Nghiên cứu ứng dụng động cơ điện xoay chiều truyền động chạy tàu điện mỏ để nâng cao năng lực vận tải trong mỏ có khí và bụi nổ

Bộ giáo dục và đào tạo

Trờng đại học mỏ - địa chất





Don Văn Thanh





Nghiên cứu ứng dụng
động cơ điện xoay chiều truyền động cho
tu điện mỏ để nâng cao năng lực vận tải
trong mỏ có khí v bụi nổ





Chuyên ngành: Tự động hoá quá trình sản xuất
M số: 2.05.18



Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật

H Nội-2008

Công trình đợc hoàn thành tại:
Bộ môn Tự động hoá, Khoa Cơ điện
Trờng đại học Mỏ - Địa chất


Ngời hớng dẫn khoa học:
PGS.TS. Thái Duy Thức
Trờng đại học Mỏ - Địa chất

Phản biện 1:



Phản biện 2:



Phản biện 3:


Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp Nhà
nớc, họp tại Trờng đại học Mỏ - Địa chất
Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà Nội.
Vào hồi giờ ngàythángnăm 2008.

Có thể tìm hiểu luận án tại Th viện Quốc gia, Hà Nội
hoặc Th viện Trờng đại học Mỏ - Địa chất.

Các công trình của tác giả đ công bố có
liên quan đến nội dung luận án

1. Doãn Văn Thanh (2004), Nghiên cứu ứng dụng truyền
động nghịch lu- động cơ xoay chiều trong tàu điện
mỏ, Tuyển tập báo cáo Hội thảo Khoa học Kỹ thuật
mỏ toàn quốc lần thứ XVI, tr. 303-305.
2. Doãn Văn Thanh (2004), Nghiên cứu Hệ thống truyền
động xoay chiều trong tàu điện mỏ, Tuyển tập báo
cáo Hội nghị Khoa học lần thứ 16, tr. 232-235.
3. Doãn Văn Thanh (2006), Nghiên cứu động lực học hệ
truyền động nghịch lu- động cơ rotor lồng sóc cho
tàu điện mỏ, Tuyển tập báo cáo Hội thảo Khoa học
Kỹ thuật mỏ toàn quốc lần thứ XVII, tr. 548-551.
4. Doãn Văn Thanh (2007), Một vài kết quả nghiên cứu ứng
dụng truyền động điện xoay chiều cho tàu điện mỏ,
Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất, (18), tr. 49-
53.
5. Doãn Văn Thanh (2007), Nghiên cứu lực cản đoàn
tàu điện mỏ, Tạp chí Công nghiệp mỏ, (3), tr. 16-18.


24
năng(35%) trên điện trở phụ; xuất hiện các tia lửa giữa cổ góp và chổi
than, giữa các tiếp điểm làm tăng chi phí vận hành, đầu t.
3. Việc nghiên cứu coi đoàn tàu gồm nhiều phần tử nối với nhau
có khe hở đã tính toán đợc các đặc tính động lực học mà đặc biệt là
đặc tính lực cản của tàu có độ chính xác cao, phù hợp thực tế hơn so
với phơng pháp tính toán cũ, coi hệ là một khối. Lực cản đoàn tàu
điện mỏ sẽ tăng lên theo bậc trong quá trình khởi động, quá trình hãm

và đạt giá trị lớn nhất khi tàu đã rắn hoá.
4. Phơng pháp điều khiển mômen động cơ tàu điện mỏ thoả mãn
điều kiện bám dính giữa bánh xe và đờng ray (F F
bd
) cho thấy tàu
làm việc hiệu quả và không bị trợt.
5. Các đặc tính động lực học hệ nghịch lu - động cơ KĐB rotor
lồng sóc điều khiển vector tựa từ thông rotor, điều khiển theo điều kiện
bám dính đã đáp ứng đợc các yêu cầu truyền động phức tạp của tàu
điện, đã đợc kiểm chứng trên một đoàn tàu thực tế; nó khẳng định khả
năng truyền động đợc của hệ xoay chiều đối với tàu điện mỏ.
6. Tàu điện mỏ truyền động bằng động cơ KĐB rotor lồng sóc điều
khiển vector tựa từ thông rotor, điều khiển theo điều kiện bám dính tạo
đợc lực kéo đủ lớn, đáp ứng nhanh để khắc phục sự thay đổi lớn của
tải; điều chỉnh tốc độ êm dịu trong phạm vi rộng; không bị trợt bánh
khi làm việc; hãm, dừng và đổi chiều chuyển động linh hoạt; tiết kiệm
điện năng, chi phí bảo dỡng, sữa chữa thấp; độ an toàn nổ cao.
2. Kiến nghị
1. Thông báo kết quả nghiên cứu của luận án đến các cơ sở sản
xuất kinh doanh than, Tập đoàn Than - Khoáng sản Việt Nam để
nghiên cứu áp dụng.
2. Chế tạo thử tàu điện ắc qui truyền động bằng động cơ KĐB rotor
lồng sóc điều khiển vector tựa từ thông rotor, điều khiển theo điều
kiện bám dính để làm việc trong môi trờng mỏ có khí và bụi nổ.

1
Mở đầu
1.Tính cấp thiết của đề tài luận án
Tàu điện là thiết bị vận tải chủ yếu đợc sử dụng phổ biến trong
các mỏ than hầm lò ở Việt Nam để vận chuyển than, đất đá, vật liệu,

thiết bị và con ngời, vận tải tàu điện ảnh hởng 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 (KTNT), điều khiển các chế độ làm
việc của tàu chủ yếu bằng phơng pháp điều chỉnh điện trở phụ Hệ
truyền động điện một chiều KTNT tạo đợc đặc tính kéo nh đặc
tính kéo lý tởng của tàu. Tuy vậy, còn có những nhợc điểm: làm
tổn thất điện năng trên các điện trở điều chỉnh, 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 thờng xuyên bảo dỡng,
sửa chữa; tàu làm việc thờng bị trợt bánh làm giảm khả năng
thông qua của đờng. Vì vậy việc nghiên cứu hệ truyền động xoay
chiều tiết kiệm điện năng, làm việc hiệu quả trong các tàu điện mỏ
có tính thời sự và cấp thiết.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
- Đánh giá công tác vận tải tàu điện trong hệ thống vận tải mỏ.
- Đánh giá hệ truyền động một chiều KTNT trong tàu điện mỏ.
- Xây dựng phơng pháp điều khiển động cơ không đồng
bộ(KĐB) xoay chiều 3 pha truyền động cho tàu diện mỏ.
- Đánh giá khả năng và kiến nghị ứng dụng động cơ điện xoay
chiều vào thực tiễn truyền động tàu điện để tiết kiệm năng lợng,
nâng cao độ an toàn nổ và hiệu quả kinh tế trong khâu vận tải tàu
điện ở các mỏ than hầm lò của Việt Nam.

2
3. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tợng nghiên cứu là các hệ truyền động tàu điện ắc qui
trong các mỏ than hầm lò. Đây là vấn đề khá rộng nên luận án chỉ
giới hạn trong phạm vi các hệ động cơ điện một chiều KTNT điều
khiển theo phơng pháp thay đổi điện trở phụ, điện áp phần ứng theo

cấp, hệ nghịch lu- động cơ KĐB rotor lồng sóc truyền động cho tàu
điện ắc qui làm việc trong các mỏ than hầm của Việt Nam.
4. Nội dung nghiên cứu
-Nghiên cứu tổng quan công tác vận tải tàu điện, hệ truyền động
của tàu điện trong các mỏ than hầm lò ở Việt Nam và trên thế giới.
-Nghiên cứu động lực học hệ truyền động tàu điện ở các mỏ
than hầm lò của Việt Nam.
-Nghiên cứu đặc điểm vận tải tàu điện trong các mỏ than hầm lò
của Việt Nam.
-Xây dựng mô hình và nghiên cứu động lực học hệ nghịch lu -
động cơ không đồng bộ truyền động cho tàu điện mỏ.
-Nghiên cứu xác định luật điều khiển hệ nghịch lu - động cơ
không đồng bộ truyền động cho tàu điện mỏ.
-Nghiên cứu xây dựng mô hình và thực nghiệm hệ nghịch lu -
động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc truyền động cho tàu điện mỏ.
-Kết luận và kiến nghị.
5. Phơng pháp nghiên cứu
- phơng pháp quan sát, phân tích khoa học.
- Phơng pháp mô hình hóa bằng phần mềm Matlab 7.0.4.
- Phơng pháp thực nghiệm khoa học.
6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Luận án xây dựng đợc mô hình tính lực cản phản ánh đúng
bản chất lực cản của đoàn tàu điện mỏ giúp việc nghiên cứu động

23
trong dải tốc độ từ 0 đến 180 rad/s, điều chỉnh tốc độ êm dịu.
*Hình 4.9, hình 4.10 trình bày tàu khởi động, làm việc ở các chế độ tải
và lực cản khác nhau nh tàu không tải khởi động trên đờng bằng,
đờng vòng lên dốc; tàu có tải khởi động trên đờng vòng gấp lên dốc.

a, Khởi động kéo goòng lên dốc b, Đẩy goòng có tải vào cua








c, Đẩy goòng vào cua lên dốc b, Kéo goòng vào cua lên dốc

Hình 4.10. Đẩy, kéo goòng có tải vào cua lên dốc
Kết luận v kiến nghị
1. Kết luận
1. ở các mỏ than hầm lò củaViệt Nam, tàu điện có nhiệm vụ vận
chuyển than, đất đá, máy móc, thiết bị, vật liệu và công nhân để phục
vụ công nghệ khai thác. Năng suất vận tải tàu điện ảnh hởng đến tiến
độ khai thác và hiệu quả sản xuất kinh doanh than.
2. Các tàu điện mỏ của Việt Nam truyền động bằng động cơ điện
một chiều KTNT, điều khiển theo phơng pháp thay đổi điện trở phụ,
điện áp mạch phần ứng động cơ. Khi làm việc, tàu chuyển động
không êm, hay bị trợt bánh, bị cặm; gây tổn thất nhiều điện

22
1024- 6 - L-5; các đồng hồ đo dòng, áp.
4.3. Tiến hành thực nghiệm
- Cài đặt, cho tàu làm việc ở chế độ điều khiển tần số theo luật
U/f, tàu không làm việc đợc khi lực cản thay đổi (vào đờng vòng)
nghĩa là mômen động cơ không đáp ứng kịp thời với sự thay đổi của
mômen cản.
- Cài đặt, điều khiển động cơ truyền động theo phơng pháp
vector tựa từ thông rotor, cho tàu làm việc theo các bớc: khởi động
không tải, khởi động có tải trên đờng bằng, đờng vòng lên dốc, tăng
số goòng có tải; quan sát quá trình chuyển động của tàu, ghi lại các
thông số thực nghiệm nh điện áp, tần số, dòng điện của động cơ.
4.4. Kết quả thực nghiệm
Từ số liệu thực nghiệm xây dựng đợc họ đờng đặc tính cơ của
động cơ tryền động, hình 4.8.

Tàu điện thực nghiệm có khả năng làm việc quá tải tới 200%
0 10 20 30 40 50 60
30
60
90
120
150
180
210
T
e
,T
c
(Nm)
240

(Rad/s)
Hình 4.8. Họ đờng đặc tính cơ động cơ tàu điện thực nghiệm

3
lực học đoàn tàu chính xác và sát với thực tế hơn.
- Luận án làm sáng tỏ những u điểm và tồn tại của hệ truyền
động điện một chiều KTNT điều khiển bằng điện trở phụ, điện áp
theo cấp.

- Xác định đợc luật điều khiển động cơ không đồng bộ rotor
lồng sóc đáp ứng các yêu cầu truyền động phức tạp của tàu điện mỏ.
- Kết quả nghiên cứu của luận án giúp cho các cơ quan t vấn,
thiết kế, các doanh nghiệp có thể triển khai áp dụng cải tiến các hệ
truyền động điện hiện có của các tàu điện hoặc chế tạo các tàu điện
mới để nâng cao năng lực, an toàn và hiệu quả công tác vận tải tàu
điện ở các mỏ than hầm lò của Việt Nam.
7. Những đóng góp mới của luận án
- Đã lập đợc mô hình động lực học chính xác, có tính mở của
hệ truyền động điện một chiều KTNT cho tàu điện ắc qui trong mỏ
than, sử dụng phần mềm Matlab để tính và giải các biến của mô
hình. Trong đó, phơng pháp tính lực cản coi đoàn tàu có nhiều
goòng nối với nhau bằng những phần tử đàn hồi có khe hở là phơng
pháp tính tổng quát, phù hợp với đoàn tàu điện mỏ; còn phơng pháp
coi đoàn tàu là chất điểm có khối lợng nh trớc đây chỉ là một
trờng hợp đặc biệt.
-Phân tích, đánh giá đợc ảnh hởng quá trình trợt trong hệ
bánh xe đờng ray đến khả năng kéo của tàu, trên cơ sở đó xây dựng
phơng pháp điều khiển tàu phù hợp.
- Lập đợc mô hình động lực học của hệ truyền động điện xoay
chiều KĐB rotor lồng sóc cho tàu điện mỏ, điều khiển vector tựa từ
thông rotor và theo điều kiện bám dính. Động cơ có khả năng sinh ra
mômen đủ lớn và đáp ứng nhanh theo tải nhng không vợt quá giá
trị của mômen bám dính, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng đáp ứng

4
đợc các yêu cầu truyền động của tàu điện. Vì vậy hệ truyền động
xoay chiều với phơng pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor và
điều kiện bám dính dẫn động đợc cho tàu điện mỏ.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm và ứng dụng thành công hệ điều

khiển tần số động cơ KĐB cho một đoàn tàu thực tế. Các số liệu thực
nghiệm đã chỉ ra khả năng thực tiễn của hệ truyền động này.
8. Bố cục của luận án
Luận án đợc trình bày trong 145 trang đánh máy không kể
trang bìa, mục lục, các danh mục bảng, hình vẽ và phụ lục. Luận án
gồm phần mở đầu, 4 chơng, kết luận và kiến nghị. Trong luận án có
114 hình vẽ và đồ thị, 6 ảnh minh hoạ, 14 bảng số liệu và 51 tài liệu
tham khảo.
Lời cảm ơn
Trong suốt thời gian nghiên cứu, tác giả đã nhận đợc sự hớng
dẫn tận tình của PGS.TS. Thái Duy Thức, tác giả còn nhận đợc
nhiều ý kiến góp ý quan trọng và những hỗ trợ quý của các nhà khoa
học: PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn, PGS.TS Bùi Đình Tiếu, PGS.TS Lê
Tòng, PGS.TS. Đào Văn Tân, PGS.TS. Nguyễn Văn Kháng, PGS.TS.
Nguyễn Anh Nghĩa, TS. Nguyễn Chí Tình, TS. Phan Minh Tạo, TS.
Trần Minh. TS. Trần Bá Đề, PGS.TS. Lê Văn Doanh, PGS.TS. Tô
Văn Dực, TS. Phạm Công Hoà, TS. Đinh Văn Thắng, TS. Đào Đắc
Tạo, TS. Kim Ngọc Linh. TS. Đào Đắc Tuyên, TS. Nguyễn Ngọc
Vĩnh, TS. Đinh Văn Chiến, của bộ môn Tự động hoá, khoa Cơ
điện, phòng Đại học và Sau đại học, Tập đoàn Than Khoáng sản
Việt Nam; tác giả nhận đợc sự quan tâm, động viên, giúp đỡ của
Hiệu trởng trờng Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, các đồng
nghiệp, của ngời thân và gia đình.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn tất cả những sự giúp đỡ quý báu đó!

21
điều chỉnh mômen động cơ phù hợp với mômen cản vì vậy khắc
phục đợc lực cản của tàu khi khởi động, khi quá tải; không xảy ra
hiện tợng trợt giữa bánh xe và đờng ray.

Điều khiển vô cấp đợc tốc độ động cơ trong phạm vi rộng,

không làm tổn thất điện năng, có thể nạp bổ sung năng lợng vào
ắc qui.
Dòng điện khởi động, hãm, đổi chiều lớn nhất của động cơ
có thể khống chế đợc. Vì vậy, động cơ KĐB rotor lồng sóc điều
khiển vector tựa từ thông rotor, theo luật bám dính, có trang bị
phòng nổ truyền động đợc cho tàu điện ắc qui để làm việc an toàn
và hiệu quả trong các mỏ than hầm lò ở Việt Nam.
Chơng 4 - Thực nghiệm hệ Nghịch lu - Động cơ
không đồng bộ rotor lồng sóc truyền động
cho tu điện mỏ
4.1. Lực cản đoàn tàu thực nghiệm
Từ sơ đồ đờng tàu thực nghiệm và biểu thức lực cản::

()






+++= i
R
l
vbaQPF
mx
tdc

240

1

tính đợc lực cản đoàn tàu qui đổi về trục động cơ ở các tốc độ
khác nhau, ttrong điều kiện thực nghiệm, mômen cản trên trục
động cơ thay đổi từ giá trị thấp nhất là 2,3 Nm đến giá trị cao nhất
là 33,2 Nm, gấp hai lần mômen định mức của động cơ
4.2. Đầu tàu thực nghiệm
Đầu tàu thực nghiệm có tên gọi là AC INTER 97 có cấu
tạo cơ khí, thông số kỹ thuật của tàu điện AK-2Y. Tàu đợc lắp đặt
hệ truyền động NL-ĐCKĐB rotor lồng sóc điều khiển theo phơng
pháp tựa từ thông rotor, gồm các thiết bị sau: Động cơ không đồng
bộ rotor lồng sóc, công suất 2,2 kW; biến tần Micromaster 440-
6SE6440-2UD23-0BA1, công suất 3kW; Bộ Encoder loại: E80H30-

20
0 1 2 3 4 5 6
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
t (s)
V (km/h)
0 1 2 3 4 5 6

-2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
t(s)
F (N)
Fb
Fk
Fc
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0
1
2
3
4
5
6
7
t(s)
V(km/h)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
-1.5
-1
-0.5
0

0.5
1
1.5
x 10
4
t(s)
F (N)
Fb1
Fk
Fc
Fb2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
-100
-50
0
50
100
150
t(s)
Te1, Tc1, w1(Nm, rad/s)
w1
Te1
Tc1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
-100
-50
0
50
100
150

t(s)
Te2, Tc2, w2(Nm,rad/s)
w2
Te2
Tc2
- Kết quả nghiên cứu
* Tàu có tải khởi động lên dốc










a, V= f(t) b, F
k
= f(t), F
c
= f(t), F
b
= f(t)

Hình 3.51. Động lực học tàu hai động cơ chuyển động lên dốc
* Khởi động và hãm dừng tàu

a, V = f(t) b, F
k
= f(t), F
c
= f(t), F
b
= f(t)











3.8. Đánh giá hệ truyền động xoay chiều trong tàu điện mỏ

Động cơ KĐB rotor lồng sóc điều khiển vecter tựa từ thông
rotor và luật bám dính truyền động cho tàu điện ắc qui mỏ có khả
năng sinh ra mômen lớn, đáp ứng nhanh, làm việc quá tải, tự động
c, T

e1
= f(t), T
c1
=f(t),
1
= f(t) d, T
e2
= f(t), T
c2
=f(t),
2
= f(t)
Hình 3.53. Đặc tính hãm tàu hai động cơ truyền động

5
Chơng 1-Tổng quan tình hình sử dụng
tu điện ở việt nam V trên thế giới
1.1. Tình hình sử dụng tàu điện ở Việt Nam và trên thế giới
Theo qui trình công nghệ khai thác than mỏ hầm lò, hệ thống vận
tải mỏ là tổ hợp của thiết bị vận tải liên tục: băng tải, máng cào, và
không liên tục nh tời trục, tàu điện. Trong đó, tàu điện là phơng tiện
vận tải quan trọng có nhiệm vụ vận chuyển than, đất đá về chân giếng
hoặc ra ngoài mặt bằng và vận chuyển các giàn, giá, cột chống thuỷ
lực, máy móc thiết bị, vật liệu và con ngời vào trong mỏ làm việc.
ở Trung Quốc, công ty tàu điện Fushun Beilong sản xuất các loại
tàu điện ắc qui, tàu điện cần vẹt làm việc trong hầm mỏ có khối lợng:
2,5; 3; 5; 7; 8; 10; 12; 14 và 20 tấn. Tập đoàn chế tạo điện Xiangtan
sản xuất các loại tàu điện công nghiệp có khối lợng 80; 100; 108;
150; 180 tấn. Tàu điện kiểu thờng, kiểu an toàn và kiểu phòng nổ đặc
biệt khối lợng 1,5 -1,8 tấn làm việc trong các mỏ than loại nhỏ và các

công trình ngầm.
Công ty thiết bị Clayton (Anh) chế tạo các loại tàu điện ắc qui,
tàu điện cần vẹt có khối lợng từ 1,7 đến 30 tấn cung cấp cho các mỏ
của các nớc Anh, Iran, Gana, Dambia, Malaxia, Bangladet, v.v
Nga sản xuất tàu điện ắc qui có khối lợng 2; 4,5; 7; 8; 10; 14,5 và 28
tấn; tàu điện cần vẹt loại 4; 7; 10; 14; 28 tấn làm việc trong các mỏ
hầm lò vừa và nhỏ ở các nớc Nga, Kazắcstan, Mông cổ, Trung Đông,
Đông Nam á, Nam Phi. Ngoài ra còn một số công ty chuyên sản
xuất, phân phối và dịch vụ các loại tàu điện trên thế giới: Whitcomb,
Brookville, Trackmobile, Birmingham, Irwin v.v
Trên thế giới, ở các mỏ hầm lò do có những tính chất rất riêng
biệt của công nghệ vận tải nên tàu điện vẫn là phơng tiện vận tải

6
quan trọng, hiệu quả để vận chuyển đất đá, khoáng sản, thiết bị vật t
và con ngời phục vụ sản xuất.
Vận tải tàu điện có u 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 t ban đầu không lớn so với đầu t xây dựng
các tuyến băng chuyền cỡ lớn nên hầu hết các mỏ than khai thác hầm
lò ở nớc ta đều sử dụng tàu điện làm phơng tiện vận chuyển chính.
Theo số liệu khảo sát tại các mỏ than lớn và trung bình vùng Quảng
Ninh, hiện tại có hàng trăm tàu điện đang hoạt động.
Trong thời gian
tới, yêu cầu sản lợng than khai thác than tăng, chủ yếu là công nghệ
khai thác hầm lò nên nhu cầu vận tải tàu điện ngày càng nhiều.
1.2. Tổng quan các phơng pháp điều khiển truyền động tàu điện
mỏ ở Việt Nam và trên thế giới
Động cơ điện một chiều KTNT có đờng đặc tính cơ phù hợp với
đặc tính kéo của tàu, nên từ xa đến nay động cơ này đợc chọn để

truyền động cho tàu điện. Điều khiển tàu chính là điều khiển động cơ
điện bằng các phơng pháp sau:
Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ: điều chỉnh theo cấp nh
dùng biến áp phân cấp có bộ chỉnh lu, thay đổi cách nối nguồn cung
cấp (nguồn ắc qui) hoặc các động cơ điện; điều chỉnh vô cấp dùng bộ
chỉnh lu có điều khiển, bộ băm xung áp.
Điều chỉnh điện trở trong mạch phần ứng động cơ: để hạn chế dòng
điện khi khởi động, điều chỉnh tốc độ, trong mạch phần ứng động cơ
thờng mắc nối tiếp điện trở phụ có trị số tới 0,39 , đợc chia thành
nhiều cấp. Khi bắt đàu khởi động toàn bộ điện trở đợc đa vào mạch,
sau đó đợc loại dần, kết thúc quá trình khởi động tất cả điện trở phụ
đợc loại khỏi mạch, tàu làm việc ở tốc độ định mức. Khi điều chỉnh
giảm tốc độ, buộc phải đa các điện trở vào mạch phần ứng động cơ.

19
0 1 2 3 4 5 6
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
t(s)
v(km/h)
0 1 2 3 4 5 6
-2000

-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
t(s)
F(N)
Fb1
Fk
Fc
Fb2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
t(s)
Te, Tc, iq, w ( Nm, A, rad/s)
w
Te
iq
Tc
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

-5
0
5
10
15
20
25
t(s)
Imc
* Tàu có tải khởi động trên đờng vòng, lên dốc, bám dính thay đổi







a, V = f(t)
b, F
b
= f(t), F
k
= f(t), F
c
= f(t)

* Kết quả hãm tái sinh tàu điện

a,
dc
= f(t), T
e
= f(t), T
c
= f(t), i
q
=f(t); b, Dòng điện ắc qui I
n
= f(t)
Hình 3.44. Động lực học tàu điện hãm tái sinh
3.7. Mô hình cấu trúc Matlab nghiên cứu động lực học tàu điện
xoay chiều truyền động từ hai động cơ

Hình 3.39.Đặc tính vận tốc, các lực của tàu điện
Hình 3.33. Mô hình cấu trúc Matlab nghiên cứu

hệ NL-ĐCKĐB rotor lồng sóc truyền động cho tàu điện ắc
qi

18
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
t(s)
v(km/h)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
t(s)

F(N)
Fb1
Fk
Fc
Fb2
Mômen cản trên trục động cơ:
i
bxc
c
k
RF
T
1
=

Phơng trình tính lực kéo tàu điều khiển theo luật bám dính:
* Khi không trợt:
(F F
bd
);
bx
ie
k
R
kT
FF ==
(3.57.9)
* Khi trợt: (F > F
bd
);

bdbdk
PF

1000=
(3.57.10)
-Mô hình cấu trúc Matlab nghiên cứu động lực học tàu điện
xoay chiều truyền động từ một động cơ







Hình 3.32. Mô hình Matlab nghiên cứu động lực học
hệ NL-ĐCKĐB rotor lồng sóc truyền động cho tàu điện ắc qui mỏ
3.6. Kết quả nghiên cứu động lực học hệ NL- ĐCKĐB rotor
lồng sóc truyền động cho tàu điện một động cơ.
* Tàu có tải khởi động trên đờng vòng, lên dốc không trợt








a, Vận tốc, V = f(t) b, F
b
-lực bám dính, F

k
- lực kéo, F
c
-lực cản

Hình 3.34. Đặc tính vận tốc, các lực của tàu điện ở V
đm


7
Việc điều chỉnh giá trị điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ phụ
thuộc vào ngời vận hành.
Điều chỉnh từ thông của động cơ: điều chỉnh theo hớng giảm từ
thông bằng cách nối song song hai cuộn dây kích từ sau đó đấu nối
tiếp với phần ứng của động cơ. Thực tế, điều khiển tàu điện thờng kết
hợp cả 3 phơng pháp trên để mở rộng phạm vi điều chỉnh và khai
thác triệt để công suất của động cơ.
Những năm gần đây, một số nớc trên thế giới đang nghiên cứu
truyền động xoay chiều cho tàu điện nh Australia, áo. Năm 2000,
Trờng Đại học Newcastle đã xây dựng mô hình truyền động động cơ
điện xoay chiều cho tàu điện. Tàu sử dụng 6 động cơ truyền động,
công suất 1 động cơ là 1000 hp, số cặp cực của động cơ p
c
= 3; đợc
điều khiển bằng Inverter theo luật điện áp-tần số không đổi với tỷ số
U/f = 12,138; phạm vi điều chỉnh tần số từ 0-200 Hz.
Điều khiển tàu
điện, tàu điện mỏ phát triển dựa trên sự phát triển của kỹ thuật điện tử
công suất, kỹ thuật vi xử lý, vi điều khiển đã có những tiến bộ đáng
kể, và có xu hớng ứng dụng động cơ không đồng bộ để truyền động.

Các mỏ than hầm lò ở nớc ta chủ yếu dùng tàu điện của Nga và
Trung Quốc. Tất cả tàu điện cần vẹt và tàu điện ắc qui sử dụng ở các
mỏ đều điều khiển theo phơng 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 và
ngợc lại. Cho đến nay, truyền động trong các tàu điện mỏ của Việt
Nam vẫn sử dụng phơng pháp điều khiển đã có từ trớc 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 nớc ngoài và trong
nớc đã chỉ ra rằng, 35% điện năng tiêu thụ của đầu tàu điện bị tiêu
hao trên các điện trở điều khiển.

8
1.3. Đánh giá tình hình sử dụng và kỹ thuật truyền động của tàu
điện mỏ
ở Việt Nam và trên thế giới, tàu điện có ý nghĩa quan trọng giao
thông và đợc sử dụng phổ biến để vận chuyển trong các mỏ than
hầm lò. Các tàu điện mỏ sử dụng ở Việt Nam đang điều khiển theo
công nghệ cũ là dùng phơng pháp điện trở, đấu nối tiếp nguồn, động
cơ. Hệ truyền động này có nhiều nhợc điểm: tàu làm việc thờng
xuyên bị trợt, bị cặm, gây tổn thất năng lợng lớn, phát sinh tia lửa,
chi phí bảo dỡng sửa chữa tăng.
Hiện nay, trên thế giới ứng dụng động cơ KĐB bộ rotor lồng sóc
truyền động cho tàu điện mỏ đang đợc nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm ở phòng thí nghiệm, cha có công bố nào. Vì vậy nghiên cứu
hệ truyền động điện xoay chiều trong tàu điện mỏ làm việc trong môi
trờng khí bụi nổ để nâng cao năng lực vận tải ở các mỏ than hầm lò
Việt Nam là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Chơng 2 - Nghiên cứu động lực học động cơ
điện một chiều kích từ nối tiếp truyền động

trong tu điện mỏ
2.1. Thành lập phơng trình đoàn tàu điện mỏ
Trong nghiên cứu này, đoàn tàu là hệ có nhiều goòng nối với
nhau bằng các phần tử đàn hồi có khe hở, lực cản (F
c
), khối lợng
(m) thay đổi theo từng trạng thái làm việc của tàu, hình 2.1.




Hình 2.1. Sơ đồ chuyển động của đoàn tàu điện mỏ
F
k
, F
đh
, F
ci
- lực kéo của đầu tàu, lực đàn hồi, lực cản, N.
S
1
S
2
F
ctn
F
dhn-
F
dh3
F

ct2
F
dh2
F
dh
F
ct
F
cd
m
2
m
1
m
d
l

Z
F
k
m
n

17

'''''
)(
qrrdrdrrdr
dt
d

iRU

+=


'
qrmqssqs
iLiL += ;
'
drmdssids
iLiL +=



qsmqrrqr
iLiL +=
'''
;
dsmdrrdr
iLiL +=
'''



mlss
LLL
+
=
;
mlrr

LLL +=
''


()
pT
iL
r
dsm
r
.1+
=

;
m
ds
ds
L
i
*
*

= ;
**
3
2
e
drcm
r
qs

T
PL
L
i

=

Phơng trình tính mô men điện từ động cơ trên hệ toạ độ tựa từ
thông rotor:
)(5.1
dsqsqsdsce
iiPT



=
(3.57.2)
Phơng trình xác định góc tựa từ thông rotor:

dt
slre

+= )( (3.57.3)

dti
L
R
qs
r
dr

r
re


+= )(
*
(3.57.4)
Phơng trình chuyển động của hệ trên trục động cơ:

)(
ceqd
TFTJ
dt
d
=

(3.57.5)
Phơng trình chuyển động của tàu điện mỏ:
1
).(2
cktdt
FF
dt
dv
mm =+

(3.57.6)
Phơng trình tính lực cản tàu điện khi không trợt:

()






+++= i
R
l
vbaQPF
mx
tdc


240

1
(3.57.7)
Phơng trình tính lực cản tàu điện khi trợt:


()
ctr
mx
tdc
Fi
R
l
vbaQPF +

+++=


240

1

(3.57.8)

16
điện stator i
s
cung cấp đảm bảo hai thành phần dòng điện stator i
ds
,
i
qs
để điều khiển từ thông rôtor và tạo mô men quay nh bộ điều
chỉnh tốc độ quay yêu cầu.
3.4. Điều khiển mômen động cơ theo luật bám dính
Lực kéo trên bánh xe chủ động của tàu do động cơ sinh ra:
(3.55)

Để tàu chuyển động không bị trợt, lực kéo động cơ sinh ra

phải đợc điều chỉnh thoả mãn điều kiện:
F F
bd
, F
bd
= 1000P
bd

bd
(3.56)
Sơ đồ cấu trúc Matlab điều chỉnh mômen, hình 3.29.








a, Bộ điều khiển bám
b, Sơ đồ cấu trúc
Hình 3.29. Sơ đồ cấu trúc Matlab điều chỉnh mômen đặt
của động cơ tàu điện theo luật bám dính
3.5. Tổng hợp mô hình động cơ KĐB rotor lồng sóc truyền
động cho tàu điện ắc qui mỏ
-Mô hình toán
dsqsqssqs
d
t
d

iRU
++=
(3.57.1)

qsdsdssds
d
t
d
iRU
+=



'''''
)(
drrqrqrrqr
d
t
d
iRU
++=
bx
ie
R
kT
F =


9
m

đt
, m
1
, m
2
, m
n
-khối lợng của đầu tàu, goòng thứ 1 đến goòng
thứ n trong đoàn tàu, kg;
2.2. Mô hình toán mô tả động lực học đoàn tàu điện mỏ
Phơng trình chuyển động của đoàn tàu điện mỏ:

cktdt
FF
dt
dv
mm =+ ).(

(2.37)


1
).(2
cktdt
FF
dt
dv
mm =+

; (2.39.1)

Lực cản của tàu khi tàu chuyển động không trợt:

()






+++= i
R
l
vbaQPF
mx
tdc


240

1
(2.39.2)
Lực cản khi tàu chuyển động có trợt:

()
ctr
mx
tdc
Fi
R
l

vbaQPF +






+++=


240

1
(2.39.3)
Lực kéo do động cơ sinh ra tính trên vành bánh xe đã trình bày ở
các biểu thức từ (2.34.1) đến (2.34.8)
Lực kéo của đầu tàu khi tàu chuyển động không trợt ( F F
bd
):

bx
ie
bx
bx
k
R
kT
R
T
FF

.
=== ;
Lực kéo của đầu tàu khi tàu chuyển động có trợt (F > F
bd
):

bdbk
PF

1000
=
;
Phơng trình cân bằng mômen:
1ce
m
qd
TT
dt
d
j =

; (2.39.4)

10
trong đó:
i
bxc
c
k
RF

T
1
1
=
; (2.39.5)

22
2
2
1
2
2
2
2
2
2
1
1

1

11
inii
n
iii
dcqd
kkk
j
kk
j

k
jjj ++++=
2
2
)(
m
tdt
v
mm


++

2.3. Sơ đồ cấu trúc Matlab nghiên cứu động lực học đoàn tàu điện
mỏ
Các biểu thức toán học của mô hình (2.39), (2.40) và các sơ đồ cấu
trúc Matlab tính lực kéo, lực hãm, lực cản và lực bám dính của đầu tàu
là cơ sở để xây dựng sơ đồ cấu trúc Matlab nghiên cứu động lực học
đoàn tàu điện mỏ trong các trờng hợp khởi động và hãm. Hình 2.13,
hình 2.16 là sơ đồ cấu trúc Matlab thu gọn nghiên cứu động lực học
tàu điện mỏ truyền động từ một động cơ và từ hai động cơ.

Hình 2.13. Sơ đồ khối cấu trúc Matlab nghiên cứu
động lực học tàu điện một động cơ

(2.39.6)

15
Pha U
0
U
1
U
2
U
3
U
4
U
5
U
6
U
7
U 0 1 1 0 0 0 1 1
V 0 0 1 1 1 0 0 1
w 0 0 0 0 1 1 1 1
Nếu biểu diễn 8 vector chuẩn trên hệ trục ,. Các vector chuẩn

chia không gian vector thành các góc phần sáu S
1
.S
6
và các góc
phần t Q
1
đến Q
4
nh hình 3.5.











Từ 8 vector điện áp chuẩn có thể xây dựng đợc vector điện áp
stator với biên độ và góc pha bất kỳ cung cấp cho động cơ.
Biểu diễn đại lợng 3 pha dòng, áp, từ thông động cơ ở dạng
vector không gian và chuyển các vector đó quan sát trên hệ toạ độ
từ thông rôtor, xác định đợc:
từ thông rotor trên trục d:
ds
r
m

ds
i
pT
L
+
=
1

(3.36)

mômen của động cơ:
qsdrc
r
m
e
iP
L
L
T

2
3
=
(3.37)
tại từng thời điểm làm việc của động cơ phải điều chỉnh vector dòng
u

S
SS
S

S
S
u
u
uu
u

Pha a
Pha c
Pha b
Q
Q
Q
Q
u
u

u
2

u
t
u
s
u
1
u
p

Hình 3.6. Phơng pháp

điều chế vector

Hình 3.5. Các vector điện áp

14
lớn để cung cấp điện cho tàu làm việc bình thờng trong một ca.
Động cơ xoay chiều có công suất sao cho mômen lớn nhất của động
cơ lớn hơn hoặc bằng mômen lớn nhất của động cơ điện một chiều
cần thay thế. Bộ Inverter có công suất lớn hơn công suất của động cơ
và điều khiển theo phơng pháp vector tựa từ thông rotor.
3.3. Phơng pháp điều khiển vector tựa từ thông rotor
Sơ đồ nguyên lý của mạch nghịch lu cung cấp cho động cơ xoay
chiều 3 pha đợc trình bày trên hình 3.3. Nghịch lu đợc cung cấp từ
nguồn điện một chiều có điện áp U
mc
. Vi xử lý có nhiệm vụ tính toán,
tạo ra các chùm xung kích thích, điều khiển đóng ngắt các cặp van sao
cho ba điện áp pha có biên độ, tần số và góc pha đúng theo yêu cầu
đợc đặt lên 3 cực của động cơ. Mỗi pha động cơ có thể nhận một
trong 2 trạng thái logích: mức 1 khi cuộn dây nối với cực dơng của
nguồn U
mc
và mức 0 khi nối với cực âm của nguồn U
mc
.

Hình 3.3. Sơ đồ mạch nghịch lu cấp điện cho động cơ

Với 3 nhánh van ta có thể tạo ra 8 trạng thái logích, ứng với 8
vector điện áp chuẩn cho trên bảng 3.4.
Bảng 3.1. Trạng thái lôgich của các vector điện áp chuẩn
Chùm xun
g
điều khiển
Vu+ Vv+ Vw+

Vu- Vv- Vw-

u
w
v U
mc
M

11
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000
0
0.5
1
1.5
2
2.5

3
3.5
4
F (N)
V (km/h)
1
2
Fk
3
4
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
F (N)
V (km/h)
Fk
4
3
2
1
-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
0
1

2
3
4
5
6
7
8
F(N)
v(km/h)
F
1
2
3
4
-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
0
1
2
3
4
5
6
7
F(N)
v(km/h)
F
1
2
3
4

2.4. Kết quả nghiên cứu động lực học tàu điện ắc qui làm việc
trong mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh
-ảnh hởng của thời gian loại cấp điện trở điều khiển đến quan hệ
giữa lực kéo của động cơ và lực bám dính của đầu tàu điện











Hình 2.16. Sơ đồ cấu trúc Matlab nghiên cứu động
lực học hãm động năng tàu AM-8
Hình 2.17. Đặc tính lực kéo, lực bám dính tàu điện AK-2Y

Hình 2.24. Đặc tính lực kéo, lực bám dính của tàu điện 2 động cơ

12
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
V (km/h)
t(s)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
t(s)
F (N)
Fb
Fk
Fc
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
0.5

1
1.5
2
2.5
3
3.5
t (s)
V (km/h)
V
Vtr
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
t(s)
F (N)
F
Fk
Fbd
Fc
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
2000
4000

6000
8000
10000
12000
t (s)
Pe, Pr (w)
Pe
Pr
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
1500
2000
2500
3000
3500
4000
t (s)
Pe, Pr ( w)
Pe
Pr
Trên hình 2.17, hình 2.24, các đờng 1, 2, 3, 4 là đặc tính biểu
diễn lực bám dính của đầu tàu ở trạng thái mặt đờng khác nhau;
đờng F, F
k
là đặc tính lực kéo do động cơ sinh ra, nó thay đổi theo
ngời điều khiển.
- Tàu làm việc trong điều kiện bám dính tốt và không bị trợt

a, V = f(t) b, F
b
= f(t); F
k
= f(t); F
c
=f(t)

- Tàu khởi động trong điều kiện bám dính không tốt và bị trợt






a, V= f(t), V
tr
= f(t) c. F
bd
= f(t); F
k
= f(t); F
c
=f(t)


-Tổn thất điện năng trên điện trở điều khiển

a, Tàu điện AM-8 b, Tàu điện 4,5 APII
Hình 2.45. Đặc tính tổn thất điện năng trên điện trở phụ
Hình 2.38. Động lực học tàu điện khởi động lên dốc không trợt
Hình 2.39. Động lực học tàu khởi động trên đờng vòng
lên dốc bám dính trợt

13
2.5. Đánh giá hệ truyền động điện một chiều của tàu điện mỏ

Tính toán lực cản coi tàu điện mỏ là hệ chứa nhiều phần tử giúp
việc nghiên cứu chính xác, sát với thực tế hơn so với tính toán cũ là coi
hệ đã rắn hoá. Hệ một chiều KTNT truyền động cho tàu điện mỏ, điều
khiển bằng cách thay đổi theo cấp điện trở, theo hệ hở có u điểm đơn
giản, dễ vận hành song gây tổn thất năng lợng lớn, không điều khiển
đợc lực kéo của động cơ theo điều kiện bám dính của đờng, tàu làm
việc thờng bị trợt, bị cặm; thời gian làm việc hữu ích giảm, tăng chi
phí vận hành, bảo dỡng và sửa chữa.
Chơng 3 - nghiên cứu động lực học hệ nghịch
lu - động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc
truyền động cho tu điện mỏ
3.1. Yêu cầu của hệ truyền động xoay chiều cho tàu điện mỏ
Để tàu điện mỏ làm việc an toàn, năng suất và hiệu quả, hệ truyền
động điện phải đáp ứng đợc các yêu cầu:
Tạo đợc lực kéo đủ lớn, đáp ứng nhanh, có khả năng quá tải để
khắc phục lực cản khi cần thiết; phát huy công suất động cơ để
tăng khả năng kéo, tăng năng suất vận tải mà tàu làm việc không bị
trợt bánh; khởi động, điều chỉnh tốc độ, hãm và đổi chiều chuyển

động của tàu thuận tiện; không gây tổn thất năng lợng, điều chỉnh
tốc độ làm việc của tàu êm dịu trong phạm vi rộng; làm việc tin
cậy, an toàn trong môi trờng có khí và bụi nổ, mang lại hiệu quả
kinh tế.
3.2. Hệ truyền động xoay chiều tàu điện ắc qui làm việc trong
mỏ than hầm lò
Hệ truyền động xoay chiều không đồng bộ rôtor lồng sóc trên
tàu điện mỏ gồm có các thiết bị cơ bản: nguồn điện ắc qui, bộ
nghịch lu và động cơ điện. ắc qui phải có dung lợng và điện áp đủ