Đặt vấn đề Với mật độ giao thông dày đặc và nhu cầu đi lại, vận chuyển hàng hóa, … ngày càng tăng cao mà yêu cầu về chất lượng (nhanh chóng, an toàn, không ảnh hưởng đến môi trường, giá cả hợp lý,…) cũng cần được đáp ứng. Vì vậy, chúng ta cần tìm ra giải pháp cho hệ thống giao thông để phục vụ cuộc sống của con người ngày được tốt hơn. Hệ thống tàu đệm từ trường được giới thiệu đầu tiên ở Đức vào năm 1970, nó được xem là một giải pháp đầy triển vọng cho hệ thống giao thông đầu thế kỷ 21. Trước đây, Hermann Kemper là kỹ sư đầu tiên nghiên cứu ra nguyên lý nâng tàu trong từ trường vào năm 1922.
Sau đó, Đức đã nghiên cứu thành công và cho ra đời các thế hệ tàu đệm từ trường (Maglev train). Ngày nay, Tàu đệm từ trường hoàn chỉnh đã đưa vào sử dụng thương mại vào tháng 03 năm 2003 ở Thượng Hải – Trung Quốc. Tàu đệm từ trường được thiết kế dựa vào nguyên lý lực điện từ của nam châm điện để nâng tàu lên, dẫn hướng và đẩy tàu đi tới. Tàu có các ưu điểm nổi bật sau: Ø Có khả năng di chuyển với tốc độ cao do không có tiếp xúc trực tiếp giữa đường ray và tàu (đạt tới 500 km/h hoặc cao hơn), xấp xỉ gấp bốn lần tốc độ tối đa cho phép ở các đường cao tốc trên thế giới (trên 100 km/h).
Hệ thống tàu đệm từ trường rất tiện lợi cho việc vận chuyển qua lại giữa các thành phố. Ø Có độ an toàn cao vì hầu như không thể trật đường ray (khung tàu bao trùm quanh đường ray). Dù chạy với tốc độ cao nhưng hành khách không cần thắt dây an toàn. Trần Nhựt Thanh Thiết kế mô hình tàu đệm từ trương 6 Giới thiệu tổng quan Ø Thân thiện với môi trường: Không xả khí thải vào môi trường, giảm tiếng ồn do công nghệ không tiếp xúc với đường ray, không thất thoát năng lượng do ma sát, trọng lượng tàu nhẹ do hạn chế các thành phần cơ khí.
Ø Khả năng vận chuyển: Tàu đệm từ trường có đủ khả năng vận chuyển hàng hóa, hành khách, … giải quyết được các vấn đề tắt nghẽn giao thông như hiện nay. Các quốc gia trên thế giới vẫn đang đầu tư hàng triệu đôla cho việc nghiên cứu lâu dài hệ thống này vì nếu thành công thì tàu đệm từ trường sẽ mang lại một nguồn lợi rất lớn. Công nghệ tàu đệm từ trường sẽ là nguồn cung cấp động lực tăng trưởng mới cho tương lai. Và ở Việt Nam, việc đầu tư xây dựng một hệ thống tàu cao tốc cũng đang được Quốc hội thảo luận để sớm đầu tư.
Bắt nguồn từ những nhu cầu thực tế và cũng như tính cấp thiết của nó ở Việt Nam cho nên tác giả quyết định nghiên cứu đề tài này. Việc thiết kế và chế tạo mô hình tàu đệm từ trường là mục tiêu của đề tài. Trần Nhựt Thanh Thiết kế mô hình tàu đệm từ trường 7 Giới thiệu tổng quan 2. Giới thiệu đề tài Trong đề tài này, tác giả trình bày mô hình và phương trình động học của tàu đệm từ trường, ứng dụng phương pháp điều khiển trượt để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống nâng tàu và chế tạo mô hình tàu đệm từ trường.
Mục tiêu chính của đề tài gồm có: Ø Mô hình hóa hệ thống nâng, đẩy và dẫn hướng của hệ thống tàu đệm từ trường, xây dựng phương trình động học của tàu. Ø Tìm hiểu phương pháp điều khiển trượt. Ø Sử dụng công cụ mô phỏng Simulink của Matlab và phương pháp điều khiển trượt để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống nâng tàu. Ø Chế tạo mô hình tàu đệm từ trường với mục tiêu là nâng tàu lên và giữ ổn định ở vị trí cân bằng và có thể thay đổi vị trí cân bằng.
Ø Trên cơ sở kết quả thu được từ mô phỏng và điều khiển mô hình thực, tác giả rút ra nhận xét để từ đó có thể đưa ra các hướng phát triển của đề tài. Trần Nhựt Thanh Thiết kế mô hình tàu đệm từ trường 8 Giới thiệu tổng quan 3. Các công trình nghiên cứu liên quan 3.1 Các công nghệ thiết kế tàu đệm từ trường hiện nay Tàu đệm từ trường có 3 đặc tính chủ yếu: Nâng lên trong từ trường, chuyển động trong từ trường và dẫn hướng, điều khiển chuyển động. Trên thế giới có ba công nghệ thiết kế tàu đệm từ trường cơ bản đó là công nghệ EDS, công nghệ EMS và công nghệ INDUCTRACK.1 Công nghệ EDS (ElectroDynamic Suspension): được thiết kế và sử dụng tại Nhật Bản.
Cấu tạo hệ EDS gồm: Ø Các thanh và tấm kim loại bọc các cuộn dây quấn (Cuộn tạo lực đẩy, nâng và dẫn hướng) có tác dụng nâng, đẩy và định hướng di chuyển cho tàu trên đường dẫn. Ø Các nam châm điện trên các vách dọc theo đường dẫn tự sinh lực đẩy tàu theo đường dẫn. Các cuộn nam châm điện dọc theo đường ray tác dụng với các cuộn nam châm điện lắp dưới gầm tàu điện sẽ sinh ra lực nâng tàu từ 1cm đến 10cm. Ø Tuy nhiên việc điều khiển nâng và hạ tàu trong hệ EDS rất phức tạp, ví dụ như muốn nâng tàu lên vận tốc tàu phải đạt được lớn hơn 62 mph.
Trần Nhựt Thanh Thiết kế mô hình tàu đệm từ trường 9 Giới thiệu tổng quan Hình 1.1: Nguyên lý (a) nâng tàu và (b) đẩy tàu tới của công nghệ EDS Hình 1.2: Mô tả cấu tạo đường ray EDS Trần Nhựt Thanh Thiết kế mô hình tàu đệm từ trường 10 Giới thiệu tổng quan Hình 1.3 Hệ thống đường ray EDS ở Nhật bản 3.2 Công nghệ EMS (ElectroMagnetic Suspension): được thiết kế tại Đức và được sử dụng rộng rãi trên thế giới (http://www.4: Mô hình tàu đệm theo công nghệ EMS (http://www.de/) Trần Nhựt Thanh Thiết kế mô hình tàu đệm từ trường 11 Giới thiệu tổng quan Cấu tạo bao gồm: Ø Các nam châm điện lắp dưới sườn, dọc theo chiều dài tàu. Phần tĩnh (stator) sắt từ lắp dọc theo đường dẫn. Lực điện từ trên tàu tương tác với phần sắt từ trên đường ray tạo ra lực nâng tàu lên đến 1cm và giữ tàu cách khỏi đường ray khi vận chuyển và cả khi ngừng tàu. Và lực nâng sẽ tăng khi khoảng cách giữa tàu và đường dẫn giảm.
Điều này cần có một bộ điều khiển, sensor khoảng cách, bộ biến đổi A/D, kết cấu tàu và đường ray có độ chính xác cao. Hệ thống nâng dùng nguồn DC riêng (Pin), độc lập với hệ thống tạo lực đẩy tàu. Năng lượng lưu trữ trong nguồn DC có thể đến 1 giờ. Trong khi di chuyển nguồn DC luôn được nạp điện bằng máy phát điện trên tàu.
Ø Các nam châm được định vị cả hai phía dọc theo chiều dài của tàu tạo lực ổn định giữ cho tàu thăng bằng trong khi di chuyển trên đường ray. Bộ điều khiển giữ khoảng cách cho tàu với đường ray khoảng 1cm. Ø Tương tự như động cơ điện đồng bộ, stator được cắt và trải dài dưới đường ray, tàu điệm tương tự như rotor chuyển động trên đường ray và có thể tăng giảm tốc độ hoặc hãm lại. Như động cơ điện Rotor dây quấn, dòng điện xoay chiều sinh ra từ thông xuyên qua tàu, nam châm hỗ trợ trên tàu có nhiệm vụ như một cuộn kích từ.
Tốc độ tàu (rotor) được điều chỉnh liên tục bằng các tần số xoay chiều khác nhau. Nếu cho từ trường chuyển động theo hướng ngược lại thì động cơ sẽ trở thành chế độ máy phát điện hãm tàu. Trần Nhựt Thanh Thiết kế mô hình tàu đệm từ trường 12 Giới thiệu tổng quan Hình 1.5: Các thiêt bị nâng, đẩy và định hướng chuyển động EMS Hình 1.6: Nguyên lý đẩy, nâng và dẫn hướng của tàu Trần Nhựt Thanh Thiết kế mô hình tàu đệm từ trường 13 Giới thiệu tổng quan Một điểm khác biệt chính giữa Tàu đệm từ trường Nhật Bản và Đức là hệ Tàu đệm từ trường Nhật Bản dùng nam châm siêu dẫn còn tàu đệm từ trường của Đức sử dụng nam châm điện. Vì vậy, kinh phí đầu tư cho tàu đệm theo công nghệ EMS sẽ thấp hơn.3 Công nghệ INDUCTRACK: được thiết kế và phát triển tại Mỹ dựa trên ý tưởng của Halbach, nguyên lý hoạt động dựa vào lực đẩy của các nam châm vĩnh cữu kết hợp vật liệu siêu dẫn có thể đẩy một khối lượng nặng gấp 50 lần khối lượng của nó.
Khi hệ thống dừng, nó sử dụng hệ thống bánh xe cổ điển để chịu lực.7 : Hệ thống tàu INDUCTRACK Hiện tại hệ thống tàu INDUCTRACK này vẫn còn đang được nghiên cứu và phát triển thêm tại Mỹ theo hướng sử dụng vật liệu siêu dẫn. Trần Nhựt Thanh Thiết kế mô hình tàu đệm từ trường 14 Giới thiệu tổng quan 3.2 Một số bài báo cáo nghiên cứu khoa học liên quan - Dynamic Behavior of Maglev Vehicle/Guideway System with Control của tác giả Huiguang Dai [7]: Tác giả của bài báo này trình bày mô hình tổng quát của tàu, mô hình nâng vật bằng nam châm và mô hình bộ điều khiển để dự đoán sự ảnh hưởng của tàu trên đường ray. Bên cạnh đó, bài báo còn cung cấp mô hình động học của 1 tàu đơn (single-car) và tàu có 3 toa (multiple-car) và tiến hành mô phỏng để nghiên cứu hoạt động của tàu và đường ray. - Dynamic Simulation of the Maglev Guideway Design của tác giả Ren Shibo [8]: Trình bày đặc tính động học đường ray của tàu và dùng phương pháp số để mô phỏng hệ thống kết hợp của tàu.
- A Simulink simulation framework of a MagLev model của các tác giả Hichem Boudali, R D Williams and T C Giras [9]: Bài báo này đã đưa ra mô hình của tàu đệm từ trường theo công nghệ EMS bao gồm mô hình hệ thống nâng vật, dẫn hướng và đẩy tàu tới. Bên cạnh đó, bài viết còn tiến hành mô phỏng sự tác động qua lại của các hệ thống với nhau. - High performance variable structure control of a magnetic levitation system của hai tác giả Mahdi J. Kharaajoo và Farzan Rashidi [11]: Bài báo đề cập đến việc điều khiển điện áp đưa vào hệ thống nâng vật trong từ trường để bám theo tín hiệu đặt.
Bộ điều khiển trượt được dùng để điều khiển thỏa mãn tính bền vững của hệ thống. - Review of Maglev Train Technologies của các tác giả Hyung-Woo Lee, Ki-Chan Kim và Ju Lee [20]: Bài báo này tóm lượt các công nghệ của tàu đệm từ trường dưới góc nhìn kỹ thuật điện. Mục đích của bài báo này là giúp cho người đọc có cái nhìn tổng quát để làm sáng tỏ các công nghệ của tàu, giúp ta có định hướng trong nghiên cứu.