Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến cát linh – hà đông

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông Mục lục SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông Lời Nói Đầu Trong điều kiện công đổi đất nước thực công nghiệp hoá đại hoá với hội thuận lợi với thách thức lớn Đặt cho hệ trẻ chúng em nhiệm vụ nặng nề, đất nước cần thiết hệ trẻ chúng em nhiệt tình tri thức trẻ, có kĩ sư tương lai chúng em Sự phát triển nhanh chóng khoa học kĩ thuật lĩnh vực điện - điện tử - tin học làm mặt xã hội thay đổi ngày Trong hoàn cảnh để đáp ứng thực tiễn sống đòi hỏi kĩ sư tương lai chúng em phải có kiến thức chuyên ngành cách sâu rộng Trong khuôn khổ đào tạo kĩ sư ngành trang bị điện nhằm trang bị sinh viên trước trường có hội tiếp cận sâu với kiến thức chuyên nghành với tìm hiểu vấn đề phát triển tương lai Ngành giao thông vận tải mối quan tâm hàng đầu quốc gia, Việt Nam nước phát triển vấn đề quan trọng giải tình hình giao thông tương lai Chủ trương tăng cường giao thông công cộng theo nghị phủ đến 2020 hoàn thành dự án tầu điện giao thông đô thị có Hà Nội Được biết chủ trương với xuất phát trước đón đầu Do em chọn đồ án cung cấp điện cho tầu điện ngầm Trong trình làm đồ án tốt nghiệp em giúp đỡ tận tình thầy cô Bộ môn trang bị điện, đặc biệt TS Trương Tấn Hải Ths Trần Thị Thanh Huyền người hướng dẫn góp ý nhiệt tình cho em suốt thời gian làm đồ án Mặc dù em cố gắng nghiên cứu tìm hiểu thời gian làm đồ án có hạn, kiến thức thân chưa đầy đủ, kinh nghiệm thực tế nên đồ án em nhiều thiếu sót cần bổ sung thêm Em mong bảo đóng góp ý kiến thầy cô để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ thầy cô SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông Chương I : Tổng Quan Về Cung Cấp Điện Giao Thông Thành Phố 1.1 Sơ lược giao thông điện Các lĩnh vực sử dụng giao thông điện bao gồm: Giao thông đường sắt có đầu máy điện kéo toa xe chở hàng chở khách, đoàn tàu gồm toa xe gắn môtơ điện thường dùng chở khách đường ngoại ô thành phố lớn, giao thông thành phố có tàu điện bánh sắt, xe điện bánh hơi, tàu điện ngầm, giao thông công nghiệp có đầu máy điện kéo xe goòng chở than hầm lò, đầu máy điện kéo toa xe chở nguyên vật liệu công nhân xí nghiệp Tất loại giao thông điện sử dụng lĩnh vực nêu có chung sở nguyên lý làm việc biểu thị khái quát trình làm việc sơ đồ khối sau đây: §C 10 Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý làm việc giao thông điện Trên sơ đồ: Nhà máy điện Trạm biến áp Đường dây cao áp pha Trạm điện kéo SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông Dây cung cấp (phía mạng tiếp xúc) Dây (nối đất, nối ray) Hệ thống dây tiếp xúc Đầu máy điện Cần tiếp điện 10 Đường ray Tất loại giao thông điện (trên đường ray) sử dụng lĩnh vực nêu dùng động điện kéo Việc truyền tải lượng điện từ nhà máy điện tới động điện kéo đặt đầu máy toa xe thực nhờ trạm biến áp, đường dây cao áp với cấp điện áp khác trạm điện kéo Trong trạm điện kéo điện biến đổi theo loại dòng điện điện áp phù hợp với loại động điện kéo đầu máy, sau theo hệ thống dây tiếp xúc điện cung cấp đến động điện kéo Động điện kéo làm việc theo hệ truyền động làm chuyển động bánh xe đầu máy (mạch vòng dòng điện theo đường ray trở trạm) Tầu điện bánh sắt Hà Nội sử dụng từ năm 1920, đồng thời khoảng thời gian đầu máy điện áp dụng để chở than từ hầm lò đến bến Cửa Ông (Quảng Ninh) đầu máy điện chở goòng khai thác than hầm lò Ngót 70 - 80 năm Việt Nam giao thông điện mỏ than Quảng Ninh Hà Nội khai thác Đó hệ thống điện chiều, nguồn điện máy phát điện chiều, động điện kéo động điện chiều kích từ nối tiếp Từ sau ngày giải phóng (1954) đến sửa chữa đổi thay trạm phát điện trạm chỉnh lưu bán dẫn, riêng thành phố Hà Nội hệ thống giao thông điện cũ bị xoá bỏ hoàn toàn từ năm 1980 Sử dụng giao thông điện ngành đường sắt, giao thông thành phố vận tải công nghiệp có ưu việt sau: SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông Giao thông điện cho phép nâng cao công suất kéo đầu máy tương đối dễ dàng Nhờ công suất lớn, tốc độ lớn nên khả chuyên chở khả thông qua nhanh Hiệu suất giao thông điện lớn Nếu không tính đến tổn hao điện hệ thống cung cấp điện tổn hao nhà máy điện (nhiệt điện) hiệu suất 29,5% - 33,4%, giao thông điêzen có trị số hiệu suất 22,8% - 23,8% Như hiệu suất đầu máy điện cao đầu máy điêzen khoảng từ (6,7% - 9,6%) Trên đầu máy điện phận làm việc nhiệt độ cao chuyển động tịnh tiến qua lại đầu máy điêzen, sửa chữa, giảm chi phí khai thác Do đặc tính điện, đầu máy điện có gia tốc lớn đầu máy điezen Do sử dụng đầu máy điện đoạn đường nhiều chỗ đỗ thuận lợi Vì người ta thường dùng đầu máy điện chạy khu vực ngoại ô thành phố để chuyên chở hành khách Động điện loại động mang tính chất biến đổi lượng thuận nghịch Vì đầu máy điện chế độ kéo động tiêu thụ điện năng, chế độ hãm máy phát điện đưa điện trở lưới Nhờ phương pháp hãm tái sinh (thu hồi điên năng) xuống dốc giảm tốc độ, đầu máy điện trả lại lượng điện cho hệ thống cung cấp điện Sử dụng đầu máy điện tạo điều kiện để cải tạo kỹ thuật, khâu khác khí hoá, tự động hoá, công tác tu bảo dưỡng đường sắt, xếp dỡ hàng hoá kho bãi, điều khiển tự động điều khiển từ xa cải thiện điều kiện lao động cho cán bộ, công nhân viên ngành đường giao thông Sử dụng giao thông điện đường sắt kết hợp giải việc điện khí hoá lĩnh khác kinh tế quốc dân nằm khu vực SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông đường sắt qua phạm vi bán kính từ 30 đến 60km (ở hai phía đường sắt ) khoảng từ 50 đến 100km bán kính xung quanh trạm điện kéo Đầu máy điện kéo máy phát riêng đầu máy so với đầu máy Diezen nhẹ hơn, rẻ bền Cùng công suất đầu máy, trọng lượng đầu máy điêzen gấp 1,5 đến 1,7 lần trọng lượng đầu máy điện, giá thành gần gấp đôi so với đầu máy điện Đầu máy điện không thải độc, khói bụi, thuận tiện việc giữ gìn vệ sinh môi trường cho hành khách, thành phố khu dân cư đường sắt qua Những nhược điểm đầu máy điện so với đầu máy điêzen khái quát điểm sau : Sử dụng sức kéo điện phải bỏ vốn đầu tư lớn cho hệ thống cung cấp lượng điện đường dây cao áp, trạm điện kéo, hệ thống dây tiếp xúc (cột, đường dây .) Giá đầu máy điện bình quân 2/3 giá đầu máy điêzen, đầu tư cho mạng cung cấp điện gồm đường dây cao áp, trạm điện kéo, hệ thống dây tiếp xúc (cột, đường dây ) có giá thành 2,5 lần giá đầu máy Như phải có khối lượng vận chuyển tương đối lớn điện khí hoá có khả thực được, khối lượng vận chuyển lớn cho phép hoàn vốn đầu tư nhanh Tính động đầu máy điện yếu so với đầu máy điêzen; Nhất xảy chiến tranh Vì đường sắt, công trình đường sắt thân đầu máy có hệ thống mạng lưới cung cấp điện Sử dụng sức kéo điện gây nên ảnh hưởng hệ thống khác ảnh hưởng điện từ trường đường dây thông tin liên lạc, ảnh hưởng dòng điện rò, phá hoại công trình ngầm lòng đất Các ảnh hưởng nghiên cứu có biện pháp khắc phục, giảm thiểu SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông 1.2 Các dạng giao thông điện Giao thông điện phân thành: loại lấy điện từ mạng tiếp xúc loại tự hành Phổ biến, phát triển loại giao thông điện tiếp xúc, tức nhận điện từ dây dẫn tiếp xúc nghĩa phải có hệ thống cung cấp điện kéo bao gồm: mạng điện tiếp xúc, trạm điện kéo hệ thống điều khiển cung cấp điện Hệ thống cung cấp điện cho giao thông nhận điện từ hệ thống lượng tổ hợp nhà máy điện, trạm biến áp, lưới điện nối với thành hệ thống sản xuất truyền tải, phân phối điện Phần điện hệ thống lượng bao gồm máy phát nhà máy điện, đường dây cao áp truyền tải điện năng, trạm điện mạng luới phân phối điện đấu nối chúng phụ tải tiêu thụ điện Khi nối tất nhà máy điện, trạm biến áp điện lực đường dây truyền tải điện thành hệ thống lượng việc phân phối truyền tải điện hiệu giảm chi phí cho sản xuất điện năng, giảm tổn thất điện tăng hiệu suất hệ thống điện Trên hình 1.2 dẫn ví dụ sơ đồ cấu trúc phần điện hệ thống lượng Điện áp phát nhà máy điện không vượt 21KV nên để truyền tải điện xa phải qua trạm biến áp tăng áp lên 35 KV; 110 KV; 220KV đưa điện đến trạm phân phối giảm áp tới mức độ cần thiết qua mạng hạ áp truyền tải điện đến hộ tiêu thụ Các trạm điện kéo giao thông điện cấp điện từ trạm điện tương ứng hệ thống lượng gọi trung tâm cấp điện Đường dây truyền tải điện từ trung tâm cấp điện đến trạm điện kéo giao thông điện thường có cấp điện 110kv 220kv Các trạm điện kéo mà giao thông thành phố thường nhận điện theo đường cáp điện với điện áp kv; 10kv Các trạm điện kéo biến đổi điện theo loại dòng điện mức điện áp để cung cấp cho đoàn tàu chạy điện; Từ trạm điện kéo theo đường dây cấp điện, dây điện theo mạng dây tiếp xúc qua cần tiếp điện trượt theo dây tiếp xúc, đến động điện kéo; qua đường ray theo dây tiếp xúc dòng điện trở trạm điện kéo SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông Hình 1.2 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống lượng Nhà máy điện (Thuỷ điện,nhiệt điện ) Trạm biến áp phân phối Máy bù đồng Các đường dây truyền tải điện Cấp điện cho nhu cầu tự dùng nhà máy điện Hình vẽ 1.3 ví dụ thể cấu trúc hệ thống cấp điện chiều điển hình Cầu nối phân đoạn sử dụng để giảm tổn thất điện áp phân đoạn mà có khoảng cách trạm điện kéo xa Trong trường hợp đoạn mạng tiếp xúc liền kề nối máy ngắt nhanh Khoảng cách trạm điện kéo khoảng 5km tuyến xe điện ngầm tải nặng 10km đường khác SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông Hình 1.3 Hệ thống cấp điện chiều sử dụng phân đoạn Hệ thống cấp điện dòng chiều thiết phải có chỉnh lưu để chuyển đổi từ xoay chiều sang chiều Thường dùng chỉnh lưu ba pha xung, 12 xung Bộ chỉnh chỉnh lưu 12 xung thiết kế từ chỉnh lưu cầu xung với điện áp vào lệch pha 300 nối nối tiếp song song Ở nước khác giới, loại sức kéo điện với truyền dẫn điện theo dây dẫn, sử dụng hệ thống dây điện chiều (không đổi) hệ thống dây điện xoay chiều (biến đổi) Hệ thống dòng điện chiều - Dòng điện pha tần số công nghiệp trạm điện kéo biến đổi thành dòng điện (một chiều) có điện áp phù hợp với điện áp động điện kéo đoàn tàu (đầu máy) Trong giao thông đường sắt hệ thống dây điện chiều sử dụng cấp điện áp 3000V Trong giao thông công nghiệp dùng hệ thống dây điện chiều với cấp điện áp 1500V 750V Tăng điện áp mạng dây tiếp xúc lợi giảm tổn thất điện mạng điện kéo tăng khoảng cách trạm điện kéo Hệ thống dòng điện xoay chiều pha tần số công nghiệp (50Hz) - Dòng điện pha tần số công nghiệp nhờ máy biến áp trạm điện kéo biến đổi điện áp đạt mức theo yêu cầu phù hợp lưới tiếp xúc dạng dây điện pha Hệ SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông thống xoay chiều pha tần số công nghiệp phổ biến với mức điện áp 25KV Trên đầu máy kéo điện đoàn tàu chạy điện, máy biến áp giảm điện áp, sau chỉnh lưu dòng điện để cung cấp cho động điện kéo chiều Giao thông điện tự hành: Điện cần thiết cho việc vận chuyển sản sinh máy phát điện đặt đầu máy (đoàn tàu) Điện sinh máy phát điện đưa đến động điện kéo Khảo sát đặc tính dạng giao thông điện, giao thông điện tiếp xúc giao thông điện tự hành Sơ đồ hình 1.4: Giao thông điện Tiếp xúc Tự hành Thành phố Đường sắt Không ray Đường sắt - Xe điện bánh sắt - Đầu máy Diezen - Vận điện bánh - Đầu máy điện - Xe điện bánh - Đầu máy chạy khí- Vận chuyển hàng bánh - Đầu tàu chạy điện - Đầu tàu điện tốc độ cao - Xe điện ngầm - Đoàn tàu Diezen - Vận tải đặc biệt Hình 1.4: Các dạng giao thông điện Phát triển phổ biến giao thông điện với lưới điện tiếp xúc Đặc biệt giao thông điện vận tải đường sắt vận hành khách thành phố Trên đường sắt sức kéo dùng để dịch chuyển đoàn tàu đường ray gọi đầu máy Đầu máy nhận lượng điện từ mạng dây tiếp xúc gọi đầu máy điện Đầu máy điện chở hàng dùng để kéo toa xe hàng nặng có sức kéo lớn tốc độ cực đại không cao (nhỏ 110Km/h), đầu máy chở khách có tốc độ tương đối cao (từ 160 Km/h đến 180Km/h đạt 200Km/h nữa) SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 10 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông P+ mức ảnh hưởng tới dòng điện chốt, nên thận trọng để vùng khuếch tán P+ không mở rộng vào kênh MOS, điều làm tăng điện áp ngưỡng MOS 4.3 Chỉnh lưu có điều khiển diode tranzisto 12 xung Hình 4.12 cho thấy sơ đồ chỉnh lưu diode tranzitor loại n Các transistor mạch chuyển đổi chế độ đóng mở tác dụng tín hiệu điều khiển Trong khoảng thời gian chỉnh lưu dòng điện xuất hai bóng bán dẫn hai diode, diode transistor chỉnh lưu V diode transistor chỉnh lưu V2 Như hình 4.12 ta nhìn thấy van không điều khiển diode, có cực âm chỉnh lưu thứ nối tiếp vơi cực dương chỉnh lưu thứ hai, van điều khiển IGBT mắc vào mạch hai chỉnh lưu Như vậy, ta có chỉnh lưu có điều khiển Ví dụ khoảng thời gian phát xung π / ≤ ωt ≤ π / tải mạch bị ngắt thông qua pha cuộn dây b1 a1 transistor VT1 cathode V1, Ld – Rd , transistor VT6 anot V2, cuộn dây mắc song song b2 a2 – c2, cathode V2 diode VT2, anot diode VD3 nhóm V1 Với thiết kế chỉnh lưu dòng điện tải điều khiển bóng bán dẫn IGBT diode hoạt động chế độ bình thường SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 68 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông Hình 4.12 sơ đồ chỉnh lưu diode tranzitor nối tiếp Điều sơ đồ mắc nối tiếp hai mạch chỉnh lưu cầu xung, sơ đồ mắc song song cần tất van bán dẫn không điều khiển thay sang van IGBT 4.4 Lựa chọn phần chuyển đổi bán dẫn Tiếp tục giữ lựa chọn cần thiết chuyển đổi bán dẫn tính toán nhược điểm trình làm việc chúng Sự lựa chọn chuyển đổi bán dẫn ( cho chỉnh lưu V1 V2) SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 69 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông 4.4.1 Phương án lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu 12 xung Với phương án sử dụng chỉnh lưu 12 xung có van điều khiển chỉnh lưu van IGBT, với sơ đồ chỉnh lưu 12 xung kiểu hai chỉnh lưu xung mắc nối tiếp Ta có hai phương án để lựa chọn chỉnh lưu 12 xung có van điều khiển IGBT Như mục 4.3 giới thiệu, chỉnh lưu 12 xung nối tiếp hai chỉnh lưu pha xung, hai chỉnh lưu điều khiển độc lập với nên việc phân tích điều khiển chỉnh lưu chủ yếu xét đến việc điều khiển chỉnh lưu pha xung Phương án sử dụng chỉnh lưu điều khiển không đối xứng: Hình 4.13 sơ đồ chỉnh lưu điều khiển không đối xứng Ưu nhược điểm: Ưu điểm: SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 70 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông - chất lượng điện áp cao, hiệu suất sử dụng biến áp cao - việc điều khiển van đơn giản Nhược điểm: - Ud không đối xứng, thành phần sóng điều hòa thay đổi - khả chuyển sang chế độ nghịch lưu khó khăn Phương án sử dụng chỉnh lưu điều khiển đối xứng: Hình 4.14 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển đối xứng Ưu nhược điểm: Ưu điểm: - số xung áp chỉnh lưu chu kỳ lớn, độ đập mạch điện áp chỉnh lưu thấp, chất lượng điện áp cao - không làm lệch pha lưới điện, Ud đối xứng - có ứng dụng nhiều mạch mà có tải yêu cầu hoàn trả lượng lưới Nhược điểm: - sử dụng số van lớn, giá thành cao SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 71 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông - phải mở đồng thời van theo thứ tự pha nên gây khó khăn thiết kế mạch điều khiển Kết luận: xét đến tải trạm điện kéo công suất động điện kéo chiếm tỉ số lớn nhất, mà tải cảm có khả hoàn trả lượng điện trường hợp hãm tái sinh Do vậy, chọn phương án sử dụng sơ đồ chỉnh lưu điều khiển đối xứng, nhằm tận dụng khả hoàn trả lượng lưới điện 4.3.2 Lựa chọn tính toán IGBT Quá trình làm việc nhánh van chỉnh lưu đặc trưng giá trị dòng điện trung bình lớn theo hướng chỉnh lưu I v.tb Iv.max Cũng giá trị điện áp ngược lớn van bán dẫn U v.max Tính toán thông số để lựa chọn van bán dẫn xác định số lượng van nhánh van mắc nối tiếp song song Ảnh hưởng dòng điện chuyển mạch trình làm việc có ảnh hưởng nhỏ Giá trị hiệu dụng dòng điện nhánh van Iv = Id/(Kcx) = 0,578Id = 0,578*2250 = 1300 (A) Đối với chỉnh lưu 12 xung, thu được: Uv.max = 0,522Ud0 = 0,522*900 = 470 (V) Với thông số làm việc chọn điều kiện làm việc van có cánh tản nhiệt với đủ diện tích tản nhiệt, bao gồm quạt thông gió Thông số cần có van động lực là: Unv = kdtU*Uv.max Iđmv = kiIv Với: kdtU hệ số dự trữ thường chọn kdtU = 1,6 ÷ Ở ta chọn hệ số kdtU = ki hệ số dự trữ dòng điện phụ thuộc vào điều kiện làm việc van Với điều kiện tản nhiệt ta có ki = 1/60% Thay số chọn vào ta được: Unv = 2*470 = 940 (V) Iđmv = 1/6% *1300 = 2167 (A) Yêu cầu chọn van công suất chung phải chọn van mà có thông số điện áp ngược (Uvn), dòng điện định mức (I đmv) lớn gần với thông số tính toán Lựa chọn van IGBT yêu cầu với ba thông số sau: 1) dòng điện collector 2) điện áp collector – emitter 3) tần số đóng cắt Van IGBT chọn loại Westcode T2250AB25E có thông số sau: SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 72 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông Tên T2250AB25E Điện áp lớn collecto – emitor (VCES) 2500 V Dòng colector (IC) 2250 A Nhiệt độ làm việc Thời gian mở (td(on)) -400C đến +1250C 1,2 μs Thời gian đóng (td(off)) 1,8 μs Điện áp điều khiển (VGE) 5,8v Như vậy, với IGBT Westcode T2250AB25E hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu chủ yếu mạch chỉnh lưu chọn 4.3.3 Tính chọn thiết bị bảo vệ a) Bảo vệ điện áp cho van: Linh kiện bán dẫn nói chung van công suất nói riêng, nhạy cảm với thay đổi điện áp Những yếu tố ảnh hưởng lớn với van bán dẫn mà ta cần có phương thức bảo vệ : - Xung điện áp chuyển mạch van - Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, nguyên nhân thường gặp cắt tải có điện cảm lớn đường dây Bảo vệ xung điện áp trình đóng cắt cắt van: Được dùng mạch R – C mắc song song với van bán dẫn Sơ đồ trình bày hình 4.14 Mạch R – C mắc song song với van bán dẫn tạo mạch vòng phóng điện tích độ trình chuyển mạch van Hình 4.14 Mạch RC bảo vệ điện áp chuyển mạch Bảo vệ điện áp trình đóng cắt thực cách mắc R – C song song với IGBT Khi có chuyển mạch, điện tích tích tụ lớp bán dẫn phóng tạo dòng điện ngược khoảng thời gian ngắn Sự SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 73 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông biến thiên nhanh chóng dòng điện ngược gây sức điện động tự cảm lớn điện cảm làm cho áp anot catot IGBT Khi có mạch R – C mắc song song với IGBT, tạo mạch vòng phóng điện tích trình chuyển mạch nên IGBT không bị điện áp Theo kinh nghiệm R1 = (5÷ 30) Ω; C1 = ( 0,25 ÷ 4) μF Nên chọn R = 10Ω; C1 = 0,47 μF Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện: ta mắc song song với tải đầu vào mạch R – C, nhằm lọc xung hình 4.15 Khi xuất xung điện áp đường dây, nhờ có mạch lọc mà đỉnh xung gần nằm lại hoàn toàn điện trở đường dây Hình 4.15 Mạch bảo vệ xung điện áp từ lưới điện Trị số R – C chọn theo công thức kinh nghiệm R = (5÷ 20) Ω; C2 = μF Nên ta chọn R2 = 15Ω; C2 = μF SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 74 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông Chương V Lựa chọn hệ thống điều khiển 5.1 Chức cấu trúc hệ thống điều khiển Chức hệ thống điều khiển biến đổi biến đổi tín hiệu điều khiển thành xung điều khiển tương ứng với góc mở (α) Bộ biến đổi gồm phần: mạch động lực mạch điều khiển Mạch động lực chứa phần tử van điều khiển tiristor, GTO, IGBT Các van động lực hoạt động hệ thống điều khiển tạo xung điều khiển tương ứng với thời điểm thích hợp Về hệ thống điều khiển bao gồm hai thành phần chính: - Phần chứa thông tin quy luật điều khiển - Phần lượng tạo tín hiệu đủ công suất để đóng mở van động lực Phân loại: + Bộ biến đổi phụ thuộc; + Bộ biến đổi độc lập; Do người ta chia hệ điều khiển làm hai loại: - Hệ điều khiển biến đổi phụ thuộc - Hệ điều khiển biến đổi độc lập Hệ điều khiển biến đổi phụ thuộc thường dùng cho chỉnh lưu biến đổi xung áp xoay chiều, hệ điều khiển độc lập thường dùng cho nghịch lưu độc lập biến đổi xung áp chiều Do vậy,ta sâu vào cấu trúc biến đổi phu thuộc hệ điều khiển Cấu trúc chung biến đổi phụ thuộc trình bày hình 5.1 SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 75 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc biến đổi phụ thuộc Tín hiệu điều khiển Uđk tín hiệu áp số Tín hiệu điều khiển tổng hợp từ tín hiệu chủ đạo U cđ tín hiệu phản hổi U fh Nó dùng để điều khiển điều chế nhằm mục đích tạo xung điều khiển thời điểm định cho van cụ thể Hay nói cách khác điều chế tạo thông tin góc α Thời điểm mở van phải phù hợp với pha điện áp lưới đặt lên van cần điều khiển, thông qua khâu đồng (ĐB) Chức điều chế mô tả phương trình đặc tính pha: α = f(Uđk) Phương trình cho ta thấy việc tạo góc α thực tế biến đổi xung; tín hiệu liên tục Uđk biến đổi thành xung điều khiển (α) hàm f(U đk) hàm gián đoạn, chu kỳ điện áp lưới van có mở lần SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 76 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông Khâu tạo xung (TX) thực chất khuếch đại xung đầu (driver), có nhiệm vụ tạo tín hiệu đưa lên cực điều khiển van Tín hiệu có biên dộ, công suất độ rộng đủ để mở van cần điều khiển Ngoài hai khâu chủ yếu điều khiển thêm khâu hiệu chỉnh Khâu thực chức biến đổi tín hiệu áp thành dòng hay ngược lại, biến đổi tín hiệu điều khiển thành mã số, tổng hợp tín hiệu điều khiển, thực chức bảo vệ, dừng máy Hệ thống điều khiển khâu phản hồi (PH), thông tin điện áp dòng điện đầu đưa vào đầu vào hệ điều khiển dạng phản hổi âm, để tạo nguồn dòng hay nguồn áp theo yêu cầu đặt Khâu quan trọng hệ thống điều khiển khâu điều chế Nhận xét: hai chỉnh lưu cầu ba pha mắc nối tiếp chỉnh lưu 12 xung hoạt động độc lập, điều khiển cho chỉnh lưu có nguyên tắc hoạt động khác góc mở α cho phù hợp với dạng điện áp đầu vào Do đó, việc thiết kế điều khiển cho chỉnh lưu sơ đồ điều khiển cho chỉnh lưu lại tương tự 5.2 Bộ điều chế Bộ điều chế biến đổi tín hiệu điều khiển Uđk thành góc điều khiển α tính từ thời điểm chuyển mạch van động lực Để xác định góc α cần phải lấy thông tin pha điện áp đặt lên van động lực Thông thường ta sử dụng khâu đồng pha để lấy thông tin nguồn điện đưa vào, khâu đồng pha tạo điện áp tựa tùy theo tín hiệu nguồn (hình 5.2) Hình 5.2 Dạng điện áp tựa tạo từ điện áp sin đầu vào Dạng điện áp tựa so sánh với điện áp U đk để tạo xung điều khiển đưa tới khâu khuếch đại, nguyên tắc điều chỉnh điện áp điều khiển SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 77 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông xung đầu thay đổi, tương ứng cho ta góc mở α khác Được biểu thông qua hình 5.3 Hình 5.3 So sánh tín hiệu đồng pha điều khiển Như vậy, kết cuối điều chế sau thu thập tín hiệu pha từ nguồn, so sánh với điều khiển đưa tín hiệu điều khiển van công suất, việc thay đổi góc mở van phụ thuộc vào điện áp điều khiển đặt vào để so sánh Tổng kết toàn trình điều chế thể hình 5.4 Hình 5.4 Kết tín hiệu điều chế cần thiết Với hướng điều chế trên, ta sử dụng mạch đồng pha, so sánh thông thường để tạo tín hiệu cần thiết Ở đây, em chọn điều chế sử dụng IC TA785 điều chế góc điều khiển cần thiết Sơ đồ hình 5.5 trang bên SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 78 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông Hình 5.5 Sơ đồ mạch IC TCA 785 Trên sơ đồ ta thấy, tín hiệu điều khiển “vi” đầu IC tương ứng điều khiển cho van IGBT “vti” phải thông qua khuếch đạt điện áp dòng điện cần thiết đủ để mở van IGBT Việc thay đổi góc mở van ta thay đổi trị số điện trở chân 11 IC Bằng với việc sử dụng IC điều khiển tạo cho mạch điều khiển van dơn giản nhiều, sơ đồ dễ dàng đọc chỉnh sửa Hơn nữa, việc tích hợp vào IC phần giúp tạo tín hiệu tốt hơn, giảm thiểu nhiễu yếu tố ngoại cảnh tác động SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 79 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông 5.2 Bộ khuếch đại đầu Thành phần chuyển đổi lượng cao mạch lái (driver) chuyến tín hiệu logic đưa từ điều khiển Trước hết, việc áp dụng cho bóng đại có cổng cách ly như: MOSFET,IGBT Trong chuyển đổi mạch lái không điểu khiển van mà bảo vệ giám sát Để đáp ứng nhu cầu mạch lái thị trường cung cấp số hãng sản xuất Nối tiếng IXYS Nga, Motorola, Agilent, International Rectifier Căn vào yêu cầu ta chọn driver SKYPER 32 hình 5.4 Hình 5.4 ảnh thực tế SKYPER 32 Bộ SKYPER 32 với tính : - Hai cổng đầu - Bảo vệ điện áp thấp - Bảo vệ ngắn mạch - Ngắt mềm - Dòng điện lên tới 15A đủ để kích mở IGBT 2500A Trên hình 5.5 sơ đồ đấu nối SKYPER 32 với mạch lực tín hiệu điều khiển vào SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 80 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông Hình 5.5 Sơ đồ SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 81 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế cung cấp điện giao thông tuyến Cát Linh – Hà Đông Tài liệu tham khảo Mạng cao áp trạm điện kéo – PGS.TS Đàm Quốc Trụ, TS.Lê Mạnh Việt Điện tử công suất - Lê Văn Doanh (chủ biên), Nguyễn Công, Trần Văn Thịnh – nhà xuất khoa học kỹ thuật Điện tử công suất – Võ Minh Chính (chủ biên), Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh 12 fulse and 18 fulse(yaskawa) Nguồn internet: http://simens.com/transportation/electrification http://pluton.ua/index.php?p=221&lang=en http://www.westcode.com/ http://alldatasheet.net/ SVTH: Nguyễn Văn Quang Lớp Trang bị điện K48 GVHD : TS Trương Tấn Hải Th.s Trần Thị Thanh Huyền Page 82