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

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: -