Nghiên cứu quá trình quá độ khi liên kết nối tiếp các động cơ một chiều cùng kiểu trong các tầu điện

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế Tập 3, Số 1 (2015) NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ KHI LIÊN KẾT NỐI TIẾP CÁC ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU CÙNG KIỂU TRONG CÁC TẦU ĐIỆN Đỗ Như Ý1, Ngô Xuân Cường2* 1Khoa Cơ Điện, Trường Đại học Mỏ-Địa chất 2Bộ môn kỹ thuật điện, Phân hiệu ĐHH tại Quảng Trị *Email: cuongngoxuan@gmail.com TÓM TẮT Trong các tầu điện thường sử dụng các động cơ một chiều (DC) cùng kiểu liên kết nối tếp với nhau. Trong quá trình hoạt động thường xảy ra hiện tượng quay trượt của bánh xe. Hiện tượng này gây mài mòn bánh xe, giảm tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống. Để khắc phục hiện tượng này bài viết đã nghiên cứu quá trình quá độ của động cơ điện DC kích thích hàng loạt khi chúng được liên kết nối tiếp. Đồng thời nghiên cứu và đề xuất giải pháp phản quay trượt mới cho tầu điện nhằm mục đích nâng cao đặc tính động của động cơ. Kết quả mô phỏng các quá trình cơ điện xảy ra đối với động cơ DC chứng minh giải pháp đề xuất là hiệu quả. Từ khóa: Động cơ một chiều, phản quay trượt, tầu điện. MỞ ĐẦU Sự quay trượt - một hiện tượng trượt của bánh xe tầu điện, xảy ra khi có sự vượt quá lực kéo tác dụng lên các bánh xe và lực bám bánh xe với đường ray. Chế độ này là rất nguy hiểm và dẫn đến tăng độ mài mòn và giảm đáng kể thời gian phục vụ của các bánh xe và đường sắt, và tăng khả năng hư hỏng. Để đảm bảo độ tin cậy làm việc của các toa xe tầu điện khi hoạt động đòi hỏi phải áp dụng các biện pháp để loại bỏ chế độ tiêu cực như sự quay trượt [1]. Khi xuất hiện chế độ quay trượt đó cần thiết phải giảm mômen điện từ của động cơ kéo cặp bánh xe bị quay trượt. Điều này trong tổ hợp kéo của toa xe một chiều (DC) sẽ đạt được bởi sự giảm dòng phần ứng trong tất cả động cơ kéo. Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện khi nối tiếp nhiều động cơ cùng kiểu trong các tầu điện trên hình 1 [1, 2]. 1 Nghiên cứu quá trình quá độ khi liên kết nối tiếp các động cơ một chiều cùng kiểu trong các tầu điện Hình 1. Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện liên kết nối tiếp các động cơ một chiều của tầu điện Hiện nay, trên các toa xe của một số nước như: Nga, Ukraine, Belarussử dụng rất rộng rãi hệ thống theo dõi chế độ quay trươt, dựa trên các chỉ số của các cảm biến điện áp, đo suất điện động của các cuộn dây phần ứng của động cơ kéo [2], dựa trên sự so sánh khác biệt giữa chỉ số của các bộ cảm biến với một điện áp tham chiếu đưa ra một tín hiệu để các nhà điều hành kiểm soát thay đổi hệ số ma sát của hệ bánh xe và đường ray, nhờ đó sự quay trượt bị chặn lại. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Tiến hành nghiên cứu quá trình quá độ xảy ra khi làm việc của động cơ DC của toa tàu điện với hệ thống chống quay trượt trên phần mềm Matlab-Simulink hình 2. Nghiên cứu quá trình quay trượt cặp bánh toa xe nhóm M1-M2 với các giá trị cơ bản chính là: tần số quay định mức của phần ứng động cơ kéo wn=60 rad/s; dòng định mức phần ứng động cơ kéo In=370 А; hiệu điện thế nguồn nuôi Ucn=1650V, hệ số ma sát kscpl=0,35. Trong đó máy điện M1 - động cơ điện kéo thứ nhất, M2- động cơ kéo thứ hai. Kết quả mô phỏng chế độ tăng tốc của tàu điện khi hệ số masát giữa bánh và ray giảm tại cặp bánh của động cơ kéo M1, M2 đầu tiên hình 3. 2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế Tập 3, Số 1 (2015) Hình 2. Sơ đồ mô phỏng trên Matlab-simulink a) b) c) Hình 3. Kết quả mô phỏng chế độ tăng tốc của tàu điện (a) dòng điện phần ứng (b) điện áp phần ứng và (c) vận tốc động cơ kéo M1, M2 I1, I2; U1, U2; W1, W2 – tương ứng là dòng điện, điện áp, tốc độ của các động cơ M1, M2 Từ hình 3 thấy rằng khi có sự không thích ứng (không ăn khớp) của vận tốc giữa các bánh xe động cơ kéo M1, M2 khoảng 10% là nguyên nhân tạo ra sự quay trượt của bánh xe [3, 4] thì hệ thống tạo ra sự không thích ứng điện áp phần ứng của M1, M2 tương ứng vào khoảng 6% để chống lại sự quay trượt của bánh xe. Tuy nhiên hệ thống này có nhược điểm, chính là: tốc độ thấp, việc giảm dòng của tất cả động cơ kéo trong trường hợp xuất hiện chế độ quay trượt khi điều kiện khởi động nặng (lên dốc cao, đường sắt nhiễm bẩn đáng kể) có thể trì hoãn việc chuyển động của toa tàu, để khắc phục nhược điểm này đưa ra sơ đồ cải tiến hình 4. 3 Nghiên cứu quá trình quá độ khi liên kết nối tiếp các động cơ một chiều cùng kiểu trong các tầu điện Hình 4. Sơ đồ cải tiến giảm mômen của động cơ ĐC trong tầu điện trong đó: I10- nguồn dòng, cho dòng được gửi bởi bộ điều chỉnh xung, Ra- điện trở của cuộn dây phần ứng, Rv- điện trở cuộn dây kích thích, S- khóa công suất, thực hiện việc đóng ngắt điện trở phân dòng. Khi điện trở phân dòng được ngắt, dòng trong mạch phần ứng bằng dòng I10. Khi điện trở phân dòng mở dòng phần ứng mô tả bằng biểu thức sau: Việc đóng ngắt điện trở phân dòng sẽ tạo ra suất điện động ngược trong mạch động cơ. Để hệ thống làm việc tin cậy thì cần thiết phải tránh ảnh hưởng của suất điện động ngược E1 lên dòng phần ứng của động cơ [2] giá trị của suất điện động ngược E1 và tỷ số Rsh/Ra lên dòng phần ứng trong dạng mặt phẳng biểu diễn trên hình 5. Sự phụ thuộc trên chỉ ra rằng để cung cấp sự giảm dòng phần ứng động cơ kéo hiệu quả (dẫn đến giảm mômen điện từ) cần cho tỷ số Rsh/Ra trong vùng 0,1 tới 0,3. Hình 5. Sự ảnh hưởng của giá trị suất điện động ngược E1 và tỷ số Rsh/Ra Kết quả mô phỏng chế độ khởi động của tàu điện khi hệ số ma sát giảm giữa bánh xe với đường ray và khởi động hệ thống chống quay trượt được đưa ra trên sơ đồ cải biến hình 5 ứng với giá trị hệ số ma sát giữa bánh xe với đường ray bằng 0,7; 0,5 và 0 trên hình 6. 4 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế Tập 3, Số 1 (2015) a) b) c) Hình 6. Kết quả mô phỏng chế độ khởi động của tàu điện ứng với các trường hợp a- kscpl = 0,7; b- kscpl = 0,5; c- kscpl = 0 KẾT LUẬN Với sự nghiên cứu quá trình quá độ xảy ra khi liên kết nối tiếp các động cơ một chiều cùng kiểu trong các tầu điện dựa trên sự so sánh khác biệt giữa chỉ số của các bộ cảm biến với một điện áp tham chiếu đưa ra một tín hiệu để các nhà điều hành kiểm soát thay đổi hệ số ma sát của hệ bánh xe và đường ray, nhờ đó sự quay trượt bị chặn lại có nhiều hạn chế từ đó đề xuất hệ thống phản quay trượt hiệu quả cho tầu điện với động cơ kéo một chiều. Xác định được khoảng vận hành để tránh ảnh hưởng của suất điện động ngược đến sự làm việc của hệ thống trong quá trình đóng ngắt điện trở phân dòng. Quá trình nghiên cứu đã đưa ra kết quả mô phỏng của các quá trình cơ điện xảy ra khi các cặp bánh xe của toa đường sắt quay trượt. Các sự phụ thuộc đưa ra ở trên thấy rằng khi giảm hệ số ma sát sẽ tăng thời gian làm việc của các khóa công suất phân dòng cho cuộn dây phần ứng của động cơ kéo bị quay trượt. Tốc độ giảm dòng trong mạch này sẽ được xác định bởi các giá trị động của các điện trở phân dòng và hằng số thời gian của phần ứng động cơ. 5 Nghiên cứu quá trình quá độ khi liên kết nối tiếp các động cơ một chiều cùng kiểu trong các tầu điện Ưu điểm của hệ thống chống quay trượt đề xuất so với những hệ thống đã có trước là: không xuất hiện sự giảm dòng của tất cả động cơ kéo khi xuất hiện chế độ quay trượt. Để khắc phục sự quay trượt chỉ giảm bớt dòng của một động cơ kéo – của cặp bánh xe bị quay trượt, điều này không dẫn đến sự giảm mômen kéo trong các cặp bánh xe không bị quay trượt, như một hệ quả cho phép nâng cao đặc tính động của tàu điện. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров, М.И. Озеров (1995). “Тягово-сцепные свойства электроподвижного состава в эксплуатации” , Теория электрической тяги. - М.: Транспорт, 60-105с. [2]. А. С. Тугарев (2005), “Исследование динамики многорежимных систем тяговых электроприводов постоянного тока с широтно-импульсным управлением”, Дис. канд. техн. Наук, Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами, Орловский государственный технический университет, Орел, России. [3]. А. Р. Шайхиев (2004), “Улучшение тяговых свойств электроподвижного состава с вентильно- индукторным тяговым электроприводом путем снижения пульсаций электромагнитного момента”, Дис. канд. техн. наук, Электротехнические комплексы и системы, Ростовский государственный университет путей сообщения, Ростов-на-Дону, России. [4]. Kitahara Fumio (1998). Dawn of era of new-general autonomous decentralized transport operation control system - departure from conventional JNR system. Japanese Railway Engineering. № 140, pp. 26-30. STUDY ON THE TRANSIENT PROCESS WHEN CONNECTING THE SAME SERIAL DC MOTOR TYPES OF ELECTRIC TRAIN Do Nhu Y1, Ngo Xuan Cuong2* 1Department of Electrification, University of Mining and Geology 2Department of electrotechnical, Hue University - QuangTri Campus *Email: Cuongngoxuan@gmail.com ABSTRACT DC motors are consecutively connected in electric trains. In operation, their wheels are often slipped. These phenomena cause to wheels’ damage, aging as well as reduce the safety operation of whole system. To avoid this bad affect, the paper presents the transient process of DC motors which are excited in series and consecutively connected. The paper also recommends new solution to anti- slip for electric trains with the aim of dynamic- characteristic improvements. The simulations results of DC motors’ electromechanical processes be used to prove the effectiveness of the recommendations. Keywords: DC motors, anti- slip, electric train. 6