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

TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN
ĐỘNG ĐIỆN TÀU ĐIỆN ĐÔ THỊ TUYẾN CÁT LINH- HÀ ĐÔNG
THEO PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN U/F

Sinh viên thực hiện

: Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

Lớp

: Trang thiết bị điện- điện tử trong CN>VT

Khóa

: 54

Giáo viên hƣớng dẫn : Th.s An Hoài Thu Anh

Hà Nội, 2018


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN

………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………

Hà Nội, Ngày…. tháng….năm 2018
Giáo viên hƣớng dẫn
(ký và ghi rõ họ tên)

Ths An Hoài Thu Anh

SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

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

SVTH : Trần Văn Bảo

Đỗ Anh Đức

2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... 9
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 10
HƢƠNG 1.

A

HỌN HỆ T UYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ PHƢƠNG 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
HƢƠNG 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
2.1.2. h n loại ................................................................................................. 28
SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2.2.

nh ch n

ch

GVHD: Ths An Hoài Thu An
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
HƢƠNG 3.

Ô H NH H A VÀ

ẤU T

ĐIỀU

HIỂN HỆ TRUYỀN

ĐỘNG ĐIỆN THEO PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÔ HƢỚNG 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
HƢƠNG IV : TỔNG QUAN TUYẾN ĐƢỜNG SẮT ÁT INH HÀ ĐÔNG VÀ
Ô PHỎNG ĐÁNH GIÁ HỆ T UYỀN ĐỘNG ĐIỆN THEO PHƢƠNG 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.

cC 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

SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

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

SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Nguyên nghĩa

CL-HĐ

Cát Linh- Hà Đông

IM

Động cơ không đồng bộ 3 pha roto - lồng sóc

Đ

ĐB

Động cơ không đồng bộ

Đ Đ

Động cơ điện kéo

Đ Đ

Động cơ điện

AC

Dòng xoay chiều

DC

Dòng một chiều

U/F

hương ph p điều khiển vô hướng U/F

FOC

hương ph p điều khiển tựa từ thông

DTC

hương ph p điều khiển trực tiếp mô men

TĐĐ

Truyền động điện

MBA

Máy biến áp

PWM

hương ph p điều biến độ rộng xung

SVM

Điều chế vector không gian

IGBT

Van bán dẫn

n1 ,  0

Tốc độ c a từ trường quay

sl

s:

Sai lệch giữa tốc độ từ trường quay stator và
rotor
Độ trượt

E1

Sức điện động c a cuộn dây stato

1

Từ thông stator

ĐK

Tr

điện kéo

DANH MỤC HÌNH ẢNH
H nh 1. 1 Sơ đồ nguyên l hệ TĐĐ đoàn tàu sử dụng nguồn cấp 1 chiều cho
Đ Đ 1 chiều ........................................................................................................ 12
H nh 1. 2 Sơ đồ nguyên l hệ TĐĐ đoàn tàu sử dụng hệ truyền động điện oay

chiều ....................................................................................................................... 13
Hình 1. 3 Hệ truyền động điện cấp nguồn xoay chiều với động cơ ĐB 3 pha ...... 14
SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

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
SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

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 U1=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 usa,usb,usc ................. 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

Hình 4. 6

cc n

a sát giữa trục và c trục .................... 81

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
SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

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

SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng
phát triển mạnh mẽ. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế nhu cầu

đi lại đặc biệt là ở các thành phố lớn trên thế giới nói chung và 2 thành phố lớn ở
nƣớc ta là TP. Hồ Chí Minh, Thủ Đô Hà Nội nói riêng đòi hỏi phải có một hệ thống
giao thông điện đô thị đầy đủ phát triển bền vững cùng với đó là hệ thống vận hành
nhanh chóng, hiệu quả và tiết kiệm năng lƣợng. Động cơ không đồng bộ đã đƣợc sử
dụng phổ biến trên các phƣơng tiện giao thông vận tải với nhiều ƣu điểm nhƣ việc
khởi động dễ dàng, giá thành rẻ, vận hành êm, kích thƣớc nhỏ gọn, chắc chắn, chi
phí vận hành và bảo trì thấp. Với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kĩ
thuật vi xử lí, điện tử công suất, lý thuyết điều khiển truyền động thì việc ứng dụng
động cơ không đồng bộ ba pha ngày càng ứng dụng rộng rãi trong các hệ truyền
động điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế động cơ điện một chiều đặc
biệt là trong lĩnh vực giao thông điện đô thị. Khi mà giao thông điện tại việt nam
còn khá là mới mẻ và chƣa đƣợc khai thác nhiều. Do đó, trong đồ án này chúng em
chọn đề tài:
“ 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 hƣớng 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 đƣợc hoàn thiện hơn.

SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƢƠNG 1.

GVHD: Ths An Hoài Thu An

A CHỌN HỆ T

N ĐỘNG ĐIỆN V PHƢƠNG 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 đƣợc ứng dụng rộng rãi vào hệ truyền động điện trên các
phƣơng tiện giao thông điện. Vì vậy có rất nhiều các phƣơng pháp điều khiển tốc độ
đoàn tàu.
Đối với đoàn tàu sử dụng động cơ điện một chiều
Phƣơng pháp 1: điều khiển nhằm điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ (điều chỉnh
góc dẫn các bộ chỉnh lƣu Thyristo hay điều chỉnh chu kỳ dẫn các bộ băm xung 1
chiều).
Phƣơng 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 hƣớng ( SF , U/F), điều khiển có hƣơng ( DT , FO )
1.2. Hệ truyền động điện đoàn tàu sử dụng ĐC ĐK 1 chiều

SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.2.1.

GVHD: Ths An Hoài Thu An

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
ĐCĐ

Bánh xe

Gear

Kích từ

Ray

Hình 1. 1 Sơ đồ nguyên l hệ TĐĐ đoàn tàu sử dụng nguồn cấp 1 chiều cho
Đ Đ 1 chiều
Nguồn điện: - lƣới tiếp xúc 1 chiều có thể là lƣới điện trên cao hoặc đƣờng 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 lƣới 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 thƣờng là các bộ lọc giúp nâng cao chất lƣợng 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: thƣờng 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.

SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

Nguyên lý làm việc: dòng điện từ lƣới cung cấp qua cần tiếp xúc, dòng điện đƣợc
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 dƣới tác

dụng của bánh xe và đƣờng ray tạo sức kéo làm đoàn tàu chuyển động.
Tuy nhiên, do tổn hao dẫn quá lớn, cho nên đối với đƣờng sắt đƣờng dài sử dụng
lƣới điện kéo xoay chiều.

1.2.2.

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

50Hz.
Sơ đồ nguyên lý:
Mạng tiếp xúc

Thiết bị chuyển
mạch chấp hành
Thiết bị Thiết bị
bảo vệ hỗ trợ

MBA

ĐCĐ
Ray

Kích từ

Chỉnh lưu

Hình 1. 2 Sơ đồ nguyên l hệ TĐĐ đoàn tàu sử dụng hệ truyền động điện oay
chiều

Nguyên lý hoạt động: dòng điện xoay chiều từ lƣới cung cấp điện áp cao đƣợc
dẫn qua cần tiếp điện tới

A. Đầu ra thứ cấp

A có định mức điện áp phù hợp,

dòng điện xoay chiều từ thứ cấp thông qua bộ nắn công suất lớn ( bộ biến đổi chỉnh
lƣu) để biến dòng xoay chiều thành dòng 1 chiều cung cấp các động cơ điện kéo 1
chiều. hi động cơ quay sẽ sinh ra mômen quay bánh xe, đầu máy chuyển động.
Quá trình biến đổi: điện năng xoay chiều- điện năng 1 chiều- cơ năng.
1.3. Khái quát hệ truyền động điện đoàn tàu sử dụng ĐC ĐK xoay chiều
SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

Đối với mạng cung cấp nguồn một chiều (giao thông điện thành phố): Nguồn
điện một chiều từ lƣới tiếp xúc đƣợc dẫn qua cần tiếp xúc vào đầu máy, qua thiết bị
đóng cắt cao áp dòng điện một chiều này đƣợc đƣa 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 đƣợc, dòng điện này đƣợc 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

Thiết bị đóng cắt
nguồn

Chỉnh lưu

Bộ lọc

Thiết bị bảo vệ

Thiết bị chuyển
đổi DC/AC
Bánh xe
ĐCĐK

MBA hạ áp

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 lƣới 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 lƣu, sau đó điện áp qua bộ lọc đƣợc nắn thẳng đƣợc đƣa đến bộ chuyển đổi
D /A (nghich lƣu), dòng điện đầu ra nghịch lƣu 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 phƣơng 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.

Phƣơng pháp 1:

SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

Sơ đồ dƣới đƣợc ứng dụng rất nhiều trong hệ thống đƣờng sắt từ trƣớc đến nay,
ƣu điểm: số lƣợng hệ thống bộ lọc ít, số lƣợng thiết bị bán dẫn ít, giảm tổn hao năng
lƣợng trên các bộ biến đổi.
Mạng tiếp xúc trên cao
3KV; 1500V; 750V
Thiết bị đóng cắt
nguồn
Bộ lọc

Thiết bị bảo vệ

Thiết bị chuyển
đổi DC/AC
DC

ĐCKĐB Gear

AC

Hình 1. 4 Hệ TĐĐ đầu m y 1 chiều sử dụng Đ

Ray

ĐB oay chiều 3 pha và đ ng trực

tiếp ngh ch lưu.
b.

Phƣơng pháp 2:

Sử dụng bộ băm xung áp đầu vào: đảm bảo cho bất kỳ mức điện áp đầu vào
nghịch lƣu không phụ thuộc vào giá trị điện áp lƣới. Giá trị điện áp đầu vào thiết bị
chuyển đổi DC/AC phụ thuộc vào loại thiết bị bán dẫn, thông số Đ Đ .
Mạng tiếp xúc trên
cao 3KV; 1500V; 750V

Thiết bị đóng
cắt nguồn

Bộ lọc

Bộ băm xung Thiết bị bảo vệ

Thiết bị chuyển
đổi DC/AC
DC

AC

ĐCĐ

Gear
Ray

Hình 1. 5 ệ ĐĐ đ u

áy 1 chiều v i ộ

SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

15

xung đ u vào


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

Nguồn điện 1 chiều đƣợc dẫn qua cần tiếp điện, qua thiết bị đóng cắt cao áp,
đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc thiết kế để tạo nên chuyển động
tịnh tiến. Nguyên lý làm việc của động cơ truyền động thẳng cũng giống nhƣ động
cơ quay thông dụng dựa trên hiện tƣợng cảm ứng điện từ. Lực orentz trong động
cơ truyền động thẳng là lực đẩy tác động lên phần động theo phƣơng tịnh tiến thay
vì việc sịnh ra mô men quay trong máy điện quay thông thƣờng.

hi cho dòng điện

xoay chiều vào dây quấn phần sơ cấp làm xuất hiện từ trƣờng chạy trong khe hở
giữa phần sơ và phần thứ cấp. Từ trƣờng 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 trƣờng chạy tác dụng với dòng điện phần ứng
sinh ra lực điện từ có xu hƣớng kéo phần thứ cấp chạy cùng chiều từ trƣờng. Vì thứ
cấp cố định nên tạo ra phản lực có tác dụng đẩy phần sơ cấp chạy theo chiều ngƣợc
với từ trƣờng.
Về cấu tạo động cơ tuyến tính (truyền động thẳng) có 3 loại:
-

Loại stator ngắn.

-

Loại stator dài.

-

Loại stator răng lƣợc.
Stator

Rotor

Rotor

Stator
Động cơ tuyến tính loại Stator dài

Động cơ tuyến tính loại Stator ngắn

Hình 1. 6 Cấu tạo động cơ tuyến tính
SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

Trong 3 loại trên thì 2 loại stator ngắn và stator dài đƣợc sử dụng phổ biến trong
các phƣơng tiện đoàn tàu điện.
Động cơ tuyến tính so sánh với động cơ chuyển động quay nó có nhiều ƣu thế bởi
các ƣu 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 dƣỡng 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 lƣợng động cơ tuyến tính đƣợc chế tạo tăng
nhiều. Nhiều nhà sản xuất đã đầu tƣ mạnh mẽ vào dây chuyền công nghệ, các trang
thiết bị hiện đại cho sản xuất động cơ này. Số lƣợng 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 đƣợc ứng dụng nhiều hơn trên các phƣơng tiện đoàn tàu điện
hiện đại sử dụng tại các nƣớc phát triển trên thế giới, nổi bật nhƣ:
-

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 trƣờng tuyến từ sân bay đến trung tâm Thƣợng Hải (có

tốc độ lên tới 500 km/h).
-

Tàu điện đệm từ trƣờng Limo line ở Aichi, Nhật Bản (2005)

SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP



GVHD: Ths An Hoài Thu An

ết luận:
Động cơ điện kéo một chiều

Động cơ điện kéo xoay chiều
(IM)
Thể tích và trọng lƣợng đều nhỏ

-Khối lƣợng:

Thể tích và khối lƣợng lớn

hơn Đ Đ 1 chiều ở cùng công
suất

-Vận hành

Điều khiển tốc độ đơn giản,

Có công suất lớn về sức kéo và

kĩ thuật chính xác, có thể

hãm tái sinh giảm đƣợc giá

điều chỉnh, thay đổi tốc độ và

thành vận hành.

khả năng làm việc trong điều

- Thực hiện công việc điều

kiện quá tải.

khiển tự động đoàn tàu, cho

- Tổn hao năng lƣợng lớn,

phép điều chỉnh dải mềm công

đặc biệt trong cự ly nhà ga

suất trong giải rộng,

gần, số lần hãm nhiều, khiến
rất nhiều năng lƣợng điện trở
thành nhiệt lƣợng, làm cho
giá thành vận hành cao

Khởi động

Hơn nữa dòng khởi động lớn - Khởi động êm và cho phép
làm cho hành khách không nâng cao gia tốc của đoàn tàu
thoải mái.
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 trƣờng 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 lƣợng đang dần trở nên khan hiếm thì động cơ
điện xoay chiều dễ điều khiển tiết kiêm đƣợc điện năng nhất là có khả năng hãm tái
sinh thì ngày càng đƣợc ứng dụng rộng dãi trong tàu điện đô thị và dần thay thế
SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

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 đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong thực tế sản

xuất.
Ƣu 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 lƣới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị
biến đổi kèm theo.
-

Nhƣợc 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 đƣợc phát minh, dẫn đến một bƣớc tiến lớn trong việc điều
khiển động cơ

Đ . Xét về mặt cấu tạo, ngƣời 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
a.

Phần tĩnh

Stator có cấu tạo gồm: vỏ máy, lõi sắt và dây quấn.
-

Vỏ máy:

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ.
Thƣờng vỏ máy đƣợc làm bằng gang. Đối với máy có công suất tƣơng đối lớn
(1000kW) thƣờng dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ máy. Tuỳ theo cách làm
nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau.

SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

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

Lõi sắt:

Lõi sắt là phần dẫn từ, vì từ trƣờng đi qua lõi sắt là từ trƣờng quay nên để giảm tổn
hao dòng Fucô thì lõi sắt đƣợc làm bằng những lá thép kỹ thuật ghép lại.
-

Dây quấn:

Dây quấn đƣợc dùng để dẫn điện, sinh ra từ trƣờng, dây quấn đƣợc đặt vào rãnh của
lõi sắt và đƣợc cách điện tốt với lõi sắt, dây quấn đƣợc làm bằng đồng, có tác dụng
sinh ra từ trƣờng quay cảm ứng với dòng điện tạo ra mômen.

SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

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
thƣờng đấu hình sao còn ba đầu kia đƣợc nối vào vành trƣợt thƣờng làm bằng đồng
SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

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 đƣa 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 thƣờng dây quấn rotor đƣợc
nối ngắn mạch. Nhƣợc điểm so với động cơ rotor lồng sóc là giá thành cao, khó sử
dụng ở môi trƣờng 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 đƣợc nối tắt lại ở
hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà
ngƣời 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 lƣới và nhƣ 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
SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

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.
với với tốc độ n1 

Từ trƣờng ba pha là từ trƣờng quay

60 f1
. Vì dây quấn rotor nối ngắn mạch nên sức điện động cảm
p

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 trƣờng quay. Ở đây, n ≠ n1 vì
nếu n = n1 sẽ không có chuyển động tƣơng đối giữa rotor và từ trƣờng quay
 Fdt  0 .

Hệ số trƣợt: S 

n1  n
n1

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 đƣợc dùng rộng rãi trong đời sống.
-

Ngày nay, các hệ thống truyền động điện đƣợc 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 ngƣời ta sử dụng
chủ yếu các phƣơng pháp điều khiển sau:
-

Điều khiển vô hƣớng ( U/F)

-

Điều khiển có hƣớng (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 nhƣ tần số đặt vào động
cơ.
Mục đích: Giữ cho tỉ số giữa điện đáp định mức và tần số điện mức bằng hằng số.
SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths An Hoài Thu An

u

ramp

f

U s

f

1
s

ta

αβ
f

f*

Udc

us

u/f

Udc
C
=

tb
us

s

tc
Điều Chế
Vecter
IM
3~

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

Ƣu điểm :
-

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.

Nhƣợc điểm:
-

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

-

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

-

Khả năng huy động mô men chậm

độ.

1.5.3.2. Điều khiển có hướng DTC, FOC
a.

Phƣơng pháp điều khiển DTC
Nội dung của phƣơng pháp này là dựa trên sai lệch giữa giá trị đặt và giá

trị ƣớc lƣợng 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 lƣu PW
SVTH : Trần Văn Bảo
Đỗ Anh Đức

24

thông qua các tín