nghiên cứu cải tiến, nâng cao chất lượng hệ truyền động tàu điện ở các mỏ than quảng ninh

Tính cấp thiết của đề tài Tàu điện là thiết bị vận tải chủ yếu được sử dụng phổ biến trong các mỏ than hầm lò ở Quảng Ninh để vận chuyển than, đất đá, vật liệu, thiết bị và con người; v

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG TÀU ĐIỆN Ở CÁC

MỎ THAN QUẢNG NINH

NGUYỄN HOÀNG TRUNG

THÁI NGUYÊN, NĂM 2010

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG TÀU ĐIỆN Ở

CÁC MỎ THAN QUẢNG NINH

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS VÕ QUANG LẠP

THÁI NGUYÊN, NĂM 2010

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG TÀU ĐIỆN

Ở CÁC MỎ THAN QUẢNG NINH

Học viên: Nguyễn Hoàng Trung Lớp: TĐH- K11

Chuyên ngành: Tự động hóa Người HD khoa học: PGS.TS Võ Quang Lạp Ngày giao đề tài: 01/01/2010

Ngày hoàn thành: 30/7/2010

Lời cam đoan

Chương 1- TỔNG QUAN VỀ VIỆC SỬ DỤNG TÀU

ĐIỆN Ở CÁC MỎ THAN QUẢNG NINH

4

1.1 Tầm quan trọng của việc sử dụng tàu điện ở các

mỏ than Quảng Ninh

4

1.3 Đánh giá tình hình sử dụng và kỹ thuật truyền

2.2 Động cơ điện một chiều hai cuộn dây kích từ độc

2.4 Hệ thống truyền động xung điện áp – động cơ

điện một chiều 2 cuộn dây kích từ (PWM-D)

33

3.2 Tổng hợp hệ thống 50

Chương 4- NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN

ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ TẢI NHẸ VỚI SỰ ỨNG DỤNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ

4.3 Mô phỏng hệ thống truyền động tàu điện chạy

trên đường bằng khi có bộ điều khiển PD mờ nối tiếp PD kinh điển

77

PHỤ LỤC

DCV : Nguồn một chiều

A/D : Chuyển đổi tương tự số

D/A : Chuyển đổi số tương tự

DC : Động cơ điện một chiều

P : Bộ điều chỉnh tỷ lệ

I : Bộ điều chỉnh tích phân

D : Bộ điều chỉnh vi phân

PID : Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân

CPU : Bộ xử lý trung tâm

µC : Bộ vi điều khiển

PWM : Phương pháp điều chế độ rộng xung điện áp

βI : Phản hồi âm dòng điện

γn : Phản hồi tốc độ

Ucđ : Điện áp chủ đạo

Uđk : Điện áp điều khiển

Urc : Điện áp răng cưa

FXCĐ : Khối phát xung chủ đạo

SRC : Khối tạo xung răng cưa

SS : Khối so sánh

TXPCX : Khối tạo xung và phân chia xung

Uω : Tín hiệu điện áp chủ đạo đặt tốc độ

T : Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lượng tử)

Uphω : Tín hiệu phản hồi âm tốc độ

Uphi : Tín hiệu phản hồi âm dòng điện

Ud : Điện áp ra của bộ biến đổi PWM

Uc : Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ rộng xung

M(S1) : Hệ số của khâu lấy tín hiệu dòng điện

Kω : Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ

Ki , Kp : Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện

Hình 1.1 Các lực tác dụng lên bánh xe chủ động của đầu tàu 15

Hình 1.2 Đặc tính phụ tải của hệ truyền động kéo 25

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lí hệ thống điều khiển véc tơ động cơ

không đồng bộ bằng thiết bị biến tần

31

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ truyền động đoàn tàu kéo tải nhẹ 46

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ truyền động đoàn tàu kéo tải nhẹ có

mạch bù dòng điện

47

Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ truyền động khi tàu lên dốc 48

Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ truyền động khi tàu lên dốc với 3 mạch

Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống tàu điện khi kéo tải nhẹ 50

Hình 3.8 Mạch điện thay thế của động cơ điện một chiều 51

Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor 53

Hình 3.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 55

Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 55

Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 56

Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng đồng tốc 58

Hình 3.14 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động chạy trên đường bằng 60

Hình 3.15 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động tàu điện khi kéo tải

nặng (lên dốc)

61

Hình 3.17 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tàu điện kéo tải

nặng sau khi đã biến đổi

63

Hình 3.18 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động tàu điện chạy trên

đường bằng

64

Hình 3.19 Kết quả mô phỏng với Ud=10V, Kết quả mô phỏng với

Ud=20V (không tải)

65

Hình 3.20 Kết quả mô phỏng với Ud=10V Kết quả mô phỏng với

Ud=20V (có tải)

66

Hình 3.22 Kết quả mô phỏng hệ truyền động tàu khi kéo tải nặng

với hệ số bù dòng điện phần ứng K khác nhau

68

Hình 4.2 Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ PD 74

Hình 4.3 Định nghĩa các tập mờ cho biến ST của bộ điều khiển

Hình 4.6 Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ PD 76

Hình 4.7 Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển

mờ PD

76

Hình 4.8 Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ PD 77

nối tiếp PD kinh điển Hình 4.10 Kết quả mô phỏng với Ud=10V ( Khi không tải) 79

Hình4.11 Kết quả mô phỏng với U d =20V ( Khi không tải) 80

Hình 4.12 Kết quả mô phỏng với Ud=10V ( Khi có tải) 81

Hình 4.13 Kết quả mô phỏng với Ud=20V ( Khi có tải) 82

trọng sâu sắc tới:

tình chu đáo trong quá trình triển khai nghiên cứu đề tài và hoàn thành luận văn

- Các thầy, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa điện và các bạn học viên

đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và bảo vệ luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn những sự giúp đỡ quí báu đó, cảm ơn sự góp ý chân thành và sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã tạo điều kiện cho tôi học tập nâng cao được trình

độ trong suốt thời gian qua

Thái Nguyên, tháng 07 năm 2010

Tác giả luận văn

Nguyễn Hoàng Trung

liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất

cứ công trình nghiên cứu nào khác

Người cam đoan

Nguyễn Hoàng Trung

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Tàu điện là thiết bị vận tải chủ yếu được sử dụng phổ biến trong các mỏ than hầm lò ở Quảng Ninh để vận chuyển than, đất đá, vật liệu, thiết bị và con người; vận tải tàu điện ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất khai thác và giá thành sản xuất than

Hiện nay, động cơ dẫn động của các tàu điện mỏ là động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, điều khiển các chế độ làm việc của tàu chủ yếu bằng phương pháp điều chỉnh điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ qua các

bộ khống chế để đóng mở các tiếp điểm Hệ truyền động điện một chiều kích

từ nối tiếp tạo được đặc tính kéo như đặc tính kéo lý tưởng của tàu Tuy vậy,

hệ này có những nhược điểm sau: làm tổn thất điện năng đáng kể trên các điện trở điều chỉnh đặc biệt khi tàu phải làm việc ở tốc độ thấp Gây tia lửa giữa chổi than và cổ góp điện, các tiếp điểm, bánh xe và ray dẫn tới giảm độ

an toàn nổ Chi phí vận hành tăng do phải thường xuyên bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế cổ góp điện, chổi than và các tiếp điểm Điều chỉnh tốc độ chuyển động của tàu theo cấp điện trở, cấp điện áp nên tàu làm việc thường bị giật, dễ gây trượt bánh khỏi đường ray làm giảm khả năng thông qua của đường

Nhằm đáp ứng yêu cầu tăng năng lực vận tải, tiết kiệm điện năng, giảm giá thành sản xuất, nâng cao độ an toàn nổ trong hầm mỏ và ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật mới vào lĩnh vực điều khiển truyền động tàu điện

mỏ thì việc nghiên cứu và cải tiến hệ truyền động này là việc làm hết sức cần thiết Ngoài việc thành công trong nghiên cứu còn mang tính ứng dụng thực tiễn cho sản xuất góp phần nâng cao chất lượng hệ truyền động tàu điện nhằm

giảm chi phí năng lượng tăng hiệu suất của thiết bị giảm giá thành sản xuất

2 Mục đích nghiên cứu

- Đánh giá công tác vận tải tàu điện trong hệ thống vận tải mỏ

- Đánh giá các hệ truyền động cho tàu điện mỏ

- Nghiên cứu những hệ thống truyền động thực tế đang có tại Quảng

Ninh, từ đó đề xuất cải tạo nâng cấp hệ thống nhằm đảm bảo chất lượng hiệu

suất cao

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các hệ truyền động tàu điện ắc qui trong các

mỏ than hầm lò

Nghiên cứu hệ truyền động các xe điện ở mỏ than Quảng Ninh, từ đó

đề xuất thiết kế cải tạo và nâng cấp hệ thống truyền động này nhằm đảm bảo

chất lượng, nâng cao hiệu suất làm việc của hệ truyền động cho tàu điện làm

việc trong các mỏ than hầm lò của Quảng Ninh

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu hệ thống truyền động xe điện sẵn có ở các mỏ than Quảng Ninh

- Cải tiến nâng cao chất lượng hệ thống cũ để tạo ra một hệ thống mới

có năng suất và chất lượng cao

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết

- Kiểm nghiệm, mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống

- Phương pháp mô hình hóa phần mềm Matlab

6 Kết cấu luận văn

Ở CÁC MỎ THAN QUẢNG NINH

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VIỆC SỬ DỤNG TÀU ĐIỆN

Ở CÁC MỎ THAN QUẢNG NINH

1.1 Tầm quan trọng của việc sử dụng tàu điện ở các mỏ than Quảng Ninh

Trước đây, ở nước ta, tàu điện đã được sử dụng tham gia giao thông công cộng ở thành phố và vận tải trong các hầm mỏ; tuy nhiên đến năm 90 của thế kỷ XX, hệ thống vận tải tàu điện ở thành phố được dỡ bỏ vì công nghệ vận tải tàu điện lạc hậu, không đảm bảo mỹ quan, không đáp ứng được các yêu cầu của giao thông đô thị

Ở các mỏ than vùng Quảng Ninh, do tính phức tạp của công nghệ khai thác, khối lượng công việc vận chuyển lớn, thiết bị vận tải đa dạng; theo kinh nghiệm của các nước tiên tiến, và từ thực tế sản xuất, nhân lực phục vụ vận tải chiếm từ 30% đến 40%, còn giá thành vận tải chiếm từ 40% đến 50% trong tổng chi phí chung Vì vậy, để giải quyết tốt nhiệm vụ vận tải là đáp ứng được yêu cầu khai thác và mang lại hiệu quả kinh tế cao cần lựa chọn sơ đồ công nghệ vận tải hợp lý Đồng thời, lựa chọn các thiết bị vận tải phù hợp nhằm phát huy hiệu quả vận tải và năng lực vận tải của chúng

Vận tải tàu điện có ưu điểm là năng suất vận tải lớn, độ tin cậy cao, dễ bảo quản sử dụng và điều khiển, chi phí sản xuất nhỏ, không ồn, không gây bụi, đầu tư ban đầu không lớn so với đầu tư xây dựng các tuyến băng chuyền

cỡ lớn nên hầu hết các mỏ than hầm lò ở nước ta đều sử dụng tàu điện làm phương tiện vận chuyển chính Theo số liệu khảo sát các mỏ than lớn và trung bình ở vùng Quảng Ninh, hiện tại có hàng trăm tàu điện hoạt động, số lượng đầu tàu làm việc ở một số mỏ được trình bày trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Thống kê tàu điện đang hoạt động ở một số mỏ than vùng Quảng Ninh

TT Tên đơn vị Mã hiệu Nước sản xuất

Số lượng (chiếc)

Công suất động

cơ ( kW)

Vận tải tàu điện có ảnh hưởng trực tiếp đến sản lượng khai thác của các

mỏ than hầm lò Theo qui hoạch phát triển khai thác và phương án khai thác của ngành than Việt Nam giai đoạn 2006 – 2015 có xét triển vọng đến năm

2025 cho thấy các mỏ khai thác ngày càng xuống sâu, sản lượng khai thác lộ thiên giảm, sản lượng than khai thác hầm lò tăng Đến năm 2025, tổng sản lượng than khai thác là 70,57 triệu tấn trong đó 56,72 triệu tấn than khai thác theo phương pháp hầm lò chiếm 80,38% [1], [8]

an toàn, những mỏ than xếp loại khí nổ hạng III không được sử dụng tàu điện cần vẹt mà phải dùng tàu điện ắc quy để vận chuyển

Từ các số liệu và phân tích trên có nhận xét: trong thời gian tới, ở các

mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, để giải quyết hiệu quả bài toán kinh tế - kỹ thuật trong khâu vận tải thì tàu điện ngày càng được sử dụng nhiều trong công nghệ vận tải mỏ

1.2 Vấn đề điều khiển tàu điện mỏ ở Quảng Ninh

1.2.1 Đặc điểm tàu điện mỏ sử dụng ở Quảng Ninh

Các mỏ than hầm lò ở Quảng Ninh chủ yếu dùng tàu điện của Nga và Trung Quốc sản xuất để vận chuyển than từ các hầm lò, vận chuyển đất đá từ các lò ra ngoài chân giếng, sau đó chuyển tiếp lên mặt bằng trục tải hoặc băng tải, đồng thời chuyển vật tƣ, thiết bị, máy móc từ ngoài vào các khu vực sản xuất

Tàu điện sử dụng ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh gồm có hai loại là tàu điện cần vẹt và tàu điện ắc quy, các loại tàu này có đặc điểm khối lƣợng đầu tàu nhỏ và vừa, công suất từ 2,05 kW đến 90 kW, tỷ số truyền hộp giảm tốc lớn, tốc độ chuyển động của tàu thấp Đặc tính kỹ thuật của các đầu tàu điển hình giới thiệu trong bảng 1.2 và bảng 1.3 [2], [13], [14], [16]

Bảng 1.2 Đặc tính kỹ thuật tàu điện cần vẹt

Bảng 1.3 Đặc tính kỹ thuật tàu điện ắc quy

AK-2Y 4,5APP AM-8/900 CĐXT-8

112THK-350

400KT

DG-Theo qui hoạch phát triển của ngành than, trong những năm tới, để đảm bảo sản lƣợng than khai thác thì số lƣợng các mỏ hầm lò sẽ phải tăng lên và ngày càng khai thác xuống sâu; theo đó, hàm lƣợng khí mêtan tăng, để đảm bảo an toàn cháy nổ các mỏ phải sử dụng tàu điện ắc quy để vận chuyển

1.2.2 Đặc điểm hệ thống đường sắt vận tải tàu điện mỏ

Từ kết quả khảo sát thực tế và qua các tài liệu [11], [12], [15], hệ thống đường sắt vận tải tàu điện mỏ ở Quảng Ninh có hai loại đường: đường cỡ 600

mm và đường cỡ 900 mm, đường cỡ 600 mm sử dụng cho tàu công suất nhỏ kéo goòng 1 tấn, đường cỡ 900 mm sử dụng cho tàu công suất lớn hơn kéo goòng 3 tấn Ray làm đường sắt tàu điện mỏ là ray P18, P24 và P33 Chiều dài tuyến vận tải thường không lớn, tuyến vận tải đường sắt lớn nhất khoảng 5000

m, trong đó các đoạn đường thẳng ngắn và có niều đoạn đường vòng có bán

/00 đến 50/00, đặc biệt có đoạn dốc tới 110

/00

Do điều kiện địa chất mỏ phức tạp, không ổn định, độ cứng của nền đường không tốt đã ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống đường sắt, làm tăng lực cản đoàn tàu; mặt khác mặt đường sắt thường ẩm ướt, có nhiều bùn, bụi than ảnh hưởng nhiều đến hệ số bám dính giữa dường ray và bánh xe Nhìn chung, tình trạng kỹ thuật hệ thống đường sắt vận tải tàu điện ở các mỏ than hầm lò Quảng Ninh rất phức tạp, tính năng kỹ thuật không cao, ảnh hưởng đến tóc độ chạy tàu, tốc độ lớn nhất của đoàn tàu điện mỏ chỉ đạt khoảng 12 km/h

1.2.3 Các hệ truyền động tàu điện mỏ ở Quảng Ninh

Tất cả tàu điện cần vẹt và tàu ắc quy sử dụng ở các mỏ đều điều khiển theo phương pháp điều chỉnh điện trở nối tiếp mạch phần ứng kết hợp với sự thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ theo cấp, bằng cách chuyển đấu từ nối tiếp sang song song Chúng có sơ đồ nguyên lý như sau:

a Sơ đồ nguyên lý truyền động điện tàu AK-2Y

5

3

M 6

b Sơ đồ nguyên lý truyền động điện tàu AM-8

c Sơ đồ giải thích nguyên lý khởi động tàu điện AM-8

R2 B33

-d Sơ đồ giải thích nguyên lý hãm động năng tàu điện AM-8

Với các sơ đồ trên, các truyền động trong các tàu điện mỏ của Quảng Ninh vẫn sử dụng các phương pháp điều khiển đã có từ trước năm 70 của thế

kỷ XX, hệ thống điều khiển lạc hậu, tổn thất điện năng lớn trên các điện trở điều khiển; các tài liệu thống kê của nước ngoài và trong nước đã chỉ ra rằng, 35% điện năng tiêu thụ của đầu tàu điện bị tiêu hao trên các điện trở điều khiển [5]

1.3 Đánh giá tình hình sử dụng và kỹ thuật truyền động tàu điện mỏ

Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích công tác vận tải mỏ và tình hình phát triển kỹ thuật truyền động điện mỏ ở Quảng Ninh có nhận xét, đánh giá:

Ở Quảng Ninh, tàu điện chủ yếu sử dụng để vạn tải trong các mỏ than hầm lò, do sơ đồ công nghệ khai thác của các mỏ than vùng Quảng Ninh rất phức tạp, thiết bị vận tải đa dạng để đáp ứng yêu cầu khai thác và hiệu quả kinh tế, các mỏ đều phải tính toán lựa chọn sơ đồ công nghệ vận tải hợp lý trong đó đều sử dụng tàu điện là thiết bị vận tải chủ yếu, vì vậy tàu điện có vị trí rất quan trọng trong hệ thống vận tải mỏ

Tất cả các tàu điện mỏ ở Quảng Ninh do điều kiện đường lò hẹp, cỡ ray hẹp nên chỉ trang bị loại đầu tàu một động cơ hoặc hai động cơ

Các tàu điện mỏ ở Quảng Ninh đang theo công nghệ cũ thậm chí cả những tàu vừa nhập về cũng được trang bị công nghệ cũ của những năm trước

70 của thế kỷ trước, đó là dùng phương pháp điện trở, đấu nối tiếp nguồn, động cơ

Kết luận: Vì vậy, nghiên cứu cải tiến, nâng cao chất lượng hệ truyền động tàu điện sử dụng phương pháp xung điện áp trong tàu điện mỏ để nâng cao năng lực vận tải và giảm chi phí năng lượng tăng hiệu suất của thiết bị giảm giá thành sản xuất ở các mỏ than Quảng Ninh là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.4 Phương trình chuyển động và các lực tác động lên đoàn tàu điện mỏ

1.4.1 Phương trình chuyển động cơ bản

Từ trước đến nay, để nghiên cứu tàu điện mỏ, người ta thường rắn hóa đoàn tàu, coi đoàn tàu như một vật có khối lượng (m) tập trung tại trọng tâm của tàu Theo định luật Niutơn, phương trình chuyển động cơ bản là:

- Trọng tâm của đầu tàu và của từng goòng nằm trên đường thẳng mà các móc nối nối đầu tàu với goòng và giữa các goòng với nhau, bỏ qua các hiện tượng rung lắc khi va đập

- Bỏ qua năng lượng gây âm thanh khi va đập

- Giữa các goòng và đầu tàu cũng như giữa các goòng với nhau có khoảng cách

1.4.2 Các lực tác dụng lên đoàn tàu

khối lượng m i i(  1đến n) thì khi tàu làm việc, các lực tác dụng lên đầu tàu là lực kéo, lực cản và lực đàn hồi, còn các lực tác dụng lên goòng thứ (i) là lực cản và lực đàn hồi:

m đt - khối lượng đầu tàu, kg;

1 , 2 , 3

m m m - khối lượng của goòng thứ 1 đến goòng thứ n trong đoàn tàu, kg;

k

F - lực kéo của đầu tàu, N;

F đh - lực đàn hồi giữa đầu tàu với goòng và giữa các goòng, N;

F cđt - lực cản của đầu tàu, N;

cti

F - lực cản của goòng thứ i, N;

i = 1 đến n;

Z - khoảng cách giữa đầu tàu với goòng và giữa các goòng nối tiếp nhau, Z = 0,3 m

1.4.2.1 Lực kéo đầu tàu

Hình 1.1 mô tả bánh xe chủ động của tàu tiếp xúc với đường ray Mômen quay do động cơ sinh ra truyền qua các bánh răng hộp giảm tốc đến bánh xe chủ động của tàu Giả sử mômen bánh xe chủ động có chiều cùng chiều kim đồng hồ (hình 1.1), dưới tác dụng của mômen quay làm bánh xe có

xu hướng quay quanh trục tâm ( ) Thay mômen quay bằng cặp ngẫu lực

đặt tại điểm A của bánh xe và tâm ( ) của trục có cánh tay đòn bằng

Hình 1.1 Các lực tác dụng lên bánh xe chủ động của đầu tàu

Tuy nhiên, cặp ngẫu lực này là nội lực đối với bánh xe và đầu tàu không làm tàu chuyển động tịnh tiến được Lực F k có xu hướng làm cho điểm A của bánh xe trượt tương đối với đường ray, nhưng do có sự bám dính giữa bánh xe với mặt đường ray nên khi có lực F k sẽ xuất hiện lực ma sát bám

dính F bd cản lại sự trượt của bánh xe, đây là ngoại lực làm tàu chuyển động tịnh tiến

Lực do các động cơ tàu điện sinh ra được truyền đến các bánh xe chủ

cấp, phương pháp điều khiển, công suất động cơ và được xác định:

F – lực kéo do động cơ sinh ra tính trên vành bánh xe (lực kéo của động cơ), N;

k – tỷ số truyền của hộp giảm tốc;

I ư – dòng điện phần ứng của động cơ, A;

K – hệ số kể đến cấu tạo dây quấn của động cơ;

- Khi tải nhỏ hơn hoặc bằng định mức động cơ làm việc ở vùng tuyến tính, từ thông động cơ được xác định

I - dòng điện kích từ của động cơ kích từ nối tiếp; A

Để tàu điện mỏ chuyển động không bị trượt thì lực kéo của động cơ trên các vành bánh xe chủ động phải thỏa mãn điều kiện:

1000 d bd

Trong đó: P d - trọng lượng bám dính của đầu tàu, kN;

bd - hệ số bám dính giữa bánh xe chủ động với đường ray

1.4.2.2.Lực hãm đoàn tàu

Lực hãm là ngoại lực có thể điều chỉnh được, nó ngược chiều với chiều chuyển động của đoàn tàu và được tạo ra bằng phương pháp nhân tạo Vận tải đường sắt trong mỏ thường sử dụng hai phương pháp hãm cơ bản: phương pháp thứ nhất là hãm bằng phanh cơ, lực ma sát giữa má phanh và bánh xe là ngoại lực để hãm tàu, được tạo ra từ các bộ truyền động cơ khí, thủy lực, hoặc khí ép; phương pháp thứ hai là hãm động năng, động cơ làm việc như một

máy phát điện tự kích, mômen hãm do động cơ sinh ra được truyền tới bánh

xe, tạo thành lực hãm tàu (tương tự như quá trình hình thành lực kéo), lực hãm được tính:

e i h bx

T k F R

Tàu chỉ thực hiện hãm được khi thỏa mãn điều kiện tự kích:

dc ( h) h

Cũng như lực kéo, lực hãm bị giới hạn bởi điều kiện bám dính giữa bánh xe và đường ray:

F f



1.4.2.3.Lực bám dính

Tại mỗi thời điểm tiếp xúc giữa bánh xe và đường ray xuất hiện lực ma sát tĩnh có trị số lớn nhất bằng tích phản lực thẳng đứng của ray lên bánh xe với hệ số ma sát tĩnh Nếu lực kéo F k không vượt quá lực ma sát tĩnh thì điểm

A của bánh xe (hình 1.1) sẽ không chuyển động tương đối so với đường ray

và là tâm quay tức thời, ngoại lực F bd sẽ làm cho tâm quay tức thời dịch

quá giá trị lực ma sát tĩnh lớn nhất thì sự cân bằng bị phá hủy, và bánh xe bắt đầu trượt, lực ma sát giữa bánh xe và đường ray giảm xuống theo mức độ tăng của vận tốc trượt Điều đó làm giảm lực bám dính, làm hư hỏng bánh xe

và đường ray Như vậy, ngoại lực F bd là lực bám dính hướng theo tiếp tuyến với bề mặt tại điểm lăn của nó với bề mặt đường ray, và về bản chất, nó là giới hạn lực kéo gây lên sự lăn không trượt của bánh xe trên ray

Theo [2], [17], lực bám dính của tàu điện mỏ được tính:

Ở hệ thống vận tải tàu điện mỏ hầm lò, mặt đường ray thường ở các trạng thái có nhiều bụi, bùn than, trơn, ẩm ướt và khô, tốc độ chuyển động của tàu thấp Vì vậy, hệ số bám dính thường được tính theo công thức [17]:

Lực cản đoàn tàu gồm các loại: lực cản cơ bản và lực cản phụ Lực cản

cơ bản tồn tại trong mọi tình huống khi tàu chuyển động, lực cản phụ là lực

cản chỉ được sinh ra khi tàu làm việc trong điều kiện đặc biệt như: lực cản do

đường dốc, lực cản do đường cong, v v

- Lực cản cơ bản

Lực cản cơ bản là một trong những tham số quan trọng dùng trong tính

toán khả năng kéo của tàu Lực cản cơ bản phụ thuộc vào các yếu tố: lực ma

sát, lực xung kích, chấn động giữa bánh xe với ray, giữa đầu tàu với các

F - lực cản cơ bản của đầu tàu, goòng, N;

A – thành phần lực cản lăn của các bộ phận không phụ thuộc vào tốc độ

của tàu;

B – thành phần lực cản phụ thuộc vào tốc độ tàu: lực ma sát giữa vành

bánh xe và ray, lực va đập giữa vành bánh xe với đường ray, sự gợn sóng của đường ray và lực cản giữa bánh xe và ray;

C – Hệ số sức cản không khí phụ thuộc vào diện tích cản không khí

của tàu;

D – hệ số khí động học

Hệ số C và D phụ thuộc áp suất không khí đầu và cuối đoàn tàu, sự

chuyển động không đều giữa các toa tàu v v

v – vận tốc chuyển động của tàu, km/h

Trong tính toán lực cản cơ bản đoàn tàu thường dùng lực cản đơn vị:

Trong đó: a,b,c – các hệ số thực nghiệm phản ánh trạng thái mặt

đường, cấu trúc đoàn tàu, loại dầu mỡ bôi trơn

Theo [2], một số công thức thực nghiệm tính lực cản cơ bản đơn vị cho đầu tàu điện và goòng trong công nghiệp mỏ là:

Đối với đầu tàu điện trên đường cố định:

Đối với toa xe có tải bốn trục trên đường cố định cỡ tiêu chuẩn:

Lực cản đơn vị đo độ dốc của đường gây ra (i) được tính bằng độ dốc

của đường (i), tính theo phần nghìn:

,

Trong đó:

dấu (+) sử dụng khi tàu chuyển động lên dốc;

dấu (-) sử dụng khi tàu chuyển động xuống dốc

c

l R

 

Trong đó:

x

l - cương cự của goòng, m;

 - hệ số kể đến ảnh hưởng của việc chất tải (đối với goòng không tải:

 =1, goòng có tải  = 0,85)

 - hệ số tính đến quán tính các phần quay của đoàn tàu điện như bánh

xe di chuyển, bánh răng trong hộp giảm tốc, đối với đoàn tàu   1,075

,

a g - gia tốc tàu điện, gia tốc trọng trường, m/s2

Như vậy, lực cản đơn vị của đoàn tàu được xác định theo công thức:

1.4.2.5 Phương trình chuyển động tổng quát của đoàn tàu điện mỏ

Khác với các loại chuyển động bánh răng, truyền động xích; truyền động giữa bánh xe chủ động của đầu tàu với đường ray được thực hiện nhờ lực bám dính; lực do động cơ sinh ra sau khi khắc phục các tổn hao, phần còn lại sẽ hoàn toàn trở thành lực kéo của đầu tàu chỉ khi lực kéo của động cơ nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dính; ngược lại, khi lực kéo do động cơ sinh ra lớn hơn lực bám dính sẽ gây lên hiện tượng trượt giữa bánh xe chủ động và đường ray Tùy theo mức độ mà có thể xảy ra các trường hợp: bánh xe vừa lăn vừa bị trượt trên đường ray, hoặc nếu như lực kéo quá lớn so với lực bám dính thì quá trình truyền động bị phá vỡ, bánh xe bị trượt hoàn toàn, tàu không chuyển động được mặc dù mômen do động cơ sinh ra rất lớn Tuy nhiên, trạng thái sự cố này chỉ xảy ra khi mặt đường ray quá trơn Khi đó, người ta xử lý bằng cách rắc cát lên mặt đường ray để tăng hệ số bám dính

động cơ sinh ra (bằng giá trị của lực bám dính) được chuyển thành lực kéo của đầu tàu, phần còn lại gây ra sự trượt giữa bánh xe và đường ray

Theo quy trình vận hành đoàn tàu điện mỏ [13], [14], [16]; trước khi khởi động, các goòng đã sát nhau hoặc người vận hành phải dồn các goòng sát nhau, nên khi khởi động, các goòng lần lượt tham gia vào đoàn tàu tùy thuộc vào khoảng thời gian khắc phục khoảng cách giữa đầu tàu với goòng và giữa các goòng với nhau

Phương trình chuyển động của đoàn tàu trong trường này được xác định

(1.25) Trong đó: mt- khối lượng của goòng, kg

khi tàu chuyển động không trượt:

X- đoạn đường tàu đi được bằng tổng khoảng cách nối giữa các goòng, m

Kết thúc quá trình khởi động, các goòng coi như được nối cứng với đầu tàu và phương trình chuyển động của đoàn tàu được viết:

1.4.3 Đặc tính làm việc của tàu điện

Đặc tính phụ tải của hệ truyền động kéo có dạng như hình 1.2

Hình 1.2 Đặc tính phụ tải của hệ truyền động kéo

Với loại phụ tải này khi hệ chuyển động làm việc trong vùng 1 mômen cản nhỏ, tốc độ chuyển động lớn, lúc này điều khiển tốc độ cho phép công suất biến thiên và mômen không đổi Khi chuyển động làm việc ở vùng 2 có tốc độ nhỏ và mômen cản lớn, quá trình điều chỉnh tốc độ luôn luôn giữ quan

hệ công suất không đổi, mômen biến thiên Phụ tải càng tăng, tốc độ càng giảm, đây chính là phụ tải của chuyển động kéo trong các hệ truyền động ở các lĩnh vực của ngành giao thông vận tải

Đối với chuyển động kéo trong tàu điện người ta có thể sử dụng các loại động cơ sau:

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp;

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp nhưng các cuộn dây kích từ làm việc với các chế độ khác nhau;

- Động cơ điện xoay chiều

Với 3 loại động cơ trên có 3 phương án truyền động cho tàu điện, việc phân tích để lựa chọn phương án thích hợp được trình bày trong chương 2 dưới đây

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

Xuất phát từ nguồn cung cấp là ắc qui nên có ba phương án có thể được

sử dụng là: động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp; hệ điều khiển véc tơ biến tần - động cơ điện xoay chiều và hệ thống xung điện áp, sau đây nghiên cứu

ba phương án này để lựa chọn phương án tối ưu cải tạo hệ thống cũ

2.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP

Sơ đồ nguyên lý truyền động động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Trong đó:

- RKt : điện trở cuộn dây kích từ

- LKt : điện cảm cuộn dây kích từ

Các phương trình cơ bản của động cơ một chiều kích từ nối tiếp:

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống

Từ các phương trình trên ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống như sau:

- Đặc tính tĩnh của động cơ khi thay đổi điện áp nhƣ hình vẽ:

- Sơ đồ hãm động năng của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: