Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN, NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG TÀU ĐIỆN Ở CÁC MỎ THAN QUẢNG NINH

Nhằm đáp ứng yêu cầu tăng năng lực vận tải, tiết kiệm điện năng, giảmgiá thành sản xuất, nâng cao độ an toàn nổ trong hầm mỏ và ứng dụng nhữngtiến bộ khoa học kỹ thuật mới vào lĩnh vực đ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

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

MỎ THAN QUẢNG NINH

NGUYỄN HOÀNG TRUNG

THÁI NGUYÊN, NĂM 2010

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN, NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG 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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀINGHIÊN CỨU CẢI TIẾN, NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG TÀU ĐIỆN

Ở CÁC MỎ THAN QUẢNG NINH

Học viên: Nguyễn Hoàng TrungLớp: TĐH- K11

Chuyên ngành: Tự động hóaNgười HD khoa học: PGS.TS Võ Quang LạpNgày giao đề tài: 01/01/2010

Ngày hoàn thành: 30/7/2010

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN

PGS.TS Võ Quang Lạp Nguyễn Hoàng Trung

MỤC LỤC

TrangLời 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

2.4 Hệ thống truyền động xung điện áp – động cơ

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

33

Chương 3- TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO TÀU

ĐIỆN

45

3.1 Xây dựng sơ đồ khối cho hệ truyền động 45

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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT

ACV : Nguồn xoay chiều

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

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

T(s) : Bộ xung biến đổi điện áp (PWM)

H(S) : Khâu lưu giữ 0

U

d

: Điện áp ra của bộ biến đổi PWM

c

: 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

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình vẽ Tên hình vẽ Trang

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 3.16 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động khi tàu kéo tải nặng sau

khi biến đổi từ hình 3.15

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 3.21 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động 67

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

Hình 4.9 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển truyền động tàu điện

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

77

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các sốliệu, 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

- Các thầy, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa điện và các bạn học viênlớp TĐH - K11 trường ĐHKT Công nghiệp Thái Nguyên, đã quan tâm giúp

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 sựgóp ý chân thành và sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè đồngnghiệp 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

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 mỏthan hầm lò ở Quảng Ninh để vận chuyển than, đất đá, vật liệu, thiết bị và conngười; vận tải tàu điện ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất khai thác và giáthành sản xuất than

Hiện nay, động cơ dẫn động của các tàu điện mỏ là động cơ điện mộtchiều kích từ nối tiếp, điều khiển các chế độ làm việc của tàu chủ yếu bằngphương 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 cácđiện trở điều chỉnh đặc biệt khi tàu phải làm việc ở tốc độ thấp Gây tia lửagiữa 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 chuyểnđộng của tàu theo cấp điện trở, cấp điện áp nên tàu làm việc thường bị giật, dễgây 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, giảmgiá thành sản xuất, nâng cao độ an toàn nổ trong hầm mỏ và ứng dụng nhữngtiến 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 cầnthiết Ngoài việc thành công trong nghiên cứu còn mang tính ứng dụng thựctiễn cho sản xuất góp phần nâng cao chất lượng hệ truyền động tàu điện nhằmgiảm 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 QuảngNinh, từ đó đề xuất cải tạo nâng cấp hệ thống nhằm đảm bảo chất lượng hiệusuất 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 bảochất lượng, nâng cao hiệu suất làm việc của hệ truyền động cho tàu điện làmviệc 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 thanQuảng 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

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VIỆC SỬ DỤNG TÀU ĐIỆN

Ở CÁC MỎ THAN QUẢNG NINH

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO TÀU ĐIỆN

CHƯƠNG 4: NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG

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 thôngcông cộng ở thành phố và vận tải trong các hầm mỏ; tuy nhiên đến năm 90của thế kỷ XX, hệ thống vận tải tàu điện ở thành phố được dỡ bỏ vì công nghệvận tải tàu điện lạc hậu, không đảm bảo mỹ quan, không đáp ứng được cácyêu cầu của giao thông đô thị

Ở các mỏ than vùng Quảng Ninh, do tính phức tạp của công nghệ khaithác, khối lượng công việc vận chuyển lớn, thiết bị vận tải đa dạng; theo kinhnghiệm của các nước tiên tiến, và từ thực tế sản xuất, nhân lực phục vụ vậntải 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 đápứng 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 hợpnhằm 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, dễbảo quản sử dụng và điều khiển, chi phí sản xuất nhỏ, không ồn, không gâybụi, 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 làmphương tiện vận chuyển chính Theo số liệu khảo sát các mỏ than lớn và trungbình ở vùng Quảng Ninh, hiện tại có hàng trăm tàu điện hoạt động, số lượngđầu 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 vùngQuảng Ninh

Số lượng (chiếc)

Công suất động cơ ( kW)

1 Công ty than Khe Chàm CDXT-8 Trung Quốc 4 2x15

6 Công ty than Mông

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 tháccủa 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 lộthiên giảm, sản lượng than khai thác hầm lò tăng Đến năm 2025, tổng sảnlượng than khai thác là 70,57 triệu tấn trong đó 56,72 triệu tấn than khai tháctheo phương pháp hầm lò chiếm 80,38% [1], [8]

Trong điều kiện khai thác xuống sâu, lượng khí CH4 tăng, để đảm bảo

an toàn, những mỏ than xếp loại khí nổ hạng III không được sử dụng tàu điệncần 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 - kỹthuật trong khâu vận tải thì tàu điện ngày càng được sử dụng nhiều trong côngnghệ 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 vàTrung Quốc sản xuất để vận chuyển than từ các hầm lò, vận chuyển đất đá từcác lò ra ngoài chân giếng, sau đó chuyển tiếp lên mặt bằng trục tải hoặc băngtải, đồng thời chuyển vật tư, thiết bị, máy móc từ ngoài vào các khu vựcsản xuất

Tàu điện sử dụng ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh gồm có hailoại là tàu điện cần vẹt và tàu điện ắc quy, các loại tàu này có đặc điểm khốilượng đầu tàu nhỏ và vừa, công suất từ 2,05 kW đến 90 kW, tỷ số truyền hộpgiảm tốc lớn, tốc độ chuyển động của tàu thấp Đặc tính kỹ thuật của các đầutàu 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

350

112THK-400KT

DG-Theo qui hoạch phát triển của ngành than, trong những năm tới, để đảmbảo sản lượng than khai thác thì số lượng các mỏ hầm lò sẽ phải tăng lên vàngày càng khai thác xuống sâu; theo đó, hàm lượng khí mêtan tăng, để đảmbảo 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 thốngđường 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 nhỏkéo goòng 1 tấn, đường cỡ 900 mm sử dụng cho tàu công suất lớn hơn kéogoòng 3 tấn Ray làm đường sắt tàu điện mỏ là ray P18, P24 và P33 Chiều dàituyến 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 cóbán kính nhỏ; độ dốc trung bình khoảng từ 30/00 đến 50/00, đặc biệt có đoạn dốctới 110/00

Do điều kiện địa chất mỏ phức tạp, không ổn định, độ cứng của nềnđường không tốt đã ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống đường sắt, làm tănglực cản đoàn tàu; mặt khác mặt đường sắt thường ẩm ướt, có nhiều bùn, bụithan ảnh hưởng nhiều đến hệ số bám dính giữa dường ray và bánh xe Nhìnchung, tình trạng kỹ thuật hệ thống đường sắt vận tải tàu điện ở các mỏ thanhầm lò Quảng Ninh rất phức tạp, tính năng kỹ thuật không cao, ảnh hưởngđến tóc độ chạy tàu, tốc độ lớn nhất của đoàn tàu điện mỏ chỉ đạt khoảng 12km/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 khiểntheo phương pháp điều chỉnh điện trở nối tiếp mạch phần ứng kết hợp với sựthay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ theo cấp, bằng cách chuyển đấu từnối 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

8

7

R1 R2B

4 2

CKt1 CKt2

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

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

B 3-5

D8 D10

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 QuảngNinh 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 trởđiều 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 điềukhiển [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 pháttriển 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 thanhầm lò, do sơ đồ công nghệ khai thác của các mỏ than vùng Quảng Ninh rấtphức tạp, thiết bị vận tải đa dạng để đáp ứng yêu cầu khai thác và hiệu quảkinh tế, các mỏ đều phải tính toán lựa chọn sơ đồ công nghệ vận tải hợp lýtrong đó đều sử dụng tàu điện là thiết bị vận tải chủ yếu, vì vậy tàu điện có vịtrí 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 rayhẹp 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 cảnhững 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 truyềnđộng tàu điện sử dụng phương pháp xung điện áp trong tàu điện mỏ để nângcao năng lực vận tải và giảm chi phí năng lượng tăng hiệu suất của thiết bịgiảm giá thành sản xuất ở các mỏ than Quảng Ninh là rất cần thiết, có ý nghĩakhoa 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 hóađoàn tàu, coi đoàn tàu như một vật có khối lượng (m) tập trung tại trọng tâmcủa 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 màcác móc nối nối đầu tàu với goòng và giữa các goòng với nhau, bỏ qua cáchiện 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 cókhoảng cách

1.4.2 Các lực tác dụng lên đoàn tàu

Giả sử đoàn tàu gồm có đầu tàu khối lượng (m đt) nối với n goòng cókhối lượng m i  i( 1đến n) thì khi tàu làm việc, các lực tác dụng lên đầu tàu làlực kéo, lực cản và lực đàn hồi, còn các lực tác dụng lên goòng thứ (i) là lựccản 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 tiếpnhau, 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 đếnbánh xe chủ động của tàu Giả sử mômen bánh xe chủ động có chiều cùngchiều 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 bằngbán kính vòng lăn của bánh xe ( )

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 tàukhông làm tàu chuyển động tịnh tiến được Lực F k có xu hướng làm chođiểm A của bánh xe trượt tương đối với đường ray, nhưng do có sự bám dính

bx

F’ K

giữa bánh xe với mặt đường ray nên khi có lực F k sẽ xuất hiện lực ma sát bámdính F bd cản lại sự trượt của bánh xe, đây là ngoại lực làm tàu chuyển độngtịnh tiến.

Lực do các động cơ tàu điện sinh ra được truyền đến các bánh xe chủđộng gọi là lực kéo của động cơ F, nó phụ thuộc vào năng lượng nguồn cungcấp, phương pháp điều khiển, công suất động cơ và được xác định:

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 tuyếntính, 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 cơtrên 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 chiềuchuyển động của đoàn tàu và được tạo ra bằng phương pháp nhân tạo Vận tảiđường sắt trong mỏ thường sử dụng hai phương pháp hãm cơ bản: phươngpháp thứ nhất là hãm bằng phanh cơ, lực ma sát giữa má phanh và bánh xe làngoại lực để hãm tàu, được tạo ra từ các bộ truyền động cơ khí, thủy lực, hoặckhí 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), lựchãm được tính:

e i h bx

T k F R

Cũng như lực kéo, lực hãm bị giới hạn bởi điều kiện bám dính giữabánh 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 masát tĩnh có trị số lớn nhất bằng tích phản lực thẳng đứng của ray lên bánh xevới 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 dịchchuyển liên tục cùng với bánh xe theo dọc đường ray Nếu lực kéo F k vượtquá giá trị lực ma sát tĩnh lớn nhất thì sự cân bằng bị phá hủy, và bánh xe bắtđầu trượt, lực ma sát giữa bánh xe và đường ray giảm xuống theo mức độtăng 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 tuyếnvới bề mặt tại điểm lăn của nó với bề mặt đường ray, và về bản chất, nó làgiới 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 cáctrạng thái có nhiều bụi, bùn than, trơn, ẩm ướt và khô, tốc độ chuyển động củatàu 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 lựccản chỉ được sinh ra khi tàu làm việc trong điều kiện đặc biệt như: lực cản dođường 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 tínhtoán khả năng kéo của tàu Lực cản cơ bản phụ thuộc vào các yếu tố: lực masát, lực xung kích, chấn động giữa bánh xe với ray, giữa đầu tàu với cácgoòng, lực cản không khí v v

Lực cản đoàn tàu được xác định theo công thức thực nghiệm, theo [2],[17], [20]:

2

co

F  A Bv CDv (1.13)Trong đó:

co

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 củađường 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 chođầu 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 phụ

Lực cản phụ chỉ xuất hiện khi đoàn tàu chuyển động trên đường dốc,đường cong và chuyển động có quán tính, lực cản phụ được xác định theophương pháp thực nghiệm

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

của đường (i), tính theo phần nghìn:

,

i i

Trong đó:

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

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

Lực cản đơn vị do độ cong của đường gây ra (c) được xác định theo

công thức [2]: 240 .x m

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:

0 c i qt

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; truyềnđộng giữa bánh xe chủ động của đầu tàu với đường ray được thực hiện nhờlực bám dính; lực do động cơ sinh ra sau khi khắc phục các tổn hao, phần cònlại sẽ hoàn toàn trở thành lực kéo của đầu tàu chỉ khi lực kéo của động cơ nhỏhơn hoặc bằng lực bám dính; ngược lại, khi lực kéo do động cơ sinh ra lớnhơn lực bám dính sẽ gây lên hiện tượng trượt giữa bánh xe chủ động vàđường ray Tùy theo mức độ mà có thể xảy ra các trường hợp: bánh xe vừalăn vừa bị trượt trên đường ray, hoặc nếu như lực kéo quá lớn so với lực bámdính thì quá trình truyền động bị phá vỡ, bánh xe bị trượt hoàn toàn, tàukhông chuyển động được mặc dù mômen do động cơ sinh ra rất lớn Tuynhiên, 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.Khi lực kéo của động cơ lớn hơn lực bám dính thì chỉ có một phần lực kéo do

động cơ sinh ra (bằng giá trị của lực bám dính) được chuyển thành lực kéocủa 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 khikhởi động, các goòng đã sát nhau hoặc người vận hành phải dồn các goòngsát nhau, nên khi khởi động, các goòng lần lượt tham gia vào đoàn tàu tùythuộc vào khoảng thời gian khắc phục khoảng cách giữa đầu tàu với goòng vàgiữa các goòng với nhau

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

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

khi tàu chuyển động không trượt:

 - là hệ số nối goòng trong đoàn tàu và được xác định:

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 đầutàu 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 mômencản nhỏ, tốc độ chuyển động lớn, lúc này điều khiển tốc độ cho phép côngsuất biến thiên và mômen không đổi Khi chuyển động làm việc ở vùng 2 cótốc 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 cànggiảm, đây chính là phụ tải của chuyển động kéo trong các hệ truyền động ởcác lĩnh vực của ngành giao thông vận tải

Đối với chuyển động kéo trong tàu điện người ta có thể sử dụng cácloại 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 từlàm 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, việcphân tích để lựa chọn phương án thích hợp được trình bày trong chương 2dưới đây

CHƯƠNG 2PHÂN 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 biếntần - 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: