thực tập tốt nghiệp xe hơi chạy điện

Do yêu cầu của môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết hệ thống truyền động ,góp phần hoàn thiện và củng cố kiến thức của môn học em đợc nhận đề tài Thiết kế hệ thống truy

động có khả năng tự động điều khiển và độ chính xác ngày càng cao đã ra đời

Với mục đích phục vụ nhu cầu đi lại và vận chuyển hàng hoá trong thành mạnh ở các nớc phát triển

Do yêu cầu của môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết hệ thống truyền động ,góp phần hoàn thiện và củng cố kiến thức của môn học em đợc

nhận đề tài Thiết kế hệ thống truyền động cho xe BUS chạy điện“ ”

+Mật độ không khí :p=1.25Kg/ m3

Đồ án tiến hành nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động cho xe BUS chạy

điện dùng trong thành phố gồm các nội dung sau:

Chơng I : Giới thiệu chung về ôtô và yêu cầu công nghệ

Chơng i : giới thiệu chung về ôtô và yêu cầu

công nghệ I.1 Giới thiệu chung ôtô chạy điện :

Về hình dáng, ôtô chạy điện và ôtô chạy bằng động cơ đốt trong hoàn toàn tơng

tự nhau, nhng ôtô chạy điện sử dụng động cơ điện thay thế cho động cơ đốt trong

Cấu trúc cơ bản của ôtô đợc biểu diễn ở hình sau :

• Động cơ : động cơ ôtô sử dụng là động cơ điện Mà cụ thể theo yêu cầu của đồ

án là động cơ điện xoay chiều không đồng bộ Động cơ không đồng bộ nhận năng lợng điện từ một nguồn cố định, biến đổi năng lợng đó phù hợp để đa vào động cơ Bên cạnh đó hệ thống điều khiển nguồn năng lợng đó phù hợp với các yêu cầu về thay đổi tốc độ động cơ

• Hệ thống truyền lực của ôtô :

Hệ thống truyền lực của ôtô gồm có ly hợp, hộp số, các đăng, cầu chủ động Nhiệm vụ của hệ thống truyền lực là truyền mômen xoắn từ động cơ đến bánh xe chủ động của ôtô

Hệ thống truyền lực cho phép thay đổi tỷ số truyền giữa động cơ và bánh xe chủ

động, tuỳ theo điều kiện chuyển động trong khi vẫn giữ nguyên chế độ làm việc của động cơ, và dùng để khởi ôtô đợc êm dịu, giữ cho ôtô có thể đứng yên tại chỗ trong khi động cơ vẫn làm việc, để cho động cơ có thể chạy tiến hay lùi

Ly hợp : Ly hợp dùng để nối động cơ với hệ thống truyền lực một cách êm dịu

và tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền lực một cách nhanh chóng và dứt khoát Trong sử dụng ly hợp đợc tách ra khi sang số hoặc khi phanh ôtô để sang số đợc dễ dàng và tránh bị va đập Ngoài ra ly hợp còn là cơ cấu an toàn giữ cho các chi tiết của hệ thống truyền lực khỏi bị quá tải

Hộp số : ôtô làm việc trong những điều kiện rất khác nhau về đờng sá, tải trọng, tốc độ Để thích ứng với những điều kiện đó cần phải thay đồi lực kéo, tốc độ của

ôtô trong khoảng khá rộng và đảm bảo đợc chế độ làm việc kinh tế của động cơ Hộp số dùng để thay đổi lực kéo tức là thay đổi tốc độ chuyển động của ôtô, ngoài

ra còn dùng để thay đổi hớng chuyển động nh chạy tiến, chạy lùi hoặc tách động cơ ra khỏi hệ thống truyền động phía sau khi ôtô đứng yên tại chỗ.

Các đăng : Trục các đăng dùng để truyền lực từ trục thứ cấp của hộp số đến trục chủ động của truyền lực chính của cầu sau ôtô

Nguyên lý hoạt động của ôtô :

Khi động cơ quay, công suất của động cơ đợc truyền đến bánh xe chủ động của

ôtô thông qua hệ thống truyền lực Khi truyền nh vậy, công suất bị tổn hao do ma sát trong hệ thống truyền lực và công suất ở bánh xe chủ đọng sẽ nhỏ hơn công suất do động cơ phát ra Công suất ở bánh xe chủ động đợc thể hiện qua hai thông

số là mômen xoắn và số vòng quay của bánh xe chủ động Nhờ có mômen xoắn truyền tới bánh xe chủ động và nhờ có sự tiếp xúc giữa bánh xe chủ động với mặt

đờng nên tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đờng sẽ phát sinh lực kéo tiếp tuyến hớng theo chiều chuyển động Lực kéo tiếp tuyến Pk chính là lực

ηt – hiệu suất của hệ thống truyền lực

Để cho ôtô có thể chuyển động đợc thì ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đờng phải có độ bám nhất định đặc trng bằng hệ số bám Nếu độ bám thấp thì bánh xe có thể bị trợt quay khi có mômen xoắn lớn truyền từ động cơ đến bánh xe chủ động và

lúc đó ôtô không thể tiến lên phía trớc đợc Hệ số bấm giữa bánh xe chủ động và mặt đờng là tỷ số giữa lực kéo tiếp tuyến cực đại( sinh ra tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đờng) trên tải trọng thẳng đứngtác dụng lên bánh xe chủ

động Tải trọng này thờng đợc gọi là tải trọng bám Gf

≤

I.2 Yêu cầu về công nghệ :

Yêu cầu về an toàn : Trong quá trình hoạt động của ôtô yêu cầu khi tăng tốc và giảm tốc phải êm Do đó mômen động trong quá trình quá độ phải đợc hạn chế theo yêu cầu kỹ thuật an toàn Điều kiện làm việc của xe thờng phải chịu tải từ 60% tới 70% tải định mức và hay phải chịu quá tải nên yêu cầu về độ bền cơ khí cao, khả năng chịu quá tải lớn

Yêu cầu về điều chỉnh tốc độ : Dải điều chỉnh tốc độ rộng 5km/h tới 60km/h

Điều chỉnh tốc độ phải trơn

Yêu cầu về nguồn : Nguồn cung cấp là điện áp một chiều 600V

Yêu cầu về độ tin cậy : Xe hơi phải làm việc dài hạn do đó nên sơ đồ cấu trúc hệ truyền động phải đơn giản, thay thế dễ dầng

Phụ tải truyền động : Phụ tải ôtô xe hơi là phụ tải thế năng, động cơ truyền động làm việc ở chế độ dài hạn

ở đây, động cơ truyền động không yêu cầu đảo chiều quay vì trong cấu tạo ôtô

có hộp số Muốn lùi hay tiến chỉ cần cài số lùi hay tiến

Ta có đồ thị phụ tải :

Nh vậy, khi vận tốc ôtô bằng không thì lục kéo là lớn nhất, đồng nghĩa với mômen cản là lớn nhất Khi vận tốc ôtô tăng lên thì lực cản giảm, mômen cản cũng giảm theo Mômen khởi động của động cơ phải lớn hơn mômen cản cực đại của phụ tải

v

FFmax

Fminvmax

Chơng II: Lựa chọn phơng án truyền động

Chọn phơng án truyền động là ta phải chọn phơng án điều chỉnh động cơ xe hơi sao cho tối u nhất, đảm bảo mọi yêu cầu công nghệ Động cơ dùng cho xe hơi có thể

là động cơ một chiều hoặc động cơ không đồng bộ Từ yêu cầu của công nghệ, điện

áp nguồn là điện áp một chiều( nguồn điện áp này có thể đợc lấy từ acquy), ta thấy chỉ có hai phơng án truyền động phù hợp với yêu cầu của công nghệ Đó là :

• Hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ dùng phơng pháp điều chỉnh tần số

• Hệ truyền động động cơ một chiều dùng phơng pháp băm xung áp

Từ đó, ta đi vào phân tích hai phơng án truyền động này

1 Hệ truyền động điều chỉnh xung áp động cơ một chiều :

Sơ đồ nguyên lý hệ điều chỉnh xung áp loại A :

Imax Imin

Khi khoá S thông : UĐ = UN, i = iN

Khi khoá S ngắt : UĐ = 0, iN =0, i =iĐ0 do tác dụng của điện cảm L

Các giá trị trung bình của UĐ, I và sức điện động E sẽ đợc xác định nếu biết luật

đóng, ngắt khoá và thông số của mạch

Nếu đóng ngắt khoá với tần số không đổi thì hoạt động của mạch tơng tự nhchỉnh lu một pha nửa chu kỳ

Đánh giá vềhệ truyền động xung áp động cơ một chiều :

u điểm : Hệ sử dụng các van điều khiển hoàn toàn, độ tác động nhanh, không gây ồn, dễ tự đông hoá

Nhợc điểm : Dạng điện áp ra bị gián đoạn, gây nên tổn thất phụ trong máy điện,

hệ số công suất thấp

2 Hệ điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ :

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi tần số nguồn cho phép

mở rộng phạm vi sử dụng động cơ không đồng bộ trong nhiều ngành công nghiệp

Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và nâng cao tính chất động học của hệ

thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nay chung và động cơ không đồng bộ nay riêng Nó có thể ứng dụng cho thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc nh truyền động của máy dệt, băng tải hoặc cho cả các thiết bị đơn lẻ nhất là những cơ…cấu có yêu cầu tốc độ cao nh máy li tâm, máy mài Đặc biệt là hệ điều chỉnh tốc độ…

động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vững chắc, giá thành hạ và có thể làm việc trong nhiều môi trờng

Nguyên lý điều chỉnh :

Theo lý thuyết máy điện, ω1 = 2 πp f1

→ thay đổi tần số sẽ làm cho tốc độ từ trờng quay thay đổi, do đó dẫn đến tốc độ động cơ thay đổi Dạng đặc tính động cơ khi thay đổi tần số :

• Khi tần số tăng (f>fđm) thì mômen tới hạn giảm ( điện áp giữ không đổi)

Mth≈

1

1

f

• Khi tần số giảm : nếu giữ nguyên điện áp thì dòng điện động cơ tăng gây

ảnh hởng xấu đến các chỉ tiêu động cơ Vì vậy, để đảm bảo một chỉ tiêu mà không làm động cơ bị quá dòng, cần phải điều chỉnh cả điện áp động cơ, cụ thể là giảm điện áp cùng với việc giảm tần số theo quy luật nhất định

Biến tần có hai loại là biến tần nguồn áp và biến tần nguồn dòng Nhng ở đây, ta sử dụng cho hệ truyền động là biến tần nguồn áp Sở dĩ chọn nh vậy vì :

• Biến tần nguồn dòng chỉ thích hợp cho động cơ có công suất lớn, với việc sử dụng các khoá là thyistor nên mạch điều rất phức tạp Hơn nữa, khó điều khiển đồng thời cả tần số và điện áp

• Biến tần nguồn áp rất thích hợp cho động cơ có công suất vừa và nhỏ Sử dụng các van điều khiển hoàn toàn nên việc điều khiển đóng ngắt các van dễ

f<fđmMf=fđmf>fđm

ω

dàng hơn Đặc biệt, là có thể điều chỉnh cả tần số và điện áp bằng phơng pháp điều chế độ rộng xung ( PWM)

Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần nguồn áp :

Các khoá S là khoá bán dẫn, ở các truyền động công suất nhỏ thờng dùng các transistor, ở các truyền động công suất lớn thờng dùng các van thyristor, GTO

Đặc điểm của biến tần nguồn áp :

Điện áp ra trên tải đợc định hình sẵn Việc điều chỉnh tần số điện áp ra trên tải

đ-ợc thực hiện dễ dàng bằng điều khiển quy luật mở van của phần nghịch lu Phơng pháp này thay đổi tần số dễ dàng mà không phụ thuộc vào lới, độ đáp ứng quá độ nhanh Tuy nhiên độ tin cậy không cao bằng biến tần nguồn dòng

3 So sánh giữa hai phơng án truyền động :

a) Về tính đơn giản trong điều chỉnh :

Về mặt này phơng án băm xung áp chiếm u thế hơn Với phơng án điều chỉnh tần

số ta còn phải kết hợp với điều chỉnh điện áp theo một quy luật nhất định, điều này làm phức tạp lên rất nhiều so với phơng án xung áp một chiều

b) Về hiệu suất điều chỉnh , dải điều chỉnh :

Trong phơng án băm xung áp, điện áp ra bị đập mạch, gay tổn thất phụ trong máy

điện, dẫn đến hệ số công suất thấp Trong phơng án biến tần có khả năng giữ cho tổn thất công suất là hằng nên nay chung, tổn thất thấp nhất trong các phơng án truyền

động

Cả hai phơng án đều cho đợc mômen khởi động lớn, tuy nhiên, phong án biến tần

có dải điều chỉnh rộng hơn nhiều so với phơng án băm xung áp

c) Về tính kinh tế của phơng án truyền động :

Phơng án truyền động dùng bộ biến tần thực tế là phơng án truyền động kinh tế Mặc dù giá thành các bộ biến tần có đắt hơn nhng bù lại động cơ là rôto lồng sóc có kết cấu đơn giản vận hành tin cậy, giá thành hạ.

d) Về tính kinh tế của phơng án truyền động :

Do khả năng điều chỉnh tần số đa đến khả năng có mọi đặc tính cơ mong muốn nên thực tế phơng án điều chỉnh tần số có thể áp dụng cho mọi yêu cầu truyền dộng.Phơng án dùng biến tần cho phép vận hành tin cậy Hơn nữa giá thành của các bộ biến tần nay đã rẻ đi rất nhiều, cho hiệu suất điều chỉnh cao

Kết luận :

Từ những phân tích trên ta quyết định chọn phơng án truyền động dùng các bộ biến tần sử dụng động cơ rôto lồng sóc Cụ thể ở đây, ta chọn biến tần nguồn áp.Sơ đồ mạch lực :

chơng III : tính chọn công suất cho động cơ

G∑ - tổng trọng lợng xeThay số : F1 = 0,02(4.103 + 3.103).9,81

= 1373,4(N)

• Lực ma sát lăn ổ trục :

F2 = à G∑trong đó : à - hệ số ma sát lăn ổ trục, lấy à = 0,005

G∑ - tổng trọng lợng xeThay số : F2 = 0,005(4.103 + 3.103).9,81

67 16 75 , 1716 )

2 1

kW v

F F

Tỷ số truyền : it =

b

dc

n n

Tra trong tài liệu tham khảo, ta chọn động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc kiểu MTKB với các thông số kỹ thuật nh sau :

Dòng rôto định mức quy đổi : I’rđm = 63(A)

Điện trở rôto quy đổi : r’f.r = 0,19 (Ω)

Điện kháng rôto quy đổi : x’f.r = 0,16 (Ω)

Mômen quán tính của rôto : J = 1,32 (kg.m2)

=

=

p f

(vòng/phút)

Hệ số trợt định mức : sđm = 0 , 06

750

705 750 1

19 , 0 ( 63 )

' ( )

' (

0

2 2 2

2 2

R I I

E fr

Tổng trở một pha của động cơ :

2 2

2 2

'

' '

) ' (

jX R jX jX s R

jX jX s

R

+

+ + +

+

à à

63 , 3 16 , 0 06 , 0

19 , 0

63 , 3 ) 16 , 0 06 , 0

19 , 0 (

j j

j

j j

+

+ +

+ +

Dòng hiệu dụng qua van T1 :

IT1 = Π ∫i2A dθ

180 48 , 47 2

+ Π Π

+ Π

2

1 2

3 / 2 2

1 3 / 2

= 56,58(A)

Chọn điốt :

Dòng điện hiệu dụng qua điốt : IĐ = 56,58(A)

Điện áp ngợc đặt lên điốt : Ung = UN = 600(V)

Chọn van điều khiển :

Dòng điện hiệu dụng qua van : IT = 62,63(A)

Điện áp ngợc cực đại đặt lên van : Ung = UN = 600(A)

Từ đó, ta chọn van điều khiển là IGBT loại IXSH40N60 với các thông số :

Tổn thất công suất trên một van điều khiển :

∆p = ∆U.Ilv = 2,5.62,34 = 155,85 (W)

Diện tích bề mặt toả nhiệt :

Sm = ∆p/km.τ

trong đó : ∆p – tổn hao cống suất

τ - độ chênh lệch so với môi trờngChọn Tmt = 40°C Chọn nhiệt dộ trên cánh tản nhiệt : Tlv = 100°C

τ = Tlv – Tmt = 60°C

km – hệ số toả nhiệt bằng đối lu và bức xạ, k=8[W/m2 °C]

60 8

85 ,

m

=

Chọn loại cánh tản nhiệt có 16 cánh kích thớc mỗi cánh : axb = 10x10(cmxcm)

b Bảo vệ quá điện áp cho van :

Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt van đợc thực hiện bằng cách mắc R-C song song với van Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo dòng điện ngợc trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngợc gây ra sddd cảm ứng rất lớn trong điện cảm làm quá áp cho van

Khi có mạch RC mắc với van tạo ra mạch vòng dòng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên van không bị quá áp

Chọn thiết bị bảo vệ dòng cho van là cầu chì tác động nhanh

Dòng định mức của dây chảy cầu chì :

Idc = 1,1.Ivan = 1,1.62,34 = 68,57(A)

- Vừa điều chỉnh đợc điện áp ra, vừa điều chỉnh đợc tần số

- Điện áp ra gần với hình sin

- Có thể dùng chỉnh lu không điều khiển ở đầu vào nghịch lu để làm tăng hiệu quả sơ đồ

Nội dung của phơng pháp điều chế độ rộng xung là so sánh một sóng sin chuẩn, có tần số bằng tần số của điện áp ra mong muốn, với một điện áp răng ca tần số cao, cỡ 2-10kHz

Phơng pháp điều chế độ rông xung có hai dạng :

- Biến điệu bề rộng xung một cực tính

- Biến điệu bề rộng xung hai cực tính

ở đây, ta dùng phơng pháp biến điệu bề rộng xung hai cực tính, nhằm khắc phục

đợc sự gián đoạn của dòng điện

Đối với hai van trên cùng một nhánh cầu tín hiệu điều khiển giữa các lần khoá một van trên, mở một van dới và ngợc lại phải có một thời gian trễ tối thiểu nhằm đảm bảo van đã khoá lại chắc chắn trớc khi van kia mở ra

Điện áp ra sẽ gồm dãy xung có độ rộng xung thay đổi với chu kỳ lặp lại bằng chu

Urm : biên độ sóng răng ca

Khi δ = 0, Ura = 0 ; khi δ =1, Ura = Uramax

Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống điều khiển biến điệu độ rộng xung ba pha :

τ τ

τ τ

τ τ

Tạo răng cua

Phát sin chuẩn

sinA sinB sinC

V1 V4

V3 V6

V5 V2

Tính chọn các phần tử mạch điều khiển :

a_Khâu tạo xung răng ca :

Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung tam giác :

R3 R4 R2

R1

§1

§2

C1 U2

R

R C R

c_Khâu tạo sóng sin chuẩn :

Vấn đề chính trong biến điệu bề rộng xung ba pha là phải có ba sóng sin chủ đạo

có biên độ chính xác bằng nhau và lệch pha nhau chính xác 120° trong toàn bộ giải

điều chỉnh Điều này rất khó thực hiện bằng các mạch tơng tự Ngày nay, ngời ta đã chế tạo các hệ thống điều khiển biến điệu bề rộng xung ba pha bởi mạch số với bộ vi

xử lý đặc biệt Nhờ đó dạng xung điều khiển ra sẽ tuyệt đối đối xứng và khoảng dẫn của mỗi van sẽ đợc xác định chính xác

d_ Để cách ly mạch lực và mạch điều khiển ta sử dụng phần tử ghép quang sau đầu ra của khâu so sánh

Phần tử này gồm hai mạch :

- mạch sơ cấp là mạch phát tia sáng, thờng dùng là đèn LED

- mạch thứ cấp là mạch nhận biết ánh sáng, thờng dùng là phôtô_transistor

Mạch sơ cấp và mạch thứ cấp cách ly hoàn toàn, điện trở cách điện khoảng 1011Ω.Sơ đồ nguyên lý :

chơng 4 : tổng hợp hệ thống

4.1 Đặt vấn đề :

Có nhiều phơng pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh tần

số-điện áp Ta có thể điều chỉnh theo khả năng quá tải không đổi hay điều chỉnh tần số trợt không đổi Một trong những phơng pháp đó là điều chỉnh giữ từ thông động cơ không đổi

Phơng pháp điều chỉnh tần số động cơ có thể dùng mạch vòng điều chỉnh trực tiếp từ thông hoặc cũng có thể điều khiển gián tiếp thông qua các đại lợng khác nh tần

số, điện áp, dòng điện

Theo kết quả thu đợc từ lý thuyết ta có quan hệ giữa dòng stato và từ thông rôto :

) ( F T

1 L

s 2 r m

Biểu thức trên có nghĩa là muốn giữ từ thông rôto không đổi thì dòng điện phải

đ-ợc điều chỉnh theo độ trợt Mặt khác, khi giữ biên độ từ thông rôto không đổi (ψr =

ψrđm) thì vectơ từ thông rôto và vectơ dòng điện rôto luôn vuông góc với nhau trong không gian Do đó, mômen điện từ : M = ψr.Ir Điều này nghĩa là mômen điện từ sẽ tỷ

lệ với biên độ dòng rôto

Biểu thức tính mômen :

2 S s M M 2

r

2 s

2 s s r

2

T 1

I R

ω

=

Từ đó ta thu đợc sơ đồ cấu trúc hệ thống :