Bộ giáo dục và đào tạo
H Nội-2008

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

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


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


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.

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.


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

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

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

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

-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

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


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
);

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.

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

iRU

+='
qrmqssqs
iLiL += ;
'
drmdssids
iLiL +=
qsmqrrqr
iLiL +=
'''
;
dsmdrrdr
iLiL +=
'''
mlss
LLL
+
=
;
mlrr

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

()






+++= 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 +

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

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)

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

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 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

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

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
.
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

2.4. 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

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


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
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