điều khiển xung áp động cơ một chiều

2.2.1 Các yêu cầu lựa chọn động cơ • Chọn động cơ phải chọn sao cho sử dụng được gần hết công suất thông thường chọn công suất động cơ bằng 1,5 lần so với công suất tải đặt lên trục động

Mục lục

Chương 1 3

Giới thiệu công nghệ xe hơi chạy điện 3

1.1 Mô tả và phân loại 3

1.2 Yêu cầu truyền động 4

2.1 Tính chọn công suất động cơ 6

5.1 Mô hình toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập 27

Nguyễn Công Hoàng - TĐH CH12 1

Mở Đầu

Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, có thể nói một trongnhững tiêu chí để đánh giá sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia là mức độ tự động hóaquá trình sản xuất mà trước hết đó là năng suất và chất lượng sản phẩm làm ra Sự pháttriển nhanh chóng của máy tính điện tử, công nghệ thông tin và những thành tựu của lýthuyết điều khiển tự động đã làm cơ sở và hỗ trợ cho sự phát triển tương xứng của lĩnhvực tự động hóa Ở nước ta, những năm gần đây với những đòi hỏi của sản xuất cũng như

sự hội nhập vào nền kinh tế thế giới thì việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà

đặc biệt là Tự động hóa các quá trình sản xuất đã có bước phát triển mới tạo ra sản

phẩm có hàm lượng chất xám cao tiến tới hình thành một nền kinh tế tri thức Trongnhững năm cuối của thế kỷ XX, sự phát triển của điện tử công suất đã dẫn tới sự pháttriển mạnh mẽ của các hệ truyền động Động cơ một chiều với những ưu điểm của mìnhluôn được ứng dụng và sử dụng rộng rãi Trong đồ án này em xin đưa ra phương án điềukhiển xung áp động cơ một chiều Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn

thầy …… đã tận tình giúp đỡ Và em cũng xin cảm ơn các thành viên trong nhóm đã làm

việc cùng nhau để hoàn thiện đồ án

Đồ án là nỗ lực và tâm huyết của cả nhóm song chắc vẫn gặp phải những thiếuxót, mong các thầy và các bạn cùng giúp đỡ góp ý, bổ sung để đồ án hoàn thiện hơn nữa

Chương 1 Giới thiệu công nghệ xe hơi chạy điện

1.1 Mô tả và phân loại

Quá trình phát triển ngành ô tô máy kéo đã chứng kiến rất nhiều loại động cơ khácnhau được sử dụng trong lĩnh vực này Dù hiện nay nguồn động lực chính dùng trên ô tômáy kéo vẫn là động cơ đốt trong loại pittông thì ta vẫn có thể thấy truyền động bằngđộng cơ điện là một xu hướng mới

Bên cạnh việc bảo vệ môi trường, động cơ điện cho phép ta ứng dụng các kĩ thuật điềukhiển hiện đại để mang lại cho ô tô tính ổn định và trơn tru trong truyền động

Xe hơi là một ôtô, một phương tiện vận tải phổ biến và rất quan trọng trong giaothông Dù hiện nay trong thực tế sản xuất xe hơi 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 hơi thành 2 loại:

• Xe hơi chạy bằng động cơ xăng dầu

• Xe hơi chạy bằng động cơ điện

Trong xe hơi chạy điện ta có thể tiếp tục phân thành 2 loại dựa theo nguồn cấp:

• Xe hơi chạy bằng điện áp xoay chiều (lấy từ điện áp lưới qua thanh ray và đườngdây trên không)

• Xe hơi chạy bằng điện áp một chiều (dùng ắc qui)

Về hình dạng, ôtô chạy điện và ôtô chạy bằng động cơ đốt trong hoàn toàn như

nhau, nhưng ôtô chạy điện một chiều sử dụng động cơ điện một chiều đựơc cung cấp

điện thông qua bộ biến đổi Nhưng xe hơi có kết cấu phức tạp bao gồm các cơ cấu bánh răng, hộp số, cơ cấu ly hợp, cầu dẫn hướng, hệ thống lái, hệ thống báo tín hiệu và các

Hệ thống Điện cơ của xe hơi có kết cấu khá phức tạp Về phần điện hệ thống biến phù hợp để đưa vào động cơ truyền động, bên cạnh đó là hệ thống điều khiển nguồn nănglượng đó để phù hợp với các yêu cầu về thay đổi tốc độ của động cơ Các hệ thống tự động điều chỉnh để đảm bảo làm việc ổn định, an toàn và dài hạn cho động cơ Về phần

cơ bao gồm cơ cấu bánh răng, xích truyền, hộp số Để truyền chuyển động từ động cơ truyền động đến bánh xe, hệ thống tăng giảm tốc độ, đảo chiều chuyển động, hệ thống phanh hãm Và còn rất nhiều các hệ thống điện cơ khác mà chúng ta không kể tới trong phạm vi của đồ án này Trong khuôn khổ đồ án này chỉ xét đến hệ thống điện từ nguồn cung cấp đến điều khiển động cơ truyền động

1.2 Yêu cầu truyền động

 Là loại xe chuyên chở người do đó yêu cầu đầu tiên cần đạt được là sự an toàn Loạiphụ tải truyền động ở đây là phụ tải thế năng

 Xe hơi cho phép tiến lùi nhưng ở đây động cơ điện không cần thực hiện đảo chiềuquay, vì với xe hơi người ta thực hiện đảo chiều quay bằng cơ cấu li hợp

 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 dừngđột ngột bằng phanh cơ khí

 Mô men quán tính J không thay đổi trong suốt quá trình vận hành

 Việc điều chỉnh tốc độ không cần quá chính xác Ở chế độ tĩnh cho phép sai số

δvmax = 5% Ở chế độ động cho phép quá điều chỉnh lên tới 10%

 Dải điều chỉnh tốc độ là 1÷14 (Từ 5 km/h ÷ 80 km/h)

 Mô men trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kỹ thuật an toàn

 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 hơi làm việc ở chế dài hạn

 Nguồn điện áp được dùng là nguồn điện áp một chiều

 Động cơ làm việc ở 2 góc phần tư I và II

 Đảm bảo khởi động không bị giật, ì, khởi động đầy tải hoặc quá tải

Nguyễn Công Hoàng - TĐH CH125

Chương 2 Tính toán chọn công suất động cơ

2.1 Tính chọn công suất động cơ.

Để tính toán được công suất của động cơ ta thực sẽ thực hiện các bước sau:

• Tính các lực cản (Fc )

• Quy đổi tốc độ và mômen về trục động cơ

• Tính chọn công suất động cơ

m a P N F r ur uur uuur uur uuur uuur = + + + F + F + F

Xét ô tô chuyển động trên mặt đường nằm ngang (α=0) và không xét đến các giai đoạn quá độ khi ôtô thay đổi tốc độ thì lực cản lên dốc và lực cản quán tính coi như bằng không Lực cản bao gồm:

Ta có: Flăn = f.Q.cosα (1)

Trong đó : + f là hệ số bám đường và có giá trị f = 0,02

+ G: Trọng lượng định mức của tải.G = G0 +Glt=(1500+300).10 = 18.000 (N) + α là hệ số góc đo đường dốc ( ở đây coi đường là phẳng ta lấy α = 0)

Một vật thể bất kì chuyển dịch trong môi trường không khí sẽ gây nên sự chuyển dịchcác phần tử không khí bao xung quanh nó và gây nên sự ma sát giữa không khí với bềmặt của vật thể đó Khi ô tô chuyển động sẽ làm biến thiên áp suất không khí trên bề mặt

nó, làm xuất hiện các dòng xoáy không khí ở phía sau ô tô và gây ra ma sát giữa khôngkhí với bề mặt của chúng, do đó phát sinh lực cản không khí Fgió

Khi có gió sẽ có lực cản : Fgió = C.ρ A.vΣ2 + 0,1.A vΣ2 (2)

2.1.2 Quy đổi tốc độ và mô men về trục động cơ

Trong cơ cấu truyền động của xe buýt có hộp số nên ta cần phải quy đổi lực cản này vềtrục động cơ:

Nguyễn Công Hoàng - TĐH CH127

• 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

• ωqđ : Tốc độ quy đổi sang trục động cơ: ωqđ = .

b

v i R

• Rb : là bán kính của bánh xe ( Rb = 0,2 m )

Ta thay số liệu vào phương trình (4): f = 0,02 ; Q = 18.000 N ; C = 0,2 ; A= 2,2

m2; Rb = 0,2 m ; ρ = 1,25 kg/m3 ; Rct= 0,02 m Ta được phương trình đặc tính mômen

ma sát của cơ cấu di chuyển :

Mcqđ = 18 + 92 +0,008.ωqđ2 = 110 + 0,008.ωqđ2 (5)

2.1.3 Tính chọn công suất động cơ.

Tính chọn công suất động cơ ứng với tốc độ chuyển động trung bình của xe hơi vtb= 60(km/h) vì động cơ thường làm việc ở tốc độ này Không nên tính toán ở tốc độ lớn nhất vì khi đóđộng cơ thường xuyên phải làm việc ở chế độ dưới định mức

vtb = 60 (km/h) = 16,67 (m/s)

2.2.1 Các yêu cầu lựa chọn động cơ

• Chọn động cơ phải chọn sao cho sử dụng được gần hết công suất (thông thường chọn công suất động cơ bằng 1,5 lần so với công suất tải đặt lên trục động cơ)

• Tốc độ của động cơ phải chọn sao cho phù hợp với tốc độ máy công tác

• Điện áp của động cơ nên chọn điện áp phù hợp với điện áp lưới điện

• Chọn các thiết bị bảo vệ kèm theo như tủ điện đóng cắt phù hợp công suất động

cơ, cấp bảo vệ nổ, làm việc có độ tin cậy cao

2.2.2 Chọn động cơ

Ta có Pđc ≈20,5 (kW) nên chọn công suất động cơ Pđm= 1,5 Pđc =1,5.20,5 = 30,75 (kW)

Ta chọn động cơ một chiều kích từ độc lập P đm = 35 kW với các thông số sau:

Lựa chọn phương án truyền động

3.1 Tổng quan về chọn phương án truyền động

Chọn phương án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tính chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một loạt các hệ truyền động có thể thỏa mãn yêu cầu đặt ra Bằng việc phân tích, so sánh các chỉ tiêu kinh tế, kĩ thuật các hệ truyền động này kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta có thể chọn lựa được một vài phương án hoặc một phương án duy nhất để thiết kế Đối với hệ truyền động trên xe hơi chạy điện ta có thể chọn:

• Hệ truyền động động cơ điện một chiều

• Hệ truyền động động cơ xoay chiều

3.2 Hệ truyền động động cơ xoay chiều.

3.2.1 Hệ truyền động động cơ xoay chiều đồng bộ

Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ rất phong phú, có cấu trúc và đặc tính điều chỉnh khác nhau tùy thuộc vào công suất, tải và phạm vi điều chỉnh

Có thể phân loại động cơ đồng bộ ra làm hai loại chính:

 Loại roto có kích từ bằng điện với dải công suất lớn từ vài trăm tới vài MW Cuộnkích từ được cuốn theo cực ẩn hoặc cực lồi Động cơ đồng bộ dùng cho các máy bơm, nén khí máy nghiền và kéo tàu v.v…

 Loại roto là nam châm vĩnh cửu với dải công suất nhỏ thường dùng cho cơ cấu truyền động có vùng điều cỉnh rộng, độ chính xác cao

Tốc độ quay của động cơ được tính bằng biểu thức:

Trong đó: fs là tần số nguồn cung cấp; pp là số đôi cực của động cơ

Từ (3-1) ta thấy điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ Dovậy cấu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bao giờ cũng có bộ biến đổi tần số

Một số hệ truyền động động cơ đồng bộ sử dụng điều chỉnh tốc độ:

 Điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu

• Điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ cực lồi kích từ nam châm vĩnh cửu SPM

• Điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ cực ẩn kích từ nam châm vĩnh cửu IPM

• Điều chỉnh tốc độ động cơ từ trở.

 Động cơ một chiều không chổi than (BLDC)

3.2.2 Hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha

Động cơ không đồng bộ ba pha gồm hai loại:

- Roto lồng sóc

- Roto dây quấn

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ:

• Điều chỉnh xung điện trở rotor (động cơ rotor dây quấn): hiệu suất truyền động suygiảm khi điều chỉnh sâu tốc độ Có mô men khởi động lớn nên thích hợp với cơ cấu nâng

hạ của cầu trục và cần trục Chủ yếu được sử dụng ở dải công suất nhỏ và trung bình

• Điểu chỉnh điện áp stator: phạm vi điều chỉnh tốc độ và mô men hẹp Chủ yếu dùng

để khởi động động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc phụ tải bơm và quạt gió

3.2.3 Điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ

Động cơ KĐB rotor lồng sóc có những ưu điểm riêng nổi trội: kết cấu đơn giản,vững chắc, không có tiếp xúc điện - cơ, an toàn, có thể nối trực tiếp với lưới điện và cóthể làm việc trong dải công suất từ hàng trăm KW đến MW, dải điện áp từ 220V  6kW.Ngày nay với sự phát triển của điện tử công suất: biến tần ngày càng được ứng dụng rộngrãi trong truyền động, chính vì thế động cơ rotor lồng sóc được ưu tiên sử dụng

Điều khiển tần số động cơ KĐB là phương pháp điều chỉnh kinh tế, tuy vậy nó đòihỏi kỹ thuật cao và phức tạp Điều này xuất phát từ bản chất và nguyên lý làm việc củađộng cơ là phần cảm và phần ứng không tách biệt Có hai hướng tiếp cận:

Nguyễn Công Hoàng - TĐH CH1211

 Hướng thứ nhất: Coi stator là phần cảm tạo ra từ thông ψs, còn mô men là tác độngcủa từ thông ψs với dòng điện rotor Ir.

 Hướng thứ hai: Coi rotor là phần cảm tạo ra từ thông ψr, còn mô men là tác độngcủa từ thông ψr với dòng điện stator Is

Tuy vậy cả dòng điện Is , Ir và từ thông ψs, ψr đều được xác định từ một nguồn cấp

U1, f1 Vì vậy khi điều chỉnh tần số, động cơ không đồng bộ được xem là đối tượng điềuchỉnh phi tuyến đa thông số tác động xen kênh

Có hai phương pháp điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ:

 Điều khiển vô hướng: điều khiển từ thông stator ψs thông qua các giá trị biên độcủa đại lượng điện áp và dòng điện stator Có rất nhiều công trình nghiên cứu đềxuất các luật điều khiển tần số tối ưu, nhưng thực tế được ứng dụng trong côngnghiệp có hai loại:

• Thứ nhất là điều khiển điện áp, tần số sao cho từ thông stato ψs là hàm của mômen tải

ψs* = *

c

m (còn gọi là điều khiển năng lực quá tải không đổi) Phương pháp này dễ thựchiện, có hiệu quả và lượng tổn thất ∆P nhỏ, lượng tiêu thụ công suất phản kháng luônluôn nhỏ hơn hoặc bằng công suất phản kháng định mức (≤ Qđm ) Tuy vậy ổn định tốc

độ ở tốc độ thấp gặp khó khăn

• 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 Phương pháp này dễ thực hiện, tuyvậy tổn thất công suất ∆P và lượng tiêu thụ công suất phản kháng không phải nhỏ nhất

Ổn định tốc độ thấp khó khăn

Vì vậy điều khiển vô hướng được ứng dụng trong công nghiệp khi yêu cầu khôngđiều chỉnh sâu tốc độ

 Điều khiển véc tơ.

Năm 1971, dựa trên phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ áp dụng cho động

cơ KĐB của Kovacs và Park, hãng Siemens đã đề xuất phương pháp điều khiển vectơđịnh hình từ thông roto ψr (FOC) 20 năm sau khi phương pháp được đề xuất, người tamới chế tạo thành công bộ điều khiển này, nó mang lại khả năng ổn định rất tốt tốc độthấp cận không

Một phương pháp phổ biến nữa trong điều khiển biến tần động cơ KĐB là điềukhiển trực tiếp mô men DTC Phương pháp này giúp mang lại đáp ứng mô men nhanhhơn FOC, nhưng lại có hiện tượng đập mạch của mô men, và khó ổn định ở tốc độ thấp.

3.3 Hệ truyền động động cơ một chiều.

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 phânloại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay Đồng thời tuỳ thuộcvào 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 điểmcủa từng phương án cụ thể

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 nêncác bộ biến đổi có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không

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:

R-

k M

w R R

φ

β ∆= =

Vì Ф = Фđm= const => β = const, 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

βđm

M w

wmax = 0max −

Để thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải cómômen 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 củaphương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng, giữ từ thông không đổi

1

1

max 0

−

−

=Μ

K M

Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ.

Giữ Uư = const và điều chỉnh Ф hay điều chỉnh Ikt => điều chỉnh được:

r r dt

φω

+

Trong đó:

rk - điện trở dây quấn kích từ

rb - điện trở nguồn điện áp kích thích

ωk - số vòng dây của cuộn dây kích thích

Trong chế độ xác lập thì:

;

k b

k k

r r

e i

+

= φ = f[i k].

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 chuyểnmạch của cổ góp

Khi điều chỉnh giảm từ thông để mở rộng vùng điều chỉnh tốc độ thì ta thấy độcứng của đặc tính cơ giảm rõ rệt, do vậy với những cơ cấu yêu cầu độ cứng điều chỉnhcao 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 truyềnđộng 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

3.3.1 Hệ truyền động máy phát động cơ ( F – Đ)

Hệ F – Đ 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

b Sơ đồ nguyên lý hệ F – Đ

 Ưu điểm nổi bật của hệ F – Đ 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 – Đ ở các máy khai tháctrong hầm mỏ

 Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F – Đ 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 lầncông 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

3.3.2 Hệ truyền động chỉnh lưu điều khiển – động cơ (T – Đ)

a 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 đổiđiện áp đặt vào phần kích từ của động cơ thông qua các bộ biến đổi chỉnh lưu dùngthyristor