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
nước 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 lượng. Động cơ không đồng bộ đã được sử
dụng phổ biến trên các phương tiện giao thông vận tải với nhiều ưu điểm như việc
khởi động dễ dàng, giá thành rẻ, vận hành êm, kích thước 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 chưa được 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”.
104 trang |
Chia sẻ: tranhieu.10 | Lượt xem: 2156 | Lượt tải: 5
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Nghiên cứu thiết kế và điều khiển hệ thống truyền động điện tàu điện đô thị tuyến Cát Linh - Hà Đông theo phương pháp điều khiển u/f, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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
SVTH : Trần Văn Bảo 1
Đỗ Anh Đức
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
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths An Hoài Thu An
SVTH : Trần Văn Bảo 2
Đỗ Anh Đức
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
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths An Hoài Thu An
SVTH : Trần Văn Bảo 3
Đỗ Anh Đức
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
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths An Hoài Thu An
SVTH : Trần Văn Bảo 4
Đỗ Anh Đức
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
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. 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
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths An Hoài Thu An
SVTH : Trần Văn Bảo 5
Đỗ Anh Đức
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
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths An Hoài Thu An
SVTH : Trần Văn Bảo 6
Đỗ Anh Đức
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 Sai lệch giữa tốc độ từ trường quay stator và
rotor
s: 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
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths An Hoài Thu An
SVTH : Trần Văn Bảo 7
Đỗ Anh Đức
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
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths An Hoài Thu An
SVTH : Trần Văn Bảo 8
Đỗ Anh Đức
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 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
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths An Hoài Thu An
SVTH : Trần Văn Bảo 9
Đỗ Anh Đức
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
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths An Hoài Thu An
SVTH : Trần Văn Bảo 10
Đỗ Anh Đức
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.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths An Hoài Thu An
SVTH : Trần Văn Bảo 11
Đỗ Anh Đức
CHƢƠNG 1. 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
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths An Hoài Thu An
SVTH : Trần Văn Bảo 12
Đỗ Anh Đức
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: -