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

Đồ án tốt ngiệp  Đề tài :Thiết kế biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho truyền động di chuyển xe vận chuyển tự hành Đồ án tốt ngiệp BỘ LAO ĐỘNG -TB VÀ XÃ HỘI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHSPKT VINH Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Thăng Hệ đào tạo: Chính quy Lớp: ĐHLT Điện A – K2 Ngành: Công nghệ Kỹ Thuật Điện Khoa: Điện 1.Tên đề tài: “Thiết kế biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho truyền động di chuyển xe vận chuyển tự hành” Nội dung phần thuyết minh tính toán: 2.1 Số liệu cho ban đầu: Được lấy từ trình khảo sát máy 2.2 Nội dung thực hiện: 2.2.1 Tổng quan xe vận chuyển tự hành 2.2.2 Phân tích lựa chọn phương án truyền động biến đổi điện tử công suất cho xe vận chuyển tự hành 2.2.3 Thiết kế biến đổi điện tử công suất cho truyền động di chuyển cho xe vận chuyển tự hành theo bảng số liệu 2.2.4 Xét đặc tính ổn định hệ truyền động Ngày giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp: Ngày tháng năm 2011 Trưởng môn Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) Đồ án tốt ngiệp Nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp hội đồng thi tốt nghiệp khoa thông qua Ngày tháng năm 2011 Chủ tịch hội đồng Bảng thông số xe nâng tự hành điện tự động hiệu FEELER - Đài Loan Tải trọng nâng Kg 2950 Chiều cao nâng thấp H1(m) 3- Chiều cao cabin xe H3(m) 2,13 Chiều dài xe L2(m) 1,15 - 1,22 Tốc độ xe nâng Km/h 13 - 15 Động nâng Kw 8,2 Điện áp nguồn ắc quy V 48 Động chạy xe 5Kw - 48V - 60A Đồ án tốt ngiệp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Chương I TỔNG QUAN VỀ XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH 16 Hình 1.1 Xe nâng tự hành tay siêu thấp 16 Hình 1.2 Xe nâng tự hành tay cao 17 Hình 1.3 Xe nâng tự hành truyền động động Diezel 18 Hình 1.4 Xe nâng điện bán tự động 19 Hình 1.5 Xe nâng tự hành điện tự động 19 Hình 1.6 Xe nâng tự hành điện 20 Hình 1.7 Kích thước đồ thị xe nâng tự hành truyền động động chiều kích từ nối tiếp 22 Hình 1.8 Các thiết bị xe nâng chuyển truyền động động chiều kích từ nối tiếp 22 Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý động điện chiều KTNT 26 Hình 1.10 Sự phụ thuộc từ thông dòng phần ứng (cũng dòng kích từ) động điện chiều kích từ nối tiếp 26 Hình 1.11 Đặc tính động điện chiều kích từ nối tiếp 27 Hình 1.12 Ảnh hưởng mạch phần ứng tới đặc tính động điện chiều 28 Chương II LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG VÀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH 30 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điện khống chế hệ truyền động di chuyển xe nâng điều khiển điện trở 31 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động di chuyển xe nâng điều chỉnh Đồ án tốt ngiệp tốc độ điện trở mạch phần ứng 32 Hình 2.3 Đặc tính khởi động động chiều kích từ nối tiếp qua cấp điện trở phụ 32 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý động chiều kích từ nối tiếp 33 Hình 2.5 Sơ đồ thay động điện chiều kích từ nối tiếp 33 Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc Matlab hệ truyền động di chuyển xe nâng khởi động điều chỉnh tốc độ điện trở mạch phần ứng 35 Hình 2.7 Đường đặc tính tốc độ dòng điện động khởi động qua cấp điện trở phụ 35 Hình 2.8 Đường đặc tính tốc độ dòng điện phần ứng động làm việc với cấp điện trở Rf1 mạch phần ứng 36 Hình 2.9 Nguyên lý băm xung chiều (BXMC) 37 Hình 2.10 Băm xung chiều nối tiếp 39 Hình 2.11 Băm xung chiều song song 40 Hình 2.12 Băm xung chiều nối tiếp – song song 42 Hình 2.13 Băm xung chiều đảo chiều sơ đồ cầu 44 Hình 2.14 Băm xung chiều đảo chiều, điều khiển riêng 45 Hình 2.15 Băm xung chiều đảo chiều điều khiển đối xứng 46 Hình 2.16 Băm xung chiều đảo chiều điều khiển đối xứng 47 Hình 2.17 Băm xung chiều đảo chiều, điều khiển không đối xứng luật điều khiển tạo chiều dòng điện tải dương 48 Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung chiều đảo chiều sử dụng phương pháp điều khiển không đối xứng 49 Chương III THIẾT KẾ MẠCH LỰC 50 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch BXMC nối tiếp 51 Chương IV THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 52 Hình 4.1 Nguyên lý điều khiển băm áp chiều 53 Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung chiều kiểu PWM 54 Hình 4.3 Sơ đồ tạo xung tam giác cực tính 55 Hình 4.4 Mạch so sánh hai cổng KĐTT 57 Đồ án tốt ngiệp Hình 4.5 Driver M57957L dùng cho điều khiển IGBT 59 Hình 4.6 Điện trở hạn chế dòng điều khiển 59 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động di chuyển xe nâng tự hành 61 Chương V XÉT ĐẶC TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG 61 Hình 5.1 Đặc tính băm áp chiều (dòng điện liên tục) 62 Hình 5.2 Sơ đồ khối hệ thống với khâu phản hồi 64 Hình 5.3 Sơ đồ khối hệ thống có khâu phản hồi âm tốc độ 64 Hình 5.4 Đặc tính độ dòng điện 67 Hình 5.5 Hệ điều tốc hai mạch vòng tốc độ quay dòng điện 68 Hình 5.6 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống 68 Hình 5.7 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống điều tốc hai mạch vòng 70 Hình 5.8 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động mạch vòng dòng điện 70 Hình 5.9 Mạch vòng dòng điện kín 71 Hình 5.10 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động mạch vòng tốc độ quay xử lý gần (bỏ qua nhiễu phụ tải) 72 Hình 5.19 Sơ đồ cấu trúc Matlab hệ thống 74 10 Đồ án tốt ngiệp DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT KÝ HIỆU GIẢI THÍCH BXMC Băm xung chiều Tr Tranzitor PWM Bộ điều chế độ rộng xung IGBT Tranzitor có cực điều khiển cách ly Ucđ Điện áp chủ đạo Urc Điện áp tựa cưa Uđk Điện áp điều khiển KĐTT Khuếch đại thuật toán PI Bộ điều chỉnh tích phân tỷ lệ 10 ĐC Động 11 BT Tranzitor công suất 12 KTNT Kích từ nối tiếp TT 11 Đồ án tốt ngiệp MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 15 Chương I TỔNG QUAN VỀ XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH 17 1.1 Giới thiệu chung 17 1.1.1 Xe nâng tự hành tay 17 1.1.2 Xe nâng truyền động động diezel 19 1.1.3 Xe nâng tự hành điện 20 1.2 Cấu tạo chung – đặc điểm đặc trưng cho chế độ làm việc yêu cầu xe nâng tự hành 25 1.2.1 Cấu tạo chung 25 1.2.2 Đặc diểm đặc trưng cho chế độ làm việc xe nâng tự hành 26 1.2.3 Những yêu cầu hệ truyền động cho xe nâng 27 1.3 Đặc tính động điện chiều kích từ nối tiếp 28 1.3.1 Phương trình đặc tính 28 1.3.2 Đường đặc tính 29 1.3.3 Ảnh hưởng thông số điện đặc tính 30 1.4 Tính chọn công suất động truyền động cho xe nâng tự hành 31 Chương II LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG VÀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH 32 2.1 Hệ truyền động di chuyển xe nâng điều khiển điện trở 33 2.1.1 Sơ đồ nguyên lý 33 2.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện khống chế hệ truyền động di chuyển xe nâng điều khiển điện trở 33 12 Đồ án tốt ngiệp 2.1.3 Mô hình toán học mô tả động học hệ truyền động di chuyển xe nâng kiểu cũ 35 2.1.3.1 Mô tả toán học động điện chiều kích từ nối tiếp 35 2.1.3.2 Phương trình toán học mô tả điện trở khởi động 35 2.1.4 Các đặc tính hệ thống 37 2.2 Bộ băm xung chiều 38 2.2.1 Nguyên lý chung băm xung chiều 39 2.2.2 Bộ băm xung chiều không đảo chiều 40 2.2.2.1 Bộ băm xung chiều nối tiếp 40 2.2.2.2 Băm xung chiều song song 42 2.2.2.3 Băm xung chiều kiểu nối tiếp - song song 44 2.2.3 Bộ băm xung điện áp chiều có đảo chiều 45 2.2.3.1 Băm xung chiều đảo chiều dùng phương pháp điều khiển riêng 46 2.2.3.2 Băm xung chiều đảo chiều dùng phương pháp điều khiển đối xứng 47 2.2.3.3 BXMC đảo chiều dùng phương pháp điều khiển không đối xứng 49 2.3 Lựa chọn phương án truyền động 52 Chương III THIẾT KẾ MẠCH LỰC 52 Chương IV THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 54 4.1 Nguyên lý điều khiển 54 4.2 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển 55 4.3 Chọn khâu mạch điều khiển 56 4.3.1 Phát xung chủ đạo tạo điện áp cưa 56 4.3.2 Khâu so sánh 59 4.3.3 Khâu khuếch đại xung 60 Chương V XÉT ĐẶC TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG 63 5.1 Tính ổn định hệ thống 63 5.1.1 Khảo sát chất lượng tĩnh hệ hở 64 13 Đồ án tốt ngiệp 5.1.2 Khảo sát chất lượng tĩnh hệ kín 65 5.1.3 Kiểm tra chất lượng tĩnh 68 5.2 Hiệu chỉnh hệ thống 68 5.2.1 Kiểm tra chất lượng động hệ thống 69 5.2.2.Tổng hợp mạch vòng dòng điện tốc độ 70 5.2.3 Thiết kế điều chỉnh dòng điện tốc độ quay cho hệ thống 71 5.2.3.1 Xác định hàm truyền điều chỉnh dòng điện 72 5.2.3.2 Xác định hàm truyền điều chỉnh tốc độ quay 73 5.3 Mô đặc tính hệ thống 75 KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 14 Đồ án tốt ngiệp LỜI NÓI ĐẦU Hiện nhà máy, xí nghiệp công nghiệp, phân xưởng hay công trường xây dựng…Hệ thống nâng – vận chuyển đóng vai trò quan trọng Với nhiều hình thức phương tiện đa dạng từ thô sơ đến đại thang máy, cầu trục, xe cẩu, xe con, băng chuyền, băng tải… nâng cao suất vận chuyển giảm thiểu sức lao động cho người Xe nâng chuyển tự hành xuất từ lâu phương tiện vận chuyển hàng hóa thuận lợi hiệu Xe nâng nhiều chủng loại hàng hoá khác với yêu cầu chất lượng nâng chuyển cao Đây loại phương tiện linh hoạt, di chuyển nâng tải không theo lộ trình định mà người điều khiển, xe nâng tự hành di chuyển đến nơi mà phương tiện vận tải khác đến Với ưu việt nên xe nâng tự hành liên tục nhà sản xuất nước giới không ngừng cải tiến nâng cấp từ đặc tính kỹ thuật đến mẫu mã Tuy nhiên thiết kế loại phương tiện người ta đặc biệt quan tâm đến vấn đề sử dụng lượng gì, tiêu hao lượng ảnh hưởng tới môi trường sống người Có nhiều loại xe nâng loại xe nâng điện đánh giá có triển vọng tốt tương lai sử dụng nguồn lượng môi trường hoạt động đa dạng Tuy gặp phải vấn đề sử dụng nguồn điện từ ắc quy, có công suất nhỏ, phải nạp điện thường xuyên, hệ thống truyền động điện cho loại xe sử dụng biến trở để khởi động điều chỉnh tốc độ xe, làm tổn thất lượng điện lớn 15 Đồ án tốt ngiệp Việc hạn chế tối đa tổn thất lượng, nâng cao đặc tính kỹ thuật hệ thống, đáp ứng yêu cầu công nghệ vấn đề quan tâm Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, em giao đồ án tốt ngiệp với nhiệm vụ “Thiết kế biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho truyền động di chuyển xe nâng chuyển tự hành ” Nội dung đồ án chia làm chương: Chương 1: Tổng quan xe nâng chuyển tự hành Chương 2: Lựa chọn phương án truyền động 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 hệ truyền động Với cố gắng thân hướng dẫn thầy cô giáo môn, đặc biệt thầy giáo - Thạc sỹ Trần Duy Trinh trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành đồ án Mặc dù cố gắng để đồ án hoàn chỉnh, song chắn không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận góp ý thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Nguyễn Văn Thăng 16 Đồ án tốt ngiệp Chương I TỔNG QUAN VỀ XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH 1.1 Giới thiệu chung Xe nâng tự hành dạng máy nâng - vận chuyển, dùng để nâng vận chuyển loại hàng đóng kiện, hàng bao gói, có khối lượng lớn siêu thị, phòng thí nghiệm, kho, cảng biển…Nó dùng để nâng vận chuyển gỗ, sắt, thép, vật liệu xây dựng nhà máy công xưởng, công trường xây dựng… Hiện nay, có nhiều chủng loại xe nâng tự hành, loại sử dụng cho mục đích công việc khác điều kiện môi trường thích hợp Chính nên cấu tạo loại xe nâng tự hành đa dạng 1.1.1 Xe nâng tự hành tay Xe nâng tự hành tay di chuyển nâng hàng lực tay người điều khiển thông qua hệ thống thủy lực Tải trọng nâng không lớn, di chuyển chậm, làm việc phạm vi hẹp, phải cần đến sức người Loại xe nâng dùng phân xưởng, nhà máy sản xuất như: phân xưởng sản xuất giấy, nhà máy đường, nhà máy dệt…Loại xe có bánh xe đơn kép nhựa PU Nylon; nâng kích thước nâng thiết kế đa dạng, nhiều kiểu dáng phù hợp với loại xe nâng chuyên biệt; chất liệu xe làm thép rỉ sét, có sơn tĩnh điện để hoạt động môi trường khắc nghiệt 17 Đồ án tốt ngiệp Tay nâng Bánh xe Càng nâng Hình 1.1 Xe nâng tự hành tay siêu thấp Càng nâng Tay nâng Bánh xe Hình 1.2 Xe nâng tự hành tay cao Bảng 1.1 Một số thông số kỹ thuật xe nâng tự hành tay hãng CE Hàn Quốc MODEL PT20S/L PT25S/L PT30S/L PT35S/L KG 2000 2500 3000 3500 Chiều cao H1 75/85 75/85 75/85 75/85 nâng thấp (mm) Tải trọng nâng 18 Đồ án tốt ngiệp Chiều cao H2 nâng cao (mm) 190/200 190/200 190/200 190/200 1150/1220 1150/1220 1150/1220 1150/1220 520/685 520/685 520/685 520/685 7470/8270 7470/8270 7470/8270 7470/8270 18050/20050 18050/20050 18050/20050 18050/20050 Chiều dài L nâng (mm) Chiều rộng W nâng (mm) Đường kính A bánh trước (mm) Đường kính B bánh sau (mm) 1.1.2 Xe nâng truyền động động diezel Xe nâng loại phục vụ cho nâng - vận chuyển trời cảng biển, công trình xây dựng, sân bay…có khả nâng với tải trọng lớn Kết cấu xe tương đối chắn, có đầy đủ chức gần ô tô động truyền động cho xe Hệ thống khởi động xe nguồn chiều từ ắc quyĐiamô, có vô lăng điều khiển, có hệ thống phanh hãm đảm bảo hãm dừng êm, có tín hiệu còi, đèn chiếu sáng, xe chạy bánh lốp Tuy nhiên với loại xe nâng tự hành hoạt động nơi như: Siêu thị, khách sạn, phòng thí nghiệm, thư viện, kho lưu trữ không phù hợp gây tiếng ồn lớn, đặc biệt làm ô nhiễm môi trường khí đốt từ động diezel thải Điều làm hạn chế phạm vi hoạt động xe 19 Đồ án tốt ngiệp Đèn pha + Đèn tín hiệu Vô lăng điều khiển Khung nâng Bánh lốp B¸nh lèp Càng nâng Hình 1.3 Xe nâng tự hành truyền động động Diezel 1.1.3 Xe nâng tự hành điện Xe nâng tự hành điện sử dụng phổ biến đặc biệt nơi cần yên tĩnh lao động, đảm bảo môi trường không bị ô nhiễm Ngoài sử dụng nơi có nguồn điện dồi mà nguồn xăng dầu bị hạn chế xăng, dầu không ngừng tăng giá biến động thị trường giới cạn kiệt nguồn lượng tự nhiên Việc chuyển từ sử dụng nguồn lượng tự nhiên sang nguồn lượng nhân tạo xu cấp bách nhiều tổ chức, nhiều quốc gia giới đưa vào chương trình chiến lược kỷ Xe nâng tự hành điện truyền động động chiều kích từ nối tiếp Nguồn lượng cấp cho xe di chuyển nâng hạ lấy từ nguồn điện chiều nạp sẵn ắc quy Loại xe thực nâng tải trọng từ 20 Đồ án tốt ngiệp – Thường sử dụng nguồn ắc quy có điện áp từ 24V đến 110V Xe nâng điện có loại bán tự động tức thực truyền động nâng thực truyền động cho xe chạy nhằm hạn chế tổn hao lượng Ưu điểm loại động giải hạn chế xe truyền động động diezel gây tiếng ồn, gây ô nhiễm môi trường, phù hợp với môi trường làm việc nhà Một vấn đề quan trọng sử dụng nguồn lượng nhân tạo có triển vọng, tương lai nguồn lượng dồi Một số xe nâng chuyển tự hành điện sử dụng động điện truyền động: Xe nâng điện bán tự động: Nguồn điện chiều từ ắc quy cấp cho động cơ, động dùng để nâng, động dùng để di chuyển xe Tải trọng nâng từ 100 Kg đến vài tấn, 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 tấn; Chiều cao nâng cao 4,5m; Sử dụng ắc quy tiêu chuẩn 48V- 550A; Công suất động nâng 7,5 Kw; Kiểu lốp hơi; Có hệ thống thủy lực 21 Đồ án tốt ngiệp Càng nâng Ắc quy 24v ÷ 72v Xích kéo Hình 1.4 Xe nâng điện bán tự động 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 xe nâng chuyển điện hiệu FEELER - Đài Loan 22 Đồ án tốt ngiệp Model FEELER FEELER FEELER Tải trọng nâng Kg 2950 3850 4010 Chiều cao nâng thấp H1(mm) 3000-6000 3000-6000 3000-6000 (option) (option) (option) Chiều cao cabin xe H3(mm) 2130 2180 2180 Chiều dài xe L2(mm) 1150/1220 1150/1220 1150/1220 Tốc độ xe nâng Km/h 13/15 13/15 13/15 Động chạy xe KW 6.3 6.3 Động nâng Kw 8.2 8.6 11 Điện áp nguồn ắc quy V 48 48 48 Vô lăng điều khiển Trụ nâng V«l¨ng Hộp đựng ắc quy Càng nâng Bánh Hình 1.6 Xe nâng tự hành truyền động động chiều KTNT 23 Đồ án tốt ngiệp Hình 1.7 Kích thước đồ thị xe nâng tự hành truyền động động chiều KTNT Xích kéo Ắc quy Động di chuyển xe Động chạy xe nâng Động nâng Hình 1.8 Các thiết bị xe nâng - chuyển truyền động động chiều KTNT 24 ... Chính quy Lớp: ĐHLT Điện A – K2 Ngành: Công nghệ Kỹ Thuật Điện Khoa: Điện 1.Tên đề tài: Thiết kế biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho truyền động di chuyển xe vận chuyển tự hành Nội dung phần... suất cho xe vận chuyển tự hành 2.2.3 Thiết kế biến đổi điện tử công suất cho truyền động di chuyển cho xe vận chuyển tự hành theo bảng số liệu 2.2.4 Xét đặc tính ổn định hệ truyền động Ngày giao... 1.2 Xe nâng tự hành tay cao 17 Hình 1.3 Xe nâng tự hành truyền động động Diezel 18 Hình 1.4 Xe nâng điện bán tự động 19 Hình 1.5 Xe nâng tự hành điện tự động 19 Hình 1.6 Xe nâng tự hành điện