Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành khai thác than ngày càng phát triển, việc nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điều khiển truyền động điện cho tời trụ mỏ than là vấn đề cấp thiết. Theo thống kê, tại các mỏ than vùng Quảng Ninh, năng suất khai thác đã tăng lên đáng kể, tuy nhiên chi phí vận hành và tiêu hao năng lượng vẫn còn cao, chiếm từ 40% đến 50% tổng chi phí vận tải. Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc thay thế hệ thống điều khiển truyền động điện truyền thống bằng hệ thống điều khiển biến tần - động cơ nhằm tự động hóa quá trình vận hành, tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, mô phỏng và xây dựng mô hình hệ thống điều khiển truyền động điện biến tần cho tời trụ mỏ than Khe Hàm, vùng khai thác than Quảng Ninh, từ đó đề xuất giải pháp điều khiển tự động hóa vận tải qua giếng nghiêng, đáp ứng yêu cầu tiết kiệm năng lượng và an toàn vận hành. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống tời trụ mỏ than tại khu vực Quảng Ninh, với dữ liệu thu thập trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2015.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm tổn thất năng lượng, nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị, đồng thời giảm chi phí vận hành và bảo trì. Các chỉ số hiệu quả như năng suất vận tải, mức tiêu hao điện năng và độ ổn định vận hành được sử dụng làm tiêu chí đánh giá.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

  • Lý thuyết điều khiển tự động: Áp dụng các nguyên lý điều khiển PID, điều khiển logic lập trình (PLC) và điều khiển biến tần để tối ưu hóa quá trình vận hành tời trụ mỏ.
  • Mô hình truyền động điện biến tần - động cơ (MF-ĐT): Mô hình này cho phép điều chỉnh tốc độ và mô men động cơ một cách linh hoạt, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm tổn thất cơ khí.
  • Khái niệm chính:
    • Điều khiển biến tần: Kỹ thuật điều chỉnh tần số và điện áp cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ quay.
    • Tời trụ mỏ: Thiết bị nâng hạ vật liệu qua giếng nghiêng trong khai thác than.
    • Mô men khởi động và mô men quá tải: Các thông số quan trọng trong vận hành động cơ điện.
    • Hệ thống giám sát và điều khiển từ xa: Sử dụng phần mềm WinCC để giám sát và điều khiển hệ thống.
    • Luật điều khiển tốc độ theo thời gian và quãng đường: Quy định cách thức điều khiển tốc độ động cơ dựa trên các tham số vận hành.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế từ tời trụ mỏ than Khe Hàm và các mỏ than vùng Quảng Ninh, bao gồm thông số kỹ thuật động cơ, tải trọng vận chuyển, tốc độ vận hành, và mức tiêu hao điện năng.
  • Phương pháp phân tích:
    • Mô phỏng hệ thống điều khiển biến tần - động cơ bằng phần mềm MATLAB & Simulink.
    • Phân tích lý thuyết và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển.
    • Sử dụng phương pháp điều khiển logic lập trình (PLC) kết hợp biến tần để tự động hóa quá trình vận hành.
  • Timeline nghiên cứu:
    • Giai đoạn 1 (6 tháng): Khảo sát thực trạng và thu thập dữ liệu.
    • Giai đoạn 2 (8 tháng): Mô phỏng và thiết kế hệ thống điều khiển.
    • Giai đoạn 3 (4 tháng): Lắp đặt, thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.
    • Giai đoạn 4 (2 tháng): Đánh giá kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  • Hệ thống điều khiển biến tần - động cơ giúp giảm tổn thất năng lượng lên đến 30% so với hệ thống truyền động điện truyền thống.
  • Tốc độ vận hành tời trụ mỏ được điều chỉnh linh hoạt theo quãng đường và thời gian, giúp giảm mô men khởi động và mô men quá tải, tăng tuổi thọ thiết bị lên khoảng 20%.
  • Việc áp dụng PLC kết hợp biến tần đã nâng cao độ tin cậy vận hành, giảm thời gian dừng máy không kế hoạch xuống dưới 5%.
  • Hệ thống giám sát qua phần mềm WinCC cho phép theo dõi và điều khiển từ xa, giảm nhân công vận hành trực tiếp khoảng 40%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tiết kiệm năng lượng là do biến tần điều chỉnh tần số và điện áp cung cấp cho động cơ phù hợp với tải thực tế, tránh lãng phí điện năng khi vận hành ở tốc độ không cần thiết. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này cho thấy sự cải tiến rõ rệt về hiệu quả năng lượng và độ bền thiết bị.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh mức tiêu hao điện năng giữa hệ thống truyền động truyền thống và hệ thống biến tần, cũng như biểu đồ mô men và tốc độ vận hành theo thời gian. Bảng tổng hợp số liệu vận hành thực tế trước và sau khi áp dụng hệ thống điều khiển mới cũng minh họa rõ hiệu quả cải tiến.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua giảm phát thải khí nhà kính do tiết kiệm điện năng.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Triển khai áp dụng hệ thống điều khiển biến tần - động cơ cho toàn bộ tời trụ mỏ tại các khu vực khai thác than nhằm tiết kiệm năng lượng ít nhất 25% trong vòng 2 năm tới, do Ban quản lý mỏ và phòng kỹ thuật thực hiện.
  • Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì về công nghệ biến tần và PLC để nâng cao kỹ năng vận hành, giảm thiểu sự cố, trong vòng 6 tháng, do phòng đào tạo và kỹ thuật phối hợp thực hiện.
  • Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển từ xa bằng phần mềm WinCC để tăng cường quản lý và giảm nhân công trực tiếp, hoàn thành trong 1 năm, do phòng công nghệ thông tin và kỹ thuật triển khai.
  • Nghiên cứu mở rộng ứng dụng điều khiển biến tần cho các thiết bị vận tải khác trong mỏ nhằm tối ưu hóa toàn bộ hệ thống vận tải, kế hoạch trong 3 năm, do viện nghiên cứu và phòng kỹ thuật phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Kỹ sư vận hành và bảo trì mỏ than: Nắm bắt công nghệ điều khiển biến tần, nâng cao hiệu quả vận hành và giảm chi phí bảo trì.
  • Quản lý kỹ thuật các công ty khai thác than: Áp dụng giải pháp tự động hóa để tối ưu hóa sản xuất và tiết kiệm năng lượng.
  • Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, tự động hóa: Tham khảo mô hình điều khiển và phương pháp mô phỏng hệ thống truyền động điện biến tần.
  • Các nhà hoạch định chính sách năng lượng và môi trường: Đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng và tác động môi trường của công nghệ mới trong ngành khai thác than.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống điều khiển biến tần - động cơ có ưu điểm gì so với hệ thống truyền thống?
    Hệ thống biến tần cho phép điều chỉnh tốc độ linh hoạt, tiết kiệm năng lượng khoảng 30%, giảm mô men khởi động và tăng tuổi thọ thiết bị. Ví dụ, tại mỏ Khe Hàm, năng suất vận tải tăng trong khi chi phí điện giảm đáng kể.

  2. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng hệ thống điều khiển?
    MATLAB & Simulink được sử dụng để mô phỏng chi tiết hệ thống điều khiển biến tần - động cơ, giúp đánh giá hiệu quả trước khi triển khai thực tế.

  3. Làm thế nào để giám sát và điều khiển hệ thống từ xa?
    Phần mềm WinCC được áp dụng để xây dựng giao diện giám sát và điều khiển từ xa, giúp giảm nhân công và tăng độ chính xác trong vận hành.

  4. Phương pháp điều khiển logic lập trình (PLC) có vai trò gì?
    PLC là bộ não điều khiển trung tâm, phối hợp với biến tần để tự động hóa quá trình vận hành, đảm bảo an toàn và hiệu quả.

  5. Giải pháp nào giúp giảm tổn thất năng lượng trong vận tải mỏ than?
    Áp dụng điều khiển biến tần kết hợp với PLC và giám sát từ xa giúp giảm tổn thất năng lượng từ 40-50% xuống còn khoảng 30%, đồng thời nâng cao hiệu quả vận hành.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình điều khiển truyền động điện biến tần cho tời trụ mỏ than Khe Hàm, nâng cao hiệu quả vận hành và tiết kiệm năng lượng.
  • Hệ thống điều khiển mới giảm tổn thất năng lượng khoảng 30%, tăng tuổi thọ thiết bị lên 20%, và giảm thời gian dừng máy không kế hoạch dưới 5%.
  • Phương pháp mô phỏng bằng MATLAB & Simulink và giám sát qua WinCC được chứng minh hiệu quả trong thực tế vận hành.
  • Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi tại các mỏ than vùng Quảng Ninh trong vòng 2 năm tới.
  • Khuyến nghị đào tạo nhân lực và nghiên cứu mở rộng ứng dụng công nghệ điều khiển biến tần trong ngành khai thác than.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm thực tế tại các mỏ than khác và hoàn thiện hệ thống giám sát điều khiển từ xa. Mời các đơn vị khai thác than và các nhà nghiên cứu quan tâm áp dụng và phát triển công nghệ này để nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ môi trường.