Thiết kế hệ truyền động cho xe buýt chạy điện

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU. Hệ truyền động điện cá vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp,nó thực hiện hai nhiệm vụ:biến đổi điện năng thành cơ năng quay máy sản xuất đồng thời điều khiển sự biến đổi dòng năng lượng này theo yêu cầu công nghệ của máy và dây chuyền sản xuất.Để đáp ứng được yêu cầu cấp bách này thì việc giảng dạy và đào tạo các kĩ sư có khả năng tổng hợp và thiết kế một hệ thống điện cơ là việc làm rất cần thiết và có ý nghĩa. Do yêu cầu của môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế hệ thống truyền động,góp phần hoàn thiện và củng cố kiến thức môn học,mỗi sinh viên ngành tự động hoá được giao thực hiện một đồ án về môn học. Đồ án giúp sinh viên rèn luyện khả năng tìm hiểu một quá trình công nghệ,biết cách tính chọn công suất động cơ,chọn động cơ,rèn luyện khả năng phân tích chọn lựa phương án thích hợp tối ưu đáp ứng với yêu cầu công nghệ,tổng hợp được các bộ điều khiển… Đề tài mà đồ án em được giao là:Thiết kế hệ truyền động cho xe buýt chạy điện . Các thông số kĩ thuật như sau: +Điện áp nguồn:UN= 600(V) +Trọng lượng xe:G0=4.103(kg) +Tải định mức :Gđm=3.103(kg) +Tốc độ lớn nhất:Vmax=60(km/h) +Đường kính bánh xe :D=600(mm) +Đường kính trục:d=80(mm) +Hệ số bám đường :f=0.02 +Hệ số ma sát lăn ổ trục :µ=0.05 Do mới bước đầu làm quen với việc thiết kế một hệ thống truyền động điện cộng với sự thiếu kinh nghiệm thực tế nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy mọi ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn đều là những kinh nghiệm và bài học quý báu. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ I.1.Xe Buýt Ngày nay khi mà xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu giao thông cũng càng được đòi hỏi cao.Rất nhiều loại phương tiên giao thông hiện đại được sử dụng để phục vụ nhu cầu đi lại của con người.Trong đó xe buýt giữ một vai trò quan trọng do những đặc thù của nó.Với kích thước lớn, đây là phương tiện giao thông công cộng có thể vận chuyển một khối lượng lớn hành khách,rất tiện lợi cho mọi người đi lại. Đã có rất nhiều loại động cơ được sử dụng để truyền động trong lĩnh vực giao thông vận tải.Dù hiện nay nguồn động lực chính dùng trên ô tô máy kéo vẫn là động cơ đốt trong loại pittông thì ta vẫn có thể thấy truyền động bằng động cơ điện là một xu hướng mới.Sở dĩ ta có thể nói như vậy vì những ưu điểm rõ ràng của động cơ điện:Việc điều chỉnh tốc độ có thể thực hiện dễ dàng, êm và trơn tru,một yếu tố quan trọng nữa là không gây ô nhiễm môi trường… Xe buýt là một ôtô, một phương tiện vận tải phổ biến và rất quan trọng trong giao thông. Dù hiện nay trong thực tế sản xuất xe buýt chạy điện không chiếm ưu thế nhưng ta có thể dự báo một tương lai sẽ thuộc về nó. Đứng trên quan điểm về loại động cơ truyền động ta phân xe buýt thành 2 loại: Xe buýt chạy bằng động cơ xăng dầu. Xe buýt chạy bằng động cơ điện. Trong xe buýt chạy điện ta có thể tiêp tục phân thành 2 loại dựa theo nguồn cấp: Xe buýt chạy bằng điện áp xoay chiều (lấy từ điện áp lưới qua thanh ray và đường dây trên không) Xe buýt chạy bằng điện áp một chiều (dùng ắc qui). Việc thiết kế bất kì một hệ thống nào cũng cần xuất phát từ các yêu cầu cụ thể về công nghệ. Phần trình bày sau sẽ mang lại các yêu cầu cho một hệ truyền động xe buýt chạy điện. I.2. Các Yêu Cầu Kĩ Thuật *Về hình dạng,xe buýt chạy điện và xe buýt chạy bằng động cơ đốt trong hoàn toàn như nhau,nhưng xe buýt chạy điện sử dụng động cơ điện một chiều cung cấp điện thông qua lưới điện phía trên thay cho động cơ đốt trong.Xe buýt có cấu tạo phức tạp bao gồm các cơ cấu bánh răng,hộp số,cơ cấu li hợp,hệ thống lái,hệ thống báo tín hiệu… *Xe buýt là loại xe chuyên chở hành khách công cộng do đó yêu cầu đầu tiên cần đạt được là sự an toàn. Loại phụ tải truyền động ở đây là phụ tải thế năng. *Dải điều chỉnh tốc độ là 1÷14 (Từ 5 km/h ÷ 60 km/h). *Xe buýt cho phép tiến lùi nhưng ở đây động cơ điện không cần thực hiện đảo chiều quay, vì với xe buýt người ta thực hiện đảo chiều quay bằng cơ cấu li hợp. *Mô men quán tính J không thay đổi trong suốt quá trình vận hành. *Quá trình gia tốc và giảm tốc không cần quá nhanh, nó phải thực hiện tương đối êm. Tuy nhiên trong trường hợp sự cố vận hành bất thường cho phép hãm khẩn cấp dừng đột ngột bằng phanh cơ khí. Thông thường gia tốc của xe buýt vào khoảng 0.4 -2(m/s2) *Việc điều chỉnh tốc độ không cần quá chính xác. Ở chế độ tĩnh cho phép sai số δwmax = 5%. Ở chế độ động cho phép quá điều chỉnh lên tới 10%. *Mô men trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kỹ thuật an toàn.. *Đảm bảo khởi động không bị giật, ì, khởi động đầy tải hoặc quá tải *Xe luôn phải chịu tải từ 60% ÷ 70% thậm chí còn quá tải nên yêu cầu các thiết bị có độ bền cơ khí cao, khả năng chịu tải tốt. *Xe buýt làm việc ở chế dài hạn. *Nguồn điện áp được dùng là nguồn điện áp một chiều chuẩn 600 (V). . . CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ. II.1. TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ. Để tính toán được công suất của động cơ ta thực sẽ thực hiện các bước sau: Xây dựng đặc tính mômen ma sát của cơ cấu di chuyển. Xây dựng đặc tính mômen di chuyển của xe buýt. Xây dựng đường đặc tính mô men tải. Tính toán công suất động cơ dựa vào đường đặc tính cơ của xe buýt. II.1.1) ĐẶC TÍNH MÔMEN MA SÁT. Để xây dựng được đường đặc tính này ta cần xét các lực cản tác dụng lên xe buýt trong quá trình di chuyển ổn định (tức là ở chế độ tĩnh).Vì đa phần trong quá trình di chuyển xe buýt chạy trên đường bằng(trừ một số trường hợp chạy lên cầu) và không xét đến các giai đoạn quá độ khi ô tô thay đổi tốc độ nên ta bỏ qua lực cản lên dốc và lực cản quán tính. Các lực cản tác dụng lên xe buýt trong quá trình chuyển động: Lực cản lăn. Lực cản không khí. 1. Lực cản lăn. Lực cản này phát sinh là do có biến dạng của lốp xe. Do sự tạo thành vết bánh xe trên đường và do sự ma sát ở bề mặt tiếp xúc của lốp. Ta có: Ff = Ff1 + Ff2 = (Z1 + Z2).f = f.G.cosα. Với f là hệ số bám đường và có giá trị f = 0,02. G: Trọng lượng định mức của tải. Lấy bằng 70000(N) 2. Lực cản không khí. Khi ô tô chuyển động sẽ tác động tới khối không khí bao quanh nó, làm xuất hiện các dòng xoáy không khí ở phía sau ô tô và gây ra ma sát giữa không khí với bề mặt của chúng, do đó phát sinh lực cản không khí Pw. Theo thực nghiệm ta có: Fw = K.F.v02 = K.F.(v±vg)2 K.F.v2 Trong đó: v: vận tốc của ô tô. vg: vận tốc của gió. K: hệ số cản không khí, chọn K = 0,3(Ns2/m4) F: Diện tích cản chính diện ô tô. Chọn F = 5(m2) Vậy lực cản tổng cộng tác dụng lên ôtô trong chế độ chuyển động ổn định là: Fc = Ff + Fw. à Fc = f.G.cosα + K.F.v2. Do đây là các lực tác động ở các điểm khác nhau trên xe nên ta không thể tính được công suất động cơ cần chọn. Vì vậy phải thực hiện quy đổi lực cản này về trục động cơ. Ta có: (1). Trong đó: Mcqd: mômen qui đổi sang trục động cơ. v: Tốc độ xe buýt. ηi: Hiệu suất của cơ cấu hộp số. Chọn ηi = 0.93. ηt: Hiệu suất truyền động qua bánh chủ động của xe. Chọn ηt = 0.85. Tỉ số truyền của cơ cấu li hợp coi là 1. Ta có: = v/Rb Từ (1) à Tiến hành thay số ta có phương trình đặc tính mô men cản của xe buýt như sau: Mcqd = 531,3 + 0,051 2 Từ công thức ta có đồ thị đặc tính ma sát của xe buýt như sau: Quan sát đồ thị ta thấy đặc tính ma sát có dạng đường parabol với tốc độ tỉ lệ với mô men ma sát (Tốc độ càng cao thì mô men ma sát càng lớn) II.1.2)ĐẶC TÍNH MÔ MEN DI CHUYỂN Khi ô tô chuyển động ổn định ta coi như công suất sinh ra để kéo ô tô chuyển động là không thay đổi. Do đó ta có thể viết: M.w = F.V. Do F và V là 2 đại lượng thay đổi phụ thuộc vào nhau nên để có thể xác định được đặc tính di chuyển ta coi trong công thức này F là lực cản lực kéo xe di chuyển khi ở tốc độ lớn nhất, V là tốc độ lớn nhất của ô tô. Từ các biểu thức đã xây dựng ở trên ta dễ dàng tính được F = Ff(vmax) + Fc(vmax) = 1923(N) Do tốc độ lớn nhất của xe buýt là: Vmax = 60(km/h) = 16.67(m/s) nên ta có M.w = 1923 .16,67 = 32506(W). Ta có đồ thị đặc tính di chuyển của xe buýt như sau: Quan sát đồ thị ta thấy đặc tính di chuyển có dạng đường hypecbol với tốc độ tỉ lệ nghịch với mô men di chuyển (Tốc độ càng cao thì mô men di chuyển càng nhỏ) II.1.3. XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH MÔ MEN CẢN CỦA PHỤ TẢI. Để có được đường đặc tính mô men cản của tải ta thực hiện cộng hai đường đặc tính ma sát và đặc tính di chuyển của xe buýt. Ta có đường đặc tính mô men cản của phụ tải như sau: II.1.4) TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ Ta chọn điểm để tính toán công suất cho động cơ là điểm ứng với tốc độ chuyển động lớn nhất của ô tô. Từ đồ thị ta thấy tại điểm đó thì Vậy công suất tính toán cho động cơ Pđc = M.w = 69500(W) = 69,5(kW). CHƯƠNG III:PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG III.1. CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG. Việc thiết kế hệ truyền động cho xe buýt chạy điện có thể dùng một trong 3 phương án sau: Xây dựng hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ dùng phương pháp điều chỉnh tần số. Hệ truyền động động cơ xoay chiều đồng bộ dùng phương pháp điều chỉnh tần số. Hệ truyền động động cơ một chiều dùng phương pháp băm xung áp. 1.HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU ĐỒNG BỘ DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ. Động cơ đồng bộ 3 pha, trước đây thường dùng cho loại truyền động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm kW đến hàng MW. Nhưng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử và vật liệu thì động cơ đồng bộ được ứng dụng trong mọi dải công suất. Biến tần động cơ đồng bộ gồm 2 loại: Biến tần nguồn áp. Biến tần nguồn dòng. Nó cũng có thể chia thành biến tần gián tiếp thông qua 2 bộ biến đổi chỉnh lưu, nghịch lưu và biến tần trực tiếp thông qua các bộ điều áp xoay chiều. 2.HỆ TRUYỀN ĐỘNG XOAY CHIỀU ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ. Động cơ KĐB có những ưu điểm riêng nổi trội có thể thấy ngay đó là tính đơn giản, dễ chế tạo, an toàn, có thể nối trực tiếp với lưới điện. Nó có thể làm việc trong dải công suất từ hàng trăm W đến MW, dải điện áp từ 220V à 6kV. Nhược điểm mà trước kia người ta quan niệm đó là điều khiển khó khăn giờ đã không còn. Đó là do sự phát triển vượt bậc của khoa học điện tử và vật liệu. Điều khiển tần số động cơ KĐBlà phương pháp điều chỉnh kinh tế. Người ta có hai hướng tiếp cận: Thứ nhất là điều khiển điện áp, tần số sao cho từ thông stato ψs là hàm của mômen tải ψs* = (còn gọi là điều khiển năng lực quá tải không đổi). Thứ hai là điều chỉnh điện áp-tần số hoặc tần số-dòng điện sao cho từ thông stato ψs luôn luôn không đổi trong toàn dải điều chỉnh ψs* = 1. Hai phương pháp điều khiển trên là điều khiển vô hướng, nó rất hạn chế khi ổn định tốc độ thấp hay khi có yêu cầu về điều chỉnh sâu tốc độ. Năm 1971, dựa trên phép biến đổi tuyến tính không gian vecto áp dụng cho động cơ KĐB của Kovacs và Park, hãng Siemens đã đề xuất phương pháp điều khiển vecto định hình từ thông roto ψr (FOC). 20 năm sau khi phương pháp được đề xuất, người ta mới chế tạo thành công bộ điều khiển này, nó mang lại khả năng ổn định rất tốt tốc độ thấp cận không. Một phương pháp phổ biến nữa trong điều khiển biến tần động cơ KĐB là điều khiển trực tiếp mô men DTC. Phương pháp này giúp mang lại đáp ứng mô men nhanh hơn FOC, nhưng lại có hiện tượng đập mạch của mô men. Nhìn chung ngày nay biến tần động cơ KĐB xoay chiều 3 pha được sử dụng rất phổ biến và rộng rãi trong công nghiệp. Xe buýt chạy điện cũng có thể áp dụng nó. Lúc đó ta cần có đường ray và đường dây điện lưới riêng cho các tuyến xe buýt điện. 3.HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Động cơ một chiều có ưu điểm là dải điều chỉnh tốc độ rộng,việc thay đổi tốc độ có thể thực hiện dễ dàng hơn động cơ xoay chiều,khả năng chịu quá tải lớn.Để điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều có rất nhiều hệ truyền động như hệ máy phát - động cơ,hệ chỉnh lưu tyristor- động cơ,hệ xung áp- động cơ… Với yêu cầu đặt ra của đồ án là sử dụng nguồn một chiều UN = 600(V) nên ta sẽ không dùng biến tần động cơ xoay chiều nữa, cho dù nó chắc chắn đáp ứng được các yêu cầu còn lại của truyền động. Các phương án truyền động nêu trên đều dự trên hai nguyên lý cơ bản như sau: Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng. Trong phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu có điều khiển …, Các bộ biến đổi cung cấp điện áp cho mạch phần ứng.Vì nguồn có công suất hữu hạn nên các bộ biến đổi có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không. LK Uđk Đ BBĐ Eư Rưđ Rb Eb (uđk) Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập Trong chế độ xác lập ta có các phương trình đặc tính như sau: Mđm M, I w wmax wmin w0min w0max Vì ф = const => β = const, còn w0 tuỳ thuộc vào điện áp Uđk Do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này có độ cứng đạt được rất tối ưu. Để thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm Trong đó KM là hệ số quá tải về mômen Từ các phương trình trên ta có thể tính được phạm vi điều chỉnh tốc độ của phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng, giữ từ thông không đổi. Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị w0max, Mđm, KM là xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào độ cứng b. Thường D Do vậy với hệ truyền động đòi hỏi phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn và điều chỉnh sâu như hệ truyền động ăn dao máy doa ngang thì ta không thể sử dụng các hệ thống hở như trên. Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ: Giữ Uư = const và điều chỉnh ф hay điều chỉnh Ikt => điều chỉnh được: M = KfIư Eư = kfw. Ta có phương trình: Trong đó: rk - điện trở dây quấn kích từ. rb - điện trở nguồn điện áp kích thích. w - số vòng dây của cuộn dây kích thích. Trong chế độ xác lập thì: . ĐTCB wmax 0 M Mđm w Đặc tính cơ hệ điều chỉnh từ thông Với phương pháp điều chỉnh từ thông động cơ thì cho ta có thể thay đổi được tốc độ không tải với đặc tính thấp nhất là đặc tính cơ bản (đặc tính cơ tự nhiên) Tuy nhiên tốc độ lớn nhất của giải điều chỉnh bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp. Khi điều chỉnh giảm từ thông để mở rộng vùng điều chỉnh tốc độ thì ta thấy độ cứng của đặc tính cơ giảm rõ rệt, do vậy với những cơ cấu yêu cầu độ cứng điều chỉnh cao thì phương pháp này gặp phải khó khăn. Kết luận: Căn cứ vào đặc điểm truyền động của xe buýt, căn cứ vào phương pháp truyền động yêu cầu, căn cứ vào các tính chất của các phương pháp điều chỉnh tốc độ, để thiết kế hệ truyền động cho xe buýt chạy điện ta sử dụng động cơ một chiều điều chỉnh điện áp phần ứng giữ từ thông không đổi ở trong vùng điều chỉnh tốc độ định mức. III.1.3.1 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG Ta có các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều cơ bản như sau: Hệ truyền động máy phát - động cơ (F – Đ). Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor - động cơ (T – Đ). Hệ truyền động xung áp - động cơ (ĐX – Đ). Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều còn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay. Đồng thời tuỳ thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và 4 góc phần tư. Để có thể đưa ra được phương án tối ưu ta đi xem xét và phân tích ưu nhược điểm của từng phương án cụ thể. Hệ truyền động máy phát động cơ (F – D) Nguyên lý hoạt động . Hệ F – D là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ 3 pha điều khiển quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi. Sơ đồ nguyên lý hệ F – D: *Ưu điểm nổi bật của hệ F – D là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng qúa tải lớn. Do vậy thường sử dụng hệ truyền động F – D ở các máy khai thác trong hầm mỏ. *Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F – D là dùng nhiều máy điện quay trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp 3 lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó khăn điều chỉnh sâu tốc độ. Hệ truyền động chỉnh lưu điều khiển – động cơ một chiều có đảo chiều (T – Đ) Nguyên lý hoạt động. Hệ truyền động T – Đ là hệ truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng hoặc thay đổi điện áp đặt vào phần kích từ của động cơ thông qua các bộ biến đổi chỉnh lưu dùng thyristor. Uđk Đ Uđkkt Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động T-Đ. Trong hệ T – Đ, nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ chỉnh lưu thyristor. Dòng điện chỉnh lưu cũng chính là dòng điện phần ứng động cơ. Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và các tính chất của tải. Trong truyền động điện, tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích từ (L – R) hoặc mạch phần ứng động cơ (L – R – E). Phương trình đặc tính cơ cho hệ T – Đ ở chế độ dòng điện chỉnh lưu liên tục: Độ cứng của đặc tính cơ là Trong đó: R là tổng trở toàn mạch phần ứng động cơ (Rư và điện trở các phần tử mạch nối tiếp với phần ứng động cơ ). Các đặc tính cơ của hệ truyền động T – Đ mềm hơn hệ F – D vì có sụt áp do hiện tượng chuyển mạch giữa các thyristor. Góc điều khiển a càng lớn thì điện áp đặt vào phần ứng động cơ càng nhỏ. Khi đó, đặc tính cơ hạ thấp và ứng với một mômen cản MC, tốc độ động cơ sẽ giảm. 0 M w α = π/2 α = 0 giới hạn wmax Biên liên tục Chế độ chỉnh lưu Chế độ nghịch lưu Đặc tính cơ hệ T – Đ. Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ: khi phụ tải nhỏ thì các đặc tính cơ có độ dốc lớn (vùng dòng điện gián đoạn). Góc điều khiển càng lớn (khi điều chỉnh sâu) thì vùng dòng điện gián đoạn càng rộng và việc điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó khăn hơn. Trong thực tế tính toán hệ T – Đ, ta chỉ cần xác định biên giới vùng dòng điện gián đoạn, là đường phân cách giữa hai vùng dòng điện liên tục và gián đoạn. Biên giới giữa vùng dòng điện gián đoạn và liên tục có dạng đường ellipse với các trục là các trục toạ độ của đặc tính cơ: Dễ dàng nhận thấy độ rộng của vùng dòng điện gián đoạn sẽ giảm nếu ta tăng giá trị điện cảm L và tăng số pha chỉnh lưu p. Song khi tăng số xung p thì mạch lực chỉnh lưu cũng tăng độ phức tạp và cả mạch điều khiển cũng phức tạp hơn. Còn khi tăng trị số L sẽ dẫn tới làm xấu quá trình qúa độ (tăng thời gian quá độ) và làm tăng trọng lượng, kích thước của hệ thống. Biên giới này được mô tả bởi đường nét đứt trên hình vẽ. Ưu điểm: *Ưu điểm nổi bật nhất của hệ T – Đ là sử dụng van bán dẫn nên độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao. Điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống. *Là bộ biến đổi tĩnh kết cấu gọn nhẹ. *Hệ thống T – Đ có khả năng điều chỉnh trơn với phạm vi điều chỉnh rộng. Hệ có độ tin cậy cao, quán tính nhỏ, hiệu suất lớn. Nhược điểm. *Nhược điểm chủ yêu của hệ T – Đ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện và ở các truyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lưới xoay chiều. *Hệ số công suất cosj của hệ nói chung là thấp nhất là khi điều chỉnh sâu. *Khả năng chịu quá tải về dòng, áp nhỏ; khi có gia tốc dòng và áp du/dt, di/dt có nguy cơ làm hỏng các lớp tiếp giáp. Hệ truyền động điều chỉnh xung áp động cơ điện một chiều. Nguyên lý hoạt động N i ∆UL UĐ D0 UN ∆UR iN E iđk T tđ Imin Imax t iđk t i t UN Chế độ dòng liên tục E tx T tđ Imin Imax iđk t iđk t i t Chế độ dòng gián đoạn Trong đó chế độ dòng liên tục là chế độ làm việc chủ yếu của mạch. Đặc tính cơ của hệ Ta có Trong chế độ dòng liên tục vì tx = T nên: Cũng giống như hệ T – Đ hệ ĐX – Đ khi tx < T thì cũng xảy ra chế độ dòng điện gián đoạn. Để xác định biên giới giữa vùng dòng điện gián đoạn và liên tục ta giả thiết rằng đồ thị dòng điện ở hai vùng này là hai đoạn thẳng. Giá trị dòng điện ở biên liên tục là: Vì chế độ biên liên tục thuộc vùng dòng điện liên tục cho nên: Đặc tính cơ hệ ĐX – Đ. 0 M w ρ = 0 ρ = 1 Biên liên tục Ưu nhược điểm của hệ truyền động ĐX – Đ. Nhược điểm *Phải có nguồn một chiều hoặc kèm theo bộ nguồn xoay chiều - một chiều. *Dạng điện áp ra có dạng xung gây tổn thất phụ trong động cơ. *Bộ biến đổi này khi làm việc có thể rơi vào chế độ dòng gián đoạn. Ưu điểm *Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đáng kể so với các bộ biến đổi liên tục. *Độ chính xác cao cũng như ít chịu ảnh hưởng của môi trường, vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng cắt khóa mà không phải giá trị điện trở của các phần tử điều chỉnh thường gặp trong các bộ điều chỉnh liên tục. *Chất lượng điện áp tốt hơn các bộ biến đổi liên tục. *Kích thước gọn nhẹ. *Hệ thống này được dùng ở những nơi có nguồn một chiều có công suất lớn khi đó trong sơ đồ thay thế có thể bỏ qua Rb và đặc tính cơ có độ cứng cao. *Hệ thống này dùng ít van động lực. *Dễ tự động hoá. Sau khi phân tích các ưu nhược điểm của từng phương điều chỉnh cho động cơ một chiều ta quyết định chọn phương pháp sử dụng sơ đồ băm xung áp để thực hiện hệ truyền động này. III.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC. Vì việc đảo chiều quay do cơ cấu li hợp đảm nhiệm nên ta không cần sử dụng mạch băm xung áp có đảo chiều.Ngoài ra cần yêu cầu dòng điện phải liên tục nên ta lựa chọn sơ đồ điều chỉnh xung áp loại B (sơ đồ băm xung áp đơn ở trên có xuất hiện chế độ dòng là gián đoạn, khi tổng hợp sẽ gây khó khăn,vì thế ta không chọn). Sơ đồ nguyên lí: III.2.1. NGUYÊN LÝ CHUNG. Sơ đồ điều chỉnh xung áp loại B hình trên cho phép hệ truyền động làm việc ở chế độ hãm tái sinh. Trong đó dòng điện phần ứng có thể đảo dấu, song sức điện động của động cơ chỉ có chiều dương. Khi khóa S1 và van D1 vận hành, dòng điện phần ứng luôn luôn dương, công suất điện từ của động cơ là Pđt =I.E < 0. Để đảo chiều dòng điện ta đưa khóa S2 và van D2 vào vận hành còn khóa S1 thì bị ngắt. Nếu E > 0 thì sẽ có dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu do trong mạch chỉ có nguồn duy nhất là sđđ tự cảm ΔU > 0, cùng chiều với sđđ quay E, tổng hai sđđ này trở nên lớn hơn điện áp nguồn UN làm van D2 dẫn dòng ngược về nguồn và trả lại nguồn phần năng lượng đã tích lũy trong điện cảm L trước đó. Nếu các tín hiệu điều khiển các khóa sao cho giá trị trung bình của dòng điện phần ứng là dương thì máy điện làm việc ở chế độ góc phần tư thứ nhất trong mặt phẳng tọa độ [w, I]. Một đặc điểm của bộ băm xung áp loại B là do dòng điện phần ứng có phần âm nên giá trị trung bình của nó có thể nhỏ bất kì, thậm chí bằng không và truyền động không có chế độ dòng gián đoạn. Dòng điện phần ứng của BX – Đ loại B bao gồm 4 đoạn ứng với góc dẫn của 4 phần tử bán dẫn S1, D1, S2, D2. Hệ truyền động sẽ làm việc ở góc phần tư thứ 2 nếu dòng trung bình I < 0. Khi điều chỉnh thời gian đóng mở các khóa sao cho Imax < 0 thi dòng trung bình của phần ứng I < 0, nên hệ thống làm việc ở góc phần tư thứ II, khóa S1 và van D1 không dẫn dòng. Đặc tính cơ của động cơ trong hệ thống BX – Đ loại B là các đường thẳng liên tục, chạy song song nhau từ góc thứ I sang góc thứ II của mặt phẳng [w, M]. III.2.2. PHƯƠNG TRÌNH DÒNG ĐIỆN. Quá trình dòng tải là liên tục không có chế độ gián đoạn. Ta đi thiết lập phương trình dòng điện cho các chu kỳ đóng cắt của van: Trong khoảng thời gian T1 mở: 0 ≤ t ≤ tđ: Phương trình cân bằng áp: -UD+ UL+ UR+ E=0 di/dt+ (R/L).i= (UD- E)/L Tại thời điểm t=khoá T1 bắt đầu thông và i=Imin , nếu coi sđđ E không đổi trong một chu kỳ đóng ngắt của khoá T1 thì nghiệm của phương trình trên sẽ là: i=+ Iminư. Trong đó: Tư=L/R- hằng số thời gian của mạch phần ứng. Trong khoảng thời gian T2 mở: tđ ≤ t ≤ T: Phương trình cân bằng áp: UL+ UR+ E=0 di/dt + (R/L).i= -E/l Tại thời điểm t'=(t'=t-tđ) thì i=Imax nên nghiệm của phương trình trên sẽ là: i=-+ Imax. Từ hai phương trình trên ta có thể tinh được: Imax= Imin= III.3. CHỌN ĐỘNG CƠ. Sau khi phân tích để lựa chọn phương án là chọn động cơ một chiều để thực hiện hệ thống truyền động, dựa vào công suất tính toán ta tiến hành chọn động cơ. Theo tính toán ở trên ta có công suất tính toán cho động cơ Pđc = 69500(W) = 69,5(kW). D ựa v ào đ ó ta chọn động cơ П 111 c ủa Nga có c ác thông số kĩ thuật như sau: * Pđm= 75(kw) * nđm= 750(vòng/phút) *Iđm= 387(A) * Iktđm= 5.61(A) * Uđm= 220(V) * N= 210 * 2a= 2 * Pđm= 75(kw) * Ф= 39.1(MWb) * 2p= 4 * nmax= 1500(vòng/phút) II.3.1. KIỂM NGHIỆM LẠI VIỆC LỰA CHỌN. Ta sẽ thực hiện kiểm nghiệm động cơ ở hai tiêu chí: Kiểm nghiệm quá tải về mômen: Mđmđc > Mc max. Kiểm nghiệm mô men khởi động.: Mkđđc >= Mc mở máy. Để có thể thực hiện hai kiểm nghiệm này trước tiên ta cần vẽ đặc tính cơ của động cơ nối tiếp. Do đó ta cần xác định các thông số của động cơ như Km, Ke, … Xác định các thông số của động cơ. Hệ số: Một cách gần đúng ta có thể xác định điện cảm phần ứng như sau: Xác định đặc tính cơ của động cơ. Theo giáo trình máy điện ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là: . Xét tại điện áp định mức Uđm = 220(V). Ta có dạng đường cong đặc tính như sau: Đồ thị đặc tính cơ cho thấy mô men do động cơ sinh ra tương đối lớn, nó hoàn toàn thắng được mô men cản của tải khi ô tô di chuyển. Do có dạng đường Hypebol bậc 2 nên có thể thấy mô men khởi động của động cơ là khá lớn. Như vậy nó chắc chắn sẽ đảm bảo cho ô tô thực hiện được quá trình khởi động. III.4. TÍNH TOÁN MẠCH LỰC. CHỌN KHÓA VÀ VAN. Để lựa chọn được các van ta dựa vào 2 chỉ tiêu đó là dòng điện và điện áp. Vì vậy trước hết ta cần xác định dòng điện trung bình chạy qua các van và các giá trị điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van trong 1 chu kỳ đóng cắt. Theo thông số lựa chọn động cơ 1 chiều, dòng điện định mức chạy qua phần ứng động cơ là Iđm = 387(A). Ta lấy luôn nó là giá trị dòng điện tính toán cho các van là Itt = 387(A) Chọn hệ số dự trữ dòng là 1,2. Ta có: Ilv = 387.1,2 = 464.4(A). Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van trong 1 chu kỳ đóng cắt: Ung = UN = 600(V). Chọn hệ số dự trữ điện áp là: Unv = 1,6.600 = 960(V). Giá trị dòng và áp dùng để lựa chọn các khóa và van như sau: *Ilv = 464.4(A). *Unv = 960(V). *Chọn IGBT Ta chọn IGBT loại SKIM 601GD126DM của hãng Semikron có I c= 480(V), VC =1200(V). *Chọn Diod Ta chọn diod loại SH14C500 có I max= 500(V), Vngmax =1400(V). CHƯƠNG IV: TỔNG HỢP HỆ THỐNG. IV.1. MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. Như đã biết mạch từ của động cơ một chiều không tuyến tính mà phi tuyến. Vì nó mang dạng đường cong từ trễ. Do đó để có thể xây dựng mô hình toán học hay thực hiện nó dưới dạng hàm truyền của nó ta chỉ nghiên cứu phân tuyến tính. Vì vậy trước khi xây dựng mô hình toán học của động cơ DC ta có các giả thiết sau: Mạch từ chưa bão hòa. Phản ứng phần ứng được bù đủ Điện trở phần ứng không đổi theo nhiệt độ, không bị ảnh hưởng bởi tần số cao. Phương trình cơ bản: Đặt Cu= kФ Từ các biểu thức ở trên ta có mô hình động cơ kích từ nối tiếp như sau: IV.2. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN. Ta có: Eư = k.Φ0.ω à sức điện động phần ứng của động cơ tỉ lệ với ω vì Φ0 = Φđm = const. Mặt khác do quán tính điện rất nhỏ so với quán tính cơ nên khi tổng hợp mạch vòng dòng điện ta có thể bỏ qua tác động của sức điện động phần ứng Eư. Ta có cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện như sau: RI UId + Iu H»ng sè thêi gian ®iÖn tõ cña phÇn øng ®éng c¬: s M«men qu¸n tÝnh: JHT=3J¦=3.20,4=61,2 kgm2 H»ng sè thêi gian c¬ häc: s Ta thÊy h»ng sè thêi gian c¬ häc Tc=0,21s rÊt lín so víi h»ng sè thêi gian ®iÖn tõ cña phÇn øng ®éng c¬ T­ = 0,03 s nªn ta cã thÓ coi søc ®iÖn ®éng cña ®éng c¬ kh«ng ¶nh h­ëng tíi qu¸ tr×nh ®iÒu chØnh cña m¹ch vßng dßng ®iÖn. Mạch vòng dòng điện đảm bảo quá trình điện từ, ta bỏ qua tác động phần cơ, chuyển về dạng chuẩn để áp dụng tiêu chuẩn tối ưu Module ta có: RI UId + Iu Do τbđ và τfi << Tư nên gần đúng ta có thể coi hai khâu quán tính bậc nhất của bộ biến đổi và của cảm biến dòng thành một khâu quán tính bậc nhất có hằng số thời gian quán tính là: τσI = τbđ + τfi. Hệ số khyếch đại KSI = Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module ta có bộ điều khiển RI là một bộ PI với hàm truyền Ở đó: Tư = 0,08(s). τσI = τbđ + τfi = 0,003 + 0,002 = 0,005(s) KSI = 0,65. Hàm truyền hệ kín của mạch điều chỉnh dòng sau khi áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module là: IV.3. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ. Sau khi đã tổng hợp song mạch vòng điều chỉnh dòng điện, ta coi cả mạch vòng đó thành một hàm truyền . Ta có cấu trúc cơ bản của mạch vòng điều chỉnh tốc độ như sau: Rw FRI ΔUđw + - + - Δw Do rất bé nên ta có thể coi gần đúng hàm truyền hệ kín của mạch vòng điều chỉnh dòng điện là: Do =5(ms) cũng rất nhỏ nên ta coi hai khâu FRI và khâu đo tốc độ là một khâu quán tính bậc nhất có hằng số thời gian Ta có cấu trúc vòng điều chỉnh tốc độ lúc này như sau: Rw ΔUđw + - Δw Ở đó: TC = KSW = 2.=2. Sử dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có bộ điều khiển tốc độ là một khâu PI có hàm truyền như sau: Rw = Ở đó: = 8,0272 Hàm truyền của kín của mạch vòng điều chỉnh tốc độ lúc này là: FRW = Như vậy trên tử số xuất hiện một khâu vi phân làm cho hệ thống xảy ra quá điều chỉnh (Ta sẽ chứng minh nó bằng mô phỏng trên MATLAB sau). Để khắc phục điều này ta sẽ thêm một khâu tạo tín hiệu đặt có tên là RAMP ở sau tín hiệu đặt tốc độ. Khâu này có hàm truyền như sau: RAMP = IV.4. XÂY DỰNG KHỐI ĐIỀU KHIỂN PI. IV.4.1. BỘ ĐIỀU KHIỂN PI. Bộ điều khiển PI có phương trình theo thời gian như sau: Thực hiện biến đổi Laplace nó có dạng như sau: U(p) = KP(p).(1 + ).E(p). Ta thực hiện xây dựng bộ PI bằng các phần tử analog. Xét phương trình cân bằng dòng điện điểm nút A ta có: (1) Giả sử OA là lý tưởng à VA = 0. Bên cạnh đó ta chọn R1 = R2 = R.Vậy phương trình (1) trở thành. . Bây giờ ta tiến hành lựa chọn cụ thể cho từng vòng điều chỉnh. IV.4.2. VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG. Hàm truyền của bộ điều khiển dòng RI là: à Chọn giá trị tụ C1 = 2.2. Ta có R3 = 27(kΩ). à chọn R3 = 27(kΩ). Với KP = 12,5 ta có R1 = R2 = 2160(Ω) Vậy các giá trị điện trở và tụ của bộ PI cho vòng điều chỉnh dòng được chọn như sau: Chọn KĐTT: Ở đây ta chọn OA là IC LM318S8. Các tham số của nó như sau: VCC = ±20 (V) Giải thông: 15MHz. SlewRate: 50 (V/μs). Dòng Bias: Ibias = 250 (nA). Có bảo vệ quá tải đầu vào và đầu ra. IV.4.3. VÒNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ. Hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ RW là: à Chọn giá trị tụ C1 = 2.2. Ta có R3 = 20(kΩ). à chọn R3 = 20(kΩ). Với KP = 8,0272 ta có R1 = R2 = 2490(Ω) Vậy các giá trị điện trở và tụ của bộ PI cho vòng điều chỉnh dòng được chọn như sau: Chọn KĐTT: Ở đây ta c._.