Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho truyền động di chuyển của xe vận chuyển tự hành

Hiện nay trong các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp, các phân xưởng hay các công trường xây dựng…Hệ thống nâng – vận chuyển đóng vai trò hết sức quan trọng.

BỘ LAO ĐỘNG -TB VÀ XÃ HỘI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Thăng Hệ đào tạo: Chính quy

Khoa: Điện

1.Tên đề tài:

“Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho truyền động di chuyển của xe vận chuyển tự hành”.

2 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

2.1 Số liệu cho ban đầu: Được lấy từ quá trình khảo sát máy

2.2 Nội dung thực hiện:

3 Ngày giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp: Ngày 8 tháng 2 năm 2011

Nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp đã được hội đồng thi tốt nghiệp của khoa thông qua

Ngày tháng 4 năm 2011

Chủ tịch hội đồng

Bảng thông số xe nâng tự hành điện tự động hiệu FEELER - Đài Loan

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang Chương I TỔNG QUAN VỀ XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH 16Hình 1.1 Xe nâng tự hành bằng tay siêu thấp 16

Hình 1.7 Kích thước và đồ thị xe nâng tự hành được truyền động bằng động

Hình 1.8 Các thiết bị cơ bản của xe nâng chuyển được truyền động bằng động

Hình 1.10 Sự phụ thuộc giữa từ thông và dòng phần ứng (cũng là dòng kích

Hình 1.12 Ảnh hưởng của mạch phần ứng tới đặc tính cơ của động cơ

Chương II LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG VÀ BỘ BIẾN ĐỔI

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điện khống chế hệ truyền động di chuyển

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động di chuyển xe nâng điều chỉnh

Hình 2.3 Đặc tính khởi động động cơ một chiều kích từ nối tiếp qua 2 cấp

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc Matlab hệ truyền động di chuyển xe nâng khởi động

Hình 2.7 Đường đặc tính tốc độ và dòng điện khi động cơ khởi động

Hình 2.8 Đường đặc tính tốc độ và dòng điện phần ứng khi động cơ

Hình 2.17 Băm xung một chiều đảo chiều, điều khiển không đối xứng luật

Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều đảo chiều

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ di chuyển xe nâng tự hành 61

Hình 5.4 Đặc tính quá độ dòng điện 67

Hình 5.7 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều tốc

Hình 5.10 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng tốc độ quay và xử

DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

Chương I TỔNG QUAN VỀ XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH 16

1.1 Giới thiệu chung 16

1.2 Cấu tạo chung – đặc điểm đặc trưng cho chế độ làm việc và yêu cầu

Chương II LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG VÀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH 30

2.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện khống chế hệ truyền động di chuyển xe

2.1.3 Mô hình toán học mô tả động học của hệ truyền động di chuyển xe

2.2.2.3 Băm xung một chiều kiểu nối tiếp - song song 42

2.2.3.1 Băm xung một chiều đảo chiều dùng phương pháp điều

Chương V XÉT ĐẶC TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay trong các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp, các phân xưởng hay cáccông trường xây dựng…Hệ thống nâng – vận chuyển đóng vai trò hết sức quan

trọng Với nhiều hình thức và phương tiện đa dạng từ thô sơ đến hiện đại như thangmáy, cầu trục, xe cẩu, xe con, băng chuyền, băng tải… đã nâng cao năng suất vậnchuyển và giảm thiểu sức lao động cho con người Xe nâng chuyển tự hành đã xuấthiện từ lâu và hiện nay nó là một trong những phương tiện vận chuyển hàng hóa rấtthuận lợi và hiệu quả Xe có thể nâng nhiều chủng loại hàng hoá khác nhau với yêucầu chất lượng nâng chuyển khá cao Đây là loại phương tiện rất linh hoạt, dichuyển nâng tải không theo một lộ trình nhất định mà do con người điều khiển, vìthế xe nâng tự hành có thể di chuyển đến những nơi mà các phương tiện vận tảikhác không thể đến được Với những ưu việt đó nên xe nâng tự hành liên tục đượccác nhà sản xuất trong nước và trên thế giới không ngừng cải tiến và nâng cấp từđặc tính kỹ thuật đến mẫu mã Tuy nhiên khi thiết kế loại phương tiện này người tađặc biệt quan tâm đến các vấn đề như sử dụng năng lượng gì, tiêu hao về nănglượng thế nào và ảnh hưởng của nó tới môi trường sống của con người Có nhiềuloại xe nâng nhưng loại xe nâng điện được đánh giá là có triển vọng tốt trong tươnglai vì nó được sử dụng nguồn năng lượng sạch và môi trường hoạt động của nó khá

đa dạng Tuy vậy nó gặp phải vấn đề là sử dụng nguồn điện từ ắc quy, có công suấtnhỏ, phải nạp điện thường xuyên, trong khi đó các hệ thống truyền động điện choloại xe này hiện nay còn sử dụng các bộ biến trở để khởi động và điều chỉnh tốc độ

xe, làm tổn thất năng lượng điện rất lớn

Việc hạn chế tối đa tổn thất năng lượng, nâng cao đặc tính kỹ thuật của hệthống, đáp ứng được yêu cầu công nghệ hiện nay là vấn đề đang được quan tâm

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, em được giao đồ án tốt ngiệp với nhiệm vụ

“Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho truyền động di chuyển của

xe nâng chuyển tự hành ”.

Nội dung đồ án được chia làm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan về xe nâng chuyển tự hành

Chương 2: Lựa chọn phương án truyền động và bộ biến đổi điện tử công suất

cho xe nâng chuyển tự hành

Chương 3: Thiết kế mạch lực

Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển

Chương 5: Xét đặc tính ổn định của hệ truyền động.

Với sự cố gắng của bản thân cùng sự hướng dẫn của các thầy cô giáo trong

bộ môn, đặc biệt là thầy giáo - Thạc sỹ Trần Duy Trinh đã trực tiếp hướng dẫn giúp

đỡ em hoàn thành đồ án này Mặc dù đã hết sức cố gắng để cuốn đồ án được hoànchỉnh, song chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy rất mong nhậnđược sự góp ý của thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

Nguyễn Văn Thăng

Chương I TỔNG QUAN VỀ XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH

1.1 Giới thiệu chung

Xe nâng tự hành là một dạng của máy nâng - vận chuyển, được dùng đểnâng và vận chuyển các loại hàng đóng kiện, hàng bao gói, có khối lượng lớn ở cácsiêu thị, phòng thí nghiệm, kho, cảng biển…Nó có thể dùng để nâng và vận chuyển

gỗ, sắt, thép, vật liệu xây dựng ở các nhà máy và công xưởng, các công trường xâydựng… Hiện nay, có rất nhiều chủng loại xe nâng tự hành, mỗi loại được sử dụngcho mục đích và công việc khác nhau trong những điều kiện môi trường thích hợp.Chính vì vậy nên cấu tạo của các loại xe nâng tự hành cũng rất đa dạng

1.1.1 Xe nâng tự hành bằng tay

Xe nâng tự hành bằng tay di chuyển và nâng hàng bằng lực của tay ngườiđiều khiển thông qua hệ thống thủy lực Tải trọng nâng không lớn, di chuyển chậm,làm việc trong phạm vi hẹp, phải cần đến sức người Loại xe nâng này được dùng ởcác phân xưởng, nhà máy sản xuất như: phân xưởng sản xuất giấy, nhà máy đường,nhà máy dệt…Loại xe này có bánh xe đơn hoặc kép bằng nhựa PU hoặc Nylon;càng nâng và kích thước càng nâng được thiết kế đa dạng, nhiều kiểu dáng phù hợpvới từng loại xe nâng chuyên biệt; chất liệu của xe được làm bằng thép rỉ sét, cósơn tĩnh điện để có thể hoạt động ở môi trường khắc nghiệt

B ng 1.1 M t s thông s k thu t c a xe nâng tảng 1.1 Một số thông số kỹ thuật của xe nâng tự ột số thông số kỹ thuật của xe nâng tự ố thông số kỹ thuật của xe nâng tự ố thông số kỹ thuật của xe nâng tự ỹ thuật của xe nâng tự ật của xe nâng tự ủa xe nâng tự ự

h nh b ng tay c a hãng CE H n Qu cành bằng tay của hãng CE Hàn Quốc ằng tay của hãng CE Hàn Quốc ủa xe nâng tự ành bằng tay của hãng CE Hàn Quốc ố thông số kỹ thuật của xe nâng tự

1150/1220 1150/1220 1150/1220 1150/1220

Chiều rộng

càng nâng

W (mm)

Đường kính

bánh trước

A (mm)

7470/8270 7470/8270 7470/8270 7470/8270

Đường kính

bánh sau

B (mm)

1.1.2 Xe nâng truyền động bằng động cơ diezel

Xe nâng loại này phục vụ cho nâng - vận chuyển ở ngoài trời như cảng biển,công trình xây dựng, sân bay…có khả năng nâng với tải trọng lớn Kết cấu của xe

Bánh xe

Càng nângTay nâng

Hình 1.2 Xe nâng tự hành bằng tay cao

tương đối chắc chắn, có đầy đủ chức năng gần như của ô tô như động cơ truyềnđộng chính cho xe Hệ thống khởi động xe bằng nguồn một chiều từ ắc quy-Điamô, có vô lăng điều khiển, có hệ thống phanh hãm đảm bảo hãm dừng êm, cócác tín hiệu còi, đèn chiếu sáng, xe chạy bằng bánh lốp.

Tuy nhiên với loại xe nâng tự hành này nếu hoạt động ở những nơi như: Siêuthị, khách sạn, phòng thí nghiệm, thư viện, kho lưu trữ sẽ rất không phù hợp bởigây tiếng ồn lớn, đặc biệt là làm ô nhiễm môi trường do khí đốt từ động cơ diezelthải ra Điều này làm hạn chế phạm vi hoạt động của xe

Hình 1.3 Xe nâng tự hành được truyền động bằng động cơ Diezel

Khung nâng

còn được sử dụng ở những nơi có nguồn điện dồi dào mà nguồn xăng dầu bị hạnchế nhất là hiện nay xăng, dầu không ngừng tăng giá do biến động thị trường trênthế giới và sự cạn kiệt của nguồn năng lượng tự nhiên Việc chuyển từ sử dụngnguồn năng lượng tự nhiên sang nguồn năng lượng nhân tạo là một xu thế cấp báchhiện nay và đã được nhiều tổ chức, nhiều quốc gia trên thế giới đưa vào chươngtrình chiến lược của thế kỷ mới.

Xe nâng tự hành điện được truyền động bằng động cơ một chiều kích từ nốitiếp Nguồn năng lượng chính cấp cho xe di chuyển và nâng hạ được lấy từ nguồnđiện một chiều nạp sẵn trong ắc quy Loại xe này có thể thực hiện nâng tải trọng từ

2 – 5 tấn Thường sử dụng nguồn ắc quy có điện áp từ 24V đến 110V Xe nângbằng điện có loại bán tự động tức là chỉ thực hiện truyền động nâng hoặc chỉ thựchiện truyền động cho xe chạy nhằm hạn chế tổn hao năng lượng

Ưu điểm của loại động cơ này là có thể giải quyết được những hạn chế của

xe truyền động bằng động cơ diezel đó là ít gây tiếng ồn, ít gây ô nhiễm môitrường, rất phù hợp với môi trường làm việc trong nhà Một vấn đề rất quan trọngnữa là nó sử dụng nguồn năng lượng nhân tạo rất có triển vọng, trong tương lainguồn năng lượng này sẽ dồi dào hơn

Một số xe nâng chuyển tự hành bằng điện sử dụng động cơ điện truyềnđộng:

Xe nâng điện bán tự động:

Nguồn điện một chiều từ ắc quy được cấp cho động cơ, động cơ được dùng

để nâng, không có động cơ dùng để di chuyển xe Tải trọng nâng từ 100 Kg đến vàitấn, tải trọng xe từ 396 Kg đến 475 Kg

Xe nâng tự hành điện tự động:

- Xe nâng điện tự động Đài Loan:

Model FB20 – 3s/4,5M; Tải trọng nâng 2 tấn;

Chiều cao nâng cao nhất 4,5m;

Sử dụng ắc quy tiêu chuẩn 48V- 550A;

Công suất động cơ nâng 7,5 Kw;

Kiểu lốp hơi; Có hệ thống thủy lực

Hình 1.5 Xe nâng điện tự động Đài Loan

- Xe nâng điện tự động hiệu FEELER Đài Loan

Bảng 1.2 Một số thông số kỹ thuật của xe nâng chuyển bằng điện hiệu FEELER - Đài Loan

Hình 1.4 Xe nâng điện bán tự động

Càng nâng

Ắc quy24v ÷ 72vXích kéo

Model FEELER FEELER FEELER

Chiều cao nâng thấp nhất H1(mm) 3000-6000

(option)

3000-6000 (option)

3000-6000 (option) Chiều cao cabin xe H3(mm) 2130 2180 2180Chiều dài xe L2(mm) 1150/1220 1150/1220 1150/1220

Vô lăng điều khiển

Hình 1.6 Xe nâng tự hành được truyền động bằng động cơ một chiều KTNT

Hình 1.7 Kích thước và đồ thị xe nâng tự hành được

truyền động bằng động cơ một chiều KTNT

Xích kéo

Động cơ di chuyển xe

Ắc quy

Động cơ chạy

xe nâng

Động cơ nâng

Hình 1.8 Các thiết bị cơ bản của xe nâng - chuyển

được truyền động bằng động cơ một chiều KTNT

1.2 Cấu tạo chung – đặc điểm đặc trưng cho chế độ làm việc và yêu cầu cơ bản của xe nâng tự hành.

Xe nâng tự hành thường được hoạt động, trang bị trong các nhà xưởng, nhàmáy hoặc để ở ngoài trời Môi trường làm việc của xe rất nặng nề, đặc biệt là ngoàihải cảng, các nhà máy hóa chất, các xí nghiệp luyện kim Các khí cụ, các thiết bịtrong hệ thống truyền động và trang bị điện cho các xe nâng tự hành phải tin cậytrong mọi điều kiện khắc nghiệt của môi trường, nhằm nâng cao năng suất, an toànvận hành và nâng chuyển

Điều kiện làm việc của xe nâng tự hành tương tự như các máy nâng vậnchuyển thông thường Tải trọng của xe nâng tự hành dùng trong công nghiệp vàtrong các công trình xây dựng có thể nâng tải trọng từ 3 - 15 tấn, hiện nay có loại

có thể nâng tới 40 tấn Chiều cao nâng từ 3 - 7,5 m có khi đến 15 - 20 m Tốc độnâng từ 0,12 - 0,16m/s

1.2.1 Cấu tạo chung

Xe nâng tự hành có 2 bộ phận chính : Bộ phận chuyển động và bộ phận nânghàng Bộ phận chuyển động tùy vào từng kết cấu của xe như xe truyền động bằngtay, xe truyền động bằng động cơ diezel, xe truyền động bằng động cơ kích từ nốitiếp Xe bán tự động hoặc xe tự động không có cầu khác với xe có cầu, tuy nhiên

bộ phận chuyển động có các bộ phận chính sau: Động cơ, ắc quy, hộp số, cầu sau,các bánh xe trước, bánh xe sau, hệ thống điều khiển, hệ thống đèn và tín hiệu báo.Động cơ, ắc quy của xe nâng tự hành có trọng lượng lớn nên thường được bố tríphía sau xe, còn càng nâng và trụ nâng nằm phía trước nhằm cân bằng cho xe khi

xe nâng tải

Bộ phận nâng hàng gồm: khung chính và khung phụ, bàn trượt được trượttrên khung phụ Khung chính đứng yên, khung phụ được trượt trong khung chính.Trên bàn trượt được gắn 2 càng nâng hình chữ L dùng để nâng và chuyển hàng.Ngoài ra còn có khung xe để gắn liền hai bộ phận chuyển động và bộ phận nânghàng Để giảm bớt chiều dài của càng nâng người ta làm cho khung chính nghiêng

về sau khoảng 10 Để hạ thấp càng nâng xuống đất khi cần lấy hàng, người ta làmcho khung chính có thể nghiêng ra phía trước khoảng 3 Ở bộ phận nâng hạ có một

xi lanh thủy lực được đặt ở giữa thanh ngang của khung chính Một đầu cố địnhcòn đầu kia (cần pittông) được nối với thanh ngang trên khung phụ Ngoài ra có đĩaxích được treo vào đầu trên của khung phụ nên truyền động từ động cơ qua hệthống thủy lực đến xích và đĩa xích làm cho càng nâng nâng, hạ lên xuống Hiệnnay xe nâng tự hành có cấu tạo hình dáng khá đa dạng phụ thuộc vào từng hãng,từng nước sản xuất.

1.2.2 Đặc diểm đặc trưng cho chế độ làm việc của xe nâng tự hành

Một số đặc điểm đặc trưng cho chế độ làm việc của xe:

Tải trọng không cố định, động cơ truyền động cho xe có mômen thay đổitheo tải trọng rất rõ rệt

Trong hệ truyền động, các cơ cấu của xe nâng yêu cầu quá trình tăng tốc vàgiảm tốc xảy ra phải êm, đặc biệt là đối với các loại xe dùng để vận chuyển hànghóa trong các phòng thí nghiệm, siêu thị…Bởi vậy mô men động trong quá trìnhquá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kỹ thuật an toàn

Năng suất của xe nâng quyết định bởi 2 yếu tố: Tải trọng của thiết bị và sốchu kỳ nâng trong một giờ Số lượng hàng hóa để nâng trong một chu kỳ khôngnhư nhau và nhỏ hơn trọng tải định mức cho nên phụ tải đối với động cơ nâng cũngnhư động cơ di chuyển xe chỉ đạt từ 60 – 70 công suất định mức của động cơ

Điều kiện làm việc của xe thường là ở trong chế độ quá tải nên xe được chếtạo với độ bền cơ khí cao, các thiết bị điện làm việc có khả năng quá tải lớn

Xe nâng hoạt động không cố định, không theo một quy luật nào mà phụthuộc vào người vận hành Yêu cầu có độ linh hoạt cao trong di chuyển Vì thế việctrang bị điện cho hệ truyền động xe nâng phải được độc lập với các hệ truyền độngxung quanh Thường truyền động cho xe là động cơ xăng, động cơ diezel, động cơđiện một chiều Đối với xe truyền động bằng động cơ đốt trong chỉ dùng hoạt động

ở điều kiện ngoài trời vì nó gây tiếng ồn, tổn hao nhiều nhiên liệu xăng dầu, đặcbiệt là nó thải khí gây ô nhiễm môi trường Điều này không thích hợp cho xe nânghoạt động ở các siêu thị, thư viện, phòng thí nghiệm, khách sạn… Chính vì thếngười ta thay thế động cơ đốt trong bằng động cơ điện để truyền động cho xe nâng,cải thiện nhược điểm của động cơ đốt trong Tuy nhiên nguồn năng lượng để cấp

cho động cơ phải là nguồn năng lượng độc lập – từ nguồn điện ắc quy Nguồn điệnnày cần có thiết bị lưu trữ độc lập, có công suất không lớn nên phải nạp điệnthường xuyên trong một thời gian nhất định Một vấn đề đặt ra hiện nay đối với hệthống truyền động điện cho xe nâng là làm thế nào để một lượng công suất điệnnhất định có thể chạy xe nâng với quảng đường dài nhất và có thể nâng được nhiềuhàng nhất.

Truyền động điện cho xe nâng hiện nay sử dụng phổ biến là hệ truyền độngđộng cơ đốt trong và hệ truyền động động cơ một chiều, đặc biệt là động cơ mộtchiều kích từ nối tiếp vì có tính kinh tế cao, ít ô nhiễm, phù hợp đặc tính khởi động

và đặc tính điều chỉnh

Để đáp ứng yêu cầu an toàn, độ tin cậy khi làm việc dài hạn của hệ truyềnđộng điện xe nâng, nâng cao tuổi thọ của các khí cụ điều khiển nên dùng các khí cụphi tiếp điểm thay cho các khí cụ tiếp điểm (rơ le, công tắc tơ) Các khí cụ phi tiếpđiểm đó có thể là các phần tử điện từ, điện tử và bán dẫn

Những năm gần đây do sự phát triển nhanh của kỹ thuật bán dẫn, kỹ thuậtbiến đổi điện năng công suất lớn, các hệ truyền động cho máy vận chuyển nóichung và cho xe tự hành nói riêng đã có ứng dụng với các bộ biến đổi khác nhauthay thế cho các hệ cổ điển như điều chỉnh bằng điện trở, máy khuếch đại, máykhuếch đại từ…Vì có những ưu điểm vượt trội: Quán tính nhỏ, độ nhạy cao, kíchthước và trọng lượng bé hơn và đặc biệt đối với xe nâng có thể giảm 35 điệnnăng tiêu thụ so với hệ truyền động bằng điện trở cổ điển, cho phép chế tạo những

hệ truyền động có các chỉ tiêu kinh tế cao

1.2.3 Những yêu cầu cơ bản của hệ truyền động cho xe nâng

- Cấu tạo của hệ điều khiển đơn giản, tổn hao năng lượng ít

- Các phần tử có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế dễ dàng

- Truyền động nâng hạ bằng động cơ một chiều thông qua hệ thống thủy lực

- Truyền động di chuyển bằng động cơ một chiều KTNT thông qua hộp giảm tốc

- Xe có khả năng ổn định tốc độ và điều chỉnh tốc độ vô cấp

- Mạch điều khiển phải có các hình thức bảo vệ quá tải, ngắn mạch

- Quá trình mở máy, hãm dừng và đảo chiều xe êm

- Điều khiển từng động cơ riêng biệt (một động cơ chạy xe nâng, một động cơnâng), xe có thể vừa di chuyển vừa nâng hàng.

Qua phân tích có thể thấy xe nâng điện tự hành sẽ được lựa chọn vì nó giảiquyết được các vấn đề về môi trường Tuy nhiên với loại xe nâng này lại gặp phảinhững vấn đề đó là nguồn năng lượng ắc quy có hạn

Xe nâng điện tự hành sử dụng động cơ điện một chiều cho truyền động, vìvậy trước hết ta khảo sát động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều KTNT

Đặc điểm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp là cuộn kích từ mắc nối tiếp vớicuộn dây phần ứng (h1.9), nên cuộn dây kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, sốvòng dây ít, chế tạo dễ dàng

Từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng phần ứng (tức là phụ thuộc vào

Trong đó : k’ – hệ số phụ thuộc vào cuộn dây kích từ của từng loại động cơ, phụthuộc vào dòng điện tải Khi mạch từ không bão hòa Iư< ( 0,8-0,9) Iđm, k’ coi như làhằng số

Hình 1.10 Sự phụ thuộc giữa từ thông và dòng phần ứng (cũng là

dòng kích từ) động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

1.3.1 Phương trình đặc tính cơ

Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều:

Trong công thức từ thông phụ thuộc vào dòng điện kích từ chính là dòng

theo đường cong từ hóa do đó để đơn giản cho việc tính toán ta tuyến tính hóa đoạn

u

I , thay vào (1.5) ta có thể tìm được phương trình đặc tính cơ

của động cơ một chiều kích từ nối tiếp:

' '

R M k k

Hình 1.11 - Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

có từ dư (dư # 0) nên khi không tải Mc  0, tốc độ động cơ lúc đó sẽ là:

du k

truyền động điện Vì vậy không được để động cơ một chiều kích từ nối tiếp làmviệc ở chế độ không tải hoặc rơi vào tình trạng không tải Không dùng động cơ mộtchiều kích từ nối tiếp với các bộ truyền đai hoặc ly hợp ma sát Thông thường, tảitối thiểu của động cơ là khoảng (10 - 20)% định mức Chỉ những động cơ công suấtrất nhỏ (vài chục Watt) mới có thể cho phép chạy không tải

1.3.3 Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ

Ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng điện phần ứng cũng là dòngđiện kích từ nên khả năng tải của động cơ hầu như không bị ảnh hưởng bởi điện áp.Phương trình đặc tính cơ  = f(M) (1.6) của động cơ điện một chiều kích từ nốitiếp cho thấy đặc tích cơ bị ảnh hưởng bởi điện trở mạch động cơ (mạch phần ứng

và cũng là mạch kích từ)

Hình 1.12 Ảnh hưởng của mạch phần ứng tới đặc tính cơ

của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

U

Qua phân tích ta thấy động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có nhiều đặcđiểm phù hợp với đặc tính cơ của loại máy nâng vận chuyển Vì vậy trong đề tài

này ta chọn loại động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp làm động cơ truyền động

di chuyển xe nâng tự hành

1.4 Tính chọn công suất động cơ truyền động cho xe nâng tự hành

Chuyển động của xe nâng tự hành là trên mặt phẳng nằm ngang nên phụ tảitĩnh đặt vào động cơ là do lực cản chuyển động gây ra, bao gồm 2 thành phầnchính: lực ma sát lăn trên đường đi (Fms) và lực ma sát trong cổ trục bánh xe (Fct)

Lực ma sát tính theo biểu thức:

b ms

R

f G G

f – hệ số ma sát lăn, cm

 ) (G G0

Nếu dời điểm đặt của lực này về vành bánh xe thì tính theo biểu thức:

b

ct ct

R

R G G

)

b ct



1000 600

 - hiệu suất của hệ truyền động;

v - tốc độ di chuyển theo phương ngang của xe

Chương II LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG VÀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH

Xe nâng chuyển tự hành có hai dạng truyền động chính: Truyền động chạy

xe và truyền động nâng hạ

Những yêu cầu cơ bản của hệ truyền động cho xe nâng là:

- Cấu tạo của hệ điều khiển đơn giản, tổn hao năng lượng ít

- Các phần tử có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế dễ dàng

- Truyền động nâng hạ bằng động cơ một chiều thông qua hệ thống thủy lực

- Truyền động di chuyển bằng động cơ một chiều kích từ nối tiếp thông qua hộpgiảm tốc

- Xe có khả năng ổn định tốc độ và điều chỉnh tốc độ vô cấp

- Mạch điều khiển phải có các hình thức bảo vệ quá tải, ngắn mạch

- Quá trình mở máy, hãm dừng và đảo chiều xe êm

- Điều khiển từng động cơ riêng biệt (một động cơ chạy xe nâng, một động cơnâng), xe có thể vừa di chuyển vừa nâng hàng.

Từ những yêu cầu cơ bản đó ta phải lựa chọn phương án truyền động phùhợp với yêu cầu công nghệ của loại xe này

Sau đây giới thiệu một số bộ biến đổi ứng dụng cho truyền động di chuyểncủa xe nâng tự hành

2.1 Hệ truyền động di chuyển xe nâng điều khiển bằng điện trở

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý

Chú thích:

M1 – Động cơ truyền động nâng tải (thông qua hệ thống thuỷ lực)

M2 – Động cơ truyền động chạy xe nâng được điều chỉnh tốc độ bằng điệntrở nối tiếp với phần ứng động cơ và được hãm bằng phanh hãm điện từ (FĐT)

từ 24  72V

FĐT – Phanh hãm điện từ

K, K1, K2, K3, K4, - Các công tăc tơ khống chế động cơ

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điện khống chế hệ truyền động di chuyển xe nâng điều khiển bằng điện trở

2.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện khống chế hệ truyền động di chuyển xe nâng điều khiển bằng điện trở

Phương trình đặc tính cơ và đặc tính khởi động động cơ một chiều kích từnối tiếp qua 2 cấp điện trở phụ:

UN = 72v K

CK§2

Động cơ nâng

Đc xe

M1

M2

Phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên:

(2.1)Phương trình đặc tính cơ điện nhân tạo:

(2.2)

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động di chuyển xe

nâng điều chỉnh tốc độ bằng điện trở mạch phần ứng

Hình 2.3 Đặc tính khởi động động cơ một chiều kích từ nối tiếp qua 2 cấp điện trở phụ

Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy hệ truyền động chạy xe nâng và điều chỉnh tốc độ

xe bằng 2 cấp điện trở phụ đấu nối tiếp với mạch phần ứng Để khởi động xe thực

điều chỉnh tốc độ cũng thực hiện đóng mở các tiếp điểm này để loại các điện trởhoặc đưa thêm các điện trở vào nối tiếp với phần ứng động cơ nhằm thay đổi tốc độđộng cơ chạy xe nâng Việc đảo chiều động cơ được thực hiện bằng cách đảo cực

dm

k

I k

tính nguồn một chiều thông qua các tiếp điểm của các công tăc tơ K1, K2 Để hãmđộng cơ chạy xe nâng ở các loại xe này thường dùng phanh hãm điện từ

2.1.3 Mô hình toán học mô tả động học của hệ truyền động di chuyển xe nâng kiểu cũ

2.1.3.1 Mô tả toán học của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ nối tiếp:

Từ sơ đồ thay thế ta đi đến việc thành lập hệ phương trình của động cơ điệnmột chiều KTNT như sau:

2.1.3.2 Phương trình toán học mô tả bộ điện trở khởi động

CKĐ M

Hình 2.5 Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

) (

.

) (

1

u

u

u u

u

u u

u

u

C u

N u

L

K

e

i K

M

i f R

L

T

M M

Lư = Ln +Ld + Lkt + Lư là điện cảm mạch phần ứng

T = L

 / R

(2.3)

Trong đó:

Rf1, Rf2 - Là điện trở phụ khởi động;

t - là thời gian khởi động ;

t1 - Là thời gian khởi động trên cấp điện trở thứ nhất;

t2 - Là thời gian khởi động trên 2 cấp điện trở

Vậy từ phương trình toán học mô tả các phần tử trên sơ đồ ta thành lập được

hệ phương trình toán học hệ cũ như sau:

Từ hệ phương trình toán học mô tả hệ truyền động điện di chuyển xe nâng tựhành điều chỉnh bằng điện trở mạch phần ứng ta có thể xây dựng sơ đồ cấu trúcMatlab của hệ:

2

2 2

1 2 1

).

(

0 ) (

.

) (

) (

.

.

t t t khi R

R R

t t khi R

R R

R

t t khi R

R R

i f

i f L

K e

i K M

i f R

L T

M M dt

d j

R

e U i

dt

di T

f ky

u

f f

kt u

KT u

u u

u u

u

u u

u u

c u

N u

u u

.4 Các đặc tính của hệ thống

Sau khi xây dựng sơ đồ cấu trúc Matlab ta tiến hành khai báo các tham sốcủa sơ đồ, các thông số của động cơ và giá trị điện trở của hệ thống đã được khảosát sau đó tiến hành chạy mô phỏng hệ thống

Ta thu được kết quả như sau:

- Đặc tính tốc độ  = f(t) và đặc tính dòng điện I = f(t) ở chế độ khởi động qua 2cấp điện trở phụ

khi động cơ khởi động qua 2 cấp điện trở phụ

- Đường đặc tính tốc độ  = f(t) và dòng điện phần ứng I = f(t) với 1 cấp điện trở

Hình 2.8 Đường đặc tính tốc độ và dòng điện phần ứng khi động cơ làm việc với cấp điện trở Rf 1 trong mach phần ứng

Nhận xét:

Qua quá trình khảo sát và qua kết quả chạy mô phỏng ta nhận thấy hệ thốngtruyền động điện chạy xe nâng điện một chiều điều khiển bằng điện trở còn cónhiều nhược điểm Từ đặc tính tốc độ và đặc tính dòng điện cho ta thấy việc điềuchỉnh tốc độ động cơ cho truyền động chạy xe là có cấp gây giật trong quá trình dichuyển Đồng thời phạm vi điều chỉnh hẹp, đặc tính điều chỉnh mềm Một vấn đềquan trọng như đã đề cập ở chương đầu là tổn hao năng lượng trên điện trở rất lớntrong khi đó nguồn điện chính cấp cho xe là nguồn được nạp và dự trữ trong ắc quylại rất có hạn Vì vậy vấn đề đặt ra ở đây cần có một phương án truyền động phùhợp với loại truyền động xe nâng tự hành chạy bằng điện này mà có thể khắc phụccác hạn chế đã phân tích trên

2.2 Bộ băm xung một chiều

Đường đặc tính  = f(t)

Đường đặc tính I = f(t)

Băm xung một chiều (BXMC) là thiết bị dùng để thay đổi điện áp một chiều

ra tải từ một nguồn điện áp một chiều cố định BXMC được ứng dụng để điều chỉnhtốc độ động cơ điện một chiều, tạo nguồn ổn áp dải rộng, vv…

2.2.1 Nguyên lý chung của băm xung một chiều

Nguyên lý cơ bản của băm xung một chiều được mô tả trên hình 2.9 Giữa

BXMC là cho van đóng cắt với quy luật:

Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ nhận được là:

E E T

t Edt T U

t

t   0  

0

0 1

(2.6)

Hình 2.9 Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC)

Trong đó:

- t0 là thời gian van Tr dẫn;

- γ là độ rộng xung điện áp chính là tham số điều chỉnh;

- T là chu kỳ đóng cắt của van

Biểu thức (2.6) cho thấy có thể điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổitham số γ Việc điều chỉnh điện áp ra bằng cách “băm” điện áp một chiều E thànhcác “xung” điện áp ở đầu ra nên thiết bị này có tên gọi là “ Băm xung một chiều -BXMC”

0

Ut

Có hai phương pháp chính cho phép thay đổi tham số γ là:

thay đổi độ rộng của xung điện áp ra tải trong quá trình điều khiển chỉnh, nên cáchnày được gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

phương pháp trên, độ rộng xung điện áp ra tải được giữ nguyên, mà chỉ thay đổi tần

số lặp lại của xung này, vì vậy được gọi là phương pháp xung - tần Phương phápnày không thuận lợi khi phải điều chỉnh điện áp trong một dải rộng, vì tần số biếnthiên nhiều sẽ làm thay đổi mạnh giá trị trở kháng khi mạch có chứa các điện cảmhoặc tụ điện nên khó tính toán thiết kế, nhất là các hệ thống điều chỉnh kín vì lúc đómạch thuộc hệ có tham số biến đổi

Ta thấy rằng khoá điện tử Tr chỉ làm việc đúng như một van bán dẫn, vì vậybăm xung một chiều có nhiều ưu điểm như:

- Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi là không đáng kể

so với các bộ biến đổi liên tục do tổn hao ở van bán dẫn là nhỏ

- Độ chính xác cao và ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường vì yếu

tố điều chỉnh là thời gian đóng khoá Tr mà không phải giá trị điện trởphần tử điều chỉnh như những bộ điều chỉnh liên tục kinh điển

- Kích thước gọn và nhẹ

Tuy nhiên BXMC cũng có những nhược điểm là:

- Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính điều chỉnh

- Tần số đóng cắt lớn sẽ gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh

Các bộ băm xung một chiều được phân thành BXMC không đảo chiều vàBXMC có đảo chiều dòng tải

2.2.2 Bộ băm xung một chiều không đảo chiều

2.2.2.1 Bộ băm xung một chiều nối tiếp

a) Đặc điểm

Quy luật điều khiển van Tr hoàn toàn giống nguyên lý chung đã xét, tuynhiên quá trình năng lượng xảy ra như sau:

Trong khoảng từ 0 đến t0 khi van dẫn điện, năng lượng của nguồn sẽ được

giai đoạn van Tr dẫn

Hình 2.10 a) Sơ đồ nguyên lý băm xung một chiều và b) Đồ thị tuyến tính hóa

L phóng năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước, dòng điện qua L vẫn theo chiều cũ

và chảy qua van đệm D (dòng i2), lúc này Ut = -UD ≈ 0

Tùy theo dạng tải và tham số điều chỉnh mà chế độ dòng điện tải có thể liêntục hay gián đoạn như trong thiết bị chỉnh lưu, nhưng thường mong muốn chế độdòng điện là liên tục Vì vậy trong tính toán thiết kế cũng dựa trên việc đảm bảochế độ làm việc này cho BXMC

vẫn cho quan hệ điện áp ra tải như biểu thức cơ bản (2.6):

E E T

t t

R

E E R

iti

Vì quy luật dòng điện biến thiên dạng hàm số mũ, nên tính toán chính xáccác trị số trung bình dòng qua tranzitor và điôt sẽ cho biểu thức phức tạp không tiện

sử dụng Vì vậy thường dùng phương pháp đơn giản hóa bằng cách coi dòng điệnbiến thiên tuyến tính như hình 2.10b

5 , 0 2

) (

1 1

min max 0

min max 0

1

0

I I t

I I T dt i T I

t

Tr t

1 ( 5 , 0

1

min max 0

người ta có thể xác định dòng trung bình lớn nhất chảy qua các van khi làm việc đểchọn van

2.2.2.2 Băm xung một chiều song song

Sơ đồ của BXMC loại này trên hình 2.11 Loại băm xung này thường ứngdụng cho công suất không lớn và phải có tụ lọc đầu ra tải

Quy luật điều khiển van Tr theo nguyên tắc chung: Van Tr dẫn trong khoảng

đi và như sau:

Khi van Tr dẫn, toàn bộ điện áp nguồn đực đặt vào cuộn cảm L và dòng điện

giai đoạn này điốt D khóa và tải bị cắt hẳn khỏi nguồn, do đó năng lượng cấp ra tải

là nhờ điện dung C, vì vậy tụ điện C là nhất thiết phải có ở BXMC kiểu song song

Hình 2.11 Băm xung một chiều song song

Khi van Tr bị khóa, năng lượng của cuộn kháng và của nguồn sẽ cấp ra tải

điện áp trên tải sẽ lớn hơn điện áp nguồn E Tụ C dùng để tích năng lượng và cấp

Phân tích cho thấy qui luật điện áp trên tải có dạng:

2

) 1 (

nội trở của nguồn nhỏ hơn 25% so với điện áp nguồn E Điện áp tải lớn nhất có thểđạt tới bằng:

ng

2

r 4

max

t t





Khi khóa van T chịu điện áp trên tụ C hay điện áp tải, suy ra :

UTmax = UCmax = Utmax

b Dòng trung bình qua điện cảm bằng tổng dòng qua tải và qua van Tr:

IL = ITr+ID = I t



 1

D

RtE

L Rng

Điôt khóa khi van Tr dẫn và chịu điện áp ngược là điện áp trên tụ C và do đótrị số lớn nhất tương ứng: UDngmax = UCmax = Utmax

d Tham số cuộn cảm L có thể tính toán, xuất phát từ các biểu thức sau khi coi

rng = 0:

- Điện cảm tối thiểu để đảm bảo chế độ dòng điện liên tục:

f I

E U L

t

t

.

) 1



 

e Tụ C tính gần đúng từ biểu thức sau:

f U

It C

c



 

thiết kế, nhưng thông thường lấy dưới 20% giá trị It hoặc Ut

2.2.2.3 Băm xung một chiều kiểu nối tiếp - song song

Bộ biến đổi xung áp loại loại này (hình 2.12) cho phép điều chỉnh, điện áp

Ut lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp nguồn E So với sơ đồ của BXMC kiểu song song

ta thấy vị trí của van Tr và cuộn cảm L đã đổi chỗ cho nhau

Hoạt động của mạch này như sau:

này điôt D khóa và tải chỉ nhận năng lượng từ tụ điện C mắc song song tải

duy trì dòng điện theo chiều cũ của mình sức điện động tự cảm của cuộn kháng L

cảm sẽ được phóng qua tải, tụ điện C cũng được nạp năng lượng trong giai đoạn

trên tụ điện có dấu ngược lại với hai loại BXMC đã xét, tức là điện áp Ut là âm Vànhư vậy BXMC kiểu nối tiếp - song song cho phép tạo điện áp tải âm từ một nguồndương