Nghiên cứu thiết kế và điều khiển hệ truyền động điện tàu điện đô thị ứng dụng tuyến Cát Linh Hà Đông theo phương ph p điều khiển U F (Đồ án tốt nghiệp)

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


Khóa luận đầy đủ ở file: Khóa luận full