I. Giới thiệu chung
Máy xúc điện là thiết bị quan trọng trong khai thác mỏ, đặc biệt ở các mỏ lộ thiên. Các máy xúc như ЭΚΓ của Liên Xô và Nga vẫn được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. Tuy nhiên, hệ thống điều khiển truyền động của chúng dựa trên khuếch đại từ và máy phát động cơ, gây ra nhiều hạn chế như cồng kềnh và tổn hao năng lượng. Với sự phát triển của công nghệ điều khiển và vi xử lý, các hệ thống hiện đại hơn đã được đề xuất để nâng cao chất lượng điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất.
1.1. Khái niệm máy xúc
Máy xúc, hay máy đào, là thiết bị cơ giới đa năng, chủ yếu dùng trong xây dựng và khai khoáng. Chúng được phân loại theo nguyên lý làm việc (một gầu hoặc nhiều gầu), cơ cấu di chuyển (bánh lốp hoặc bánh xích), và dạng gầu (gầu sấp, gầu ngửa, gầu lật). Trong khai thác mỏ, máy xúc điện được ưa chuộng nhờ khả năng bốc xúc đất đá cứng và năng suất cao.
1.2. Thực trạng sử dụng máy xúc điện ở Việt Nam
Các máy xúc điện như ЭΚΓ 4,6, ЭΚΓ 5A, và ЭΚΓ 8И được sử dụng phổ biến tại các mỏ lộ thiên của Việt Nam. Tuy nhiên, hệ thống điều khiển truyền động của chúng dựa trên công nghệ cũ, gây ra nhiều hạn chế. Số lượng máy xúc điện vẫn chiếm tỷ lệ lớn, nhưng cần được cải tiến để nâng cao hiệu suất và giảm tổn hao năng lượng.
II. Mô hình toán học
Chương này tập trung vào việc xây dựng mô hình toán học cho hệ thống truyền động điện của máy xúc. Các mô hình bao gồm máy phát, động cơ, và hàm truyền đạt của tải cơ học. Mục tiêu là tạo ra một mô hình chính xác để phân tích và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
2.1. Cấu trúc hệ thống truyền động
Hệ thống truyền động điện của máy xúc bao gồm máy phát, động cơ, và các mạch điều khiển. Mô hình toán học được xây dựng dựa trên các thông số kỹ thuật của máy xúc ЭΚΓ 8И, bao gồm mạch kích từ và mạch phần ứng. Các mô hình này giúp phân tích đặc tính động học và tĩnh học của hệ thống.
2.2. Mô hình toán học máy phát và động cơ
Mô hình toán học của máy phát và động cơ được xây dựng dựa trên các phương trình vi phân và hàm truyền đạt. Các thông số như sức điện động, dòng điện phần ứng, và tốc độ động cơ được tính toán để đảm bảo độ chính xác của mô hình. Mô hình này là cơ sở để thiết kế các bộ điều khiển hiệu quả.
III. Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển
Chương này tập trung vào việc thiết kế các bộ điều khiển để nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống truyền động điện của máy xúc. Các bộ điều khiển được đề xuất bao gồm PID kinh điển, điều khiển mờ, và điều khiển lai (kết hợp mờ và PID).
3.1. Thiết kế bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID kinh điển được thiết kế để điều khiển hệ thống truyền động điện. Các thông số của bộ điều khiển được tính toán dựa trên mô hình toán học. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển PID đáp ứng được các yêu cầu cơ bản nhưng cần cải tiến để tối ưu hóa hiệu suất.
3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ và lai
Bộ điều khiển mờ và lai được đề xuất để cải thiện hiệu suất của hệ thống. Bộ điều khiển lai kết hợp ưu điểm của điều khiển mờ và PID, giúp hệ thống đáp ứng nhanh hơn và ổn định hơn khi thay đổi tải. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển lai vượt trội so với PID kinh điển.
IV. Mô hình thực nghiệm
Chương này trình bày việc xây dựng và thử nghiệm mô hình thực nghiệm để kiểm chứng hiệu quả của các bộ điều khiển đã thiết kế. Mô hình bao gồm các thiết bị điện và cơ khí, được tích hợp với hệ thống điều khiển kích từ và PID số.
4.1. Cấu trúc mô hình thực nghiệm
Mô hình thực nghiệm được xây dựng dựa trên cấu trúc của máy xúc ЭΚΓ 8И, bao gồm máy phát, động cơ, và các mạch điều khiển. Các thiết bị điện như IGBT và card giao tiếp được sử dụng để điều khiển hệ thống. Mô hình này giúp kiểm chứng hiệu quả của các bộ điều khiển trong điều kiện thực tế.
4.2. Kết quả thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển lai đạt hiệu suất cao hơn so với PID kinh điển. Các thông số như dòng điện phần ứng, tốc độ động cơ, và sức điện động được đo lường và phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Kết quả này khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng vi xử lý và công nghệ điều khiển hiện đại trong khai thác mỏ.
