Bài giảng: Cơ sở biến đổi công suất trên phương tiện đường sắt - ĐH GTVT

Tài liệu nghiên cứu Cơ sở biến đổi công suất trên phương tiện đường sắt, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Đề tài: Cơ Sở Biến Đổi Công Suất Trên Phương Tiện Đường Sắt

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ BIẾN ĐỔI VÀ TRUYỀN DẪN CÔNG SUẤT TRÊN PHƯƠNG TIỆN ĐƯỜNG SẮT
• 1.1. Khái niệm chung về biến đổi và truyền dẫn công suất trên phương tiện đường sắt
• 1.1.1. Các yêu cầu cơ bản của quá trình truyền dẫn công suất trên phương tiện đường sắt
• 1.1.2. Khái niệm chung về các phương tiện vận tải trên đường sắt
• 1.1.3. Điều kiện khai thác và các yêu cầu cơ bản của quá trình biến đổi và truyền dẫn công suất trên PTĐS
• 1.1.4. Quá trình biến đổi công suất trên các loại hình PTĐS
• 1.1.5. Sơ đồ biến đổi và truyền dẫn công suất trên phương tiện vận tải đường sắt
• 1.1.6. Biến đổi và truyền dẫn công suất trên phương tiện vận tải đường sắt
• 1.2. Các phần tử điện tử công suất
• 1.2.1. Điốt công suất
• 1.2.1.1. Một số khái niệm về chất bán dẫn
• 1.2.1.2. Điốt công suất
• 1.2.2. Tranzitor công suất
• 1.2.2.1. Transistor công suất BJT
• 1.2.2.2. Transistor hiệu ứng trường (Field-Effect Transistor FET)
• 1.2.3. Thyristor công suất
• 1.2.3.1. Cấu tạo, ký hiệu
• 1.2.3.2. Nguyên lý hoạt động và đặc tuyến Volt-Ampere
• 1.2.3.3. Các thông số cơ bản của thyristor
• 1.2.4. Thyristor khóa được bằng cực điều khiển, GTO
• 1.2.4.1. Cấu tạo, ký hiệu GTO
• 1.2.4.2. Nguyên lý làm việc và đặc tuyến
• 1.2.4.3. Ưu nhược điểm, phân loại và khả năng ứng dụng của GTO
• 1.2.5. Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT
• 1.2.5.1. Đặc tính đóng cắt của IGBT
• 1.2.5.2. Đặc tuyến làm việc và các thông số kỹ thuật chủ yếu của IGBT
• 1.2.6. Biến đổi và truyền dẫn công suất sử dụng chuyển mạch bán dẫn
• 2. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ỨNG DỤNG CÁC PHẦN TỬ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
• 2.1. Giới thiệu chung về mạch chỉnh lưu
• 2.1.1. Cấu trúc mạch và phân loại chỉnh lưu
• 2.1.2. Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu
• 2.1.2.1. Về phía tải
• 2.1.2.2. Về phía van
• 2.2. Chỉnh lưu không điều khiển
• 2.2.1. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ
• 2.2.1.1. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ với tải thuần trở
• 2.2.1.2. Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ với tải RL
• 2.2.2. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ
• 2.2.2.1. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ tải thuần trở
• 2.2.2.2. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ tải RL
• 2.2.3. Chỉnh lưu không điều khiển ba pha
• 2.2.3.1. Chỉnh lưu không điều khiển tia ba pha nhóm Kathode
• 2.2.3.2. Chỉnh lưu cầu ba pha
• 2.3. Chỉnh lưu có điều khiển
• 2.3.1. Chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ
• 2.3.2. Chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ
• 2.3.2.1. Chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ tải thuần trở
• 2.3.2.2. Chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ tải RL
• 2.3.2.3. Chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ tải RE
• 2.3.3. Chỉnh lưu điều khiển ba pha
• 2.3.3.1. Chỉnh lưu điều khiển tia ba pha nhóm Kathode
• 2.3.3.2. Chỉnh lưu điều khiển cầu ba pha
• 2.4. Kỹ thuật biến đổi công suất một chiều - một chiều
• 2.4.1. Nguyên lý làm việc, phương pháp điều khiển và phân loại BBDXAMC
• 2.4.1.1. Nguyên lý làm việc BBDXAMC
• 2.4.1.2. Phương pháp điều khiển
• 2.4.1.3. Phân loại BBDXAMC
• 2.4.2. Bộ biến đổi xung áp một chiều giảm áp
• 2.4.3. Bộ biến đổi xung áp một chiều tăng áp
• 2.4.4. Bộ biến đổi xung áp một chiều loại hỗn hợp
• 2.5. Nghịch lưu độc lập và biến tần
• 2.5.1. Khái niệm và phân loại nghịch lưu độc lập
• 2.5.2. Nghịch lưu cầu một pha
• 2.5.3. Nghịch lưu cầu ba pha
• 3. CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRÊN PHƯƠNG TIỆN ĐƯỜNG SẮT
• 3.1. Điều khiển PWM với bộ nghịch lưu
• 3.1.1. Phương pháp cơ bản điều khiển điện áp ra của nghịch lưu
• 3.1.1.1. Điều chỉnh biến đổi máy biến áp đầu ra
• 3.1.1.2. Điều chỉnh điện áp vào một chiều
• 3.1.1.3. Điều chỉnh điện áp thông qua dịch chuyển góc pha hoặc nối tầng nghịch lưu
• 3.1.1.4. Điều khiển trực tiếp nghịch lưu để thực hiện điều áp điều tần
• 3.1.2. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sin cho nghịch lưu
• 3.1.2.1. Điều chế độ rộng xung sin đơn cực
• 3.1.2.2. Điều chế độ rộng xung sin lưỡng cực
• 3.2. Điều khiển PWM với bộ chỉnh lưu
• 3.2.1. Khái quát về chỉnh lưu mạch xung
• 3.2.2. Nguyên lý cơ bản và phân loại
• 3.2.3. Bộ chỉnh lưu mạch xung áp
• 3.2.4. Kết cấu mạch điện
• 3.2.5. Quan hệ năng lượng cơ bản
• 3.3. Một số ứng dụng trên phương tiện đường sắt
• 3.3.1. Một số ứng dụng trên đầu máy diesel truyền động điện
• 3.3.2. Một số ứng dụng trên đầu máy điện

Tóm tắt

I. Khám phá cơ sở biến đổi công suất trên phương tiện đường sắt

Cơ sở biến đổi công suất trên phương tiện đường sắt là một lĩnh vực kỹ thuật phức tạp, đóng vai trò trung tâm trong việc vận hành hiệu quả các loại hình đầu máy hiện đại. Quá trình này bao gồm việc biến đổi và truyền dẫn năng lượng từ nguồn sơ cấp (động cơ diesel hoặc lưới điện) đến các động cơ kéo để tạo ra lực kéo. Mục tiêu chính là điều chỉnh các đặc tính của nguồn năng lượng sao cho phù hợp với yêu cầu vận hành của đoàn tàu, vốn đòi hỏi sức kéo lớn ở tốc độ thấp khi khởi hành và sức kéo nhỏ hơn ở tốc độ cao. Trong thực tế, hệ thống kéo điện không chỉ đơn thuần là truyền động, mà còn là một hệ thống điều khiển thông minh. Nó sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất để tối ưu hóa hiệu suất, giảm tiêu hao năng lượng và tăng cường độ tin cậy. Các phương tiện như đầu máy điện và tàu điện EMU (Electric Multiple Unit) nhận điện trực tiếp từ hệ thống cung cấp điện đường sắt, thường là điện xoay chiều cao áp (ví dụ 25kV). Năng lượng này phải được hạ áp qua biến áp kéo (traction transformer) và sau đó biến đổi thành dạng phù hợp cho động cơ. Ngược lại, đầu máy diesel tự tạo ra cơ năng, sau đó chuyển thành điện năng thông qua tổ máy phát, rồi mới đến các khâu biến đổi tiếp theo. Sự phát triển của các linh kiện bán dẫn công suất như IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) đã tạo ra một cuộc cách mạng, cho phép chế tạo các bộ biến đổi nhỏ gọn, hiệu suất cao và có khả năng điều khiển chính xác, nền tảng cho các công nghệ tiên tiến như điều khiển vector và phanh tái sinh (regenerative braking).

1.1. Vai trò cốt lõi của hệ thống kéo điện trên đường sắt

Một hệ thống kéo điện là trái tim của mọi phương tiện đường sắt hiện đại, có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng thành lực cơ học để di chuyển đoàn tàu. Hệ thống này phải đảm bảo rằng công suất từ nguồn được truyền tới bánh xe một cách hiệu quả nhất, đồng thời đáp ứng được các yêu cầu về sức kéo và tốc độ thay đổi liên tục. Theo tài liệu “Cơ sở biến đổi công suất trên phương tiện đường sắt”, hệ thống này phải biến đổi đặc tính cứng của nguồn (như động cơ diesel hoặc lưới điện) thành đặc tính kéo dạng hypebol lý tưởng. Điều này có nghĩa là hệ thống phải cung cấp mô-men xoắn cực đại khi tàu bắt đầu chuyển động và giảm dần khi tốc độ tăng lên, giúp tối ưu hóa việc sử dụng công suất và đảm bảo gia tốc mượt mà. Do đó, vai trò của nó không chỉ dừng lại ở việc truyền động mà còn bao gồm cả việc điều khiển và tối ưu hóa năng lượng.

1.2. Các yêu cầu cơ bản đối với quá trình biến đổi công suất

Quá trình biến đổi công suất trên phương tiện đường sắt phải tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt. Đầu tiên là độ tin cậy và độ bền cao, vì các thiết bị phải hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt: rung động, va đập liên tục, nhiệt độ và độ ẩm thay đổi lớn. Thứ hai, hệ thống phải có hiệu suất cao để giảm thiểu tổn thất năng lượng, qua đó tiết kiệm chi phí vận hành. Thứ ba, kết cấu phải gọn nhẹ, dễ dàng lắp đặt và bảo dưỡng trong không gian hạn chế của đầu máy. Cuối cùng, hệ thống phải có khả năng điều khiển linh hoạt và chính xác, cho phép điều chỉnh vô cấp sức kéo và tốc độ, cũng như thực hiện các chức năng tiên tiến như phanh tái sinh (regenerative braking) để thu hồi năng lượng về lưới, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.

II. Thách thức trong biến đổi công suất cho hệ thống kéo đường sắt

Việc thiết kế một hệ thống biến đổi công suất hiệu quả cho đường sắt đối mặt với nhiều thách thức đáng kể. Thách thức lớn nhất xuất phát từ sự không tương thích giữa đặc tính của nguồn cấp và yêu cầu của tải kéo. Động cơ diesel có đặc tính mô-men gần như không đổi (đặc tính cứng), trong khi đoàn tàu lại cần một đặc tính kéo hyperbol để vận hành kinh tế. Tương tự, nguồn điện từ lưới cung cấp có điện áp và tần số cố định, nhưng động cơ kéo không đồng bộ lại yêu cầu nguồn điện có điện áp và tần số thay đổi được để điều khiển tốc độ. Do đó, nhiệm vụ của bộ biến đổi điện tử công suất là phải bắc một cây cầu kỹ thuật để giải quyết sự không tương thích này. Một thách thức khác là điều kiện làm việc vô cùng khắc nghiệt. Các linh kiện điện tử phải chịu được rung động, va đập mạnh, dải nhiệt độ hoạt động rộng và độ ẩm cao. Điện áp và dòng điện phụ tải cũng không ổn định, thay đổi liên tục theo điều kiện vận hành (khởi động, tăng tốc, hãm). Hơn nữa, không gian lắp đặt trên đầu máy rất hạn chế, đòi hỏi các thiết bị phải có mật độ công suất cao, vừa nhỏ gọn vừa phải có hệ thống làm mát hiệu quả. Việc đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người vận hành và thiết bị trong môi trường điện áp cao và công suất lớn cũng là một ưu tiên hàng đầu, đòi hỏi các giải pháp cách điện và bảo vệ phức tạp.

2.1. Phân tích sự khác biệt giữa đặc tính nguồn và tải kéo

Sự khác biệt cơ bản nằm ở chỗ: nguồn công suất (động cơ diesel hoặc lưới điện) thường cung cấp năng lượng với các thông số tương đối ổn định, trong khi tải kéo (đoàn tàu) lại có yêu cầu năng lượng biến thiên rất lớn. Đặc tính sức kéo lý tưởng của đầu máy có dạng Fk.V = const (hyperbol), tức là sức kéo (Fk) và tốc độ (V) có quan hệ tỉ lệ nghịch. Tuy nhiên, một động cơ diesel lại làm việc hiệu quả nhất khi hoạt động ở một dải tốc độ và công suất gần định mức (đặc tính cứng). Nếu không có một bộ truyền động và biến đổi công suất phù hợp, động cơ sẽ không thể tận dụng hết công suất, dẫn đến lãng phí nhiên liệu. Tương tự, một đầu máy điện lấy nguồn AC một pha tần số cố định không thể cấp trực tiếp cho động cơ kéo không đồng bộ ba pha vốn cần tần số thay đổi để điều chỉnh tốc độ. Đây chính là bài toán cốt lõi mà các bộ biến tần kéo (traction inverter) phải giải quyết.

2.2. Ảnh hưởng từ điều kiện vận hành khắc nghiệt trên tàu

Các thiết bị điện tử công suất trên tàu phải đối mặt với các điều kiện mà ít hệ thống trên mặt đất nào gặp phải. Va đập và rung động liên tục từ ray và giá chuyển hướng có thể gây hỏng hóc cơ khí cho các mối nối, bảng mạch và linh kiện bán dẫn công suất. Sự thay đổi đột ngột của tải trọng khi tàu tăng tốc hoặc hãm phanh tạo ra các đỉnh dòng điện và điện áp, gây áp lực lớn lên các linh kiện như IGBT. Môi trường vận hành có nhiệt độ biến đổi rộng, từ rất thấp đến rất cao, cùng với độ ẩm và bụi bẩn, đòi hỏi các giải pháp về vỏ bọc, cách điện và tản nhiệt phải cực kỳ hiệu quả. Những yếu tố này buộc các nhà thiết kế phải lựa chọn linh kiện có độ bền cao, thiết kế mạch bảo vệ phức tạp và áp dụng các tiêu chuẩn công nghiệp nghiêm ngặt để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và an toàn trong suốt vòng đời khai thác.

III. Top linh kiện bán dẫn công suất trong ngành đường sắt hiện đại

Nền tảng của mọi bộ biến đổi điện tử công suất hiện đại chính là các linh kiện bán dẫn công suất. Chúng hoạt động như những công tắc điện tử tốc độ cao, có khả năng đóng cắt dòng điện lớn ở điện áp cao một cách chính xác. Sự phát triển của các linh kiện này đã quyết định trực tiếp đến hiệu suất, kích thước và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống kéo điện. Ban đầu, các Thyristor (SCR) và GTO được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng chịu tải lớn. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là tốc độ chuyển mạch chậm và yêu cầu mạch điều khiển phức tạp. Cuộc cách mạng thực sự đến với sự ra đời của IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor). IGBT kết hợp được ưu điểm của cả hai loại transistor BJT (khả năng chịu dòng lớn) và MOSFET (điều khiển bằng điện áp, công suất điều khiển thấp, tốc độ nhanh). Điều này làm cho IGBT trở thành linh kiện lý tưởng cho các ứng dụng công suất lớn như bộ biến tần kéo (traction inverter). Chúng cho phép điều khiển chính xác dòng điện và điện áp cấp cho động cơ, tạo nền tảng cho các phương pháp điều khiển tiên tiến. Trong tương lai gần, các vật liệu bán dẫn dải rộng như SiC (Silicon Carbide) và GaN hứa hẹn sẽ thay thế Silic truyền thống, mang lại hiệu suất vượt trội, tổn thất thấp hơn và khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao hơn.

3.1. Diode công suất và Thyristor Những viên gạch nền móng

Diode công suất là linh kiện bán dẫn đơn giản nhất, hoạt động như một van một chiều, chỉ cho phép dòng điện đi qua theo một hướng. Chúng được sử dụng phổ biến trong các bộ chỉnh lưu (rectifier) không điều khiển để biến đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành một chiều (DC). Thyristor (hay SCR) là một bước tiến hóa, có thể được xem như một diode có điều khiển. Ngoài hai cực Anode và Cathode, nó có thêm cực điều khiển (Gate). Thyristor chỉ dẫn điện khi được phân cực thuận và có một xung kích vào cực Gate. Một khi đã dẫn, nó sẽ tiếp tục dẫn cho đến khi dòng điện giảm xuống dưới mức duy trì. Đặc tính này làm cho Thyristor rất phù hợp cho các bộ chỉnh lưu có điều khiển và các ứng dụng đóng cắt công suất lớn, tuy nhiên việc tắt nó đòi hỏi các mạch phức tạp hơn.

3.2. Vai trò thống trị của IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

IGBT là linh kiện bán dẫn công suất quan trọng nhất trong các hệ thống kéo điện ngày nay. Nó là một công tắc điện tử được điều khiển hoàn toàn bằng điện áp, có nghĩa là chỉ cần một tín hiệu điện áp nhỏ đặt vào cực Gate là có thể đóng hoặc cắt một dòng điện rất lớn chạy qua hai cực Collector và Emitter. Ưu điểm này giúp đơn giản hóa đáng kể mạch điều khiển so với Thyristor. Hơn nữa, IGBT có tần số chuyển mạch cao, cho phép áp dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) một cách hiệu quả. Nhờ đó, các bộ biến tần kéo có thể tạo ra dạng sóng điện áp gần sin cấp cho động cơ, giúp giảm sóng hài, giảm tiếng ồn và tăng hiệu suất hoạt động của động cơ kéo không đồng bộ.

IV. Các phương pháp biến đổi công suất cốt lõi trên phương tiện sắt

Trên phương tiện đường sắt, năng lượng điện hiếm khi được sử dụng ở dạng nguyên bản từ nguồn. Thay vào đó, nó phải trải qua một hoặc nhiều giai đoạn biến đổi để phù hợp với yêu cầu của động cơ kéo và các thiết bị phụ trợ. Các phương pháp này được thực hiện bởi những bộ biến đổi điện tử công suất chuyên dụng. Phổ biến nhất là quá trình chỉnh lưu (AC-DC), được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu (rectifier). Ví dụ, trên một đầu máy điện xoay chiều, điện áp 25kV AC từ lưới sau khi qua biến áp kéo sẽ được chỉnh lưu thành điện áp DC cao. Từ nguồn DC trung gian này, các quá trình biến đổi khác sẽ diễn ra. Quá trình nghịch lưu (inverter) (DC-AC) được thực hiện bởi bộ biến tần kéo (traction inverter). Nó biến đổi điện áp DC thành điện áp AC ba pha có tần số và biên độ thay đổi được để cấp cho động cơ kéo không đồng bộ. Đây là công nghệ cốt lõi giúp điều khiển tốc độ của các đoàn tàu hiện đại. Một phương pháp khác là biến đổi DC-DC, thực hiện bởi bộ băm xung DC (DC chopper). Nó dùng để tăng hoặc giảm một mức điện áp DC, thường được ứng dụng trên các tàu điện metro sử dụng nguồn DC từ ray thứ ba để điều khiển động cơ DC hoặc cấp nguồn cho các hệ thống phụ.

4.1. Chỉnh lưu Rectifier Biến đổi AC thành DC cho hệ thống

Bộ chỉnh lưu (rectifier) là khối chức năng đầu tiên trong chuỗi biến đổi năng lượng trên các đầu máy điện xoay chiều. Nhiệm vụ của nó là chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) từ cuộn thứ cấp của biến áp kéo thành dòng điện một chiều (DC). Các bộ chỉnh lưu đời đầu sử dụng diode công suất (chỉnh lưu không điều khiển), tạo ra một điện áp DC có giá trị cố định. Các hệ thống hiện đại hơn sử dụng Thyristor hoặc IGBT (chỉnh lưu tích cực), cho phép điều khiển được giá trị điện áp DC đầu ra và cải thiện hệ số công suất phía lưới. Nguồn DC này sau đó được xem như một bus năng lượng trung gian, cung cấp cho bộ biến tần kéo và các bộ biến đổi phụ trợ khác trên tàu.

4.2. Nghịch lưu Inverter và bộ biến tần kéo traction inverter

Đây là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống kéo điện xoay chiều. Bộ biến tần kéo (traction inverter), hay còn gọi là bộ nghịch lưu (inverter), nhận nguồn điện DC từ bộ chỉnh lưu và biến đổi nó thành nguồn điện AC ba pha để vận hành động cơ kéo không đồng bộ. Điểm mấu chốt là bộ biến tần có thể thay đổi cả tần số và biên độ điện áp của nguồn AC này. Bằng cách điều khiển tần số, hệ thống có thể điều khiển chính xác tốc độ quay của động cơ. Bằng cách điều khiển điện áp (thường theo tỷ lệ V/f), hệ thống có thể duy trì mô-men của động cơ ở mức tối ưu. Hầu hết các bộ biến tần hiện đại đều sử dụng IGBT và kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) để tạo ra dạng sóng đầu ra chất lượng cao, giúp động cơ hoạt động êm ái và hiệu quả.

4.3. Chức năng của bộ băm xung DC DC Chopper trong kéo điện

Bộ băm xung DC (DC chopper) là bộ biến đổi công suất DC-DC. Nó hoạt động bằng cách đóng/cắt một công tắc bán dẫn (như IGBT) ở tần số cao để "băm" điện áp DC đầu vào thành các xung. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ thời gian đóng và cắt (chu kỳ làm việc), bộ chopper có thể tạo ra một điện áp DC trung bình ở đầu ra thấp hơn (chopper giảm áp) hoặc cao hơn (chopper tăng áp) so với đầu vào. Trong ngành đường sắt, chopper thường được dùng trên các tàu điện EMU hoạt động với lưới điện một chiều (ví dụ 750VDC hoặc 1500VDC) để điều khiển tốc độ động cơ kéo một chiều. Chúng cung cấp khả năng điều khiển tốc độ vô cấp và mượt mà hơn nhiều so với phương pháp dùng điện trở truyền thống, đồng thời cũng hiệu quả hơn về mặt năng lượng.

V. Hướng dẫn ứng dụng biến đổi công suất trên đầu máy điện

Các nguyên lý và thiết bị biến đổi công suất được ứng dụng một cách tinh vi trên các phương tiện đường sắt để tạo nên một hệ thống kéo điện hoàn chỉnh và hiệu quả. Trên một đầu máy điện xoay chiều-một chiều tiêu biểu, điện năng 25kV, 50Hz từ lưới được lấy xuống qua cần lấy điện, đi vào cuộn sơ cấp của biến áp kéo (traction transformer). Biến áp này hạ điện áp xuống mức phù hợp, sau đó dòng AC được đưa vào bộ chỉnh lưu (rectifier) để biến thành dòng DC. Dòng DC này tiếp tục cấp cho các động cơ kéo một chiều. Một ứng dụng đột phá khác là công nghệ phanh tái sinh (regenerative braking). Khi đoàn tàu hãm, các động cơ kéo sẽ hoạt động như một máy phát điện. Thay vì tiêu tán năng lượng hãm dưới dạng nhiệt như phanh cơ khí, bộ biến tần kéo sẽ hoạt động theo chiều ngược lại, biến đổi cơ năng thành điện năng và trả ngược về lưới điện. Công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm một lượng lớn năng lượng mà còn giảm mài mòn má phanh. Đối với các hệ thống sử dụng động cơ kéo không đồng bộ, phương pháp điều khiển vector được áp dụng. Đây là một thuật toán điều khiển phức tạp, cho phép bộ biến tần điều khiển độc lập mô-men và từ thông của động cơ, giúp nó có đặc tính làm việc ưu việt tương đương một động cơ DC.

5.1. Sơ đồ hệ thống cung cấp điện đường sắt và biến áp kéo

Hệ thống cung cấp điện đường sắt thường sử dụng điện áp cao một pha (phổ biến là 25kV) để giảm tổn thất trên đường dây. Năng lượng này được truyền dọc theo tuyến đường sắt qua hệ thống dây tiếp xúc trên không. Trên mỗi đầu máy điện hoặc tàu điện EMU, cần lấy điện sẽ tiếp xúc liên tục với dây này để lấy năng lượng. Thiết bị đầu tiên trong chuỗi biến đổi là biến áp kéo (traction transformer). Đây là một máy biến áp đặc biệt, được thiết kế để chịu được các điều kiện vận hành khắc nghiệt. Nó có nhiệm vụ hạ điện áp cao từ lưới xuống các mức điện áp thấp hơn, an toàn và phù hợp để cung cấp cho các bộ biến đổi điện tử công suất và các thiết bị phụ trợ khác trên tàu.

5.2. Công nghệ phanh tái sinh regenerative braking tiết kiệm năng lượng

Phanh tái sinh là một trong những ứng dụng thông minh và hiệu quả nhất của điện tử công suất. Trong chế độ hãm, thay vì dùng phanh cơ khí, bộ điều khiển sẽ biến động cơ kéo thành máy phát điện. Động năng của đoàn tàu được chuyển thành điện năng. Năng lượng này, thông qua bộ biến tần kéo (hoạt động ở chế độ nghịch lưu) và bộ chỉnh lưu (hoạt động như một bộ nghịch lưu phía lưới), được đẩy ngược trở lại hệ thống cung cấp điện đường sắt. Năng lượng này có thể được sử dụng bởi một đoàn tàu khác đang tăng tốc gần đó. Quá trình này giúp tiết kiệm từ 15-30% tổng năng lượng tiêu thụ, đồng thời giảm đáng kể chi phí bảo dưỡng hệ thống phanh cơ khí, mang lại lợi ích kép về kinh tế và môi trường.

5.3. Điều khiển vector cho động cơ kéo không đồng bộ hiệu suất cao

Điều khiển vector (hay Field-Oriented Control - FOC) là một kỹ thuật điều khiển tiên tiến cho phép động cơ kéo không đồng bộ đạt được hiệu suất và khả năng đáp ứng cao. Về bản chất, động cơ không đồng bộ có cấu trúc điều khiển phức tạp do sự tương tác giữa từ trường stator và rotor. Thuật toán điều khiển vector sử dụng các phép biến đổi toán học để tách dòng điện stator thành hai thành phần vuông góc: một thành phần tạo ra từ thông (giống dòng kích từ của động cơ DC) và một thành phần tạo ra mô-men (giống dòng phần ứng). Bằng cách điều khiển độc lập hai thành phần này thông qua bộ biến tần kéo, hệ thống có thể đạt được phản ứng mô-men nhanh và chính xác, giúp đầu máy có khả năng tăng tốc mượt mà và kiểm soát lực kéo tốt hơn trên mọi dải tốc độ.

VI. Tương lai ngành biến đổi công suất Vật liệu SiC và hiệu suất

Ngành biến đổi công suất trên phương tiện đường sắt đang hướng tới tương lai với những mục tiêu rõ ràng: hiệu suất cao hơn, mật độ công suất lớn hơn và độ tin cậy được cải thiện. Động lực chính cho sự phát triển này đến từ vật liệu bán dẫn thế hệ mới. Các linh kiện bán dẫn công suất dựa trên Silic (Si) như IGBT đã gần đạt đến giới hạn vật lý của chúng. Tương lai thuộc về các vật liệu bán dẫn có vùng cấm rộng (wide-bandgap) như SiC (Silicon Carbide) và Gallium Nitride (GaN). Linh kiện SiC có thể hoạt động ở điện áp cao hơn, nhiệt độ cao hơn và tần số chuyển mạch nhanh hơn đáng kể so với linh kiện Si cùng loại. Điều này mang lại nhiều lợi ích: tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển mạch giảm mạnh, giúp tăng hiệu suất tổng thể của bộ biến tần kéo. Khả năng chịu nhiệt độ cao hơn cho phép đơn giản hóa và thu nhỏ hệ thống làm mát. Tần số chuyển mạch cao hơn cũng giúp giảm kích thước của các thành phần thụ động như cuộn cảm và tụ điện, từ đó làm cho toàn bộ bộ biến đổi điện tử công suất trở nên nhỏ gọn và nhẹ hơn. Việc áp dụng rộng rãi công nghệ SiC sẽ giúp các thế hệ tàu điện EMU và đầu máy điện tiếp theo tiết kiệm năng lượng hơn, vận hành tin cậy hơn và giảm chi phí vòng đời.

6.1. Ưu điểm vượt trội của linh kiện Silicon Carbide SiC

So với Silic (Si) truyền thống, Silicon Carbide (SiC) sở hữu những đặc tính vật lý vượt trội. Nó có độ rộng vùng cấm lớn hơn khoảng ba lần, cho phép chịu được điện trường đánh thủng cao hơn gấp mười lần. Điều này có nghĩa là các linh kiện SiC có thể được thiết kế mỏng hơn cho cùng một mức điện áp, làm giảm điện trở và tổn thất dẫn. Hơn nữa, SiC có độ dẫn nhiệt cao hơn, giúp tản nhiệt hiệu quả hơn, cho phép linh kiện hoạt động ở nhiệt độ cao mà không bị suy giảm hiệu suất. Tần số chuyển mạch của MOSFET SiC có thể cao hơn nhiều lần so với IGBT Si, giúp giảm đáng kể tổn thất chuyển mạch, vốn là một nguồn tổn thất năng lượng chính trong các bộ biến tần.

6.2. Xu hướng phát triển hệ thống kéo điện hiệu suất cao

Trong tương lai, các hệ thống kéo điện sẽ ngày càng thông minh và tích hợp hơn. Việc sử dụng linh kiện SiC sẽ là xu hướng chủ đạo, giúp các bộ biến tần kéo đạt hiệu suất trên 98-99%. Các thuật toán điều khiển như điều khiển vector sẽ được tối ưu hóa hơn nữa với sự hỗ trợ của trí tuệ nhân tạo (AI) để thích ứng với các điều kiện đường ray và tải trọng thay đổi, tối đa hóa hiệu quả bám và giảm tiêu thụ năng lượng. Ngoài ra, việc tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng (pin hoặc siêu tụ) ngay trên tàu sẽ trở nên phổ biến hơn. Hệ thống này có thể lưu trữ năng lượng từ phanh tái sinh và sử dụng lại khi tăng tốc, giúp ổn định lưới điện và cho phép vận hành độc lập trên các đoạn đường ngắn không có dây tiếp xúc, mở ra một kỷ nguyên mới cho giao thông đường sắt bền vững và hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Ci, 2 _ BQ GIAO DUC VA DAO TAO - TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI dế tệ ake sỆ SỆ St sỆ ;Ệ đỆ sỆ tỆ s‡ HỆ sỆ SEMẠ Ue on yea PGS. DO VIET DUNG, TS. PHAM VAN TIEN | | BAI GIANG | 'CƠ SỞ BIÊN ĐỎI CÔNG SUÁT TREN PHƯƠNG TIEN DUONG SAT TAUGNG DAI HGS GIAO THONG VAN TAT PHAN HIEU TAI THANH PHO HO CHI MINH _THU VIEN 008894 Hà Nội - 2017 MUC LUC ID 13. TH HT St SE vn TH KT kh kế Ti 2 CO SO BIEN DOI VA TRUYEN DAN CONG SUAT TREN PHUONG TIEN DUONG | ” SN ---.

KHÁI NIỆM CHUNG VẺ BIÊN ĐỐI VÀ TRUYÊN DẪN CÔNG SUÁT TRÊN ? PHUONG TIEN DUONG SAT. Các yêu cầu cơ bản của quá trình truyền dẫn công suất trên phương tiện đường 0. Khái niệm chung về các phương tiện vận tải trên đường SẮI. Diéu kién khai thác và các yêu cầu cơ bản của quá trình biến đổi và truyền dẫn công suất trên PTĐS.

Quá trình biến đổi công suất trên các loại hình PTĐS. So dé bién déi và truyền dẫn công suất trên phương tiện vận tải đường sắt 15 1. Biến đổi và truyền dẫn công suất trên phương tiện vận tải đường sat. CAC PHAN TU DIEN TU CONG SUAT vooieeccccssccecssscessscsescesssssscscsveseeseevevessrseeesees 25 1.

Đi Ốt công suất. Một số khái niệm về chất ban dn. Đi Ốt công suất. Tranzitor công suất c911924111.

Transisor công suât BÍT.- -- --c - TH ng TH nh kh HH ky 35 1. Transistor hiệu ứng trường ( Field-Effect Transistor FET). Thyristor công SuẤt. Cấu tạo, ký hiệu.---Lc- CS 2x TT THT TH T111 101111110111 co 5] 1.

Nguyên lý hoạt động và đặc tuyến Volt-Ampere. Cac thong sé co ban ctha thyristor. Câu tạo, ký hiệU. Nguyên lý hoạt động và đặc tuyến V-A.

Thyristor khóa được bằng cực điều khiển, GTO. 5c cc che re 37 1. Cấu tạo, ký hiệu TO. cà t1 1121 111 5 11T Tn1 01H HH1 111g 1p ta 57 1.

Nguyên lý làm việc và đặc tuyến. Ưu nhược điểm và phân loại và khả năng ứng dụng của GTO. Transistor c6 cuc diéu khién cach ly IGBT voce eeccccescssescessseeseesesseeseetsesvansneees 60 1. Đặc tính đóng cắt cla IGBT cc ccccecccccccscsceessesssessscsesvsesecscaneveesseasseeeassease 61 1.

Đặc tuyến làm việc và các thông số kỹ thuật chử yếu của IGBT. Biến đổi và truyền dẫn công suất sử dụng chuyển mạch bán dẫn. 68 KỸ THUẬT ỨNG DỤNG CÁC PHẢN TỬ ĐIỆN TỬ CÔNG SUÁTT. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH CHỈNH LƯU.

Cầu trúc mạch và phân loại chỉnh lưu. Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu. VỀ phía tẢi. cà cọ 2211121 112181 1111212111110112101211210112121111 1 key 69 2.

VE phia VAN. CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIÊU KHIỂN. Chỉnh lưu một pha nửa chủ Kỳ. cv KH HH KT HH HH ky 70 2.

Chỉnh lưu một pha nửa chu kì với tải thuần trở. Chỉnh lưu một pha nửa chu kì với tải RU.-cccS cv sessesirrereres 71 2. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ. TH HH ờ Ha Tre 73 2.

Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kì tải thuần trở. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kì tải Ñ. Chỉnh lưu không điều khiển ba pha. Chỉnh lưu không điều khiển tia ba pha nhóm Kathode.

Chỉnh lưu cầu ba pha. CHỈNH LƯU CÓ ĐIÊU KHIỂN. Chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kÌ.--c cv te rerrye 78 2. Chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kì.

Chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kì tải thuần trở. Chinh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kì tải RL. Chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kì tải RE. Chỉnh lưu điều khiển ba pha .-- ¿s22 St E112 TH Hy hư 84 2.

Chỉnh lưu điều khiển tỉa ba pha nhóm Kathode. Chỉnh Iưu điều khiển cầu 3 pha. St HE EE re cret 86 2. KY THUAT BIEN DOI CONG SUAT MỘT CHIÊU-MỘT CHIÊU.

Nguyén ly lam viéc, phuong phap diéu khién va phan loai BBDXAMC. Nguyên ly làm viéc BBDXAMC. Phương pháp điều khiến.-- S2: 2222 2t 2211922221022 xxe 93 Phu no nh on. Bộ biến đổi xung áp một chiều giảm áp.

Bộ biến đổi xung áp một chiều tăng DO QQNNNNNNNNNNggạ. Bộ biến đổi xung áp một chiều loại hỗn I0. NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẢN.-- L2 12212112 xe rrerrre 98 PIN N )0(4ì010ìì0i vì MGCtừadđDỪDỪVỪVQỤDỮ. Khái niện và phân loại nghịch lưu độc lập.-cc SccsSc series 98 2.

Nghịch lưu cầu một 1. Nghich luu cat ba pla v. 110 KY THUAT BIEN DOI CONG SUAT BANG PHUONG PHAP DIEU CHE DO RONG XUNG PWM VÀ MỘT SỐ ỨNG DỰNG TRÊN PHƯƠNG TIỆN ĐƯỜNG SÁT. DIEU KHIEN PWM VOI BO NGHICH LUU Lu ceecceeecccescsessescsceescststsesssscersverseseseneecen 110 3.

Phương pháp cơ bản điều khiển điện áp ra của nghịch lưu. Điều chỉnh biến đổi máy biến EDOE CU Nga. Điều chỉnh điện áp vào một chiều. Điều chỉnh điện áp thông qua dịch chuyển góc pha hoặc nối tầng nghịch In.

Điêu khiên trực tiệp nghịch lưu đề thực hiện điêu áp điều tân. Kĩ thuật điều chế độ rộng xung sin cho nghịch lưu. Điều chế độ rộng xung sin đơn cựC. Điều chế độ rộng xung sin lưỡng CựC.-¿-c-cct nSc22nn ng ưện 3.

ĐIỀU KHIÊN PWM VỚI BỘ CHỈNH LƯU.- Sàn SE xe erererrey 3. Khái quát về chỉnh lưu mạch xung. Nguyên lý cơ bản và phân lOại.-- Ăn HH HH TH Tnhh kg 3. BO chinh Iu mach Xung ap.

ch ng ng ki KH Hinh 3. Kết cấu mạch Gi@n wo ccecccccessescessessssvsssecesseessestsrsesscevansteesestapsesesensecens Kì) 00 on nh. Quan hệ năng lượng cơ bản. MỘT SÓ ỨNG DỤNG TRÊN PHƯƠNG TIỆN ĐƯỜNG SẮT.

Một số ứng dụng trên đầu máy diesel truyền động điện. Một số ứng dụng trên đầu máy điện. itl Mớỡ đầu. Bài giảng “Cơ sở biến đổi công suất trên phương tiện đường sắt” được biên soạn cho sinh viên chuyên ngành Tâu điện Metro, Đâu máy-Toa xe hệ đào tạo chính quy dài hạn Nội dung bài giảng giới thiệu những khái niệm chung nhất về các quá trình biến đổi và truyên dân công suật trên các phương tiện đường sắt; kết câu, nguyên lý làm việc và các đặc.

tính làm việc của các phần tử điện tử công suất thông dụng trên các thiết bị điện tử nói chung và bộ biên đôi điện trên phương tiện đường sắt nói riêng; các ứn 5 dung của các phân tử điện tử: công suất trong. kỹ thuật chỉnh lưu, kỹ thuật biến đổi công suất một chiều- một chiều và kỹ thuật biến đổi tần số trong các mạch công suất trên phương tiện đường sắt. Cùng với nội dung các học phần ” Kỹ thuật điện” và ”Kỹ thuật điện tử” trong chương trình đảo tạo của chuyên ngành, nội dung bài giảng “Cơ sở biến đổi công suất trên phương tiện đường sắt” tiếp tục hoàn thiện kiến thức cơ sở về điện-điện tử cho sinh viên Tầu điện Metro, Đầu máy-Toa xe. Từ đó giúp cho sinh viên tiếp thu tốt hơn các kiến thức của các học phần chuyên môn của chuyên ngành.

Khối lượng của bài giảng cho khối lượng là 02 tín chỉ, bao gồm ba chương: - Chương |: Cơ sở về biến đổi và truyền dẫn công suất trên phương tiện đường sat; két cấu, nguyên lý làm việc, các đặc tính làm việc của các phần tử điện tử công suất thông dụng trong công nghiệp và trên phương tiện đường sắt. - Chương 2: Các kỹ thuật ứng dụng các phan tử điện tử công suất bao gồm các mục: đích, phương pháp, sơ đồ nguyên lý và nguyên lý làm việc, đặc tính của các ứng dụng: kỹ thuật chỉnh lưu không điều khiển, kỹ thuật chỉnh lưu có điều khiển, kỹ thuật biến đổi công suất một chiều- một chiều, kỹ thuật biến đổi tần số dòng điện: nghịch lưu độc lập và biến tần. toa, - Chương 3: Kỹ thuật biến đổi công suất bằng phương pháp. điều chế độ rộng xung PWM và một số ứng dụng trên phương tiện đường sắt Bài giảng “Cơ sở biến đổi công suất trên phương tiện đường sắt” còn có thể làm tài liệu học tập cho sinh viên các chuyên ngành khác có liên quan đền các nội dung của bài giảng và làm.

tài liệu tham khảo cho cán bộ ngành giao thông đường sắt và giao thông thành phố quan tâm. Giáo trình do PGS.TS Đỗ Việt Dũng và TS. Phạm Văn Tiến biên soạn, trong đó: PGS.TS Đỗ Việt Dũng làm chủ biên và biên soạn chương l (từ trang | đến trang 67). Phạm Văn Tiến biên soạn chương 2 (từ trang 68 đến trang 109) và chương 3 (tir trang 110 dén trang 132).

Về nội dung cũng như hình thức, bài giáng chắc chắn không tránh khỏi những khiếm khuyết. Rất mong được độc giả góp ý để chúng tôi bổ cứu có được cuốn sách hoàn thiện hơn. : Hà Nội 2017 Các tac gid ` máy (đoản tầu) diesel khác nhau.1 là sơ đồ nguyên lý của các dạng đầu máy diesel thường sử dụng trên đường sắt. Dau mdy diesel; 2.

Hộp đảo chiều; phái điện kéo (MFĐK); 4. Bộ phận điều khiển, 5. Hộp giảm tốc trục; 7. Bánh xe phân phối điện, 5.

Động cơ điện kéo (ĐCĐK); 6. đầu máy Bánh xe đầu máy Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của đầu máy diesel truyễn động cơ khí và thủy lực (a), truyền động điện (b) > Động co diesel 1 là một loại động cơ nhiệt là loại động cơ đốt trong kiểu pít tông chạy bằng nhiên liệu diesel, ở đó nhiên liệu được đưa trực tiếp vào trong buồng kín của động cơ và tại đó diễn ra quá trình cháy, quá trình biến đổi hoá năng của nhiên liệu thành nhiệt năng và biến đối nhiệt năng thành cơ năng. Kết cấu và nguyên lý làm việc cụ thể của dong co diesel đã được trình bày trong nội dung các môn học cơ sở ngành khác, ở đây ta chỉ đề cập đến các đặc trưng cơ bản của động cơ diesel có liên quan trực tiếp đến sự truyền dẫn và biến đổi công suất trên đầu máy (đoàn tầu) diesel: + Công suất: Công suất của động cơ diesel được tính bằng tổng công suất của các xi lanh.

Do công suất của các xi lanh tương tự nhau và chỉ bị lệch pha so với nhau bằng trị số góc lệch của tay quay trục khuýu. Từ nguyên lý động cơ ta biết: nếu gọi p; là áp suất chỉ thị trung bình là áp suất quy ước, không đổi, dưới tác dụng của nó sau một hành trình công tác của pít tông sinh ra một công hữu ích đúng bằng công của xi lanh động cơ sau một chu trình công tác. Khi đó công hữu ích do chất khí trong xilanh thực hiện được sau một chu trình được gọi là công chỉ thị (1;) và được xác định: Ss .1) Trong đó: P- ap luc tac dung lén dinh pitténg, kG ‘D - dung dinh xi lanh, cm S - hanh trinh pit t6ng, cm F - dién tich dinh pit téng, cm? V;, ~ thé tich công tác của xi lanh, em? Li va Di” Trẻ kG/em? (1.2) Tương ứng với công chi thi L; sinh ra trong xilanh, ta c6 céng suit chi thi N; cha động cơ.