thiết kế bộ điều chỉnh tôc độ động cơ điện một chiều trong ô tô

Ch­¬ng I Kh¸i qu¸t c«ng nghÖ 1. Vai trß & øng dông cña ®éng c¬ ®iÖn trong lÜnh vùc giao th«ng. VÊn ®Ò øng dông cña ®éng c¬ ®iÖn nãi chung trong truyÒn ®éng ®iÖn s¶n xuÊt còng nh­ ë ®Çu m¸y kÐo lµ ®­îc sö dông réng r•i. HiÖn nay trong nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau cña ®êi sèng, th× ®éng c¬ K§B lµ lo¹i ®éng c¬ ®­îc sö dông réng r•i nhê tÝnh kinh tÕ, dÔ chÕ t¹o, chi phÝ vËn hµnh b¶o d­ìng söa ch÷a thÊp ... Tuy nhiªn, trong mét sè lÜnh vùc nhÊt ®Þnh ®ßi hái yªu cÇu cao vÒ ®iÒu chØnh tèc ®é, vÒ kh¶ n¨ng qu¸ t¶i, th× b¶n th©n ®éng c¬ K§B kh«ng thÓ ®¸p øng ®­îc hoÆc nÕu thùc hiÖn ®­îc th× ph¶i chi phÝ c¸c thiÕt bÞ biÕn ®æi ®i kÌm (nh­ bé biÕn tÇn ...) rÊt ®¾t tiÒn. V× vËy, ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu hiÖn t¹i vÉn lµ lo¹i ®éng c¬ kh«ng thÓ thay thÕ ®­îc trong nh÷ng lÜnh vùc nãi trªn.

Chơng I Khái quát công nghệ

1 Vai trò & ứng dụng của động cơ điện trong lĩnh vực giao thông.

Vấn đề ứng dụng của động cơ điện nói chung trong truyền động

điện sản xuất cũng nh ở đầu máy kéo là đợc sử dụng rộng rãi Hiện naytrong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, thì động cơ KĐB là loại

động cơ đợc sử dụng rộng rãi nhờ tính kinh tế, dễ chế tạo, chi phí vậnhành bảo dỡng sửa chữa thấp Tuy nhiên, trong một số lĩnh vực nhất

định đòi hỏi yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ, về khả năng quá tải,thì bản thân động cơ KĐB không thể đáp ứng đợc hoặc nếu thực hiện

đợc thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (nh bộ biến tần ) rất

đắt tiền Vì vậy, động cơ điện một chiều hiện tại vẫn là loại động cơkhông thể thay thế đợc trong những lĩnh vực nói trên

ứng dụng phổ biến của động cơ điện một chiều hiện nay trongcác nghành sản xuất nh hầm mỏ, khai thác quặng, máy xúc và đặc biệt

là trong các đầu máy kéo tải ở lĩnh vực giao thông Đó là nhờ hai đặc

điểm quan trọng u việt của nó là :

 Khả năng điều chỉnh tốc độ tốt

 Khả năng quá tải tốt Đặc biệt ở loại động cơ kích thích nối tiếp

và hỗn hợp

Ngoài hai đặc tính cơ bản trên, thì cầu trúc mạch lực và mạch

điều khiển động cơ điện một chiều đơn giản hơn nhiều so với độngcơ KĐB, đồng thời lại đạt chất lợng điều chỉnh cao hơn trong dải điềuchỉnh rộng

Thực tế là ở các nớc phát triển, việc dùng động cơ điện thay thếcho các loại động cơ điêzen hoặc xăng là phổ biến Đó cũng là xu thế

chung đối với toàn thế giới trong tơng lai Một mặt là vì có nguồn điệnrộng rãi; tiến bộ nhảy vọt về công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo đợcnhiều bộ biến đổi điện năng gọn nhẹ, khả năng giới hạn dong áp cao &tin cậy hơn Mặt khác, là động cơ điện không gây ô nhiễm môi trờng

nh các loại động cơ khác, đồng thời cho hiệu suất cao Đây là một trongnhững đặc điểm quan trọng đa đến việc đa động cơ điện vào giaothông ngày càng rộng rãi hơn Trong thực tế, ở các nớc phát triển nh Mỹ,

Đức, Pháp, TQ đa số hệ thống đờng sắt dùng động cơ điện kéo đầumáy đều đợc cung cấp bằng điện áp một chiều qua đờng dây trênkhông hoặc đờng ray thứ ba

Đối với hệ thống đờng sắt trong thành phố có đặc điểm là khoảngcách ngắn, mật độ giao thông cao thì việc dùng trực tiếp hệ thống đờngdây một chiều là thích hợp Nhng đối với trờng hợp khoảng cách xa hơn,

nh giữa các thành phố với nhau, thì việc dụng hệ thống một chiều làkhông kinh tế Trong trờng hợp này ngời ta lấy t lới điện xoay chiều mộtpha có tần số 50Hz  60Hz và có điện áp khoảng 25kV sau đó qua hạ ápcấp vào bộ chỉnh lu đợc nguồn một chiều Thông thờng cấp điện áp của

hệ thống tầu kéo đờng sắt trong thành phố dùng điện một chiều từ 600

 700V (với TH đờng ray thứ ba) hoặc 1500V (với TH đờng dây trênkhông) Trong cả hai trờng hợp trên thì ngời ta tạo dòng một chiều bằngcách chỉnh lu từ lới điện xoay chiều với hệ số đập mạch là 12 để có chấtlợng cao

Đối với ôtô điện ngời ta cũng lấy từ đờng dây trên không nếu côngsuất động cơ truyền tải lớn Hiện nay, trong một số loại động cơ kéo tảigiao thông có công suất nhỏ, thì ngời ta dùng nguồn ac-quy kèm theo bộbiến đổi gọn nhẹ thuận tiện cho tính linh hoạt trong vận tải Nhng nhợc

điểm rất rõ của loại dùng nguồn ac-quy là chỉ chạy đợc quãng đờng ngắn,

điều này gây bất tiện cho ngới sử dụng Vì vậy loại này chỉ khả dụngtrong trờng hợp công nghệ chế tạo ac-quy tiến bộ hơn nữa và thực tế loạidùng nguồn truyền tải hiện nay vẫn là chủ yếu trong truyền động giaothông

Trong khuôn khổ đồ án này với đề tài thiết kế bộ điều chỉnh tốc

độ động cơ điện một chiều trong ôtô, nên để làm rõ tính quan trọngcủa động cơ một chiều trong lĩnh vực này trớc hết ta phân tích rõ đặcthù của truyền động trong lĩnh vực giao thông

2 Phân tích đặc thù về truyền động trong giao thông.

Có thể nêu ra đặc điểm quan trọng về truyền động trong lĩnhvực giao thông là:

+ Yêu cầu cao trong việc điều chỉnh tốc độ; bao gồm những yêucầu về dải điều chỉnh rộng, độ trơn điều chỉnh, điều chỉnh phải êm,khởi động động cơ nhanh

+ Yêu cầu cao về khả năng quá tải, vì tải kéo của đầu máy làkhông cố định

Ngoài ra, truyền động trong giao thông còn đòi hỏi cao về độ antoàn khi vận hành Muốn vậy việc thiết kế phải đảm bảo đa ra đợc mộtsơ đồ điều khiển đơn giản tin cậy, dễ thao tác trong vận hành điềukhiển động cơ ô - tô Vì thực tế trong lĩnh vực giao thông còn đòi hỏitruyền động có đảo chiều, nên việc thiết kế cũng chú trọng đến vấn

đề đảo chiều quay động cơ

Thực chất của việc điều khiển ô-tô cũng nh đầu máy kéo là việc

điều khiển động cơ kéo tải Vì vậy, trớc tiên ta đi giới thiệu một vài

đặc tính cơ bản của các loại động cơ điện một chiều, rồi từ đó đa raquyết định chọn loại động cơ thích hợp cho truyền động trong lĩnh vực

đang đề cập tới

3 Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều.

Phơng trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n)vàmômen (M)

0

M

Mđ m

Với những điều kiện U=const, It=const thì từ thông của động cơhầu nh không đổi Vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đờng

đặc tính cơ của động cơ là đờng thẳng

Do R rất nhỏ, nên khi tải thay

đổi từ không đến địnhmức thì tốc độ giảm rất ítcho nên đặc tính cơ của

động cơ điện kích thíchsong song rất cứng Với đặc

điểm nh vậy, động cơ

điện kích thích song song

đợc dùng trong những trờng hợp tốc độ hầu nh không đổi khi tảithay đổi

b Động cơ điện kích thích nối tiếp

ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thíchchính là dòng điện phần ứng : It= I=I Vậy trong phạm vi khá rộng

có thể biểu thị:

=K.Itrong đó hệ số tỷ lệ K chỉ là hằng số trong vùng I <0,8Iđm ;còn khi I >(0,8  0,9)Iđm thì hơi giảm xuống do hiện tợng bão hoàmạch từ

Nh vậy, biểu thức đặc tính cơ có dạng:

M=CM..I=CM

M*

Mđ m

Nh vậy khi mạch từ cha bão hoà, đặc tính cơ của động cơ

điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng là đờng hypebol bậchai

Ta thấy, ở động cơ mộtchiều kích thích nối tiếp, tốc

độ quay n giảm rất nhanh khi Mtăng Và khi mất tải (M=0, I=0)thì n có trị số rất lớn Vì vậythờng chỉ cho phép động cơlàm việc với tải tối thiều P2=(0,2

 0,25)Pđm Từ dạng đặc tínhcơ ta cũng có nhận xét là đặc tính cơ của động cơ kích thích nốitiếp rất mềm  động cơ nối tiếp rất u việt trong những nơi cần

mở máy nặng nề và cần tốc độ thay đổi trong một vùng rộng

c Động cơ điện kích thích hỗn hợp

Loại này đợc chế tạo gồm hai cuộn dây nối tiếp và song song.Tác dụng của dây quấn kích thích song song và nối tiếp bù nhauhoặc ngợc nhau Trên thực tế ngời ta chỉ sử dụng loại kích thíchhỗn hợp bù vì động cơ ngợc không đảm bảo đợc điều kiện làmviệc ổn định Động cơ kích thích hỗn hợp bù có đặc tính cơ mangtính chất trung gian giữa hai loại kích thich song song và nối tiếp.Khi tải tăng thì từ thông tăng, do đó đặc tính cơ của động cơkích thích hỗn hợp bù mềm hơn so với đặc tính cơ của động cơkích thích song song Tuy nhiên mức độ tăng của từ thông khôngmạnh nh ở động cơ kích thích nối tiếp cho nên đặc tính cơ của

động cơ điện kích thích hỗn hợp bù cứng hơn so với đặc tính cơcủa động cơ kích thích nối tiếp

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thíchnối tiếp đợc điều chỉnh nh ở trờng hợp động cơ kích thích songsong; dù rằng về nguyên tắc có thể áp dụng những phơng pháp

điều chỉnh tốc độ dùng cho động cơ kích thích nối tiếp

Từ những tính chất của từng loại động cơ nh đã trình bày ở trên, sosánh với đặc tính tải và những yêu cầu của truyền động trong lĩnh vựcgiao thông ta thấy rằng loại động cơ kích thích nối tiếp và kích thíchhỗn hợp kiều bù là đáp ứng đợc những yêu cầu về truyền động Ta có thểnêu u điểm của hai loại động cơ này so với động cơ kích thích độc lậphoặc song song đứng trên quan điểm xét sự phù hợp với đặc tính tải:+ Đặc tính cơ mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải Điều này rấtthích hợp trong giao thông có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải.

+ Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt hơn.Nhờ vậy cho phép làm việc ở môi trờng kéo tải nặng nề

+ Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng phần ứng I nênkhả năng chịu tải của động cơ không chịu ảnh hởng của sụt áp lới điệnnên rất thích hợp cho những truyền động dùng trong nghành giao thông

có đờng dây cung cấp điện đi kèm theo tải

Thực tế trong lĩnh vực này động cơ kích thích nối tiếp đợc sử dụng.Tuy nhiên ngời ta cũng dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nó chophép thực hiện hãm tái sinh năng lợng mà vẫn đảm bảo tốt các yêu cầutruyền động

4 Các ph ơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kéo tải trong giaothông có thể dùng phơng pháp điện kết hợp cả phơng pháp cơ qua cơcấu bánh răng để tăng dải điều chỉnh Điều chỉnh bằng phơng pháp

điện càng tốt bao nhiêu càng giảm độ phức tạp & cồng kềnh của cơ cấucơ khí bấy nhiêu

Thực tế tồn tại hai phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ mộtchiều:

 Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ; tức là thay đổi U

 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ ; tức là thay đổi từthông 

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi  có thể thay

đổi đợc liên tục & giữ đợc hiệu suất của động cơ là không đổi vì sự

điều chỉnh dựa trên việc tác dụng lên mạch kích thích có công suất nhỏ

so với công suất động cơ Nhng do bình thờng động cơ làm việc ở chế

độ định mức, ứng với kích thích tối đa (=đm=max), nên chỉ có thể

điều chỉnh theo hớng giảm từ thông; tức là điều chỉnh tốc độ trong vùngtrên tốc độ & giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơkhí và đảo chiều quay nên phơng pháp này không thích hợp trong trờnghợp động cơ kéo tải giao thông

Phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ chỉ cho phép

điều chỉnh tốc độ quay dới tốc độ định mức vì không thể nâng cao

điện áp lên trên Uđm của động cơ Phơng pháp này cho phép điều chỉnhtriệt để vì có những u điểm sau:

+ Hiệu suất điều chỉnh cao

+ Không có tổn hao trong máy điện khi điều chỉnh

+ Việc thay đổi điện áp phần ứng, cụ thể là giảm U  mômenngắn mạch Mnm giảm, dòng ngắn mạch Inm giảm; điều này rất có ý nghĩatrong lúc khởi động động cơ

+ Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen

là nh nhau

+ Điều chỉnh trơn trong toàn bộ giải điều chỉnh

Tuy vậy, phơng pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao, và đòihỏi phải có nguồn điện áp điều chỉnh đợc

Từ những phân tích trên ta thấy việc chọn phơng pháp điều chỉnh

điện áp phần ứng là thích hợp cho động cơ kéo tải giao thông Mặc dù,dải điều chỉnh chỉ cho phép thấp hơn tốc độ định mức nh ta có thể

mở rộng dải điều chỉnh nhờ kết hợp với cơ cấu cơ khí nh đã đề cập ởtrên

5 Giới thiệu nguyên lý chung của bộ biến đổi điện áp một chiều

Nh ở trên đã đề cập, phơng pháp điều chỉnh điện áp đợc lựa chọntrong điều chỉnh tốc độ động cơ Thực tế, để thay đổi điện áp phầnứng động cơ ô-tô ngời ta có thể thay đổi góc mở chậm  nếu dùng bộbiến đổi là hệ thống chỉnh lu, hoặc thay đổi tần số băm trong trờnghợp bộ biến đổi là bộ băm xung áp một chiều

Việc sử dụng hệ thống chỉnh lu tiristor - động cơ chỉ ứng dụngtrong trờng hợp tải của nó là loại động cơ công suất lớn, sử dụng sơ đồchỉnh lu tiristor – động cơ một chiều luôn đi kèm theo việc đa thêm bộlọc kồng kềnh nên chỉ khả dụng cho truyền động đầu máy tầu điện kéotải lớn

Với loại động cơ công suất nhỏ thì việc dùng bộ băm xung áp mộtchiều là phù hợp Vì thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao (theotính toán là xấp xỉ bằng 1); ít nhạy cảm với nhiệt độ và điều kiện môi tr-ờng vì tham số điều kiển là thời gian đóng mở; đặc biệt là có kích thớcnhỏ gọn (tính cả lọc), nên rất phù hợp với ôtô điện

Sau đây giới thiệu nguyên lý chung của bộ băm xung, đồng thờiphân tích khái lợc về các yếu tố ảnh hởng đến chế độ làm việc của bộbăm xung - áp cũng nh vấn đề lựa chọn thiết bị đáp ứng đợc các yêu cầu

về chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế

Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc nh một công tác tơ tĩnh (K)

đóng mở liên tục 1 cách chu kì Nhờ vậy mà biến đổi đợc điện áp mộtchiều không đổi E thành các xung điện áp một chiều Utb có trị số cóthể điều chỉnh đợc Điện áp Utb này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làmthay đổi tốc độ động cơ ô tô

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<Utb<E

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E<Utb<0

Trong sơ đồ trên L,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện

áp tải thực tế là không đổi ,mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng caochất lợng điều chỉnh

Điện áp trên tải thu đợc phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K.Trongkhi đó các hạn chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện ápmột chiều quyết định giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi Để tránhcác sóng không mong muốn và từ đấy tránh đợc Momen đập mạch thìtần số phải lớn hơn một mức nào đó Tần số đóng cắt càng nhanh thìcàng giảm đợc kích thớc của bộ lọc ,nhng nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vôtuyến Vì vậy phải cân nhắc để lựa chọn đợc bộ biến đổi làm việc ởdải tần thích hợp( dới 1KHz) Thực tế thờng dùng tần số băm khoảng 400Hz

Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý đợc thay bằng khoá điện tử cụthể là Tiristor hoặc Transistor(Công suất hoặc MOS).

Dùng Tiristor có u điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn rẻtiền,tổn hao khi dẫn nhỏ nhng có nhợc điểm là mở chậm nên chỉ sử dụngrộng rãi ở tần số đóng mở thấp (dới 500Hz)

Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn100KHz

Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 20->100Khz,có giá thành

rẻ hơn,tổn hao ít hơn MOS

Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằngTiristor,nhng Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơnTransistor Vì vậy ở những môi trờng làm việc nặng nề việc sử dụngTransistor là hạn chế

Việc sử dụng loại linh kiện nào dùng trong bộ biến đổi trong thực

tế là dựa vào khả năng kinh tế kỹ thuật và trong nhiều trờng hợp thì việclựa chọn không rõ ràng

Ngoài sự ảnh hởng của các thông số kỹ thuật là tần số đóng cắt, giớihạn về các linh kiện thì chất lợng điều chỉnh tốc độ ôtô còn phụ thuộcvào cả cơ cấu điều chỉnh là kín hay hở Dùng sơ đồ điều chỉnh kín (cóvòng phản hồi) sẽ tăng thêm tính ổn định tốc độ với một tần số đóngcắt nhất định, nâng cao đợc chất lợng điều chỉnh

Chơng II

Bộ băm xung áp một chiều

Nh đã giới thiệu ở chơng trớc, bộ băm xung áp một chiều có nhiều u

điểm trong truyền động giao thông Bộ băm xung áp biến đổi đợc điện

áp một chiều từ 0 đến giá trị điện áp nguồn US một cách trơn liên tục.Phần trên cũng đã đề cập tới nguyên lý chung của bộ biến điện áp mộtchiều, ở chơng này ta đi chi tiết giới thiệu tổng quan nguyên lý điềuchỉnh, các phơng pháp điều chỉnh và một số sơ đồ băm xung áp thựctế

Ura là một dãy xung vuông (lý tởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2 Điện

áp ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung Nguyên lý cơ bản của các

bộ biến đổi này là điều khiền các phần tử công suất bằng phơng phápxung Để có hiệu suất lớn thì điện áp sụt trên các phần tử công suất ởtrạng thái mở phải nhỏ, dòng qua nó ở trạng thái mở rất nhỏ

II ơng pháp điều chỉnh điện áp ra Ph

Có hai phơng pháp:

 Thay đổi độ rộng xung (t1)

 Thay đổi tần số xung (T hoặc f)

1 Phơng pháp thay đổi độ rộng xung

Nội dung của phơng pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T  Giá trịtrung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:

trong đó đặt: là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ

Nh vậy theo phơng pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0

<   1)

2 Phơng pháp thay đổi tần số xung

Nội dung của phơng pháp này là thay đổi T, còn t1=const Khi đó:

Vậy Ura=US khi và Ura=0 khi f=0

Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phơng pháp trên Thực tế phơng phápbiến đổi độ rộng xung đợc dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, khôngcần thiết bị biến tần đi kèm.

+ K đóng  US đợc đặt vào đầu của bộ lọc Lý tởng thì Utải = US

(nếu bỏ qua sụt áp trên các van trong bộ biến đổi)

+ K mở  hở mạch giữa nguồn và tải, nhng vẫn có dòng Itải do năng ợng tích luỹ trong cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D, do đó Ura=Utải’ =0

l-Nh vậy, Utải tb  US Tơng ứng ta có bộ biến đổi hạ áp

2 Biến đổi tăng áp:

Sơ đồ nh sau:

Đặc điểm: L1 nối tiếp với tải, Khoá K mắc song song với tải Cuộn cảm

L1 không tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vaitrò này

+ K đóng, dòng điện từ +US qua L1  K  -US Khi đó D tắt vì trên

tụ có UC (đã đợc tích điện trớc đó)

+ K ngắt, dòng điện chạy từ +US qua L1  D  Tải Vì từ thông trong

L1 không giảm tức thời về không do đó trong L1 xuất hiện suất điện

động tự cảm eL , có cùng cực tính US Do đó tổng điện áp:U=US+eL  làm D thông  Utải=US+eL Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp

Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lợng từ nguồn US ở chế độliên tục và năng lợng truyền ra tải dới dạng xung nhọn