quay mũi
khoan được mô tả dưới dạng sơ đồ khối như hình 2 [1]. bằng cách tuyến tính hóa từng đoạn và thu
được: Φ = α.Ikt, là một mối quan hệ tuyến
tính. Khi đó mô tả toán học của động cơ được
biểu diễn như sau:
K1 F4
* Phần ứng động cơ:
PT ДT
Ru I u ( s) Lu sI u ( s) E ( s) U ( s )
F1 (4)
Y CYP KY CИΦY
Js. ( s) M ( s) M C ( s)
LA U ( s) R I ( s) sL I ( s)
БP kt kt kt kt kt
TT
MC
MCB
* Bộ chỉnh lưu:
дH
- Chỉnh lưu kích từ động cơ:
M
§
𝑇kt𝑠.𝛼kt(𝑠)+𝛼kt(𝑠)=0,9𝑈kt (5)
- Chỉnh lưu phần ứng động cơ:
CYPB CUΦYB Tu s.u (s) u (s) 2,34Uu (s) (6)
H×nh 4.5 S¬ ®å nguyªn lý khèi cña m¸y khoan xoay cÇu CБЩ – 250MH
Hình 2. Sơ đồ khối hệ truyền động điện của máy Mạch hồi tiếp:
khoan xoay cầu СБЩ –250MH - Hồi tiếp âm theo áp: Uhtáp = α.Uu (7)
- Hồi tiếp dương theo dòng:
LA: là cuộn kháng điện. U ht I 1(I ) ( I d I c ) (8)
TT: là máy biến dòng. * Từ mô hình toán học đã xây dựng ở
MC: là chỉnh lưu 3 pha có điều khiển. trên, tác giả xây dựng mô hình cấu trúc của hệ
M: động cơ điện một chiều. truyền động máy khoan xoay cầu như hình 3:
ДT: cảm biến dòng điện.
PT: bộ phận điều chỉnh dòng điện.
KY: cơ 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 dòng kích thích.
3. MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG CỦA
MÁY KHOAN XOAY CẦU СБЩ –250MH
3.1 Xây dựng mô hình toán học hệ truyền
động máy khoan xoay cầu СБЩ –250MH
Thực tế, hệ truyền động của máy khoan
xoay cầu СБЩ-250MH là một hệ phi tuyến do Hình 3. Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động máy khoan
phần dòng kích từ của động cơ và từ thông mạch xoay cầu СБЩ –250MH
kích từ theo đường cong từ hóa, trong khi đó nếu 3.2. Mô phỏng trên MATLAB SIMULINK
mô phỏng dựa vào các phương trình phi tuyến sẽ Từ mô hình toán học xây dựng được ta
gặp rất nhiều khó khăn, do vậy ở đây tác giả thực chuyển sang mô phỏng trên MATLAB-
hiện mô phỏng bằng cách tuyến tính hoá quanh SIMULINK [4]. Thực hiện mô phỏng hệ truyền
điểm làm việc trên cơ sở lý thuyết điều khiển hệ động của máy khoan xoay cầu theo các số liệu sau:
tuyến tính để lập phương trình. Chi tiết của việc Bảng 1. Thông số mô phỏng hệ truyền động
tuyến tính hóa được thực hiện như sau [5]: Loại động cơ Bộ chỉnh lưu
Д 808 Б1
Phần Phần Một pha Ba pha
93 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020
- ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
ứng kích từ Điều chỉnh từ thông động cơ là việc thay
P(kW) 60 đổi điện áp đặt vào bộ biến đổi của mạch kích từ
U(V) 380 85 380 380 động cơ các giá trị lần lượt 3V,6V,9V,12V nhằm
I(A) 160 25.6 30 60 tăng tốc độ động cơ vượt tốc độ không tải lý
n(r/m) 800 tưởng khi máy xúc làm việc trong chế độ không
Sơ đồ cấu trúc mô phỏng MATLAB- tải hoặc nhẹ tải. Tuy nhiên việc giảm từ thông(
SIMULINK thể hiện trên hình 4. hay tăng tốc độ của động cơ) không thể là vô cấp
vì không thể tăng tốc độ động cơ đến ∞. Do vậy
phần này thực hiện khảo sát giới hạn giảm từ
thông và mô phỏng hệ thống truyền động của
máy khoan khi thay đổi từ thông động cơ.
Sơ đồ cấu trúc mô phỏng trên MATLAB-
SIMULINK được thể hiện trên hình 6.
Hình 4. Sơ đồ mô phỏng Matlab hệ truyền động máy
khoan xoay cầu
3.2.1.Đáp ứng tốc độ của hệ với các giá trị của
bộ điều chỉnh khi điều chỉnh điện áp phần ứng:
Khi thay đổi các giá trị điện áp đặt đầu vào bộ
chỉnh lưu mạch phần ứng với các giá trị lần lượt
Hình 6. Mô hình mô phỏng Matlab của phần kích từ
3V,6V,9V,12V sẽ làm thay đổi điện áp phát ra
động cơ
đặt vào phần ứng động cơ, khi đó nhận được
đường đặc tính mô phỏng tốc độ động cơ như
hình 5. Thực hiện mô phỏng hệ khi thay đổi từ
thông mạch kích từ động cơ.
Uu
90 Khi thay đổi các giá trị điện áp đặt đầu
80 vào bộ chỉnh lưu mạch kích từ động cơ với các
70 giá trị lần lượt khác nhau 3V, 6V, 9V,12V sẽ làm
60
tốc độ động cơ tăng giá trị lớn hơn so với giá trị
tốc độ không tải lý tưởng thường áp dụng trong
50
trường hợp khi không tải.
40
Kết quả tốc độ thu được trên hình 7 hoàn toàn
30
đáp ứng với yêu cầu điều khiển.
20
10
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 t
Hình 5. Đáp ứng tốc độ cuả hệ khi điều chỉnh điện áp
phần ứng động cơ
Từ kết quả mô phỏng tốc độ động cơ trên
hình 5 khi sử dụng các thông số tối ưu cho các bộ
điều chỉnh ta thấy đáp ứng hệ hoàn toàn phù hợp.
3.2.2. Điều chỉnh từ thông mạch kích từ động cơ.
* HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 94
- ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
mô phỏng đặc tính tốc độ trên hình 8, ta thấy hệ
truyền động hoàn toàn đáp ứng yêu cầu.
4. KẾT LUẬN
Hệ truyền động của máy khoan xoay cầu
sử dụng hệ Thyristor- Động cơ có chế độ làm
việc linh hoạt, đáp ứng yêu cầu cao theo đặc tính
làm việc kiểu “máy xúc”. Phương pháp mô
phỏng bằng phần mềm MATLAB-SIMULINK
đã cho thấy được quá trình làm việc của hệ ứng
với các bộ điều chỉnh trong hệ, kết quả mô phỏng
đã cho thấy được hoạt động của hệ hoàn toàn phù
hợp với yêu cầu đặt ra. Từ đó ta có thể thực hiện
Hình 7. Kết qủa mô phỏng tốc độ động cơ khi thay
việc thay đổi tham số để tìm ra các giá trị tối ưu
đổi từ thông mạch kích từ
cho bộ điều khiển. Đây là bước chuẩn bị cho việc
áp dụng vi điều khiển vào để xử lý các tín hiệu từ
3.2.4.Thực hiện mô phỏng hệ khi xảy ra quá tải.
bộ hồi tiếp đưa về. Tuy nhiên những kết quả này
Khi xảy ra quá tải lớn, dòng điện phần
mới chỉ là những kết quả bước đầu khảo sát trong
ứng tăng quá cao sẽ gây cháy động cơ, do vậy
một số điều kiện nhất định khách quan tác động
người ta sẽ thực hiện việc hạn chế dòng bằng
nên trong quá trình vận hành vẫn cần có sự điều
cách sử dụng hồi tiếp âm theo dòng và trong
chỉnh cho phù hợp.
vùng này hồi tiếp âm theo áp sẽ không hoạt động.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Bài giảng Tự động hóa dành cho hệ cao
w
đẳng- Trường đại học Công nghiệp Quảng Ninh.
90
[2]. Thân Ngọc Hoàn, Nguyễn Tiến Ban(2007)-
80
Điều khiển tự động các hệ thống truyền động
70
điện-NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.
60
[3]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn
50 Thị Hiền(2001)- Truyền động điện-NXB Khoa
40 học kỹ thuật Hà nội.
30 [4]. Nguyễn Phùng Quang(2006) - Matlab &
20 Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động-NXB
10 Khoa học kỹ thuật, Hà nội.
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t
[5]. Thái Duy Thức (2001)-Cơ sở lý thuyết truyền
động điện-NXB Giao thông vận tải, Hà nội.
Hình 8. Kết quả mô phỏng tốc độ động cơ khi xảy ra
quá tải
[6]. Thái Duy Thức (2000)-Thiết kế truyền động
điện tự động- tập 1-NXB Giao thông vận tải, Hà
Giả thiết xảy ra quá tải lớn, Mc tăng nội.
nhanh, dòng điện phần ứng tăng đến giá trị đến [7]. Tài liệu về máy khoan xoay cầu của công ty
giá trị Idừng, tốc độ động cơ trong các trường hợp than Cọc Sáu.
lần lượt giảm về 0 để bảo vệ động cơ. Thông qua
95 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020
nguon tai.lieu . vn
