Đồ án thiết kế hệ thống truyền động cho xe BUS chạy điện luận văn, đồ án, đề tài tốt nghiệp

Luận văn, đồ án tốt nghiệp, đề tài tốt nghiệp

Đồ án Tổng hợp hệ điên cơ

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật ,truyền động điện có vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của xã hội Truyền động điện làm tăng năng suất lao động và chất lượng sản phẩm Để đáp ứng được yêu cầu thực tế các hệ truyền 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 nước 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 được nhận đề tài “Thiết kế hệ thống truyền động cho xe BUS chạy điện”

+Mật độ không khí :p=1.25Kg/ mỉ

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:

Chương L : Giới thiệu chung về ôtô và yêu cầu công nghệ

Chương II : Lựa chọn phương án truyền động

Chương III : Tính chọn công suất cho động cơ và mạch lực

Chương IV : Tổng hợp hệ thống

Chương V_ : Mô phỏng hệ thống sử dụng phần mềm Matlab/Simulink

Chương VI : Thiết kế mạch điều khiển

Nguyễn Công Hoàng - TĐH - CH12

Đồ án Tổng hợp hệ điên cơ

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ÔTÔ VÀ YÊU CẦU

CÔNG NGHỆ

1.1 Giới thiệu chung ôtô chạy điện :

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

tự nhau, nhưng ôtô chạy điện sử dụng động cơ điện thay thế cho động cơ đốt trong Cấu trúc cơ bản của ôtô được biểu diễn ở hình sau :

án là động cơ điện xoay chiều không đồng bộ Động cơ không đồng bộ nhận năng

lượng điện từ một nguồn cố định, biến đổi năng lượng đó phù hợp để đưa vào động

cơ Bên cạnh đó hệ thống điều khiển nguồn năng lượng đó phù hợp với các yêu cầu

về thay đổi tốc độ động cơ

e 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 được 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 được tách ra khi sang số hoặc khi phanh ôtô để sang số được

dễ dàng và tránh bị va đập Ngoài ra ly hợp còn là cơ cấu an toàn giữ cho các chỉ tiết của hệ thống truyền lực khỏi bị quá tải

Hộp số : ôtô làm việc trong những điều kiện rất khác nhau về đường 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 được 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

Đồ án Tổng hợp hệ điên cơ

Ôtô, ngoài ra còn dùng để thay đổi hướng chuyển động như 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 được truyền đến bánh xe chủ động của ôtô thông qua hệ thống truyền lực Khi truyền như 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 được 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 đường nên tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường sẽ phát sinh lực kéo tiếp tuyến hướng theo chiều chuyển động Lực kéo tiếp tuyến Pk chính là lực mà mặt đường tác dụng lên bánh xe

n,, @„— số vòng quay và tốc độ góc cua truc khuy động cơ

Ty, ®y,— số vòng quay và tốc độ góc của bánh xe chủ động

rị, - hiệu suất của hệ thống truyền lực

Để cho ôtô có thể chuyển động được thì ở vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt

đường phải có độ bám nhất định đặc trưng bằng hệ số bám Nếu độ bám thấp thì bánh xe có thể bị trượt quay khi có mômen xoắn lớn truyền từ động cơ đến bánh xe

Đồ án Tổng hợp hệ điên cơ

chủ động và lúc đó ôtô không thể tiến lên phía trước được Hệ số bấm giữa bánh xe chủ động và mặt đường là tỷ số giữa lực kéo tiếp tuyến cực đại( sinh ra tại điểm tiếp xúc giữa bánh xe chủ động và mặt đường) trên tải trọng thẳng đứngtác dụng lên bánh xe chủ động Tải trọng này thường được gọi là tai trong bam Gf

Pk max

f =

Gf Lực kéo tiếp tuyến cực đại phát sinh theo điều kiện bám giữa bánh xe chủ động

Để cho bánh xe chủ động không bị trượt quay khi ôtô chuyển động thì lực kéo

tiếp tuyến cực đại phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám Pf, nghĩa là phải thoả mãn điều kiện :

Pkmax < Pf

1.2 Yéu cau vé cong nghé :

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 được hạn chế theo yêu cầu kỹ thuật an toàn Điều kiện làm việc của xe thường 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 đài 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 chiêu quay vì trong cấu tạo ôtô

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

Đô án Tổng hợp hê điện cơ

Đồ án Tổng hợp hệ điên cơ

CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

Chọn phương án truyền động là ta phải chọn phương án điều chỉnh động cơ xe hơi sao cho tối ưu 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 chiểu( nguồn điện áp này có thể được lấy từ acquy), ta thấy chỉ có hai phương án truyền động phù hợp với yêu cầu của công nghệ Đó là :

e_ Hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ dùng phương pháp điều chỉnh tần số

e_ Hệ truyền động động cơ một chiều dùng phương pháp băm xung áp

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

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

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

Khi khoá S ngắt : Up = 0, ix=0, i =ipg do téc dụng của điện cảm L

Các giá trị trung bình của U;, I và sức điện động E sẽ được 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 tương tự như

chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ

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

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

Nhược điểm : Dạng điện áp ra bị gián đoạn, gây nên tổn thất phụ trong máy điện, hệ số công suất thấp

2 Hệ điêu chỉnh tân số động cơ không đông bộ :

Phương 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 Nguyễn Công Hoàng - TĐH - CHI2 7

Đồ án Tổng hợp hệ điên cơ

thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nay chung va động cơ không đồng bộ nay riêng Nó có thể ứng dụng cho thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc như 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 như 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 rôfo lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vững chắc, giá thành hạ và có thể làm việc trong nhiều môi trường

Nguyên lý điều chỉnh :

Theo lý thuyết máy điện, œ, = ath _, thay đổi tần số sẽ làm cho tốc độ từ

trường quay thay đổi, do đó dẫn đến tốc độ động cơ thay đổi Dạng đặc tính động cơ khi thay đổi tần số :

Biến tần có hai loại là biến tần nguồn áp và biến tần nguồn dòng Nhưng ở đây, ta

sử dụng cho hệ truyền động là biến tần nguồn áp Sở dĩ chọn như vậy vì :

e_ 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

e_ 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

Nguyên lý hoạt động :

Các khoá nghịch lưu được đóng cắt theo thứ tự nhất định tạo thành điện áp xoay chiều ba pha đặt lên động cơ chấp hành, góc dẫn của các khoá là 180°, thời điểm các khoá S,, S;, S;và S;, S,, S, bắt đầu dẫn lệch nhau 120°, do đó điện áp ra của nghịch lưu cũng lệch nhau về thời gian là 120°

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

Đặc điểm của biến tần nguồn áp :

Điện áp ra trên tải được định hình sẵn Việc điều chỉnh tần số điện áp ra trên tải được thực hiện dễ dàng bằng điều khiển quy luật mở van của phần nghịch lưu Phương pháp này thay đổi tần số dễ dàng mà không phụ thuộc vào lưới, độ đáp ứng quá độ nhanh Tuy nhiên độ tin cậy không cao bằng biến tần nguồn dòng

3 So sánh giữa hai phương án truyền động :

a)_ Về tính đơn giản trong điều chỉnh :

Về mặt này phương án băm xung áp chiếm ưu thế hơn Với phương 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 phương án xung áp một chiều

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

Trong phương 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 phương án biến tân có khả năng giữ cho tổn thất công suất là hằng nên nay chung, tổn thất thấp nhất trong các phương án truyền động

Cả hai phương án đều cho được mômen khởi động lớn, tuy nhiên, phương án biến tần có đải điều chỉnh rộng hơn nhiều so với phương án băm xung áp

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

Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ

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

đ) Về tính kinh tế của phương án truyền động :

Do khả năng điều chỉnh tần số đưa đến khả năng có mọi đặc tính cơ mong muốn nên thực tế phương án điều chỉnh tân số có thể áp dụng cho mọi yêu cầu truyền dộng Phương 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

Đồ án Tổng hợp hệ điên cơ

CHƯƠNG III : TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT CHO ĐỘNG CƠ

VÀ MẠCH LỤC

1 Tính chọn công suất động cơ :

Khi ôtô khởi động, lực cản tác dụng lên ôtô là lớn nhất, bao gồm :

e Lực cản lăn :

Fl=o.Gs trong đó : @ - hệ số cản lăn, lấy (p = 0,02

Pdm = Pdc = 37,04 (kW)

ndm > nmax = 636,79(vòng/phút)

Đô án Tổng hợp hê điện cơ

Hệ số công suất định mức : cosọ = 0,72

Dong stato dinh mức : I, 4, = 91(A)

Dong stato khong tai : I, = 55(A)

Dién tro stato : r,, = 0,08 (Q)

Điện khang stato : x, = 0,17 (Q)

Dong rôto định mức quy đổi : P’ 4, = 63(A)

Điện trở rôto quy đổi : r';„ = 0,19 (O)

Điện kháng rôto quy đổi : x”;,= 0,16 (O)

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

Khối lượng của động cơ : Q = 470 (kg)

Xác định các thông số còn lại của động cơ :

Sơ đồ mạch điện thay thế của động cơ không đồng bộ :

Số đôi cực của động cơ :p= 4

Tần số làm việc 50Hz, tốc độ quay từ trường :

n, = on = on =750 (vòng/phút)

Đô án Tổng hợp hê điện cơ

Động cơ làm việc ở chế độ định mức nên : Upha = U đm = 220(V)

ỚI : @ = arctg— = arctg-—— = 47,48°

V6i | @ = arctg > arctg

Dòng hiệu dụng qua van T1 :

Dòng điện hiệu dung qua diét : I, = 56,58(A)

Dién ap nguoc dat lén diét : Ung = Uy= 600(V)

Chon van diéu khién :

Dong dién hiéu dung qua van : I, = 62,63(A)

Điện áp nguoc cuc dai dat lén van : Ung = Uy = 600(A)

Từ đó, ta chọn van điều khiển là IGBT loại XSH40N60 với các thông số :

trong đó : Ap - tổn hao cống suất

+ - độ chênh lệch so với môi trường Chọn Tmt = 40°C Chọn nhiệt dộ trên cánh tản nhiệt : TIv = 100°C

+= TIv - Tmt = 60°C

k„ — hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ, k=8[W/mử °C]

> Sm = 155,85 = 0,32(m")

8.60

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

b Bảo vệ quá điện áp cho van :

Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt van được 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 ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược 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

Người ta thường chọn :

R =10+ 1000(O)

C=0,01 + I(HF)

Chon R = 500(©), và C = 20(uF)

c Bao vé qua dong :

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

Dòng định mức của dây chảy cầu chì :

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

Chọn cầu chì có : I¡„„ = 80(A)

4 Sơ đồ mạch điều khiển :

Điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng phương pháp biến tần thì ta phải kết hợp

thay đổi điện áp đặt vào stato của động cơ ở đây, để điều chỉnh điện áp ta dùng

phương pháp điều chế độ rong xung(PWM) Day là phương pháp tiên tiến, hiệu quả nhất vì :

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

- Điện áp ra gần với hình sin

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

Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là so sánh một sóng sin chuẩn,

có tần số bằng tân số của điện áp ra mong muốn, với một điện áp răng cưa tần số cao,

cỡ 2-I0kHz

Đô án Tổng hợp hê điện cơ

Phương 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 phương pháp biến điệu bề rộng xung hai cực tính, nhằm khắc phục được 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 dưới và ngược lại phải có một thời gian trễ tối thiểu nhằm đảm bảo van đã khoá lại chắc chắn trước 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

kỳ của sóng răng cưa

Hệ số biến điệu :ö= “““ ,0<ä<I

Urm

Ucm : bién độ sóng sin chu đạo

Urm : bién d6 song rang cua

Khi 6 = 0, Ura=0; khi 6 =1, Ura = Uramax

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

a_ Khâu tạo xung răng cưa :

Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung tam giác :

Đô án Tổng hợp hê điện cơ

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 tương tự Ngày nay, người 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 được 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, thường dùng là đèn LED

- mạch thứ cấp là mạch nhận biết ánh sáng, thường dùng là phôtô_ transistor Mạch sơ cấp và mạch thứ cấp cách ly hoàn toàn, điện trở cách điện khoảng 10,

Sơ đồ nguyên lý :

Đô án Tổng hợp hê điện cơ