TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÀI GIẢNG
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRÊN PHƯƠNG TIỆN ĐOÀN TÀU

HÀ NỘI
Tháng 07 năm 2016


MỤC LỤC
CHƯƠNG I- KHÁI QUÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ NGUYÊN LÝ
ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRÊN CÁC PHƯƠNG TIỆN GIAO
THÔNG ĐIỆN ...................................................................................................... 6
1.1. Khái quát chung cấu trúc hệ truyền động điện trên các phương tiện giao
thông điện........................................................................................................... 6
1. Khái quát chung .......................................................................................... 6
2. Lịch sử ứng dụng và phát triển các hệ truyền động điện- ĐK ................... 7
3. Các yêu cầu cơ bản đối với trang thiết bị điện kéo .................................... 8
1.2. Đặc tính sức kéo trên các phương tiện giao thông điện sử dụng động cơ
điện kéo một chiều. ............................................................................................ 8
1. Đặc tính cơ điện dẫn ra trục truyền động của động cơ điện kéo 1 chiều ... 8
2. Đặc trưng cơ- điện dẫn ra vành của bánh xe chuyển động....................... 10
3. Đặc tính kéo các phương tiện giao thông sử dụng động cơ điện 1 chiều. 12
1.3. Trạng thái làm việc của đoàn tàu .............................................................. 13
1.4. Chế độ tải của ĐCĐK xoay chiều không đồng bộ 3 pha.......................... 17
1. Đối với đoàn tàu chuyên trở hàng: vđm = 5—54km/h; Fđm= 60-65kN ..... 18
2. Các đoàn tàu trở khách với vmax= 150-160- km/h thì tỉ số vmax/vđm=
1,4-1,6. .......................................................................................................... 18
3. Đối với đoàn tàu metro có yêu cầu riêng về công suất ............................ 19
4. Phương trình chuyển động của đoàn tàu. ................................................. 19

5. Đồ thị chạy tàu và chế độ điều khiển: ...................................................... 21
CHƯƠNG II. HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐOÀN TÀU SỬ DỤNG ĐCĐK 1
CHIỀU................................................................................................................. 24
2.1. Khái quát hệ truyền động điện đoàn tàu sử dụng ĐC ĐK 1 chiều ........... 24
1. Đoàn tàu sử dụng lưới điện kéo 1 chiều: 660, 750, 1500, 3000V ............ 24
2. Đoàn tàu sử dụng lưới điện kéo xoay chiều: 1-15kV, 162/3hz; 25kv,50hz
....................................................................................................................... 25
2.2. Khởi động và điều chỉnh vận tốc đoàn tàu ............................................... 25
2.3. Điều chỉnh điện áp nhờ dùng các MBA đặt trên đầu máy điện................ 29
1|P a g e


2.4. Điều khiển vận tốc của động cơ bằng cách thay đổi từ trường do cuộn dây
kích từ sinh ra................................................................................................... 35
1. Phương pháp bớt số vòng cuộn kích từ (điều chỉnh số vòng dây cuộn dây
kích từ) .......................................................................................................... 37
2. Mắc cuộn dây song song với cuộn kích từ nối tiếp. (Phân dòng cho cuộn
dây kích từ) ................................................................................................... 38
3. Phương pháp điều khiển đong điện ở cuộn kích từ nối tiếp hoặc song
song đối với động cơ điện 1 chiều có cuộn kích từ nối hỗn hợp.................. 39
4. Phương pháp dùng bộ kích từ chuyên nghành ......................................... 40
2.5. Сấu trúc truyền động điện động cơ điện kéo 1 chiều sử dụng các chỉnh
lưu bán điều khiển............................................................................................ 43
1. Khái quát chung: ....................................................................................... 43
2. Mạch chuyển động dùng bộ chỉnh lưu bán điều khiển............................. 43
2.6. Hệ truyền động sử dụng biến áp 2 cấp ..................................................... 46
1. Sơ đồ nguyên lý: ....................................................................................... 46
2.7. Sử dụng bộ chỉnh lưu cộng áp .................................................................. 48
1. Sơ đồ nguyên lý: ....................................................................................... 48
2. Nguyên lý làm việc: .................................................................................. 49

2.8. Sử dụng nhiều bộ chỉnh lưu nối tiếp ......................................................... 51
1. Sơ đồ nguyên lý: ....................................................................................... 51
2. Nguyên lý làm việc: .................................................................................. 51
2.9. Sử dụng mạch truyền động băm xung 1 chiều kiến thức chung về bộ biến
đổi xung áp 1 chiều điều chỉnh quá trình làm việc ĐC ĐK ............................ 54
1. Mục đích và ứng dụng: ............................................................................. 54
2. Sơ đồ nguyên lý đơn giản: ........................................................................ 54
2.10. Sơ đồ bộ biến đổi xung áp 1 chiều khóa bằng Thyristo ......................... 56
1. Bộ băm xung áp 1 chiều phương pháp thay đổi tần số đóng cắt (f= 1/T)
và giữ tm= const. ........................................................................................... 56
2. Bộ băm xung áp 1 chiều phương pháp điều chế độ rộng xung (thay đổi
thời gian đóng, cắt khóa điện tử tm và giữ nguyên chu kỳ đóng cắt T) ........ 57
3. Bộ băm xung áp 1 chiều hỗn hợp 2 phương pháp .................................... 58
2|P a g e


2.11. Mạch truyền động băm xung 1 chiều trên PTGT điện ........................... 58
2.12. Một số hệ điều khiển truyền động điện kéo 1 chiều sử dụng phổ biến
trên các đoàn tàu trên thế giới .......................................................................... 61
1. Hệ truyền động điện kéo 1 chiều sử dụng trên toa tàu metro của Nga .... 61
2. Hệ truyền động điện kéo 1 chiều sử dụng trên toa tàu metro của Trung
Quốc .............................................................................................................. 62
CHƯƠNG III. HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU ......... 65
3.1. Khái quát về hệ truyền động điện động cơ xoay chiều 3 pha
trên các phương tiện giao thông....................................................................... 65
1. Khái quát chung ........................................................................................ 65
2. Đối với mạng cung cấp nguồn xoay chiều (GT điện đường dài): ............ 65
3. Đối với mạng cung cấp nguồn 1 chiều (GT điện thành phố) ................... 66
3.2. Điều khiển chuyển động ĐCĐK không đồng bộ xoay chiều 3 pha ......... 67
1. Điều khiển dựa theo nguyên tắc điều chế véctơ không gian .................... 68

2. Nguyên tắc điều chế véctơ không gian thực hiện chuyển đổi DC/AC..... 70
3.3. Điều khiển dựa theo nguyên tắc điều biến độ rộng xung ......................... 71
3.4. Hệ truyền động ĐCKĐB 3 pha rôto lồng sóc từ lưới 1 chiều sử dụng bộ
chuyển đổi DC/AC........................................................................................... 74
1. Cấu trúc mạch truyền động ....................................................................... 74
2. Nguyên lý điều khiển. ............................................................................... 76
3.5. Hệ truyền động ĐCKĐB từ lưới điện xoay chiều. ................................... 77
1. Mạch truyền động sử dụng bộ chuyển đổi AC/DC/AC 2 mức ................ 77
2. Mạch truyền động sử dụng bộ chuyển đổi 3 mức .................................... 78
3.6. Mạch truyền động sử dụng bộ chuyển đổi nhiều mức diode kẹp ............. 81
1. Cấu trúc mạch truyền động:...................................................................... 81
3.7. Mạch truyền động sử dụng bộu chuyển đổi nhiều mức CASCADE ........ 84
1. Sơ đồ cấu trúc mạch nguyên lý truyền động ............................................ 84
2. Nguyên lý điều biến .................................................................................. 85
3.8. Một số hệ truyền động điện sử dụng ĐCĐK dị bộ trên các loại tàu điện 90
1. Tàu điện Attiko Metro ở Hy Lạp. ............................................................. 90
3|P a g e


2. Tàu điện ở Ấn Độ ..................................................................................... 90
3. Tàu điện Line5 ở Bacelona-Tây Ban Nha ................................................ 90
4. Đoàn tàu cao tốc Seria E4-Nhật Bản ........................................................ 90
Chương IV. Hệ thống truyền động điện động cơ tuyến tính ............................ 100
4.1. Khái quát về hệ truyền động điện động cơ tuyến tính sử dụng trên các
phương tiện giao thông điện .......................................................................... 100
4.2. Các cấu trúc truyền động điện động cơ tuyến tính ................................. 102
1. Cấu trúc hệ truyền động điện động cơ tuyến tính stator dài ................... 102
2. Cấu trúc mạch truyền động điện động cơ tuyến tính stator ngắn ........... 104
4.3. Điều khiển truyền động động cơ điện tuyến tính ................................... 106
4.4. Ví dụ về hệ truyền động động cơ điện tuyến tính sử dụng trên các đoàn

tàu hiện đại ..................................................................................................... 107

4|P a g e


Mục đích của môn học
Cung cấp các kiến thức cơ bản về điều khiển truyền động điện cho đầu
máy điện hoặc đoàn tàu chạy điện. Bao gồm các chế độ khởi động, điều chỉnh
tốc độ, hãm đoàn tàu và tự động hóa điều khiển đoàn tàu.
Giúp các bạn hiểu thêm về các sơ đồ cấu tạo hệ truyền chuyển động trên
các đầu máy hoặc đoàn tàu hiện đại. Từ đó, có thể áp dụng để tiếp thu công
nghệ của nước ngoài vào Việt Nam khi xây dựng các tuyến tàu điện ngầm
Metro (Underground train Metro) hay tuyến tàu điện mặt đất (Traimway).
1. Tài liệu
Truyền động điện đoàn tàu là một phần quan trọng trong nghành Giao
thông điện. Tuy nhiên ở nước ta, các loại sách về mảng này hầu như chưa có. Vì
vậy, đề nghị sinh viên chép bài đầy đủ.
Giới thiệu về tài liệu:
“nghiên cứu lựa chọn công nghệ điện khí hóa đường sắt và điện giao
thông thành phố đến năm 2025 ở Việt Nam”, mã số B2008-04-57. Phần 3:”
nghiên cứu công nghệ tự động hóa truyền động điện trên các phương tiện đoàn
tàu”, TS Lê Mạnh Việt, KS Trần Văn Khôi, Hà Nội 2009.
Đoàn tàu Metro, ……….., Moscow-2003
Hệ thống điều khiển và báo lỗi đầu máy ………………. Moscow-2009
Đoàn tàu sử dụng động cơ KĐB dị bộ, ………………… Moscow-1991
Kỹ thuật điện tử và bộ biến đổi, ………………………… Moscow-1999

5|P a g e



CHƯƠNG I- KHÁI QUÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ NGUYÊN LÝ
ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRÊN CÁC PHƯƠNG TIỆN
GIAO THÔNG ĐIỆN
1.1. Khái quát chung cấu trúc hệ truyền động điện trên các phương tiện
giao thông điện
1. Khái quát chung
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 được ứng dụng rộng rãi vào hệ
truyền động điện trên các phương tiện giao thông điện. Vì vậy có rất nhiều các
phương pháp điều khiển tốc độ đoàn tàu hay đầu máy điện.
Đối với đoàn tàu sử dụng động cơ điện một chiều:
Phương pháp 1: điều khiển nhằm điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ
(điều chỉnh góc dẫn các bộ chỉnh lưu Thyristo hay điều chỉnh chu kỳ dẫn các bộ
băm xung 1 chiều).
Phương 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 điện áp và tần số dòng điện cấp cho động cơ tuân theo luật U/f = const (Ф
= const) gọi là phương pháp VVVF (Variable Voltage Variable Frequency).
Phân loại hệ truyền động điện trên các phương tiện giao thông điện:
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
+ Hệ truyền động động cơ điện kéo xoay chiều không đồng bộ 3 pha
dị bộ - roto lồng sóc.
+ Hệ truyền động động cơ điện kéo tuyến tính
6|P a g e



Theo tổ hợp mạng tiếp xúc và đoàn tàu có thể phân làm 4 loại tổ hợp:
+ Mạng tiếp xúc 1 chiều- động cơ điện kéo 1 chiều (600, 750, 1500,
3000VDC)
+ Mạng tiếp xúc xoay chiều- động cơ điện kéo 1 chiều (25kV-50hz,
15kV-16⅔hz)
+ Mạng tiếp xúc 1 chiều- động cơ điện kéo xoay chiều (1500,
3000VDC)
+ Mạng tiếp xúc xoay chiều- động cơ điện kéo xoay chiều (25kV,
15kV)
2. Lịch sử ứng dụng và phát triển các hệ truyền động điện- ĐK
a. Giai đoạn trước năm 1965
Sử dụng hệ truyền động điện 1 chiều với các chuyển mạch cơ khí (rơle,
contacto, biến trở,…) để thực hiện quá trình thay đổi điện áp ( thay đồi điện trở
nối với động cơ, chuyển đổi cách đấu nối động cơ) và từ thông cấp cho động cơ
để điều khiển vận tốc đoàn tàu.
b. Giai đoạn 65-80
Khi thiết bị bán dẫn ra đời (Diode, Transitor …) các chuyển mạch cơ khí
được thay thế bởi các mạch điện tử (điều khiển chu kỳ dẫn của bộ băm xung 1
chiều) giúp điều khiển động cơ điện kéo 1 cách tiện lợi hơn.
Sau đó với sự ra đời của GTO với việc khống chế chế độ đóng mở các
van 1 cách hoàn toàn (trước kia đối với Thyristo chỉ điều khiển mở được - góc
mở, còn khóa là tự động) được ứng dụng trên phương tiện giao thông. Hệ truyền
động điện trên các phương tiện giao thông điện sử dụng các bộ băm xung 1
chiều cấu tạo từ các van Thyristo, GTO và nhân tố điều khiển là các bộ Vi xử
lý.
c. Giai đoạn 85-90
Công nghệ IGBT ra đời nó đã thể hiện được các ưu điểm vượt trội. Đồng
thời ứng dụng ĐCĐK xoay chiều vào giao thông và các bộ biến tần xuất hiện.
7|P a g e



Hệ truyền động điện: Biến tần- động cơ không đồng bộ roto lồng sóc được ứng
dụng rộng rãi vào giao thông hiện nay.
Bên cạnh các đoàn tàu bánh sắt, trong thời gian này xuất hiện đoàn tàu
chạy trên đệm từ trường ở một số quốc gia. Đoàn tàu sử dụng hệ truyền động
điện với động cơ tuyến tính. Tuy nhiên, đây là công nghệ mới cần phải kiểm
nghiệm, giá thành chế tạo và xây dựng rất đắt.
3. Các yêu cầu cơ bản đối với trang thiết bị điện kéo
o Tăng độ bền dưới tác động bên ngoài: độ ẩm không khí, nhiệt độ…
o Độ tin cậy khi chuyển mạch điều khiển động cơ
o Độ tin cậy làm việc của các thiết bị khi thay đổi nhiệt độ
o Kích thước và khối lượng phải nhỏ, gọn.
1.2. Đặc tính sức kéo trên các phương tiện giao thông điện sử dụng động cơ
điện kéo một chiều.
1. Đặc tính cơ điện dẫn ra trục truyền động của động cơ điện kéo 1 chiều
a. Định nghĩa
Là sự phụ thuộc của tần số quay phần ứng (roto) động cơ với dòng điện:
nĐ = f(IĐ); mômen quay phần ứng (roto) động cơ với dòng điện: MĐ = f(IĐ);
hiệu suất động cơ điện kéo với dòng điện: ηĐ = f(IĐ) dưới điện áp định mức từ
lưới tiếp xúc (Umđm).
b. Tính toán đặc tính cơ- điện dẫn ra trục truyền động động cơ điện kéo 1 chiều
Sức điện động cảm ứng ở cuộn dây phần ứng động cơ 1 chiều:
E= C’.Ф.n
Trong đó:

+ C’: hệ số thiết kế không đổi động cơ điện kéo. C’=

𝑝.𝑀
2.𝜋.𝑎𝑛


+ Ф: từ thông phần ứng động cơ (W)
+ n: tần số quay phần ứng động cơ
+ [C. Ф’] = V (vòng/phút)
+ N, an: số vòng dây và số nhánh song song cuộn dây phần
ứng.
8|P a g e


+ p: số cặp cực động cơ.
Phương trình cân bằng điện:
UĐ = E+Ir+∆Uc
Trong đó:

+ I: dòng điện phần ứng động cơ (A)
+ r: điện trở trong mạch động cơ (Ω)
+ ∆Uc: sụt áp dưới tác dụng của chổi than, ∆Uc= 1-2V

có thể bỏ qua.
Tần số quay phần ứng:
n=

𝑈Đ −𝐼𝑟

(1)

𝐶 ′ .∅

Công suất cơ học có ích động cơ:
Pch= M.ω

Trong đó:
+M: mômen quay động cơ (Nm)
+ω: vận tốc góc phần ứng (rad/s)
Công suất điện có ích:
Pđh = UĐ.I.ηĐ
[W]
Từ hai công thức trên ta có: Pch= Pđh từ đó suy ra
M=

30.𝑈Đ .𝐼
𝜋.𝑛

.ηĐ [W]

(2)

Mômen quay động cơ có thể tính theo mômen quay điện từ:
M = Mđt - ∆M
Mđt =

30
𝜋

. 𝐶 ′ . ∅. 𝐼: mômen điện từ xác định theo công suất điện từ pđt=

E.I
∆M: mômen xác định bởi tổn hao từ và cơ học động cơ, ∆P=

𝜋.𝑛
30


. ∆𝑀

Từ đó mômen quay, N.m
M=

30
𝜋

(𝐶 ′ . ∅. 𝐼 −

∆𝑃
𝑛

)

(3)

Hiệu suất động cơ điện kéo 1 chiều:
ηĐ =
trong đó:

𝑃𝑐
𝑈Đ .𝐼

=

𝑈Đ .𝐼−∑ ∆𝑃
𝑈Đ .𝐼


+∑ ∆𝑃= I2.r+∆Pc+∆Pt- tổn thất điện, cơ, từ trên động cơ.
+ Pc: công suất cơ học có ích

+ Pđ: công suất điện học có ích.
Lưu ý: các đặc trưng này thu được trên bảng thông số của động cơ trước
khi xuất xưởng.
9|P a g e


Ví dụ: đặc tính cơ- điện của động cơ điện kéo 1 chiều sử dụng trên tàu
Metro E: DK-108A, công suất dẫn ra trục chuyển động- 68KW; điện áp động
cơ-375V; dòng điện-210A; tần số quay phần ứng - 2000 vòng/phút.

2. Đặc trưng cơ- điện dẫn ra vành của bánh xe chuyển động
a. Định nghĩa
Là sự phụ thuộc cận tốc chuyển động v, lực kéo F và hiệu duất động cơ η
với dòng điện phần ứng Iđ cùng với tính toán tổn hao năng lượng trong quá trình
truyền động.
b. Tính toán đặc tính cơ - điện dẫn ra vành của bánh xe chuyển động
Vận tốc: km/h
V=

𝜋.𝑛 1 𝐷𝑘 3600

. .

30 𝜇

2


.

1000

= 0,1885.

𝐷𝑘 .𝑛
𝜇

+μ: hệ số truyền động (hộp số) tại trục động cơ đến trục bánh xe.
+Dk: đường kính bánh xe.
Lực kéo:
F=

𝑀.𝜇

.𝜂

𝐷𝑘 /2
𝑣đ .𝐼.𝜂đ −Δ𝑃

+η: hiệu suất truyền động: η =

𝑣đ .𝐼.𝜂đ

Hiệu suất:
η = ηđ.η’
* Mặt khác, ta có thể tính toán các đặc trưng đó theo các công thức sau:
𝑈đ −𝐼.∑ 𝑟𝑝ư


C = C’.0,1885Dk/μ

- Vận tốc:

V=

- Công suất điện từ ĐCĐK:

Pđt= C.Ф.v.I (công suất điện có ích trừ đi

tổn hao điện năng.)

𝐶.𝜙

Pđt= Uđ.I – I2.r
10 | P a g e


Công suất điện có ích ĐCĐK:
Pđ= Uđ.I- ∆P
Với ∆P= ∆Pđ a= ∆P+∆Pc +∆Pt + ∆Ptcđ (tổn thất điện, cơ, từ, truyền chuyển
động).
Mặt khác, P= F.v/3,6
Theo định luật bảo toàn công suất thì:
F.v/3,6= Uđ.I- ∆P
Từ đó, ta có: F= 3,6.(Uđ- ∆P)/v hay F= Fđt – 3,6.( ∆Pt+∆Pc+∆Ptcd)/v = Fđt ∆F.
F= 3,6cosφ.I- ∆F
Hiệu suất ĐCĐK:

η=


𝑈đ .𝐼−Δ𝑃
𝑈đ .𝐼

= 1-

Δ𝑃đ +ΔP𝑐 +Δ𝑃𝑡 +Δ𝑃𝑡𝑐𝑑
𝑈đ .𝐼

Ví dụ: động cơ điện kéo 1 chiều với cuộn kích từ nối tiếp:

Ikt- dòng điện không tải (vì tổn thất – F= Fđt- ∆F nên F đi qua Ikt)
*

Các sơ đồ kích từ của ĐC ĐK 1 chiều: cuộn kích từ có thể mắc nối tiếp hoặc

song song, hỗn hợp và không phụ thuộc của cuộn kích từ với phần ứng (roto)

11 | P a g e


3. Đặc tính kéo các phương tiện giao thông sử dụng động cơ điện 1 chiều
a. Định nghĩa
Mối liên hệ giữa lực kéo đoàn tàu và vận tốc của nó gọi là đặc tính kéo
của đoàn tàu:

Fk= f(v) hay Fk= F.z0

Với z0 – số trục truyền động đoàn tàu (gắn động cơ)
b. Đường đặc tính kéo đoàn tàu

Fkbmax: lực kéo lớn nhất bị giới hạn độ bám của
bánh xe- đường ray.
Fkbmax=1000.mb.g.ψ.z0
mb: khối lượng của đoàn tàu tính theo độ bám
của bánh xe- đường ray.
Ψ:

hệ

số

bám

đường:

ψ=0,18-

0,22(metro)
Đặc trưng kéo của PTGT điện gọi là đặc tính cứng khi lực kéo thay
đổi 1 cách đột ngột cùng với sự tăng của vận tốc: dF/dV→∞ - ĐC ĐK có cuộn
kích từ mắc song song phần ứng.
Đặc trưng kéo của PTGT điện gọi là đặc tính mềm khi vận tốc thay
đổi 1 cách đột ngột cùng với sự thay đổi của lực kéo: dF/dV→0- ĐC ĐK có
cuộn kích từ mắc nối tiếp.
So sánh đặc trưng kéo của đoàn tàu sử dụng ĐC ĐK với cách mắc
cuộn kích từ theo các sơ đồ khác nhau.

12 | P a g e



ĐC Đk 1 chiều có cuộn kích từ mắc song song, hỗn hợp không phụ
thuộc có đặc tính cứng cao hơn mắc nối tiếp.
Chú ý:
+ Trong thực tế trên các đầu máy điện sử dụng ĐC ĐK 1 chiều có cuộn
kích từ mắc nối tiếp và hỗn hợp vơi điều khiển chuyển mạch cơ khí- đặc tính
kém mềm( đầu máy VL-80r)
+ Đối với đầu máy điện sử dụng ĐC ĐK chiều cuộn kích từ không phụ
thuộc với động điều khiển bằng sơ đồ điện tử các thiết bị bán dẫn( bộ chỉnh lưu,
băm xung)- đặc tính kéo cứng- đầu máy VL-80rh)
+ Hệ số sức kéo đối với đầu máy VL-80rh lớn hơn 8,4% VL-80r trong quá
trình khởi động.
1.3. Trạng thái làm việc của đoàn tàu
Các thông số trạng thái làm việc của doàn tàu sử dụng ĐCĐK di bộ được
xác định bởi các định luật điều khiển động cơ ưu việt. Để xác định định luật đó
một cách hiệu quả nhất, xem xét mối quan hệ mômen quay M (N.m) với các
thông số khác của ĐCĐK.
𝑀=

9,81.𝑝.𝑚1 .𝑟2′ .𝑠.𝑈12
2

(1)

2

2𝜋𝑓1 [(𝑠.𝑟1 +𝐶1 .𝑟2′ ) +(𝑥1 +𝐶1 .𝑥2′ ) .𝑠 2

Với: P, m1 – Số cặp cực và số pha của cuộn dây stator.
S – hệ số trượt tương đối với roto, 𝑆 =


𝑤1 −𝑤𝑞
𝑤1

W1 – vận tốc góc từ trường quay của stator : 𝑤1 =
Wq – vận tốc góc quay của roto:𝑤𝑞 =

2𝜋𝑓𝑞𝑢𝑎𝑦
𝑝

2𝜋𝑓1
𝑝

.

.

f1 – tần số dòng điện stator: fquay - tần số quay roto .(𝑓𝑞 =

pn2
60

)

r1,x1 – điện trở, cảm kháng dây quấn stator
r2’,x2’ – điện trỏ, cảm kháng roto quy về stato
U1 – điện áp pha stato.
C1 ≈ 1 Hằng số không đổi stato.
+ Sơ đồ thay thế:

13 | P a g e



f1∗ =

f1
f1dm

-Tần số tương đối dòng điện stato; f2∗ =

f2
f1dm

- Tần số tương đối dòng

điện roto
xm- Điện kháng mạch từ; E1 – Sức điện động cuộn dây pha stato.
+ Khi tính toán để đơn giản ta bỏ qua độ sụt điện áp trên cuộn dây stato:
|U1|≈|E1|.
E1 – Sức điện động pha stato.
Do s rất nhỏ, s2≈0 ; sr1≈0 nên ta có thể viết: M 

CU12 s
(2) . Với C =9.81 2. 𝜋. 𝑟2′
f1

Để dảm bảo làm việc của ĐC di bộ trong tất cả các trường hợp 1 cách
kinh tế nhất thì phải bảo toàn tổn hao công suất nhỏ nhất ở ĐCĐK
∆Pmin = (∆Pc+∆Pm+∆P2)min = const
∆Pc ,∆Pm – tổn hao từ và cơ học của ĐC.
∆P2 - Tổn hao trong roto : ∆𝑃2 = 𝑀(𝑤1 − 𝑤𝑞 ) = 𝑀.


2𝜋
𝑃

. 𝑓2 (𝑓2 = 𝑓1 −

𝑓𝑞𝑢𝑎𝑦 ).
Để đảm bảo ∆Pmin=const thì hệ số trượt tuyệt đối : f2 phải nhỏ nhất và
không đổi trong tất cả các trạng thái làm việc : 𝑓2 = (𝑓1 − 𝑓𝑞𝑢𝑎𝑦 )𝑚𝑖𝑛 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 .
+ 1925 M.π.Koetrhko đã đưa ra 1 định luật siêu việt điều khiển tàn số Đc
dị bộ.
𝑈1
𝑓1
𝑀
√
=
𝑈1đ𝑚 𝑓1đ𝑚 𝑀đ𝑚

(3).
14 | P a g e


U1đm – giá trị định mức điện áp pha : M và Mđm – giá trị momen quay ĐC
dị bộ theo thời gian và định mức.
+ Vận tốc đoàn tàu sử dụng Đc dị bộ (roto lồng sóc):
𝐷𝑘 . 60. 𝑓1
𝑣 = 0,1885.
. (1 − 𝑠)
𝜇. 𝑃1
𝑃1 . 𝜇. 𝑉𝑚𝑎𝑥

𝑓1 =
3.6𝜋. 𝐷𝑘
Với s rất nhỏ: 𝑣 = 0.1885.
Lực kéo đoàn tàu : 𝐹 =

2𝑀
𝐷𝑘

𝐷𝑘 .60.𝑓1
𝜇.𝑃1

= 𝐶1 . 𝑓1

. 𝜇. 𝜂𝑏𝑟 = 𝐶2 . 𝑀2

Với : Dk – đường kính bánh xe chuyển động m.
µ - Hệ số truyền chuyển động của hộp số
ηbr – Hệ số truyền chuyển động bánh răng
C2 – Hằng số roto.
Từ đó ta thu được:

𝑈1
𝑈1đ𝑚

=

𝑣
𝑣đ𝑚

√𝐹


𝐹
đ𝑚

(4)

Với v, vđm : F và Fđm – vận tốc và lực kéo đoàn tàu theo thời gian và đm.
Giá trị vđm va Fđm ~ U1đm và tần số dòng điện stato định mức f1đm.
Trên hình 2 dẫn ra sự phụ thuộc tuân theo 2 định luật đặc trueng nhất điều
khiển làm việc đoàn tàu (vđm - vận tốc đầu ra khi vào đường đặc trưng định
mức) :
F = const và P = const
Xem xét chế độ kéo khi khởi động F=const (M=const ). Momen quay
ĐC dị bộ xác định theo mối quan hệ từ thông stato và dòng điện roto 𝐼2′ quy về
stato với

𝑈

= const ( = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡) thì điệu kiện M =const gọi là tính bất biến của
𝑓

dong 𝐼2′ ( (𝐼2′ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡) . Như vậy : 𝐼̅1 = 𝐼̅𝜇 + 𝐼̅2′ : 𝐼̅𝜇 - dòng điện từ hóa ( không
phải ) của ĐC. Thì M=const

I1=const. Dòng ddienj stato ở quá trình khởi

động không thay đởi, nếu cần đảm bảo điều kiện
𝑈1
𝑣
𝑓

=
=
𝑈1đ𝑚 𝑣đ𝑚 𝑓đ𝑚

𝐹
𝐹đ𝑚

= 1. Khi đó theo (3):

(5).

15 | P a g e


Để ổn định dòng điện I1=const trong quá trình khởi động và đảm bảo các chỉ
số tối ưu làm việc của ĐC ĐK, tăng điện áp đặt vào 2 đầu cuộn dây stato, tỉ lệ
với vận tốc chuyển động đoàn tàu ( đến giá trị U1=U1dm) (sau khi ra đặc tính
danh định của ĐC ĐK)
Từ đầu ra khi vào đặc trưng định mức của động cơ dị bộ (v≥vđm) xem xét
trạng thái làm việc động cơ công suất không đổi: P= const.
𝑃
𝑃đ𝑚

=

𝐹.𝑣
𝐹đ𝑚 .𝑣đ𝑚

=1 thì theo 4:


Hay

𝑈1
𝑈1𝑑𝑚

𝑈12
2
𝑈đ𝑚

= √
𝑣

𝑣
đ𝑚

=

𝐹.𝑣 2
2
𝐹đ𝑚 .𝑣đ𝑚

(6)

(6’)

Chế độ ổn định vận tốc chạy tàu: v= const.
Khi đầu máy(đoàn tàu) làm việc với vận tốc không đổi (v=const), chú ý
điều kiện tần số không đổi của điện áp cung cấp động cơ dị bộ tức là f1/f1dm=1.
Từ (4) ta thu được:
𝑈1

𝐹
(7).
=
𝑈1đ𝑚 𝐹đ𝑚
Để giữ cho đoàn tàu có vận tốc không đổi thì thay đổi điện áp tỉ lệ với
căn bậc 2 của lực kéo.
Nếu điện áppha không đổi U1/Uđm=1 thì từ (4):
𝑣2
𝐹đ𝑚
=
2
𝐹
𝑣đ𝑚
Đặc tính kéo của động cơ dị bộ F(v) là parabol giống như ĐC ĐK một
chiều kích từ nối tiếp với hệ thống từ tính bão hòa. Đối với trường hợp điện áp
pha = const, thay đổi tần số tỉ lệ nghịch với lực kéo. Thu được đặc trưng mềm
của động cơ dị bộ với tổn hao năng lượng nhỏ nhất. đặc trưng kéo của động cơ
dị bộ được thể hiện ở hình 3.

16 | P a g e


Trên hình 1.6- định luật đặc trưng điều chỉnh lực kéo F(v). Như vậy vận
tốc tỉ lệ với tần số điện áp cung cấp.
Trong miền vận tốc: v= 0-vđm(chế độ khởi động) thì điện áp điều chỉnh tỉ
lệ với vận tốc. khi đó, từ thông của đông cơ dị bộ không đổi (const), còn sức
điện động động cơ E1=C.f1Ф tăng tỉ lệ với v hay f1. Mômen hay lực kéo ở chế
độ khởi động = const.
Khi kết thúc quá trình khởi động (v= vđm hay f1= f1đm) chuyển sang chế độ
làm việc với công suất không đổi P= F.v= const. khi đó lực kéo F tỉ lệ nghịch

với vận tốc, tức là: F= f(1/v). để đảm bảo P=const điện áp cung cấp tăng √2
lần.
Đường điện áp pha khi P = const trên hình 1.7 là đường gạch nét.
Phương pháp điều chỉnh điện áp trong thực tế ít dùng.
1.4. Chế độ tải của ĐCĐK xoay chiều không đồng bộ 3 pha
Chế độ tải của động cơ điện kéo xác định không chỉ bởi từng loại động cơ
điện kéo mà còn bởi điều kiện làm việc đối với từng loại tàu cụ thể.
17 | P a g e


1. Đối với đoàn tàu chuyên trở hàng: vđm = 5—54km/h; Fđm= 60-65kN
Đặc trưng bới lực kéo lớn nhất Fmax khi khởi động (v=0- vđm) và tương
ứng với nó là việc tăng công suất P tỉ lệ với vận tốc v. Sau đó, bảo toàn công
suất Pmax trong miền v= vđm – v1( với v1 tương ứng với lực Fk bắt đầu giảm đáng
kể), khi đó F giảm. Trong miền v1- vmax công suất P giảm tương ứng với hình
dạng đặc trưng kéo trên đoạn đó. Lực kéo giảm đáng kể.
Đối với đầu máy điện kéo đoàng tàu trở hàng thì tỉ số: vmax/vđm = 2. Công
suất của ĐC ĐK tương ứng với vmax= (0,5-0,6)Pđm. (h1.8.a)
2. Các đoàn tàu trở khách với vmax= 150-160- km/h thì tỉ số vmax/vđm=
1,4-1,6.
Do ảnh hưởng của trở kháng khí động lực học của đoàn tàu đến trở kháng chung
của chuyển động thì cần thiết bảo toàn công suất trên miền vận tốc: vđm-vmax.

Nếu vận tốc tối đa của đoàn tàu 200-25-km/h thì P(v), F(v) là đường đứt
gãy h1.8.b. khi vận tốc lớn, trở kháng khí động học chiếm ưu thế so với các loại
trở kháng động học khác. Khi đó công suất tăng đến khi vmax và lực kéo bảo
toàn trạng thái lớn nhất khi khởi động.
Các đoàn tàu sử dụng động cơ dị bộ cung cấp điện từ bộ biến đổi thiết bị
bán dẫn (thyristo) cần điều khiển đặc trưng hãn tái sinh. Khi đó công suất hãm
không lớn hơn công suất kéo đoàn tàu. Đặc điểm và đường đặc trưng hãm giống

đặc tính kéo.

18 | P a g e


3. Đối với đoàn tàu metro có yêu cầu riêng về công suất
Đối với chế độ kéo, công suất khởi động bị giới hạn Pkd bởi các đặc tính
thiết bị cung cấp điện (dòng điện lớn nhất vào cần tiếp điện 1 toa). Điều đó quy
định tỉ số vmax/vđm= 2,5-3,5.
Trong chế độ hãm không có giới hạn bởi các thiết bị cung cấp điện vì
năng lượng hãm tái sinh trong 1 phân đoạn chạy tàu lớn được sử dụng bơi đoàn
tàu chạy kế tiếp.
Ngoài ra mong muốn đảm bảo cường độ phanh tại vận tốc cao cùng với
giới hạn thời gian chạy tàu trên các phân đoạn. công suất động cơ hãm lớn hơn
2 lần khi khởi động.

1.5. Phương trình chuyển động và đồ thị chạy tàu
4. Phương trình chuyển động của đoàn tàu.
Khi xem xét quá trình chuyển động của đoàn tàu, chúng ta coi rằng:
- Đoàn tàu là 1 chất điểm mà điểm đặt tại trọng tâm của đoàn tàu.
- Chất điểm này chuyển động tịnh tiến dưới tác dụng của lực bằng tổng
tất cả các lực tác dụng vào đoàn tàu. Lực này có hướng theo 0chiều chuyển
động của đoàn tàu.+ Động năng chuyển động của đoàn tàu với vận tốc v gồm
động năng chuyển động tịnh tiến và dự trữ trong các phần quay của đoàn tàu.
2
𝐽𝑝.ư . 𝑤𝑝.ư
𝑚. 𝑣 2
𝐽đ . 𝑤đ2
𝐽𝐵 . 𝑤𝐵2
𝐴=

+∑
+∑
+∑
2
2
2
2

(1)

19 | P a g e


Jđ, wđ – momen quán tính và vận tốc góc cặp bánh xe được truyền chuyển động
từ ĐCĐK.
JB, wB – momen quán tính và vận tốc góc cặp bánh xe của toa nối.
Jp.w, wp.ư – momen quán tính và vận tóc góc phần ứng ĐCĐK.
Mặt khác ta biểu diễn w qua vận tóc chuyển động tịnh tiến của đoàn tàu
𝑤đ =

𝑣𝜇
𝑣
𝑣
; 𝑤𝐵 =
; 𝑤𝑝.ư =
𝑅𝑘
𝑅𝐵
𝑅𝑘

Rk, RB – bánh kính bánh xe truyền động và của toa nối.

µ - Hệ số truyền động của bộ truyền chuyển động, µ=4,65÷5,73 đối với
metro.
Từ đó ta thu được:
𝐴=

𝑣2
2

𝐽

𝐽𝑝.ư

𝐽

1

(𝑚 + ∑ 𝑅đ2 + ∑ 𝑅𝐵2 + ∑ 𝑅2 . 𝜇2 ) hay 𝐴 = 2 . (𝑚 + 𝑚𝑡đ ). 𝑣 2
𝑘

𝐵

𝑝.ư

Với mtđ – khối lượng tương đương các phần tử quay.
1+ γ – Hệ số quán tính các phần tử quay
1
𝐴 = mv 2 (1 + γ)
2

(2)


Theo công thức tính công có ích: dA= F.dl (3)
Từ (1) (2) và (3) ta suy ra được PT chuyển động của đoàn tàu v(1), v(t) :
𝑚(1 + 𝛾).

𝑣𝑑𝑣
=𝐹
𝑑𝑙

(4)

𝑚(1 + 𝛾).

𝑑𝑣
=𝐹
𝑑𝑡

(5)

(4),(5) là PT thứ 1 và thứ 2 của chuyển động đoàn tàu.
20 | P a g e


5. Đồ thị chạy tàu và chế độ điều khiển:
a) Đặc tính lực tác dụng vào đoàn tàu:
Khi đoàn tàu chuyển động chịu các lưc: Lực kéo Fk, lực cản w, lực hãm
B.
+ Lực kéo Fk – do ĐCĐK sinh ra.
+ Lực cản: w = w0 + wi + wc + wk.
w0 – lực cản chính của đoàn tàu: lực ma sát ở các ổ trục, lực ma sat trượt

và lăn của bánh xe so với đường ray, cản của môi trường khi không có gió.
Ví dụ đoàn tàu metro ở Nga chay khi co dòng điện ở tốc độ v:
𝑣2
𝑤0 = 1,1 + (0,09 + 0,022𝑛).
.
𝑚
n – Số toa, m – khối lượng đoàn tàu.
wi – lực cản do đường cong, đối với đoạn đường có bán kính cong Rc thì
đối với metro :
𝑤𝑐 =

700
𝑅𝑐

wk – do các thành phần khác : gió, nhiệt độ, ….
Lực hãm: Hãm điện và hãm cơ – có thể điều khiển được.
Đồ thị lực tác dụng của đoàn tàu:

21 | P a g e


Quá trình chuyển động đoàn tàu gồm 3 trạng thái chuyển động chính.
Chế độ kéo ( dưới tác dụng dòng điện): F = Fk – w
- Chế độ chuyển động theo quán tính.
- ĐCĐK bị ngắt khỏi nguồn cung cấp và đoàn tùa chuyển động theo
quán tính: F= - w
Chế độ hãm : Lực hãm và lực cản tac dụng ngược hướng chuyển động
của đoàn tàu: F = - (B + w)
b) Đồ thị chạy tàu:
Đ/n: Là sự phụ thuộc của vận tốc với quãng đường và vận tốc với thời

gian chạy tàu: v = f(s) và v = f(t).

22 | P a g e


-

Chế độ kéo: OA, OA’ – khởi động dưới sự điều khiển của người lái

tàu.
-

AB, A’B’ – chuyển động theo đặc trưng kéo tự động.

- Chế độ chạy theo quán tính: BC, B’C’.
- Chế độ hãm: C’D’. vh - vận tốc hãm đoàn tàu,
- Lh – quãng đường hãm. Đối với toa tàu metro của Nga – lh > 220m.

23 | P a g e


CHƯƠNG II. HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐOÀN TÀU SỬ DỤNG ĐCĐK
1 CHIỀU
2.1. Khái quát hệ truyền động điện đoàn tàu sử dụng ĐC ĐK 1 chiều
1. Đoàn tàu sử dụng lưới điện kéo 1 chiều: 660, 750, 1500, 3000V
Sơ đồ nguyên lý:

Nguồn điện: - lưới tiếp xúc 1 chiều có thể là lưới điện trên cao hoặc
đường ray thứ 3
1 - Thiết bị đóng cắt nguồn: có thể là dao cắt ly hoặc thiết bị đóng cắt cao

áp có chức năng đóng hoặc cắt toàn bộ đoàn tàu khỏi lưới tiếp xúc cao áp. Thiết
bị bảo vệ: là các rơle dòng điện bảo vệ động cơ khỏi làm việc ở điện áp thấp…
2 - Thiết bị bảo vệ: Là các role dòng điện bảo vệ ĐC khỏi hỏng hóc do
tình trạng quá tải, các rơle điện áp bảo vệ ĐC khỏi làm việc ở điện áp thấp …
3 - Thiết bị hỗ trợ: thông thường là các bộ lọc giúp nâng cao chất lượng
và ổn định nguồn cung cấp cho động cơ; các mạng điện trở hỗ trợ khởi động,
hãm đoàn tàu, mạng điện trở phục vụ cho điều chỉnh dòng kích từ.
4 - Thiết bị chuyển mạch chấp hành: thường là các rơle, contacto, khởi
động từ làm nhiệm vụ đóng cắt nguồn điện cấp cho động cơ, thay đổi chiều
dòng điện cấp cho động cơ, thực hiện việc đấu nối các nhóm động cơ sử dụng
trên đầu máy. Hoặc là các thiết bị bán dẫn điều chỉnh điện áp động cơ- van
thyristo hay GTO, IGBT.

24 | P a g e