Đã có rất nhiều loại động cơ được sử dụng để truyền động trong lĩnh vực giaothông vận tải.Dù hiện nay nguồn động lực chính dùng trên ô tô máy kéo vẫn là động cơ đốt trong loại pittông th
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Số : Nhóm 8
Họ và tên SV : ……… Lớp : TĐH3 –K9
Khoá : 9 Khoa : Điện
Giáo viên hướng dẫn : Th.s Nguyễn Hữu Hải
3 Thiết kế và tính toán mạch điều khiển cho bộ biến đổi
4 Phân tích hoạt động của mạch điều khiển
5 Phương pháp điều chỉnh và ổn định tốc độ cho hệ thống truyền động điện Ngày giao đề : Ngày hoàn thành :
Trang 2LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay khi mà xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu giao thông cũng càng đượcđòi hỏi cao.Rất nhiều loại phương tiên giao thông hiện đại được sử dụng để phục vụnhu cầu đi lại của con người Trong đó xe buýt giữ một vai trò quan trọng do nhữngđặc thù của nó.Với kích thước lớn, đây là phương tiện giao thông công cộng có thểvận 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 giaothông 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 cơđiện:Việc điều chỉnh tốc độ có thể thực hiện dễ dàng, êm và trơn tru,một yếu tố quantrọng nữa là không gây ô nhiễm môi trường…
Xe buýt là một ôtô, một phương tiện vận tải phổ biến và rất quan trọng tronggiao thông Dù hiện nay trong thực tế sản xuất xe buýt chạy điện không chiếm ưu thếnhưng 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 vàđường 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 xebuýt chạy điện
Trang 3CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH VÀ LỰA 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:
1 Xây dựng hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ dùng phương pháp điều chỉnh tần số.
2 Hệ truyền động động cơ xoay chiều đồng bộ dùng phương pháp điều chỉnh tần số.
3 Hệ truyền động động cơ một chiều dùng phương pháp băm xung áp.
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).
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:
Trang 4*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.
Trang 5U đ Đ
Uđk kt
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).
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.
Trang 6N i
∆U L UĐ D0
UN
∆U R
Imi
n
Im ax t
iđk
t
i
t UN
*Hệ số công suất cos 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
Trang 7tx T tđ
Imi
n
Im ax
Ta có U Đ=
1
T[U N t đ+(t−t x)E]Trong chế độ dòng liên tục vì tx = T nên:
U Đ=t đ
T U N=ρUU N w= ρU U N
Kφφ −
R u Kφφ I
Cũng giống như hệ T – Đ hệ ĐX – Đ khi tx < T thì cũng xảy ra chế độ dòng điệngián đoạn Để xác định biên giới giữa vùng dòng điện gián đoạn và liên tục ta giả thiết
Trang 8M w
ρ = 0
ρ = 1 Biên liên tục
rằng đồ thị dòng điện ở hai vùng này là hai đoạn thẳng Giá trị dòng điện ở biên liên tụclà:
2R
ρU ρU+1σ
Đặc tính cơ hệ ĐX – Đ.
Ưu nhược điểm của hệ truyền động ĐX – Đ
Trang 9Nhược 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
*Chất lượng điện áp tốt hơn các bộ biến đổi liên tục
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
Trang 10CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH LỰC
2.1-TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ:
2.1.1-MOMEN MA SÁT:
Ta cần xét các lực cản tác dụng lên xe buýt trong quá trình di chuyển ổn định (chế
độ tĩnh) Vì đa phần trong quá trình di chuyển xe buýt chạy trên đường bằng ( 1 số trường hợp phải lên dốc) và không xét đến các giai đoạn quá độ khi xe buýt thay đổi tốc độ nên ta bỏ qua lực cản dốc và lực cản quán tính.
Các lực tác dụng lên xe buýt khi xe chuyển động:
Trang 11Thực tế cho thấy hiệu suất hệ thống truyền tải: h=0.93
Bên cạnh đó khi ôtô chuyển động trên mỗi loại đờng khác nhau thì có độ bám khác nhau , trong trờng hợp này ta xét xe chuyển động trên đờng nhựa khô với hệ số bám đờng là j =0,75
P=(Ff + Fe+ Fkk ) Vmax h J =(1400+466.67+ 880)∗22.22
0.93∗0.75 = 87.5(KW)
Ta có hệ số quá tải là:
Kqt=1.3
Công suất động cơ: Pđc=Kqt*P=1.3*87.5= 113.75 (KW)
Tốc độ quay của bánh xe:
Trang 12*Chọn động cơ
Do yêu cầu công nghệ đặt ra là thiết kế cho xe buýt chạy điện dùng động cơ điện
1 chiều Đây là hệ truyền động kéo vì thế ta chọn loại động cơ là động cơ điện 1chiều kích từ nối tiếp Việc sử dụng động cơ một chiều kích từ nối tiếp rất phổ biếntrong các hệ truyền động giao thông như tà kéo, ôtô Đặc tính cơ của nó là lí tưởng,mềm và có độ cứng thay đổi theo phụ tải : mô men lớn ở tốc độ thấp và tốc độ lớn khi
mô men nhỏ, điều này rất phù hợp với các truyền động kéo Chính nhờ sự thay đổitheo phụ tải của độ cứng nên ta có thể biết được sự thay đổi của phụ tải thông qua tốc
độ của động cơ
Hơn nữa động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen Nhờ cuộn kích
từ nên ở vùng dòng điện phần ứnglớn hơn định mức thì từ thông
động cơ lớn hơn định mức, do đó mô men của nó tăng nhanh hơn so với sự tăng củadòng điện Như vậy với mức độ quá dòng điện như nhau thì động cơ một chiềukích từ nối tiếp có khả năng quá tải về mô men và khả năng khởi động tốt hơn động
cơ một chiều kích từ độc lập
Một ưu điểm nữa khi dùng động cơ kích từ nối tiếp là khả năng chịu tải củađộng cơ không bị ảnh hưởng bởi sự sụt áp của lới điện vì từ thông của động cơ chỉphụ thuộc vào dòng điện phần ứng và có độ tin cậy hơn các loại động cơ một chiềukhác, vì cuộn dây kích từ của nó có tiết diện lớn và điện áp giữa các vòng dây củacuộn này không đáng kể
Vậy ta chọn động cơ II-102 có các thông số kỹ thuật sau:
Trang 132.2- TÍNH CHỌN MẠCH LỰC:
Nguyên lý hoạt động: mạch sử dụng van IGBT,mạch hoạt động dựa trên nguyên lý đóng mở của van điều khiển Khi cấp 1 nguồn điện DC Uv cho mạch, ban đầu van chưa mở, sau khi nhận tín hiệu điều khiển phát xung van bắt đầu đóng lại mạch khép qua động cơ lúc này động cơ có Uư= Uv dòng điện qua động cơ sẽ tăng lên giá trị Imax, diode có tác dụng đảm bảo sẽ không có dòng điện ngược về nguồn, sau 1 thời gian ngắt xung, van đóng lại mạch điện khép qua diode lúc này điện áp trên tải bằng 0
2.2.1 Tổng quan về van IGBT
IGBT là sự kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường
1 Hình dạng cơ bản của IGBT
Trang 142 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT
- IGBT là sự kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ
+ Cấu trúc bán dẫn của IGBT:
+ Cấu trúc tương đương của IGBT với 1 Transistor n-p-n và 1 Mosfet
Trang 15+ Sơ đồ tương đương của IGBT:
+ Kí hiệu của IGBT:
- Về cấu trúc bán dẫn thì IGBT rất giống với Mosfet điểm khác nhau là có thêm lớp pnối với colecto tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emito với colecto có thể coi IGBTtương đương với một transitor p-n-p với dòng bazo đươc điều khiển bởi một Mosfet
- Dưới tác dụng của điện áp điều khiển Uge > 0 kênh dẫn với các hạt mang điện là cácđiện tử được hình thành giống như ở cấu trúc Mosfet các điện tử di chuyển về phíacolecto vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa bazo và colecto ở transistor thườngtạo nên dòng colecto
3 Đặc tính đóng cắt của IGBT
- Do cấu trúc n-p-n mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ở IGBT thấphơn hẳn so với Mosfet Tuy nhiên do cấu trúc này làm cho thời gian đóng cắt của IGBTchậm hơn so với Mosfet, đặc biệt là khi khóa lại Trên hình vẽ thể hiện cấu trúc tươngđương của IGBT với Mosfet và một Tranzitor p-n-p Ký hiệu dòng qua IGBT gồm haithành phần: i1 dòng qua Mosfet, i2 dòng qua Tranzitor Phần Mosfet trong IGBT có thểkhóa lại nhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa G và E, do đó dòng i1= 0, tuy nhiêni2 sẽ không suy giảm nhanh chóng được do lượng điện tích lũy trong (tương đươngvớibazo của cấu trúc p-n-p) chỉ có thể mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích Điều nàyxuất hiện vùng dòng điện kéo dài khi khóa IGBT
- Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT:
Trang 16a Quá trình mở của IGBT
- Quá trình mở IGBT diễn ra giống với quá trình này ở Mosfet khi điện áp điều khiển vàotăng tử 0 đến giá trị Ug Trong thời gian trễ khi mở Io tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụCgc làm điện áp giữa cực điều khiển và emite tăng theo quy luật hàm mũ từ 0 đến giá trịngưỡn Uge( 3 đến 5v) Chỉ bắt đầu từ đó Mosfet trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở
ra Dòng điện giữa colecto-emite tăng theo quy luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải Io trongthời gian Tr.Trong thời gian Tr điện áp giữa cực điểu khiển và emite tăng đến giá trị Ugexác định giá trị dòng Io qua colecto Do diode Do còn đang dẫn dòng tải Io nên điện ápUce vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn 1 chiều Udc Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo
2 giai đoạn T1 và T2 Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực diều khiển giữnguyên Uge để duy trì dòng Io, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng tụ Cgc.IGBT vẫn làm việc trong chế đô tuyến tính Trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khóa
và phục hổi của diode Do dòng phục hồi của diode Do tạo nên xung dòng trên mức dọng
Io của IGBT Điện áp Uce bắt đầu giảm.IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độtuyến tính để sang vùng bão hòa Giai đoạn 2 tiếp diễn quá trình giảm điện trở trong vùngthuần trở của colecto dẫn đến điện trở colecto-emite về đến giá trị Ron khi bão hòa hoàntoàn
Uce= IoRon
Sau thời gian mở Ton khi tụ Cgc đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều khiển vàemito tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian CgcRg đến giá trị cuốicùng Ug
Trang 17b Quá trình khóa IGBT
4 Yêu cầu với tín hiệu điều khiển IGBT
- IGBT là thiết bị điều khiển bằng điện áp giống như Mosfet nên yêu cầu điện áp có mặt liên tục trên cực điều khiển và emito để xác định chế độ khóa, mở Mạch điều khiển cho IGBT có yêu cầu tối thiểu được biểu diễn qua sơ đồ dưới đây:
- Tín hiệu mở có biên độ Uge, tín hiệu khóa có biên độ -Uge cung cấp cho mạch GE qua điện trở Rg Mạch G-E được bảo vệ bởi diode ổn áp ở mức khoảng +-18V Do có tụ kí sinh giữa G và E nên kỹ thuật điều khiển như điều khiển Mosfet có thể được áp dụng tuy nhiên điện áp khóa phải lớn hơn Nói chung tín hiệu điều khiển thường được chọn là +15
và -5V là phù hợp Mức điện áp âm khi khóa góp phần giảm tổn thất công suất trên mạch điều khiển như hình dưới đây:
+ Điện trở Rg cũng làm tổn hao công suất điều khiển được mô tả ở hình dưới Điện trở
Rg nhỏ, giảm thời gian xác lập tín hiệu điều khiển, giảm tổn thất năng lượng trong quá trình điều khiển nhưng lại làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn với điện áp ký sinh trong mạch điều khiển
Trang 18Theo thông số lựa chọn động cơ điện 1 chiều, dòng điện định mức chạy qua phần ứng dộng cơ là Iđm=632(A).ta lấy nó là giá trị tính toán cho các van là
Trang 20Tạo tần số So sánh Van động
lực
Tạo xung khuếch đại
CHƯƠNG 3 MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1.Sơ đồ khối và nguyên lý mạch điều khiển
Nguyên lý điều khiển: mạch điều khiển băm áp 1 chiều có nhiệm vụ xác định thời điểm mở và khóa van bán dẫn trong 1 chu kì chuyển mạch Chu kỳ đóng cắt van nên thiết
kế cố định Điện áp tải khi điều khiển được tính:
U=U1*(td/T)
Trong đó : t d là thời gian van dẫn trong 1 chu kỳ
T là chu kỳ
U 1 : điện áp nguồn 1 chiều
Nguyên tắc chung của mạch điều khiển là so
sánh một điện áp một nhiều UĐK thay đổi được với
một điện áp tam giác có tần số cao Điểm cân bằng
giữa Utg và Uđk sẽ là thời điểm phát xung điều khiển
mở các van bán dẫn
Thay đổi UĐK sẽ thay đổi được độ rộng xung
điều khiển trong khi vẫn giữ tần số điều khiển không
đổi
Quá trình biến đối từ khâu tạo dao động đến
điện áp ra khỏi bộ so sánh được thể hiện bằng hình
vẽ bên
Mạch điều khiển băm áp 1 chiều gồm 3 khâu cơ bản:
-Khâu tạo tần số:có nhiệm vụ tạo điện áp rang cưa với tần số theo ý muốn của người thiết
kế Tần số của bộ băm áp 1 chiều thường chọn khá lớn (hang chục KHz) Tần số lớn hay
bé là do khả năng chịu tần số của van bán dẫn( ở đây ta chọn van là IGBT tần số có thể làhang chục KHz)
Trang 21-Khâu so sánh có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển Tại các thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khóa van bán dẫn Điện áp tựa dạng tam giác có hai sườn lên và xuống, lệnh mở van động lực ở giao điểm sườn lên, thì giao điểm sườn xuống sẽ phát lệnh khóa van.
-Khâu tạo xung, khuếch đại có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở van bán dẫn Một xungđược coi là phù hợp là xung có đủ dòng điện và điện áp điều khiển, cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực khi nguồn động lực hang chục vôn trở lên Hình dạng xung điều khiển phụ thuộc vào loại van động lực được sử dụng với van động lực là Tranzitor, xung điều khiển có dạng xung chữ nhật độ rộng các xung này bằng độ rộng xung điện áp tải
3.2 Thiết kế mạch điều khiển
3.2.1 khâu tạo tần số
ở đây ta tạo điện áp tựa tam giác bằng tích phân sóng vuông: tích phân xung chính là quá trình nạp xả tụ, nếu điện áp vào khâu tích phân không đối xứng có thể xuất hiện sai số đáng kể