Nghiên cứu thiết kế và điều khiển hệ truyền động điện tàu điện đô th ứng dụng tuyến Cát Linh- Hà Đông theo phương ph p điều khiển U F

Đối với đoàn tàu sử dụng động cơ điện một chiều Phương pháp 1: điều khiển nhằm điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ điều chỉnh góc dẫn các bộ chỉnh lưu Thyristo hay điều chỉnh chu kỳ dẫn

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN U/F

Sinh viên thực hiện : Trần Văn Bảo

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, Ngày… tháng….năm 2018

Giáo viên hướng dẫn

(ký và ghi rõ họ tên)

Ths An Hoài Thu Anh

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ĐỌC DUYỆT

………

………….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….…

………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….……

………

Hà Nội, Ngày… tháng….năm 2018

Giáo viên đọc duyệt

(ký và ghi rõ họ tên)

TS Đặng Việt Phúc

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

LỜI MỞ ĐẦU 10

HƯƠNG 1 A HỌN HỆ T UYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐOÀN TÀU 11

1.1 Khái quát chung 11

1.2 Hệ truyền động điện đoàn tàu sử dụng ĐC ĐK 1 chiều 11

1.2.1.Đoàn tàu sử dụng mạng tiếp xúc 1 chiều: 660, 750, 1500, 3000V 12

1.2.2.Đoàn tàu sử dụng lưới điện kéo xoay chiều: 1-15kV, 16 2/3Hz; 25kv, 50Hz ……… 13

1.3 Khái quát hệ truyền động điện đoàn tàu sử dụng ĐC ĐK xoay chiều 13

1.3.1.Đối với hệ truyền động điện cấp nguồn cấp xoay chiều 14

1.3.2.Đối với hệ truyền động điện cấp nguồn một chiều 14

1.4 Khái quát hệ truyền động điện đoàn tàu sử dụng động c tuy n t nh 16

1.5 Phư ng pháp điều khiển truyền động điện cho đoàn tàu 19

1.5.1.Giới thiệu động cơ không đồng bộ xoay chiều 19

1.5.2.Cấu tạo động cơ không đồng bộ 19

1.5.3.Điều khiển động cơ không đồng bộ 23

HƯƠNG 2 T NH HỌN H IẾN TẦN NGUỒN ÁP NUÔI ĐỒNG Ơ HÔNG ĐỒNG Ộ 28

2.1 Phân t ch nguy n à việc c a ộ i n t n ngu n áp 28

2.1.1 h i niệm 28

2.2 nh ch n ch c 30

2.2.1.Thông số động cơ 30

2.2.2.Tính toán dòng tiếp xúc cho trạm điện kéo 32

2.2.3.Tính chọn mạch chỉnh lưu và m y biến áp 36

2.2.4.T nh chọn tụ - DC link 38

2.2.5.T nh to n mạch ngh ch lưu 41

2.2.6.T nh chọn điện tr h m 48

HƯƠNG 3 Ô H NH H A VÀ ẤU T ĐIỀU HIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG U/F 53

3.1 Phư ng pháp điều ch độ rộng xung 53

3.1.1.Sơ đồ mạch lực và mô hình ngh ch lưu cầu ba pha 53

3.1.2 hương ph p điều chế độ rộng xung 54

HƯƠNG IV : TỔNG QUAN TUYẾN ĐƯỜNG SẮT ÁT INH HÀ ĐÔNG VÀ Ô PHỎNG ĐÁNH GIÁ HỆ T UYỀN ĐỘNG ĐIỆN THEO PHƯƠNG PHÁP U/F 71

4.1 Thông số đoàn tàu 71

4.2 Vị tr đặt các nhà ga c a tuy n đường sắt (CL-HD) 72

4.3 Đ thị ch y tàu 75

4.4 c C n n ành Đoàn àu 78

4.4.1 h i niệm chung về lực c n đoàn tàu 78

4.4.2 ực c n cơ b n 79

4.4.3 ực c n phụ 85

4.5 Tiêu chuẩn tính toán sức kéo 90

4.5.1.Tiêu chuẩn tính toán sức kéo 90

4.6 ây ng ô h nh 93

4.6.1.Tham số mô phỏng 93

4.6.2.Sơ đồ mô phỏng 94

4.6.3 ết qu mô phỏng 96

4.7 Đánh giá t qu 100

4.7.1.Đối với lưới 100

4.7.2.Đối với hệ truyền động 101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

H nh 1 4 Hệ TĐĐ đầu m y 1 chiều sử dụng Đ ĐB oay chiều 3 pha và đ ng

trực tiếp ngh ch lưu 15

Hình 1 5 ệ ĐĐ đ u áy 1 chiều v i ộ xung đ u vào 15

Hình 1 6 Cấu tạo động cơ tuyến tính 16

Hình 1 7 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc 20

H nh 1 8 Stato động cơ không đồng bộ 21

H nh 1 9 Roto động cơ không đồng bộ 21

Hình 1 10 Nguyên lí hoạt động động cơ không đồng bộ 22

Hình 1 11 Cấu trúc phương ph p điêu khiển vô hướng U/F 24

H nh 1 12 Sơ đồ cấu trúc phương ph p điêu khiển DTC 25

H nh 1 13 Sơ đồ cấu trúc phương ph p điều khiển FOC 26

Hình 2 1 Biến tần gián tiếp nguồn áp ba pha 29

Hình 2 2 S đ m ch động l c cấp điện cho giao thông điện 30

H nh 2 3 Động cơ điện kéo IM/ASM 31

H nh 2 4 Sơ đồ cấp điện 2 phía cho trạm điện kéo 35

Hình 2 5 Hình nh th c t và s đ chân module diode 38

Hình 2 6 Quan hệ delta I và d 40

Hình 2 7 D ng điện áp và òng điện tr n động c 42

Hình 2 8 Hình nh th c t và s đ chân module IGBT mã hiệu FS450R17OE4P 44

Hình 2 9 Hình nh th c t driver mã hiệu 1EDI60I12AF 45

Hình 2 10 K t nối m ch l c và m ch điều khiển qua driver 46

Hình 2 11 S đ và chức n ng các chân river 46

Hình 2 12 S đ Điện áp cấp 47

Hình 2 13 Mạch b o vệ snubber 47

Hình 2 14 Đáp ứng tốc độ, momen, công suất c a động c 48

H nh 3 1 Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển động cơ ĐB bằng phương ph p U/F 53

Hình 3 2 Mô hình ngh ch lưu nguồn p ba pha được mô t b i khoa chuyển mạch

53

Hình 3 3 Sơ đồ khối mô t nguyên l điều khiển dựa theo nguyên tắc SVM 54

Hình 3 4 S đ khối hệ thống điều ch vector không gian 55

Hình 3 5 Biểu diễn vector không gian trong hệ t a độ  56

Hình 3 6 Ví dụ thành ph n điện áp (abc) và  57

Hình 3 7 Trạng thái 1 U 1 =100 59

Hình 3 8 Trạng thái (vector chuẩn ) mạch ngh ch lưu nguồn áp ba pha 60

Hình 3 9 V trí vector chuẩn trên hệ tọa độ 61

H nh 3 10 Sơ đồ thực hiện điều chế SVM 62

Hình 3 11 Mối quan hệ giữa c c sector và điện áp tức thời u sa ,u sb ,u sc 62

Hình 3 12 Thuật to n c đ nh vector điện p đặt trong mỗi sector 63

Hình 3 13 Nguyên tắc điều chế vector điện áp 64

Hình 3 14 Ví dụ điều chế vector điện áp nằm trong sector 1 65

Hình 3 15 Dạng xung chuẩn trong sector 1 67

Hình 3 16 Dạng ung điều chế cho các sector 68

H nh 3 17 Đồ th giới hạn của phương ph p điều chế độ rộng xung 69

Hình 4 1 S đ mặt bằng tuy n đường sắt CL- Đ 73

Hình 4 2 Đ thị ch y tàu c a tuy n CL - Đ 75

Hình 4 3 Bố trí các toa tàu 77

Hình 4 4 ực c n do ma s t giữa trục và c trục khi b nh e l n 80

Hình 4 5 Đường cong thử nghiệ về a sát giữa trục và c trục 81

Hình 4 6 c c n n c a bánh xe 83

Hình 4 7 Biểu diễn các l c khi một đoàn tàu n ốc 86

Hình 4 8 Biểu diễn quan hệ tốc độ, thời gian, kho ng cách v n hành cho 1 ga 91

Hình 4 9 Biểu đ v n tốc tuy n Cát Linh - à Đông 92

Hình 4 10 Sơ đồ t ng quan mô phỏng 94

Hình 4 11 Khối điều khiển u/f 94

Hình 4 12 Bộ đ ng cắt điện tr hãm 95

Hình 4 13 Mo men c n của đoàn tàu 96

Hình 4 14 Tốc độ đặt của đoàn tàu 96

H nh 4 17 Dòng điện lưới sau chỉnh lưu 97

H nh 4 18 Điện p lưới 750 VDC 98

H nh 4 19 Điện p lưới khi không có bộ braking chopper 99

Hình 4 20 Tốc độ, monen, công suất của động cơ 100

DANH MỤC CÁC BẢNG B ng 2 1 B ng thông số module Diode chỉnh lưu D850N30T 37

B ng 2 2 B ng catalog thông số chỉnh module diode chỉnh lưu D850N30T 38

B ng 2 3 Thông số tụ C 41

B ng 2 3 Thông số module IGBT mã hiệu FS450R17OE4P 43

B ng 3 1 B ng giá trị điện áp các vector chuẩn 61

B ng 3 2 T ng hợp ma tr n trong mỗi sector sử dụng 66

B ng 3 3 Hệ số điều ch cho nhóm nhánh van c a m ch nghịch ưu 69

B ng 4 1 Thông số kỹ thu t c n c a đoàn tàu 72

B ng 4 2 Thông số vị trí c a các nhà ga 74

B ng 4 3 Phân bố hành khách trên tàu 78

B ng 4 4 Thời gian, kho ng cách t ng tốc, gi m tốc 91

B ng 4 5 Tham số mô phỏng động c 93

“ Nghiên cứu thiết kế và điều khiển hệ truyền động điện tàu điện đô th ứng dụng tuyến Cát Linh- Hà Đông theo phương ph p điều khiển U/F”

Với sự hướng dẫn tận tình của cô giáo Ths An Hoài Thu Anh bộ môn Trang bị điện – điện tử , các bạn trong nhóm “ đồ án truyền động điện năm 2017 của cô Thu Anh” Đến nay nhóm đã hoàn thành xong đồ án Do kiến thức chuyên môn còn hạn chế , các tài liệu tham khảo có hạn nên trong đồ án không thể tránh khỏi những sai sót, rất mong có sự chỉ bảo, góp ý của thầy cô giáo, cùng bạn bè để bản đồ án của em được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 A CHỌN HỆ T N ĐỘNG ĐIỆN V PHƯƠNG PH P

ĐI U KHIỂN TRUY N ĐỘNG ĐIỆN ĐO N T

1.1 Khái quát chung

Theo khía cạnh thiết bị truyền chuyển động- động cơ điện kéo có thể chia làm 3 dạng chính :

- Hệ truyền động động cơ điện kéo 1 chiều:

 Mạng tiếp xúc một chiều - động cơ điện kéo một chiều

 Mạng tiếp xúc xoay chiều - động cơ điện kéo một chiều

- Hệ truyền động động cơ điện kéo xoay chiều Đ 3 pha roto lồng sóc:

 Mạng tiếp xúc một chiều - động cơ điện kéo xoay chiều

 Mạng tiếp xúc xoay chiều - động cơ điện kéo xoay chiều

- Hệ truyền động động cơ điện kéo tuyến tính

Hiện nay do công nghệ điện tử ngày càng phát triển và hoàn thiện Sự ra đời của các thiết bị điện tử bán dẫn- diode, Thyristo, GTO (GateTurn Off), IGBT (Insulate Gate Bipolar Transitor), Transitor có cực điều khiển cách ly (1985- 1990) và các bộ

vi xử lý, vi điều khiển được ứng dụng rộng rãi vào hệ truyền động điện trên các phương tiện giao thông điện Vì vậy có rất nhiều các phương pháp điều khiển tốc độ đoàn tàu

Đối với đoàn tàu sử dụng động cơ điện một chiều

Phương pháp 1: điều khiển nhằm điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ (điều chỉnh góc dẫn các bộ chỉnh lưu Thyristo hay điều chỉnh chu kỳ dẫn các bộ băm xung 1 chiều)

Phương pháp 2: điều khiển dòng kích từ nhằm điều khiển từ thông của động cơ Đối với đoàn tàu sử dụng động cơ điện xoay chiều dị bộ- roto lống sóc: điều khiển

vô hướng ( SF , U/F), điều khiển có hương ( DT , FO )

1.2 Hệ truyền động điện đoàn tàu sử dụng ĐC ĐK 1 chiều

1.2.1 Đoàn tàu sử dụng mạng tiếp xúc 1 chiều: 660, 750, 1500, 3000V

Mạng tiếp xúc

Thiết bị

đóng cắt

nguồn

Thiết bị bảo vệ

Thiết bị

hỗ trợ

Thiết bị chuyển mạch chấp hành

Ray Kích từ

Bánh xe

Gear ĐCĐ

Hình 1 1 Sơ đồ nguyên l hệ TĐĐ đoàn tàu sử dụng nguồn cấp 1 chiều cho

Đ Đ 1 chiều

Nguồn điện: - lưới tiếp xúc 1 chiều có thể là lưới điện trên cao hoặc đường ray thứ 3

1 Thiết bị đóng cắt nguồn: có thể là dao cắt ly hoặc thiết bị đóng cắt cao

áp có chức năng đóng hoặc cắt toàn bộ đoàn tàu khỏi lưới tiếp xúc cao áp

2 Thiết bị bảo vệ: à các role dòng điện bảo vệ Đ khỏi hỏng hóc do tình trạng quá tải, các rơle điện áp bảo vệ Đ khỏi làm việc ở điện áp thấp …

3 Thiết bị hỗ trợ: thông thường là các bộ lọc giúp nâng cao chất lượng và

ổn định nguồn cung cấp cho động cơ; các mạng điện trở hỗ trợ khởi động, hãm đoàn tàu, mạng điện trở phục vụ cho điều chỉnh dòng kích từ

4 Thiết bị chuyển mạch chấp hành: thường là các rơle, contacto, khởi động từ làm nhiệm vụ đóng cắt nguồn điện cấp cho động cơ, thay đổi chiều dòng điện cấp cho động cơ, thực hiện việc đấu nối các nhóm động cơ sử dụng trên đầu máy Hoặc là các thiết bị bán dẫn điều chỉnh điện áp động cơ- van thyristo hay GTO, IGBT

Nguyên lý làm việc: dòng điện từ lưới cung cấp qua cần tiếp xúc, dòng điện được dẫn vào đầu máy, qua các thiết bị bảo vệ, thiết bị chuyển mạch chấp hành cấp cho

Đ Đ 1 chiều thông qua cặp bánh răng làm quay trục bánh xe hi đó dưới tác dụng của bánh xe và đường ray tạo sức kéo làm đoàn tàu chuyển động

Tuy nhiên, do tổn hao dẫn quá lớn, cho nên đối với đường sắt đường dài sử dụng lưới điện kéo xoay chiều

1.2.2 Đoàn tàu sử dụng lưới điện kéo xoay chiều: 1-15kV, 16 2/3Hz; 25kv, 50Hz

Thiết bị

hỗ trợ

Thiết bị chuyển mạch chấp hành

Đối với mạng cung cấp nguồn một chiều (giao thông điện thành phố): Nguồn điện một chiều từ lưới tiếp xúc được dẫn qua cần tiếp xúc vào đầu máy, qua thiết bị đóng cắt cao áp dòng điện một chiều này được đưa đến một thiết bị chuyển đổi điện năng D /A , dòng điện đầu ra sau bộ chuyển đổi là dòng điện xoay chiều có điện áp và tần số có khả năng thay đổi được, dòng điện này được cấp cho động cơ

dị bộ xoay chiều tạo thành cơ năng trên trục quay của động cơ, thông qua cơ cấu giảm tốc cơ khí truyền chuyển động quay lên các bánh xe đầu máy

1.3.1 Đối với hệ truyền động điện cấp nguồn cấp xoay chiều

Ray

Hình 1 3 Hệ truyền động điện cấp nguồn xoay chiều với động cơ ĐB 3 pha

Nguồn điện xoay chiều điện áp cao từ lưới tiếp xúc dẫn qua cần tiếp điện vào đầu máy, qua thiết bị đóng cắt cao áp dẫn đến sơ cấp MBA hạ áp, đầu ra thứ cấp MBA với điện áp phù hợp, nguồn điện này biến đổi sang nguồn 1 chiều bằng bộ chỉnh lưu, sau đó điện áp qua bộ lọc được nắn thẳng được đưa đến bộ chuyển đổi

D /A (nghich lưu), dòng điện đầu ra nghịch lưu có thể thay đổi về giá trị và tần số cấp cho Đ dị bộ xoay chiều tạo thành cơ năng trên trục quay Đ , thông qua cơ cấu giảm tốc cơ khí truyền chuyển động quay lên các bánh xe

1.3.2 Đối với hệ truyền động điện cấp nguồn một chiều

ó 2 phương pháp cung cấp điện cho Đ Đ xoay chiều không đồng bộ 3 pha:

sử dụng bộ biến đổi xung áp và không sử dụng bộ biến đổi xung áp

a Phương pháp 1:

Sơ đồ dưới được ứng dụng rất nhiều trong hệ thống đường sắt từ trước đến nay,

ưu điểm: số lượng hệ thống bộ lọc ít, số lượng thiết bị bán dẫn ít, giảm tổn hao năng lượng trên các bộ biến đổi

Mạng tiếp xúc trên cao

AC DC

Hình 1 4 Hệ TĐĐ đầu m y 1 chiều sử dụng Đ ĐB oay chiều 3 pha và đ ng trực tiếp ngh ch lưu

b Phương pháp 2:

Sử dụng bộ băm xung áp đầu vào: đảm bảo cho bất kỳ mức điện áp đầu vào nghịch lưu không phụ thuộc vào giá trị điện áp lưới Giá trị điện áp đầu vào thiết bị chuyển đổi DC/AC phụ thuộc vào loại thiết bị bán dẫn, thông số Đ Đ

Bộ băm xung

Hình 1 5 ệ ĐĐ đ u áy 1 chiều v i ộ xung đ u vào

Nguồn điện 1 chiều được dẫn qua cần tiếp điện, qua thiết bị đóng cắt cao áp, được nắn thẳng khi dẫn qua bộ lọc đến bộ biến đổi xung, điện áp đầu ra DC/AC cung cấp cho Đ Đ , điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi có thể thay đổi được giá trị

và tần số

1.4 Khái quát hệ truyền động điện đoàn tàu sử dụng động c tuyến t nh

Động cơ tuyến tính (còn gọi là động cơ truyền động thẳng) về bản chất là động

cơ xoay chiều thông dụng Tuy nhiên chúng được thiết kế để tạo nên chuyển động tịnh tiến Nguyên lý làm việc của động cơ truyền động thẳng cũng giống như động

cơ quay thông dụng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Lực orentz trong động

cơ truyền động thẳng là lực đẩy tác động lên phần động theo phương tịnh tiến thay

vì việc sịnh ra mô men quay trong máy điện quay thông thường hi cho dòng điện xoay chiều vào dây quấn phần sơ cấp làm xuất hiện từ trường chạy trong khe hở giữa phần sơ và phần thứ cấp Từ trường này quét qua các thanh dẫn của phần thứ cấp làm xuất hiện trong chúng sức điện động cảm ứng Do dây quấn thứ cấp ngắn mạch nên sinh ra dòng điện ứng Từ trường chạy tác dụng với dòng điện phần ứng sinh ra lực điện từ có xu hướng kéo phần thứ cấp chạy cùng chiều từ trường Vì thứ cấp cố định nên tạo ra phản lực có tác dụng đẩy phần sơ cấp chạy theo chiều ngược với từ trường

Về cấu tạo động cơ tuyến tính (truyền động thẳng) có 3 loại:

- Loại stator ngắn

- Loại stator dài

- Loại stator răng lược

Stator

Rotor

Động cơ tuyến tính loại Stator ngắn Động cơ tuyến tính loại Stator dài

Hình 1 6 Cấu tạo động cơ tuyến tính

Trong 3 loại trên thì 2 loại stator ngắn và stator dài được sử dụng phổ biến trong các phương tiện đoàn tàu điện

Động cơ tuyến tính so sánh với động cơ chuyển động quay nó có nhiều ưu thế bởi các ưu điểm :

- Động cơ có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

- Không cần có cơ cấu cơ khí đổi từ chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến

- ó độ tin cậy và chính xác cao, đơn giản và an toàn trong vận hành

- Có khả năng chuyển động tịnh tiến với tốc độ cao

- Thời gian đáp ứng nhanh: tốc độ đáp ứng của thiết bị truyền động động

cơ truyền động thẳng lớn hơn rất nhiều lần so với các bộ truyền cơ khí

- Ít gây ồn khi làm việc, bảo dưỡng cũng dễ dàng hơn, tuổi thọ trung bình dài hơn

Tuy nhiên hiệu suất làm việc của động cơ tuyến tính thấp hơn khá nhiều so với động cơ chuyển động quay (do khe hở không khí lớn hơn), hơn nữa giá thành động

cơ tuyến tính còn cao hơn nhiều so với động cơ quay Gần đây, giá thành của động

cơ tuyến tính đã giảm đáng kể bởi số lượng động cơ tuyến tính được chế tạo tăng nhiều Nhiều nhà sản xuất đã đầu tư mạnh mẽ vào dây chuyền công nghệ, các trang thiết bị hiện đại cho sản xuất động cơ này Số lượng các hãng sản xuất tăng lên rất nhanh trong 4 năm qua Do vậy các hệ truyền động dùng động cơ truyền động tuyến tính cũng ngày càng được ứng dụng nhiều hơn trên các phương tiện đoàn tàu điện hiện đại sử dụng tại các nước phát triển trên thế giới, nổi bật như:

- Tàu điện cao tốc sân bay JFK Newyork (2003)

- Tuyến metro 4 Quảng Châu(2005)

- Tàu điện cao tốc sân bay Bắc Kinh (2008)

- Tàu điện đệm từ trường tuyến từ sân bay đến trung tâm Thượng Hải (có tốc độ lên tới 500 km/h)

-Vận hành

Điều khiển tốc độ đơn giản,

kĩ thuật chính xác, có thể điều chỉnh, thay đổi tốc độ và khả năng làm việc trong điều kiện quá tải

- Tổn hao năng lượng lớn, đặc biệt trong cự ly nhà ga gần, số lần hãm nhiều, khiến rất nhiều năng lượng điện trở thành nhiệt lượng, làm cho giá thành vận hành cao

Có công suất lớn về sức kéo và hãm tái sinh giảm được giá thành vận hành

- Thực hiện công việc điều khiển tự động đoàn tàu, cho phép điều chỉnh dải mềm công suất trong giải rộng,

Khởi động

Hơn nữa dòng khởi động lớn làm cho hành khách không thoải mái

- Khởi động êm và cho phép nâng cao gia tốc của đoàn tàu khi khởi động mag không cần tăng công suất động cơ điện kéo

Độ tin cậy

Điều khiển có độ chính xác không cao, không đảm bảo an toàn trong các môi trường làm việc rung có lắc mạnh

- Mạch truyền động ít thiết bị công suất, đơn giản, độ tin cậy cao

Ngày nay, với việc nguồn năng lượng đang dần trở nên khan hiếm thì động cơ điện xoay chiều dễ điều khiển tiết kiêm được điện năng nhất là có khả năng hãm tái sinh thì ngày càng được ứng dụng rộng dãi trong tàu điện đô thị và dần thay thế

động cơ điện 1 chiều Tuyến CL-HĐ là một trong số đó sử dụng động vơ điện xoay chiều

1.5 Phư ng pháp điều khiển truyền động điện cho đoàn tàu

1.5.1 Giới thiệu động cơ không đồng bộ xoay chiều

- Động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế sản xuất

Ưu điểm nổi bật của loại động cơ này là: cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc; so với động cơ một chiều động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn Ngoài ra, động cơ không đồng bộ có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị

biến đổi kèm theo

- Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là lĩnh vực điều khiển tự động và lĩnh vực công suất bán dẫn, các kĩ thuật điều khiển mới được phát minh, dẫn đến một bước tiến lớn trong việc điều khiển động cơ Đ Xét về mặt cấu tạo, người ta chia động cơ không đồng bộ ba

pha làm hai loại: động cơ rotor lồng sóc và động cơ rotor dây quấn

1.5.2 Cấu tạo động cơ không đồng bộ

Hình 1 7 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc

Hình 1 8 Stato động cơ không đồng bộ

b Phần quay

Rotor có hai loại chính là rotor dây quấn và rotor lồng sóc

a) Rotor dây quấn b) Rotor lồng sóc

Hình 1 9 Roto động cơ không đồng bộ

- Rotor kiểu dây quấn:

Rotor có dây quấn giống nhƣ dây quấn của stator Dây quấn ba pha của rotor

đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch Nhược điểm so với động cơ rotor lồng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ

- Rotor kiểu lồng sóc:

Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc

c Khe hở không khí

Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn

d Nguyên lý hoạt động

Hình 1 10 Nguyên lí hoạt động động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ hoạt động dựa vào nguyên lý cảm ứng điện từ Đặt điện

áp u1 vào dây quấn stator, sẽ có dòng điện stator i1 với tần số f1 Dòng điện i1 sẽ tạo

ra từ thông  theo nguyên tắc vặn nút chai Từ trường ba pha là từ trường quay

với với tốc độ 1

1

60 f n

p

 Vì dây quấn rotor nối ngắn mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện i2 trong các thanh dẫn rotor và tạo ra lực điện từ Fdt , làm cho rotor quay với tốc độ nn1 cùng chiều với từ trường quay Ở đây, n ≠ n1 vì nếu n = n1 sẽ không có chuyển động tương đối giữa rotor và từ trường quay





e Ứng dụng động c không đồng bộ

- Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên

động cơ không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi trong đời sống

- Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong

các thiết bị điện dân dụng

1.5.3 Điều khiển động cơ không đồng bộ

Đối với động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc ngày nay người ta sử dụng chủ yếu các phương pháp điều khiển sau:

- Điều khiển vô hướng ( U/F)

- Điều khiển có hướng (DTC, FOC)

1.5.3.1 Điều khiển vô hướng U/F

Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp cũng như tần số đặt vào động

cơ

IM 3~

- Dễ thực hiện việc kiểm soát và điều chỉnh tốc độ động cơ

- Dễ dàng vận hành động cơ với các tải khác nhau

- Có khả năng điều khiển đồng thời nhiều động cơ cùng một lúc

Nhược điểm:

- Ổn định tốc độ gặp khó khăn nghĩa là khó để kiểm soát được tốc độ

- Mặc dù hệ truyền động đơn giản nhưng có hạn chế về độ chính xác tốc

độ

- Khả năng huy động mô men chậm

1.5.3.2 Điều khiển có hướng DTC, FOC

a Phương pháp điều khiển DTC

Nội dung của phương pháp này là dựa trên sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng từ các khâu tính toán hồi tiếp về của moment và từ thông Mặt khác

ta có thể điều khiển trực tiếp trạng thái của bộ nghịch lưu PW thông qua các tín

hiệu điều khiển đóng cắt các khóa công suất nhằm mục đích giảm sai số moment

và từ thông trong phạm vi cho phép được xác định trước Sai số giữa moment T

và moment đặt T* được đưa vào khâu so sánh trễ bậc 3, trong khi sai số giữa biên

độ từ thông stator ước tính và từ thông đặt được đưa vào khâu so sánh trễ bậc 2

Hình 1 12 Sơ đồ cấu trúc phương ph p điêu khiển DTC

Ưu điểm:

- omen được điều khiển trực điếp nhờ tác động của vector điện áp tới vector từ thông stator

- Đáp ứng momen theo tải tốt

- Thuật toán điều khiển không quá phức tạp

- Không cần phép chuyển đổi tọa độ do các phương trình được khảo sát trên tọa độ dq

Nhược điểm:

- Độ méo dòng cao

- Độ gợn momen cao

- Tần số chuyển mạch thay đổi theo tốc độ động cơ

b Phương pháp điều khiển FOC

Bộ biến tần

Tính toán biên

độ và góc quay

từ thông

Bảng chọn vector điện áp

U DC

Tính toán moment

FOC là phương pháp tựa hướng trường, tư tưởng là đưa mô hình động cơ xoay chiều về dạng động cơ 1 chiều để thực hiện các phương pháp điều khiển Vì động

cơ 1 chiều chúng ta đã xử lý tốt

Nguyên lý này xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông và moment, nó dựa trên phương pháp phân tách phi tuyến được sử dụng trong điều khiển các hệ thống phi tuyến Bản chất của phương pháp này là điều khiển các biến đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0

s

j

es

- Điều khiển độ chính xác cao

- Tăng và giảm tốc nhanh

- Điều khiển động cơ I như động cơ điện một chiều nếu bộ điều chỉnh dòng điện áp đặt được dòng nhanh, không trễ, cách ly tốt

Nhược điểm:

Bộ biến tần là bộ thiết bị biến đổi nguồn điện từ tần tần số cố định (thường 50Hz) được chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu sẽ biến đổi thành nguồn điện áp xoay chiều ba pha có tần số biến đổi cung cấp cho động cơ ộ biến tần phải thõa mãn các yêu cầu sau

- Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ mong muốn đã đặt

- Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số

- Có khả năng điều chỉnh điện áp

Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp chỉ sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp Thay đổi tần số f2 khó khăn , thường thay đổi f2 < f1 Ngược lại thay đổi f2 > f1 rất phức tạp

b Biến tần gián tiếp

Còn gọi là biến tần độc lập Trong biến tần này đầu tiên điện áp được chỉnh lưu thành nguồn một chiều Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều với tần số f2

nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổi f2 không phụ thuộc vào f1 ) Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển

số nhờ kĩ thuật vi xử lí nên ta phát huy tối đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn

IM

Nguồn đầu vào

Ba pha Mạch chỉnh lưu DC-Link Mạch nghịch lưu Động cơ

Hình 2 1 Biến tần gián tiếp nguồn áp ba pha

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp chia làm hai loại

- Biến tần gián tiếp nguồn áp

- Biến tần gián tiếp nguồn dòng

Trong đồ án này, chúng em sử dụng biến tần gián tiếp nguồn áp

 Biến tần gián tiếp nguồn áp

Dùng nghịch lưu nguồn áp với đầu vào một chiều điều khiển được Điện áp một chiều cung cấp(dùng chỉnh lưu có điều khiển hoặc chỉnh lưu không điều khiển) sau đó điều chỉnh nhờ bộ biến đổi xung áp một chiều

Biến tần nguồn áp có dạng điện áp ra xung chữ nhật, biên độ được điều chỉnh nhờ thay đổi điện áp một chiều

 Cấu trúc bộ biến tần nguồn áp:

- Bộ nghịch lưu:là bộ phận rất quan trọng của bộ biến tần, nó biến đổi dòng điện một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều có tần số f2

Dc Link Bracking

Chopper

Nghịch lưu nguồn áp 3 pha

AC DC

Hình 2 2 S đ m ch động l c cấp điện cho giao thông điện

Hình 2 3 Động cơ điện kéo IM/ASM

Động cơ điện kéo I /AS là động cơ được sử dụng rất phổ biến trong các phương tiện giao thông điện đô thị trên thế giới Điển hình là được sử dụng cho tuyến đường sắt Vũ Hán 1 của Trung Quốc Hay tuyến LRV line 3 của thành phố Đại Liên, Trung Quốc Sử dụng cho đoàn tàu JR East E233 Series, Nhật Bản, hay đoàn tàu CENTRAL 3000 Series, Brazil…

2.2.2 Tính toán dòng ti p xúc cho trạ điện kéo

Để tính toán và lựa chọn được Máy biến áp cũng như các thiết bị cho mạch lực cho

hệ truyền động điện ứng dụng vào tuyến tàu điện đô thi át inh- Hà Đông, ta cần

phải tính toán được dòng điện tiếp xúc cho trạm điện kéo (TĐ )

- T nh to n dòng điện tiếp úc cho TĐ

Dòng điện trung bình của đoàn tàu:

+ A – điện năng tiêu thụ riêng w.h/t.km

+ m – khối lượng của đoàn tàu gồm cả hành khách, T

+ Vkt – vận tốc khai thác của đoàn tàu, km/h

+ Udm – hiệu điện thế định mức (V)

+ n – số đơn vị đoàn tàu trên khu đoạn xét

Giá trị trung bình số lượng đoàn tàu trên khu đoạn tính toán đối với chạy tàu 2

hướng kd 2. kd tx

kt

N L n

N – cường độ chuyển động của đoàn tàu trên mỗi tuyến, đơn vị/h

m – số lượng tuyến trên mỗi khu đoạn tính toán (m=1)

Trong đó NMi được xác định như sau:

16, 0926,1

n – số lượng đơn vị đoàn tàu trên tuyến (12)

Lt – chiều dài chuyến tàu cả đi và về (km) : Lt = 2.Lm =26,1

Vì số lượng tuyến là 1 nên N = kd N = 16.09 đơn vị/h Mi

Vì trên tuyến đường có 12 TĐ nên sẽ có 11 khu đoạn với giá trị lần lượt là (áp dụng công thức [*] )

Số lượng trung bình đoàn tàu trên mỗi phân đoạn cách điện bằng tổng số lượng

đoàn tàu trên các khu đoạn tính toán :

k – số khu đoạn tính toán trên 1 phân đoạn cách điện

C – số phân đoạn cách điện

Giá trị dòng điện trung bình trên khu đoạn lưới tiếp xúc được tính trên từng phân

đoạn (tức là khoảng cách giữa 2 nhà ga): Ikd = nkd Itb (2.7)

Ikd1 = 0.86*495 = 426 A Ikd2 = 0.852*495 = 422 A

Ikd3 = 0.95*495 = 470 A Ikd4 = 1.148*495 = 568 A Ikd5 = 0.968*495 = 479 A Ikd6 = 1.326*495 = 656 A

Ikd7 = 1.034*495 = 512 A Ikd8 = 1.13*495 = 559 A

Ikd9 = 1.134*495 = 561 A Ikd10 = 1.308*495 = 647 A

Ikd11 = 0.9442*495= 467 A

Sơ đồ cấp điện của 6 TĐ cho tuyến đường sắt (chiều đi và chiều về)

Hình 2 4 Sơ đồ cấp điện 2 phía cho trạm điện kéo

Giá tr dòng điện của c c TĐ là:

IDC = 2500 A > ITĐ Trong đồ án này chúng em tính toán chọn lựa mạch lực bộ biến tần cho TĐ cấp nguồn một phía I = 1600 (A)

2.2.3 Tính ch n mạch chỉnh ưu v i n áp

2.2.3.1 Máy bi n áp

Xét đến ảnh hưởng của điện áp suy giảm trong phạm vi dao động thì điện áp đầu

ra lý tưởng của mạch chỉnh lưu nên cao hơn điện áp mạch một chiều mong muốn 10%

Với

k : là hệ số phụ thuộc vào cấu trúc mạch chỉnh lưu Ở đây ta sử dụng chỉnh lưu cầu

ba pha không điều khiển nên k  1,35 [1]

U2 : trị số hiệu dụng điện áp dây cuộn thứ cấp máy biến áp

2

825

611 1,35

Vậy ta sử dụng máy biến áp có các thông số như sau:

-Công suất: 1500 kVA

- Cấp điện áp: 22kV / 610 V

- Tần số: 50 Hz

- Tổ nối dây Y-Y

2.2.3.2 Tính ch n mạch chỉnh ưu

- Điện áp ngược tối đa trên van

22,45 2,45.611 1497

ng

- Dòng điện trung bình qua van

Dòng một chiều trong khâu DC – link

- Chọn van diode công suất

Sử dụng 3 module diode chỉnh lưu D850N30T của hãng INFINEON

Bảng thông số module Diode lưu D850N30T

B ng 2 2 B ng catalog thông số chỉnh module diode chỉnh lưu D850N30T

Hình 2 5 Hình nh th c t và s đ chân module diode

2.2.4 nh ch n t - DC link

2.2.4.1 Vai trò c a t C

- Làm tụ lọc của mạch chỉnh lưu phía trước

- Tiếp nhận công suất phản kháng của mạch nghịch lưu do các diode ngược đưa về (bằng cách tạo ra 1 khâu DC –Link có trở kháng nhỏ)

- Giảm điện cảm tản của mạch cầu nghịch lưu Từ đó làm giảm thời gian đóng cắt của các van công suất, tránh sự ảnh hưởng bởi các điện áp đột biến tác động lên thiết bị đóng cắt, giảm được tổn hao đóng cắt và làm cho van mát hơn

- Xác định L s (điện cảm stator) ở tần số cơ bản f =50 Hz

Với công suất lớn, ta lấy độ sụt áp trên Ls là 10%

33

Ls Ls