thiết kế hệ thống truyền động cho xe bus 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

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 điệnlàm tăng năng suất lao động và chất lợng sản phẩm Để đáp ứng đợc yêu cầuthực tế các hệ truyền động có khả năng tự động điều khiển và độ chính xác ngàycàng cao đã ra đời

Với mục đích phục vụ nhu cầu đi lại và vận chuyển hàng hoá trong thànhphố,chống ô nhiễm môi trờng xe BUS chạy điện đã ra đời và ngày phát triểnmạnh 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“Thiết kế hệ thống truyền động cho xe BUS chạy điện” ”

Phần III : Tổng hợp tham số các bộ điều chỉnh.

Phần IV : Tính chọn các thiết bị điều khiển.

1

-Phần 1 Tổng quan về máy và yêu cầu công nghệ.

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

nh nhau, nhng ôtô chạy điện một chiều sử dụng động cơ điện một chiều đựoccung cấp điện thông qua hai càng tiếp xúc vói lới điện phía trên thay thế cho

động cơ đốt trong xe BUS có kết cấu phức tạp bao gồm các cơ cấu bánh răng,hộp số, cơ cấu ly hợp, cầu dẫn hớng, hệ thống lái, hệ thống báo tín hiệu và các

hệ thống diện, cơ khác

Hệ thống Điện cơ của xe Bus có kết cấu khá phức tạp Vệ phần điện hệthông bao gồm từ nhận năng lợng điện từ một nguồn cố định, biến đổi năng lợngthật phù hợp để đa vào động cơ truyền động, bên cạnh đó là hệ thống điều khiểnnguồn năng lợng đó để phù hợp với các yêu cầu về thay đổi tốc độ của động Các hệ thống tự động điều chỉnh để đảm bảo việc làm việc ổn điịnh, an toàn vàdài hạn cho động cơ… Về phần cơ bao gồm cơ cáu bánh răng, xích truyền, hộp Về phần cơ bao gồm cơ cáu bánh răng, xích truyền, hộp

số… Về phần cơ bao gồm cơ cáu bánh răng, xích truyền, hộp để truyền chuyển động từ động cơ truyền động đến bánh xe, hệ thống tănggiảm tốc độ, đảo chiều chuyển động, hệ thống phanh hãm… Về phần cơ bao gồm cơ cáu bánh răng, xích truyền, hộp Và còn rất nhiềucác hệ thống điện cơ khác mà chúng ta không kể tới trong phạm vi của đố ánnày Trong khuôn khổ đồ án này chỉ xét đến hệ thống điện từ nguồn cung cấpdến diều khiển động cơ truyền động ( không có đảo chiều )

Yêu cầu về an toàn: Trong quá trình hoạt động của xe yêu cầu khi tăng tốc

và giảm tốc phải êm.Do đó mômen động trong quá trình quá độ phải đợc hạn chếtheo yêu cầu kỹ thuật an toàn Điều kiện làm việc của xe là thờng phải chịu tải từ60% tới 70% tải định mức và hay phải chịu quá tải nên yêu cầu về độ bền cơ khícao,khả năng chịu quá tải lớn

Yêu cầu về điều chỉnh tốc độ: Dải điều chỉnh tốc độ rộng 5km/h tới 69km/h.Điều chỉnh phải trơn

Yêu cầu về nguồn: Nguồn điện áp chuẩn DC-600V

Yêu cầu về độ tin cậy: Xe BUS phải làm việc dài hạn do đó nên dùng cáckhí cụ điện phi tiếp điểm thay cho các khí cụ có tiếp điểm Sơ đồ cấu trúc hệtruyền động và hệ điều khiển tự động phải đơn giản, các phần tử cấu thành phải

có độ tin cậy cao,đơn giản,thay thế dễ dàng

Phần 2

Tính chọn công suất đông cơ

và chọn phơng án truyền động.

Công suất động cơ đợc chọn sao cho đủ lớn nhằm sinh ra mô men với

điều kiện thắng đợc các lực cản và hơn nữa phải đảm bảo hệ truyền động hoạt

động đợc theo đúng yêu cầu công nghệ đặt ra

Ngoài việc tính chọn công suất động cơ, ta phải chọn loại động cơ sao chothích hợp với yêu cầu truyền động mà cụ thể ở đây là hệ truyền động kéo

Xét các lực cản tác động tới hệ:

1.Lực cản lăn:

Thành phần của lực cản lăn bao gồm hai thành phần chính đó là:Lực masát lăn trên đờng và lực ma sát ở ổ trục bánh xe (F1và F2),trong đó để đơn giản cóthể coi thành phần F1 là do ngoại lực tác dụng lên bánh xe khi nó chuyển động

F F F ( P

t

max kk 2

F F F F F F

F (G =9.103)(N)

b

R

v n

2

Do yêu cầu công nghệ đặt ra là thiết kế cho xe buýt chạy điện ,dùng độngcơ một chiều Đây là hệ truyền động kéo vì thế ta chọn loại động cơ là động cơmột chiều kích từ nối tiếp

Việc sử dụng động cơ một chiều kích từ nối tiếp rất phổ biến trong các hệtruyền động giao thông nh tầu kéo, ôtô Đặc tính cơ của nó là lí tởng ,mềm và

có độ cứng thay đổi theo phụ tải : mô men lớn ở tốc độ thấp và tốc độ lớn khi mômen nhỏ,đIều này rất phù hợp với các truyền động kéo Chính nhờ sự thay đổi

theo phụ tải của độ cứng nên ta có thể biết đợc sự thay sự thay đổi của phụ tảithông qua tốc độ của động cơ.

Hơn nữa động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mô men Nhờcuộn kích từ nên ở vùng dòng điện phần ứng lớn hơn định mức thì từ thông

động cơ lớn hơn định mức, do đó mô men của nó tăng nhanh hơn so với sự tăngcủa dòng điện Nh vậy với mức độ quá dòng điện nh 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 u điểm nữa khi dùng động cơ kích từ nối tiếp là khả năng chịu tải của

động cơ không bị ảnh hởng 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 mộtchiều khác, vì cuộn dây kích từ của nó có tiết diện lớn và điện áp giữa các vòngdây của cuộn này không đáng kể

Dựa vào công suất và loại động cơ ta chọn đợc động cơ _808 của Nga

có các thông số sau:

+ Pđm = 47kw + nđm = 720 vòng/phút

+ Iđm = 248 A + Uđm = 220 V

+ rckn = 0.02  + wckn = 24

wckn là số vòng dây một cực của cuộn nối tiếp+  =39.6 mVb

5

-nên hệ truyền động có khả năng làm việc ổn định ở tốc độ bằng một nửa địnhmức mà không có tổn thất trên điện trở.

5.Tính toán các thông số của động cơ

Xét trong chế độ định mức nếu chúng ta bỏ qua tổn hao sắt từ và tổn haocơ ta có thể coi mô men điện từ và mô men cơ là nh nhau , từ đó ta có :

Nm 4 , 623

P M M

M K I

K

39 , 75 51 , 2 220

I

E U

động cơ nh sau:

2 720 248

440 6 , 5 p n I

U K

dm dm

dm

Đối với động cơ không bù thì K =5,5 5,7

Trong trờng hợp này ta chọn K = 5,6

Điện cảm của cuộn kích từ :

 = Lkt.Iđm

 0 , 16 mH

248

10 6 , 39 I

L

3 dm

Xác định dải mô men cản của tải ( coi xe có 4 số tiến và 1 số lùi )

Trờng hợp 1:Xe chạy với tốc độ lớn nhất và tải trọng là max

Tỉ số truyền :

6 , 1 455

720 /

c nd

Ta có mô men :

Nm 7 , 900 93

, 0 6 , 1

35 , 0 3 , 3829

1

R F

35 , 0 24 , 3110

4 6 , 75 413

Với các thông số của động cơ đã biết ta có thể thành lập đợc phơng trình

đặc tính cơ cũng nh phơng trình đặc tính cơ điện của động cơ Và để đơn giản ,trong quá trình thành lập ta giả thiết từ thông phụ thuộc tuyến tính với dòng điệnkích từ, tơng ứng với đờng (2) trên đồ thị Khi đó ta có :

 =C.Ikt Trong đó C là hằng số tỉ lệ

*Phơng trình đặc tính cơ điện:

I k

Ru k

24 , 0 5

-0095 , 0 6 , 87 M 25

24 , 0 5

§Æc

tÝnh c¬

®iÖn

I 248 200 150 100 50  75,39 77,6 80,1 82,6 85,1

D¶i ®iÒu chØnh:

1 min min

1 max max

min max

.

.

B M

C K U

B M

C K

U D

U

min max



Phần 3

Chọn phơng án truyền động

Để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ nối tiếp ta có một số cách sau:

1.Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ ta có bộ chỉnh điện áp

Uđ/c=U=.UN

 - Hệ số tỷ lệ

ở chế độ xác lập ta có

C K

R I C K

R M C K

A C K

R I C K

ta thấy tốc độ lớn nhất bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản ứng =1 Vậy khi thay

đổi ta có các đờng cong song song

R R I C K

U u u f

.

R R M C K

.

R

f

khi ta thay đổi Rf làm độ dốc đờng đặc tính cơ điện thay đổi theo

- Cách này có nhợc điểm khi càng thêm điện trở phụ khi giảm tốc độ nh ýmuốn thì tổn hao trên đó càng lớn

- Ưu điểm: đơn giản, gọn nhẹ, rẻ tiền

*Dựa vào cách điều chỉnh ta có thể có 4 loại bộ biến đổi chính:

- Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máykhuếch đai (KĐM)

- Bộ biến đổi điện từ: khuếch đại từ (KĐT)

- Bộ biến đổi chỉnh lu bán dẫn : chỉnh lu Thyristor (CLT)

- Bộ biến đổi xung áp một chiều Thyristor và tranzitor (BBĐKA)

Tơng ứng sử dụng các bộ biến đổi có các hệ truyền động:

- Hệ truyền động máy phát động cơ (F - Đ)

- Hệ truyền động máy khuếch đại - động cơ (MĐKĐ - Đ)

- Hệ truyền động máy phát từ - động cơ ( LĐT - Đ)

- Hệ truyền động chỉnh lu Thyristor - động cơ (T - Đ)

- Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA -Đ)

* Do nguồn điện yêu cầu là nguồn điện một chiều, dải điều chỉnh tốc độ phảirộng Ta sử dụng cơ cấu ly hợp để đảo chiều tiến hoặc lùi của xe nên không cần

đến việc đảo chiều quay động cơ Quá trình hãm dừng của xe dùng cơ cấu phanhvì vậy ta chỉ xét động cơ trong góc phần t thứ nhất Ta chọn loại truyền độngxung áp - động cơ (XA - Đ)

Nguyên lý cơ bản của xung áp - động cơ (XA - Đ) :

Khi S đóng thì UN = Uđ/c thì dòng điện đi qua động cơ về nguồn

Do ảnh hởng điện cảm phần ứng dòng qua động cơ tăng từ Imin tới Imax

Khi S khoá thì U = 0, dòng qua động cơ vẫn đi theo chiều cũ và khép vòng qua

điôt D khi đó do ảnh hởng của cuộn cảm L mà dòng giảm dần từ Imax về Imin.Khoá S mở theo một chu kỳ nhất định

Với cách truyền động này ta có 2 sơ đồ dùng Thyristor và Tranristor

Đ C

đầu tiên cần nạp cho tụ điện C bằng cách mồi Thyristor T2 Khi đó có mạch đơngiản sau:

Dòng tải giảm theo hàm mũ từ giá trị đầu UN/RƯ Sau một khoảng thờigian lý tởng tụ điện C đợc nạp tới điện áp UN của nguồn, nhng trong thực tế khidòng điện tải giảm dới mức duy trì của Thyristor thì dòng điện ngừng

Khi ta nối Thyristor T1 làm cho nguồn nối với tải ta có sơ đồ tơng đơng:

Tại thời điểm này xuất hiện dao động giữa cuộn dây L và tụ điện C Sựdao

động này chỉ kéo dài trong một nửa chu kỳ vì điôt D ngăn dòng điện ngợc Tụ

điện C phóng điện qua T1-L-D-C và đợc nạp ngợc lại, lúc này tụ C đã sẵn sàngkhoá T1 Khi cần khoá T1 ta chỉ cần phát xung mở T2 ,Thyristor này sẽ mở điện

áp giữa hai bản cực của tụ C đợc đặt T1 khiến T1 bị khoá lại, điện áp trên tải bằngkhông

Đồng thời tụ C đợc nạp vào lại theo đờng từ nguồn qua T2 và qua tải nhgiai đoạn đầu Thời gian để điện áp trên tụ giảm đi từ giá trị ban đầu về đến giá

D LC

T

1

trị 0 chính là khoảng thời gian Thyristor T1 chịu điện áp ngợc tơng ứng đây cũng

là khoảng thời gian phục hồi cho van

Xét quá trình dòng tải liên tục: (là giai đoạn T1 đợc mở )

theo phơng pháp toán tử Laplaxơ ta có :

Điện áp trên tải :

)1

(

)(

)(

0

0 0

pt

pt u

pt N u N t

e p

e E e

U E U p

a

b a R

U R

E U

1 1 1 )

Trong đó : t0là thời gian mở Thyristor T1

T thời gian một chu kỳ đóng mở

u

u u

T

e b e a

(

).

(

)

)

( 0

T

T u N t

T p N u t

e p

e E U e

U E p

N u

a

b R

U R

E t

1 )0(

)

a b R U R E i I

u N u u

E U R E U

I   

Độ đập mạch dòng điện:

1 1 1 min max 1 ) 1 )(

1(

.

a b b R E I I

u u

- Độ đập mạch này phụ thuộc vào tần số làm việc và vào tỷ số t0/T

- Điện áp trung bình ra tải khi dòng điện liên tục: Ut=UN

- Dòng trung bình ra tải:

u u N u u

E U R E

1 ) )(

1 ) ( ).

( ) 0

a T E R dt t T t T I

u u

T



13

Dòng trung bình qua điôt:

) 1 ) 1(

1 11

E a ba b T T R U I

Chế độ dòng điện gián đoạn:

Chế độ này xuất hiện khi tải của động cơ quá nhỏ hoặc khi giai đoạn dẫn củaThyristor (t0 ) nhỏ xấp xỉ với hằng số thời gian của mạch là TƯ Quá trình làmviệc chia làm 3 giai đoạn :

-Giai đoạn từ 0 t0 van T1 dẫn, dòng tăng lên từ giá trị 0 đến giá trị max Imax.-Giai đoạn van T1 dã ngắt song dòng tải chạy vòng qua điôt D0 cho đến khidòng về đến 0

-Giai đoạn t1 T vì dòng điện mạch đã hoàn toàn tắt cho nên điện áp trên tảibằng điện áp phần ứng : Ut=UƯ

Vì chế độ dòng điện gián đoạn có đặc điểm là các chu kỳ không ảnh hởngsang nhau nên để đơn giản ta dùng luật đóng ngắt mạch điện với điều kiện đầubiết trớc

-Giai đoạn 0 t0 có i1(0)=0 nên dới tác động của 2 nguồn EƯ+ và UN ta có:

) 1.(

T u u

R E U

0

u T u u N

R E U i

   



-Trong giai đoạn T1 khoá (t0 t2) dòng điện bắt đầu giảm xuống dới tác động

của nguồn E từ giá trị Im tới 0:

/ 1( / )

2 u 0 u

T u d

R E e

R E b t

u u n

-Dòng trung bình qua tải:

 

R t R R t U t T t T t T R I u N N

u N u

).

(

1 1 1 0

0 0

.

t

T I

I t

t n

) ( 032 , 0 24

, 0

10 64 ,

s R

min max

min max

t e 1 E U 2R

1

) 0 I ( 2

I 2

I I tblt

R K

.U

I K R K

.U

2 N

, 0

1

1 1

1 0,022 2

0,022 2.0,022

-600

2 1 2 2

U I

+ Làm việc an toàn với Uth, Iđm

Với các thông số đã biết Itmax =248 A,UN= 600 V  ta có dòng chọn cho van:

K

I

I .

V U

U

A I

N V

V

960 600 6 , 1

6 , 1

689 3

3 , 0

248 5 , 2

Với các thông số trên ta chọn Thyristor loại T42-1200 :

+ Phải đặt đợc điện áp ngợc đủ lớn lên các Thyristor cần khoá

+ Khi đã kết thúc quá trình khoá T1 hoặc mở T2 thì điện áp trên tụ chagiảm về không mà còn tồn taị một lợng điện áp d đủ nhỏ nào đó

Với các giả thiết :

- Điện áp nạp thuận của tụ ở thời điểm ban đầu(t=0)là:

UCo=0,9.UN= 0,9.600=540 V

- Trong khoảng thời gian khoá T1 và T2 mở tơng ứng tụ điện C sẽ phóng đi một lợng điện áp là Ucf = 0,8.UN

Khi đó Uc =0,9.UN – 0,8.UN = 0,1.UN , mặt khác ta có:

Vậy điện dung của tụ là:

điện áp lớn nhất trên tụ điện là:

L: điện cảm kí sinh do lắp ráp gây ra, khoảng 10H

Dòng lớn nhất chảy qua tụ Imc =248 A.Vậy điện cảm chuyển mạch trong mạch vòng dao động LC là:

c) Tính chọn điốt D0:

D0 dùng để hoàn năng lợng, ta có dòng trung bình qua nó là:

17

-N off

off t dm

C dt I C

t I C

N

off dm



21 600

8 , 0

10 40 248

8 , 0

L U

U C N

1076 10

21

10 100 600

U C L

mc

248

1076 10 21

2 6

HÖ sè an toµn lµ 1,2  ID 0=1,2.66 = 79,2 A, vËy chän ®ièt D0 lµ lo¹i BYX42 cã

Imax =12,5 A, U= 600 V

A 66 248 600

440 1 ).

Phần 5

Tổng hợp hệ thống điều khiển tự động

truyền động điện 1.Mô tả động cơ :

Do động cơ là một chiều kích từ nối tiếp khi đặt vào mạch một điện áp U thì xuất hiện dòng điện I và từ thông .Ta biết tơng tác qua dòng điện phần ứng

và từ thông kích từ tạo ra mô men điện từ có giá trị

I K I a

N p

2

.

K

I R



Do động cơ một chiều nối tiếp Ikt=I=I và quan hệ =C.I ;C:hằng số

C K

R C K I

U K

I C

I R U

.

.

Trong mạch phần ứng động cơ có ảnh hởng của cuộn kích từ

U(p)=R.I(p)+Rkt.Ikt(p)-Lkt.p.Ikt(p)-L.p.I(p)+E(p)

/ 1 )

T p

R p

J:mô men quán tính đa các phần chuyền động quy đổi về trục động cơ

Từ (1),(2),(3),(4),(5) xây dựng đợc sơ đồ cấu trúc của động cơ

p T

Từ các phơng trình trên thành lập đợc sơ đồ cấu trúc của dộng cơ một chiều

Thấy sơ đồ cấu trúc này phi tuyến mạnh trong tính toán ứng dụng ta mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc Chọn điểm làm việc ổn định tuyến tính hoá đặc tính từ hoá và đặc tính mô men tải nh sau

Ta có

o

o I K

M B

Tại điểm làm việc xác lập ta có điện áp phần ứng Uo ,dòng điện tải Io,tốc

độ quay B,từ thông o,mô men tải MB.Các đại lợng biến thiên nhỏ xung quanh

điểm làm việc U(p),I(p) (p),(p),Mc(p)

R

u.1

2.Thiết kế hệ điều chỉnh

Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần phải đảm bảo hệthực hiện đợc tất cả các yêu cầu đặt ra,đó là các yêu cầu về công nghệ,các chỉtiêu chất lợng,các yêu cầu về kinh tế

Độ ổn định và độ chính xác của hệ điều chỉnh là hai chỉ tiêu kỹ thuật quantrọng nhất của hệ thống điều khiển tự động truyền động điện.Độ chính xác đợc

đánh giá dựa trên cơ sở phân tích các sai lệch điều chỉnh, các sai lệch này phụthuộc vào nhiều yếu tố.Sự biến thiên của các tín hiệu gây ra các sai lệch khôngthể tránh đợc trong quá trình quá độ và cũng có thể gây ra sai lệch trong chế xáclập.Trên cơ sở phân tich các sai lệch điều chỉnh ta có thể chọn đợc các bộ điêùchỉnh,các mạch bù thích hợp để nâng cao độ chính xác của hệ điều chỉnh

Để đáp ứng đợc các chỉ tiêu công nghệ trong hệ điều khiển tự động truyền

động điện của hệ truyền động xe BUS chạy điện,ta sử dụng hai mạch vòng điềuchỉnh:

+ Mạch vòng điều chỉnh dòng điện – ổn định mômen+ Mạch vòng điều chỉnh tốc độ – ổn định tốc độSơ đồ cấu trúc:

Mạch điều chình dòng điện ( mạch vòng trong ) là mạch vòng cơ bản cótính chất quyết định tới chất lợng điều chỉnh của hệ thống vì mạch điều chỉnhdòng điện ảnh hởng trực tiếp tới Mômen kéo của động cơ,gia tốc của động cơ… Về phần cơ bao gồm cơ cáu bánh răng, xích truyền, hộp

và chức năng bảo vệ hệ truyền động

Hằng số thời gian điện từ của phần ứng động cơ:

032 , 0 24 , 0

10 64 ,

9

J dc



 (kgm2)

67 , 16

55 , 9

441 24 , 0 ) (

21

-I