Nghiên cứu ứng dung bộ điều khiển xung hệ truyền động điện một chiều phục vụ công tác giảng dạy tại trường đại học công nghiệp quảng ninh

1.5 chuyển mạch từ cách mắc nối tiếp các động cơ sang song song và ngược lại tầu điện AM-8 9 1.7 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ tầu theo phương 1.8 Nguyên lý điều khiển truyền động đ

hệ truyền động điện một chiều

phục vụ công tác giảng dạy tại trường đại học

công nghiệp quảng ninh

Chuyên ngành: Điện khí hoá mỏ

Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển xung hệ truyền động một chiều phục vụ công tác giảng dạy tại trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh” hoàn toàn do tác giả tự nghiên cứu, thiết kế và xây dựng Tôi xin cam

đoan các số liệu tính toán, thiết kế là trung thực Đề tài chưa được ai công bố trên bất kỳ công trình nào

không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả kính mong nhận đ−ợc sự đóng góp

ý kiến của các thầy cô giáo và đồng nghiệp để luận văn đ−ợc hoàn thiện hơn

Tác giả xin chân thành cảm ơn!

Tác giả

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

khiển hệ truyền động điện một chiều

1.1 Lựa chọn động cơ điện cho hệ truyền động điện một chiều

tầu điện mỏ 04 1.2 Tổng quan về các phương pháp điều khiển hệ truyền động

điện một chiều cho tầu điện mỏ trên thế giới 07 1.3 Tổng quan về các phương pháp điều khiển tầu điện mỏ ở Việt

Nam 14 1.4 Nhận xét 18

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết điều khiển hệ truyền

động điện một chiều cho tầu điện mỏ bằng

phương pháp xung

2.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển cho hệ truyền động điện

tầu điện mỏ 19 2.2 Lý thuyết biến đổi xung áp một chiều 19 2.3 Quá trình quá độ trong bộ biến đổi xung điều khiển theo

phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 24

3.5 Sơ đồ mạch điều khiển cho hệ truyền động điện một chiều

tầu điện mỏ 48

Chương 4 - Xây dựng bài thí nghiệm về điều khiển xung Hệ truyền động điện một chiều cho tầu điện mỏ phục vụ công tác đào tạo 4.1 Mục đích thí nghiệm 52

4.2 Tiến hành thí nghiệm 52

4.3 Viết báo các thí nghiệm 58

Phụ lục 59

Kết luận và kiến nghị 63

Tài liệu tham khảo 64

B¶ng Tªn b¶ng Trang

1.5

chuyển mạch từ cách mắc nối tiếp các động cơ sang

song song và ngược lại (tầu điện AM-8)

9

1.7 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ tầu theo phương

1.8

Nguyên lý điều khiển truyền động điện tầu điện theo

nguyên tắc điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ

(hgng ASEA)

13

2.3 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều

2.9 Giản đồ thời gian dòng và áp bộ băm xung áp một

2.10 Giản đồ thời gian dòng và áp bộ băm xung áp một

2.12 Giản đồ thời gian dòng và áp bộ băm xung áp một

2.13 Giản đồ thời gian dòng và áp bộ băm xung áp một

2.14 Sơ đồ của bộ băm xung áp một chiều nối tiếp và

3.2 Sơ đồ khối chức năng của mạch điều khiển băm

3.3 Sơ đồ xung khâu tạo điện áp tựa dạng tam giác sử

3.5 Sơ đồ khâu tạo điện áp điều khiển sử dụng IC thuật

4.4 Đặc tính tốc độ khi độ rộng xung của dải xung là

4.6 Đặc tính tốc độ khi độ rộng xung của dải xung là

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài luận văn

Sự ra đời và phát triển nhanh chóng của linh kiện điện tử công suất lớn như Transistor, Mosfet, IGBT, Thyristor có cửa ngắt, MTS, , cùng với việc cải tiến, hoàn thiện các mạch điều khiển đ2 tạo nên sự thay đổi sâu sắc và sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật biến đổi và lĩnh vực điều khiển truyền động

điện một chiều

Hầu hết các hệ truyền động điện trong tầu điện mỏ của nước ta hiện nay

là hệ truyền động điện một chiều sử dụng bộ khống chế và điều khiển tốc độ theo phương pháp cổ điển dùng điện trở mắc nối tiếp vào mạch điện phần ứng Nhược điểm của các hệ truyền động điện cho tầu điện mỏ với hệ điều khiển và khống chế như trên gây tổn thất ủiện năng lớn, hiệu suất thấp và vận hành phức tạp do thường xuyên phải bảo dưỡng thay thế các tiếp điểm của bộ khống chế Ngoài ra trong quá trình làm việc, hệ thống điều khiển thường phát sinh nhiễu do chuyển mạch đóng cắt các tiếp điểm Việc ứng dụng các linh kiện điện tử công suất lớn vào hệ truyền động điện một chiều áp dụng cho tầu

điện mỏ sẽ khắc phục được những nhược điểm trên đồng thời có thể sử dụng tính năng h2m tái sinh nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng

Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh mới được thành lập trên cơ

sở từ trường Cao đẳng Kỹ thuật Mỏ, là cơ sở đào tạo cán bộ chuyên môn cho công nghiệp khai thác mỏ ở tỉnh Quảng Ninh Việc đào tạo nhân lực trình độ chuyên môn cao đáp ứng được yêu cầu thực tiễn sản xuất hiện nay là nhiệm

vụ cấp bách và cần thiết Vì thế được sự đồng ý của cơ sở đào tạo nhà trường, tác giả lựa chọn đề tài luận văn thạc sỹ kỹ thuật: "Nghiên cứu, ứng dụng bộ

điều khiển xung hệ truyền động điện một chiều phục vụ công tác giảng dạy tại Trường đại học Công nghiệp Quảng Ninh"

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

Kỹ thuật biến đổi điện áp một chiều DC/DC được ứng dụng rộng r2i trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó bao gồm cả điều khiển hệ truyền

động điện tầu điện mỏ Nội dung của luận văn chỉ giới hạn nghiên cứu xây dựng bộ băm xung điều khiển hệ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp và xây dựng một số bài thí nghiệm phục vụ nhiệm vụ đào tạo của Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp quan sát, phân tích khoa học

5 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

* ý nghĩa khoa học của luận văn

Luận văn xây dựng hệ điều khiển hệ truyền động điện một chiều bằng phương pháp xung cho tầu điện mỏ, xây dựng bài thí nghiệm về điều khiển hệ truyền động điện một chiều cho tầu điện phục vụ công tác đào tạo chuyên môn

* ý nghĩa thực tiễn của luận văn

Kết quả nghiên cứu của luận văn giúp cho công tác nghiên cứu, thiết kế

và xây dựng phương pháp điều khiển hệ truyền động điện một chiều cho tầu

điện mỏ được dễ dàng, chính xác hơn, đồng thời góp phần thực tiễn nâng cao chất lượng đào tạo và bổ xung cơ sở trang thiết bị phục vụ dạy học của Trường

Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, đáp ứng đ−ợc nhu cầu của ngành Công nghiệp khai thác mỏ trong khu vực hiện nay

6 Nội dung của luận văn

Động cơ điện một chiều bao gồm các loại như: động cơ một chiều kích

từ nối tiếp, động cơ một chiều kích từ độc lập và song song, động cơ một chiều kích từ hỗn hợp

Đặc tính cơ của các loại động cơ này được trình bày trên hình 1.1

Đặc điểm của động cơ một chiều đó là:

- Đường đặc tính cơ có độ cứng thay đổi, ở vùng tải nhỏ hơn tải định mức, đường đặc tính cơ có dạng hypebol, độ cứng nhỏ; ngược lại khi quá tải,

đặc tính là đường thẳng, độ cứng lớn Vì thế, động cơ có khả năng điều chỉnh

tốc độ trong phạm vi rộng mỗi khi phụ tải thay đổi; khi tải nhẹ, động cơ quay với tốc độ nhanh, tốc độ chuyển động của tầu lớn, tăng năng suất vận tải; còn khi tải nặng, động cơ giảm tốc để khắc phục sức cản mà không gây quá tải về công suất

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp luôn có khả năng chịu được quá tải lớn hơn so với động cơ một chiều kích từ song song và độc lập Khi chưa b2o hòa từ, mô men của động cơ một chiều kích từ nối tiếp được tính theo công thức:

= K C I2

trong đó:

+ K- hệ số phụ thuộc vào cấu tạo dây quấn của động cơ;

+ C - hệ số tỷ lệ tuyến tính giữa từ thông và dòng điện kích từ; + Iư- dòng điện phần ứng của động cơ, A

Khi tầu khởi động ở cuối đường dây, động cơ vẫn có khả năng sinh ra mô men khởi động lớn mà dòng điện không lớn, do đó tiết diện dây dẫn và công suất của trạm cung cấp nhỏ sẽ giảm được chi phí đầu tư

- Đối với động cơ một chiều kích từ song song, khi tăng phụ tải (ví dụ: tàu lên dốc, vào đường vòng, v.v ) tốc độ động cơ giảm đi, mô men sẽ tăng

tỷ lệ với dòng điện như hình 1.2, dễ làm cho động cơ quá tải về công suất Ngược lại, với động cơ một chiều kích từ nối tiếp, khi tải tăng dòng điện phần ứng và từ thông tăng, tốc độ động cơ giảm mạnh còn mô men động cơ tăng nhanh

Hình 1.3 là đặc tính cơ và đặc tính mô men của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp dùng trong các hệ truyền động điện tầu điện mỏ

Hình 1.2 Đặc tính cơ của động cơ Hình 1.3 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập một chiều kích từ nối tiếp

+ Đường 1: Biểu diễn quan hệ giữa dòng điện phần ứng và mô men

động cơ một chiều kích từ nối tiếp;

+ Đường 2: Biểu diễn đặc tính tốc độ động cơ một chiều kích từ nối tiếp

- Nếu phụ tải của động cơ tăng, làm dòng điện phần ứng tăng tới mức b2o hòa mạch từ thì tốc độ động cơ giảm xuống tới giá trị nhỏ nhất và động cơ làm việc ổn định hơn

- Cuộn kích từ của động cơ điện một chiều nối tiếp có tiết diện lớn, số vòng ít nên chịu được dòng điện lớn, dễ chế tạo và ít hư hỏng so với động cơ một chiều kích từ độc lập hoặc song song

1.2 Tổng quan về các phương pháp điều khiển hệ truyền động điện một chiều cho tầu điện mỏ trên thế giới

Để điều khiển tốc độ động cơ tầu điện, có thể sử dụng một trong các nguyên tắc cơ bản sau :

1 Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ;

2 Thay đổi điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng động cơ;

3 Thay đổi dòng điện kích từ của động cơ;

động, điều chỉnh tốc độ trong hầu hết các tầu điện mỏ

Mục đích là hạn chế dòng điện của động cơ khi khởi động, thay đổi tốc

độ và h2m tầu đảm bảo trong khoảng IKĐ = (2 ữ2,5)Iđm

Nhược điểm của phương pháp là gây tổn thất điện năng trên các điện trở

điều chỉnh, phát sinh tia lửa giữa các tiếp điểm của bộ khống chế, điều chỉnh tốc độ không êm

Sơ đồ nguyên lý điều khiển tầu điện theo phương pháp điều chỉnh điện trở phụ mắc nối tiếp mạch phần ứng của động cơ như hình 1.4

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tầu điện AK-2Y

- ở tốc độ III : tiếp điểm 2 và 4 đóng, tiếp điểm 1 và 3 mở; các điện trở R1, R2 mắc song song Do đó, điện trở giảm, tốc độ tăng lên

- ở tốc độ IV: các tiếp điểm 2, 3, 4 đóng, tiếp điểm 1 mở, loại toàn bộ

điện trở khỏi mạch phần ứng, động cơ làm việc trên đường đặc tự nhiên, tầu

điện làm việc ở tốc độ định mức

- ở tốc độ V: đóng các tiếp điểm 1, 2, 3, 4 làm giảm từ thông kích từ Vì vậy, tốc độ động cơ, tốc độ chuyển động của tầu tăng trên tốc độ định mức, lực kéo giảm Các tiếp điểm 5, 6, 7, 8 sử dụng để đổi chiều chuyển động của tầu điện

1.2.2 Phương pháp thay đổi điện trở phụ, thay đổi điện áp đặt vào

tổ hợp ắc qui cung cấp điện cho tầu

Điển hình cho phương pháp này được thể hiện qua sơ đồ nguyên lý điều khiển tầu điện AM-8 như hình 1.5

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý điều khiển theo phương pháp thay đổi điện trở phụ

và điện áp phần ứng động cơ nhờ chuyển mạch từ cách mắc nối tiếp các động

cơ sang song song và ngược lại (tầu điện AM-8)

Sơ đồ nguyên lý điều khiển tầu điện AM-8 được thể hiện trên hình 1.6

Từ sơ đồ (hình 1.6), nguyên lý điều khiển tầu điện AM-8 như sau:

- ở tốc độ I: hai động cơ đấu nối tiếp với nhau và đấu nối tiếp với điện trở khởi động, được nối với 2 tổ hợp ắc qui đấu song song Trong trường hợp này, toàn bộ điện trở khởi động được đưa vào mạch và điện áp cung cấp cho

động cơ bằng 1/4 điện áp định mức

- ở tốc độ II: hai bộ nguồn ắc qui nối song song cung cấp điện cho hai

động cơ mắc nối tiếp, điện trở phụ được loại khỏi mạch, điện áp đặt vào động cơ là 32,5V

Hình 1.6 Sơ đồ giải thích nguyên lý điều khiển tầu điện AM-8

- ở tốc độ III: hai bộ nguồn ắc qui nối song song cung cấp điện cho hai

động cơ đấu nối tiếp làm điện áp trên mỗi động cơ có giá trị 32,5V Hai cuộn dây kích từ của hai động cơ đấu song song làm dòng điện kích từ giảm đi 1/2,

từ thông động cơ giảm, tốc độ động cơ tăng

- ở tốc độ IV: hai bộ ắc qui đấu song song cung cấp cho hai động cơ

đấu song song với đủ từ thông kích từ, điện áp trên mỗi động cơ là 65V, tốc độ

động cơ tăng

- ở tốc độ V: tương tự tốc độ số IV, song từ thông kích từ của mỗi động cơ giảm 50% so với từ thông ban đầu, tốc độ động cơ tăng lên

- ở tốc độ VI: hai bộ nguồn ắc qui đấu nối tiếp cung cấp điện cho hai

động cơ nối song song với đầy đủ kích từ, điện áp trên mỗi động cơ được tăng lên gấp đôi so với tốc độ số V là 130V, tốc độ động cơ tăng đạt tới tốc độ định mức

- Tầu điện AM-8 có trang bị hệ thống h2m động năng tự kích Khi h2m, các động cơ được cắt ra khỏi nguồn ắc qui, phần ứng động cơ (M1) nối với cuộn kích từ của động cơ (M2) Ngược lại, phần ứng động cơ (M2) nối với cuộn kích từ của động cơ (M1) và được nối chung vào điện trở h2m có hai cấp

điều chỉnh

1.2.3 Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ theo cấp sử dụng hệ tiếp điểm

Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ tầu theo phương pháp sử dụng biến

áp có nhiều cấp điện áp ra như hình 1.7

Nguồn điện xoay chiều một pha qua cần lấy điện, cầu dao cách ly vào cuộn dây sơ cấp của máy biến áp, cuồn thứ cấp có nhiều đầu phân áp để đưa

ra các cấp điện áp khác nhau Điện áp đầu ra của biến áp qua bộ chỉnh lưu cung cấp cho động cơ truyền động

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ tầu theo phương pháp sử dụng

biến áp có nhiều cấp điện áp ra

Điều chỉnh tốc độ chuyển động của tầu bằng cách đóng một trong các tiếp điểm của đầu phân áp trên cuộn thứ cấp của máy biến áp nhờ các bộ khống chế, hoặc công tắc tơ Điện áp cung cấp cho chỉnh lưu có dạng bậc thang, vì vậy trong mạch cần có cuộn kháng cân bằng

1.2.4 Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ theo cấp hệ không tiếp điểm

Sự ra đời của các linh kiện điện tử công suất lớn đ2 làm thay đổi lớn về

hệ điều khiển truyền động điện động cơ một chiều Bằng phương pháp thay

đổi thời điểm phát xung mở van bán dẫn trong bộ chỉnh lưu, có thể điều chỉnh

được liên tục điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ

Sơ đồ nguyên lý điều khiển truyền động điện tầu điện theo nguyên tắc

điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ (được h2ng ASEA áp dụng) mô tả trên hình 1.8

Hình 1.8 Nguyên lý điều khiển truyền động điện tầu điện

theo nguyên tắc điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ (hOng ASEA)

Giá trị điện áp trung bình của bộ chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển

+ Ud0 - giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu, V;

+ U2m - điện áp thứ cấp máy biến áp, V;

+ α - góc mở của các tiristor

Khi α thay đổi trong khoảng từ (0 ữ π ) thì Ud0 thay đổi trong khoảng từ (U2m/ π ữ0), dòng điện động cơ được xác định theo biểu thức 1.3

Ud0 E Id

Rd

ư

đổi góc mở α Hai động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp M1, M2 luôn được mắc song song với nhau và nối với đầu ra của bộ chỉnh lưu qua các tiếp điểm thường đóng H1, H2 Vì vậy, khi cần thay đổi tốc độ tầu chỉ việc điều chỉnh

điện áp một chiều của bộ chỉnh lưu Các cặp tiếp điểm P1- P1; T1- T1; P2- P2;

T2- T2 dùng để đổi chiều chuyển động của tàu Tầu có thể thực hiện h2m động năng bằng cách mở các tiếp điểm thường đóng H1, H2 và đóng các tiếp điểm thường mở H1, H2; các điện trở h2m Rh1, Rh2

1.3 Tổng quan về các phương pháp điều khiển tầu điện mỏ ở Việt Nam

1.3.1 Đặc điểm của tầu điện mỏ sử dụng ở Việt Nam

Các mỏ than hầm lò ở nước ta chủ yếu sử dụng tầu điện của Nga và Trung Quốc sản xuất để vận chuyển than từ các chân thượng, vận chuyển đất

đá từ các lò chuẩn bị ra ngoài chân giếng Sau đó chuyển tiếp lên mặt bằng mỏ bằng trục tải hoặc băng tải, đồng thời chuyển vật tư, thiết bị, máy móc từ ngoài vào các khu vực sản xuất

Tầu điện sử dụng ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh có hai loại là: tầu điện cần vẹt và tầu điện ắc qui Các loại tầu này có đặc điểm khối lượng

đầu tầu nhỏ và vừa; công suất từ 2,05kW đến 90kW; tỷ số truyền hộp giảm tốc lớn; tốc độ chuyển động của tầu thấp Đặc tính kỹ thuật của các đầu tầu điển hình được giới thiệu trong bảng 1.1 và bảng 1.2

B¶ng 1.1 §Æc tÝnh kü thuËt tÇu ®iÖn cÇn vÑt

Lo¹i tÇu ®iÖn

B¶ng 1.2 §Æc tÝnh kü thuËt tÇu ®iÖn ¾c qui

an toàn nổ, các mỏ bắt buộc phải chuyển sang sử dụng tầu điện ắc qui thay cho tầu điện cần vẹt để vận chuyển

1.3.2 Đặc điểm hệ thống đường sắt vận tải tầu điện mỏ

Từ kết quả khảo sát thực tế và qua các số liệu thống kê của Bộ Công

nghiệp (2006), Công ty than Mạo Khê và Công ty than Vàng Danh về hệ

thống đường sắt vận tải tầu điện mỏ Quảng Ninh năm 2006 Các hệ thống

đường sắt mỏ ở nước ta có hai loại là đường cỡ 600mm và đường cỡ 900mm

Đường cỡ 600mm sử dụng cho tầu công suất nhỏ trọng tải goòng đến 1 tấn,

đường cỡ 900mm sử dụng cho tầu công suất lớn trọng tải goòng đến 3 tấn Ray trong mỏ là loại P18, P24 và P33 Chiều dài tuyến vận tải thường không lớn

(tối đa khoảng 5000m), trong đó, có những các đoạn thẳng và ngắn, nhiều

đoạn đường vòng có bản kính nhỏ, độ dốc trung bình khoảng từ 30

00 đến 50

00,

đặc biệt có đoạn dốc tới 110

00

Do điều kiện địa chất mỏ phức tạp, độ cứng của nền không ổn định đ2

ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng vận tải bằng đường sắt Mặt khác, do điều kiện vì khí hậu, mặt đường sắt thường ẩm ướt, có nhiều bùn, bụi than ảnh hưởng nhiều đến hệ số bám dính giữa đường ray và bánh xe Nhìn chung, tình trạng kỹ thuật hệ thống đường sắt ở các mỏ than hầm lò Việt Nam rất phức tạp, ảnh hưởng đến tốc độ chạy tầu (tốc độ lớn nhất của tầu điện mỏ chỉ đạt khoảng 12km/h)

1.3.3 Những tiến bộ kỹ thuật điều khiển truyền động tầu điện ở Việt Nam

Hiện nay, hầu hết các tầu điện cần vẹt và tầu điện ắc qui sử dụng ở các

mỏ đều sử dụng phương pháp điều khiển dùng điện trở phụ mắc nối tiếp với mạch phần ứng kết hợp với sự thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ theo cấp nhờ chuyển đấu từ nối tiếp sang song song

Vào những năm 80 của thế kỷ trước, một số nhà khoa học của Việt Nam đ2 bắt đầu nghiên cứu thử nghiệm sử dụng bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC theo phương pháp băm xung áp dùng thyristor cho tầu điện cần vẹt Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ dừng lại ở mức độ thực nghiệm, do kỹ thuật chưa phát triển nên đ2 gặp phải một số khó khăn nhất định

Theo nghiên cứu công bố mới đây của tác giả Trần Minh (2003), việc ứng dụng kỹ thuật mới trong điều khiển truyền động điện tầu điện sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng của đầu tầu điện

Thời gian gần đây, các cán bộ khoa học của Trường Đại học Giao thông Vận tải, Viện khoa học công nghệ Mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất cũng

1 ở Việt Nam, tầu điện chủ yếu sử dụng để vận 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 và lựa chọn sơ đồ công nghệ vận tải hợp lý khi sử dụng tầu điện là thiết bị vận tải chủ yếu Vì vậy, tầu điện có vị trí rất quan trọng trong hệ thống vận tải mỏ;

2 Tất cả các tầu điện mỏ ở Việt Nam do điều kiện đường lò hẹp, cỡ ray hẹp nên chỉ trang bị loại đầu tầu một động cơ hoặc hai động cơ;

3 Các tầu điện mỏ Việt Nam đều sử dụng phương pháp đều khiển kiểu

cũ, đó là phương pháp điện trở, đấu nối tiếp nguồn, động cơ;

4 Xu hướng điều khiển hệ truyền động điện tầu điện mỏ sử dụng các

bộ băm xung áp hoặc biến áp phân áp - chỉnh lưu, đ2 và đang được nghiên cứu và xây dựng Các giải pháp này góp phần cải tiến các hệ truyền động của tầu điện;

5 Hiện nay, trên thế giới đ2 bắt đầu ứng dụng động cơ không đồng bộ rotor ngắn mạch cho tầu điện mỏ

Chương 2 cơ sở lý thuyết điều khiển

Hệ truyền động điện một chiều cho tầu điện mỏ

Bằng phương pháp xung

2.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển cho hệ truyền động điện tầu

điện mỏ

Trên cơ sở tìm hiểu, phân tích các phương pháp điều khiển hệ truyền

động điện tầu điện mỏ ta thấy, các phương pháp điều khiển thông thường có nhược điểm là nhiều nhiễu loạn, điều chỉnh tốc độ theo cấp, gây tổn thất điện năng trên các điện trở phụ, đặc biệt khi tàu chạy ở tốc độ thấp

Thực tế, vận tải đường sắt ở các mỏ than hầm lò Việt Nam sử dụng phương pháp điều khiển tầu điện kiểu cũ Kết quả nghiên cứu ứng dụng bộ biến đổi xung cho truyền động tầu điện ở các quốc gia trên thế giới, cho thấy phương pháp điều khiển xung có nhiều ưu điểm so với các phương pháp điều khiển thông thường là: có thể điều chỉnh tốc độ động cơ một cách liên tục, êm dịu trong phạm vi rộng, tiết kiệm điện năng Vì vậy, tác giả luận văn lựa chọn phương pháp điều khiển hệ truyền động điện một chiều tầu điện mỏ theo nguyên tắc băm xung điện áp một chiều phục vụ mục đích đào tạo của trường

Đại học Công nghiệp Quảng Ninh

2.2 Lý thuyết biến đổi xung áp một chiều

2.2.1 Khái quát chung

Nguyờn lý cơ bản của băm xung ỏp một chiều ủược mụ tả như hỡnh 2.1

Bộ biến đổi xung áp một chiều còn gọi là bộ băm xung điện áp một chiều, dùng để điều chỉnh hoặc ổn định điện áp ra tải từ nguồn điện một chiều ban đầu

Hỡnh 2.1 Nguyờn lý băm xung ỏp một chiều

Băm xung áp một chiều đ−ợc sử dụng trong điều khiển tốc độ động cơ

điện một chiều, cấp nguồn cho các cơ cấu điện từ, trong mạch ổn áp dải rộng,

Băm xung áp một chiều có thể chia thành ba loại cơ bản sau:

1 Băm xung áp một chiều nối tiếp;

2 Băm xung áp một chiều song song;

3 Băm xung áp một chiều nối tiếp và song song phối hợp Trong thực tế, đa số các bộ băm xung áp một chiều đều là loại 1 Còn các bộ băm xung áp một chiều loại 2 và 3 ít sử dụng

Nguyên lý hoạt động của bộ băm xung áp một chiều dựa trên nguyên tắc đóng - cắt tải với nguồn theo chu kỳ T (hình 2.1)

- Trong khoảng thời gian t0, van dẫn nên điện áp nguồn E cấp cho tải, khi đó điện áp trên tải sẽ có giá trị bằng điện áp nguồn: Ut = E

- Trong khoảng thời gian t1, van khóa, điện áp tải bằng không: Ut = 0

Do đó, điện áp trung bình một chiều ra tải là:

0 t

0 tb

trong đó: γ là tham số điều chỉnh hay hệ số độ rộng xung

Trong quá trình điều chỉnh, hệ số độ rộng xung sẽ thay đổi từ giá trị nhỏ nhất γmin đến giá trị lớn nhất γmax

Sơ ủồ khối thường gặp của một bộ băm xung ỏp một chiều cú dạng như hỡnh 2.2

Hình 2.2 Cấu trúc chung của băm xung áp một chiều

trong đó:

+ E là nguồn một chiều, có thể là ắc quy hoặc bộ chỉnh lưu + Lọc đầu vào chứa các phần tử L, C hoặc LC nhằm ngăn các ảnh hưởng tần số cao của băm xung đối với nguồn

+ Khóa chuyển mạch là van điều khiển công suất lớn

+ Lọc đầu ra có nhiệm vụ san phẳng điện áp hoặc dòng điện ra tải, tương tự như lọc một chiều trong chỉnh lưu

2.2.2 Phương pháp thay đổi xung - tần số

Nguyên lý của phương pháp thay đổi xung - tần số là thay đổi chu kỳ T, còn giữ nguyên độ rộng xung

ở phương pháp xung - tần số, độ rộng xung điện áp ra tải được giữ nguyên, còn tần số xung thay đổi Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển được mô tả như hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều

phương pháp xung - tần số

Hình 2.4 Biểu đồ thời gian giải thích nguyên lý hoạt động

2.2.3 Phương pháp thay đổi độ rộng xung PWM

Nguyên lý của phương pháp PWM là thay đổi t0, còn giữ nguyên chu

kỳ T không đổi

ở phương pháp này, điện áp tải thay đổi nhờ điều chỉnh độ rộng khoảng dẫn của van t0 = var, được minh họa trên hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều

2.3 Quá trình quá độ trong bộ biến đổi xung điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

2.3.1 Băm xung áp một chiều nối tiếp

2.3.1.1 Chế độ dòng điện liên tục

Xét sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp nối tiếp động cơ một chiều như hình 2.7

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi băm xung áp một chiều nối tiếp

Giả sử dòng điện là liên tục và ở chế độ ổn định

- Trong khoảng từ 0 đến t0, IGBT dẫn điện, năng lượng của nguồn sẽ

được cấp cho phụ tải, nếu coi van là lý tưởng thì: UD = Utải = E

- Trong khoảng từ t0 đến hết chu kỳ T, IGBT khóa, khi đó: UD = Utải = 0

Điện áp trung bình ở trên tải xác định được là:

0 t

t t t t

+ i1 lµ dßng ®iÖn t¶i khi IGBT dÉn

+ i2 lµ dßng ®iÖn t¶i khi IGBT khãa

τ = lµ h»ng sè thêi gian cña m¹ch t¶i

Gi¸ trÞ lín nhÊt cña dßng ®iÖn t¶i:

Hình 2.8 Đồ thị dòng điện tải đO tuyến tính hóa

Khi đó:

max min T

Từ các biểu thức trên xây dựng được đồ thị mô tả quá trình dòng điện

và điện áp trong chế độ dòng điện liên tục như hình 2.9

Hình 2.9 Giản đồ thời gian dòng và áp bộ băm xung áp một chiều nối tiếp

ở chế độ dòng điện liên tục

2.3.1.2 Chế độ dòng điện gián đoạn

Thực tế chế độ dòng điện liên tục không phải lúc nào cũng xảy ra, phụ

thuộc vào các tham số cụ thể của mạch ( γ , L, R, Et) mà có thể sẽ có lúc năng lượng tích lũy trong điện cảm bị tiêu tán hết trước chu kỳ mới, khi đó dòng

điện tải sẽ tắt (it = 0) Trong trường hợp này, dòng điện tải it lúc có lúc mất nên được gọi là dòng điện gián đoạn

Xét sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi xung áp động cơ một chiều như hình 2.7

Khi bộ băm xung áp một chiều làm việc ở chế độ xác lập, năng lượng trong cuộn dây cân bằng ở đầu và cuối chu kỳ (và bằng 0), nghĩa là giá trị

điện áp trung bình trên cuộn dây bằng 0

Ta có :

trong đó:

2.L.I

1.E.T

=

+γ

(2.17)

Từ các biểu thức trên xây dựng đ−ợc đồ thị mô tả quá trình dòng điện

và điện áp trong chế độ dòng điện gián đoạn nh− hình 2.10

δ

Hình 2.10 Giản đồ thời gian dòng và áp bộ băm xung áp một chiều nối tiếp

ở chế độ dòng điện gián đoạn