20
1: Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp; 2: Hộp giảm tốc; 3: Hộp điều khiển động cơ 4: Bình ắc quy 12V; 5: Phụ tải; 6: Bộ sạc ắc quy;
7: Nguồn điện xoay chiều 200-240V,50Hz; 8: Hộp tín hiệu và an tồn
9: Bộ điều khiển mô tơ trợ lực lái, mô tơ phanh khẩn cấp; 10: Hộp chìa khóa và cịi 11: Trợ lái điện; 12: Mô tơ phanh khẩn cấp; 13: Bàn đạp phanh; 14: Bàn đạp tăng tốc 15: Cảng trước tích hợp nhận biết va chạm
2.3.1. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Động cơ được sử dụng trên xe điện ZERO là mơ-tơ điện một chiều kiểu kích từ nối tiếp. Cơng suất định mức trên trục động cơ là 3.6 kW khi nguồn điện cấp cho động cơ hoạt động là nguồn điện một chiều có điện áp 72V và có thể duy trì cơng suất này trong 30 phút. Nếu vượt ngưỡng thời gian này, mô-tơ điện không đảm bảo công suất định mức vậy nên yêu cầu phải điều chỉnh thời gian hoạt động, phạm vi di chuyển phù hợp.
Cấu tạo
Mơ tơ điện một chiều kiểu kích từ nối tiếp là mơ tơ có phần cảm được mắc nối tiếp với phần ứng.
Hình 2.29. Sơ đồ mạch điện của mơ tơ điện một chiều kích từ nối tiếp[4] Cấu tạo của động cơ phần tĩnh (Stator) và phần động (Rotor).
21 Phần tĩnh gồm có:
- Cực từ chính là phần sinh ra từ trường gồm có lõi sắt và cuộn dây. Lõi sắt cực từ được làm từ các lá thép kỹ thuật hoặc thép cacbon dày từ 0,5 mm đến 41 mm được ép lại với nhau và tán chặt thành một khối, các cực từ được gắn vào vỏ máy bằng các bulông. Một cặp cực từ (đôi cực) gồm hai cực nam - bắc đặt đối xứng với nhau qua trục động cơ, tuỳ theo động cơ mà động cơ có thể có 1,2,3 hoặc nhiều hơn các máy điện nhỏ cực từ được làm bằng thép khối. Dây quấn kích từ làm bằng dây đồng có tiết diện trịn hoặc chữ nhật được sơn cách điện và được quấn thành từng cuộn. Các cuộn dây được mắc nối tiếp với nhau. Các cuộn dây được bọc cách điện cẩn thận trước khi đặt vào các cực từ.
- Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính để cải thiện tình trạng đổi chiều. Cực từ phụ được làm bằng thép khối trên đặt các cuộn dây quấn. Dây quấn cực từ phụ tương tự như dây quấn cực từ chính.
- Gơng từ là phần nối tiếp các cực từ . Đồng thời gông từ làm vỏ máy, từ thơng móc vịng qua các cuộn dây và khép kín sẽ chạy trong mạch từ. Trong máy điện lớn gông từ làm bằng thép đúc, trong các máy điện nhỏ gông từ làm bằng thép lá được uốn lại thành hình trụ trịn rồi hàn.
- Cơ cấu chổi than gồm có hai chổi than cacbon được đựng trong hộp chổi than và ln tỳ lên hai vành góp nhừ hai lị xo. Có tác dụng đưa dịng điện từ ngồi vào.
Phần động gồm có:
Hình 2.31. Rotor của mơ tơ điện một chiều kích từ nối tiếp
- Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thường được làm bằng tơn Silic dầy 0,5mm có phủ một lớp cách điện sau đó được ép lại để giảm tổn hao do dịng điện xốy Phucơ gây lên. Trên các lá thép có dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các rãnh đặt cuộn dây phần ứng vào. Lõi sắt là hình trụ trịn và được ép cứng vào với trục tạo thành một khối thống nhất. Trong các máy điện cơng suất trung bình trở lên người ta thường dập các rãnh để khi ép lại tạo thành các lỗ thơng gió làm mát cuộn dây và mạch từ.
22 - Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và có dịng điện chạy qua. Trong máy điện nhỏ dây quấn phần ứng có tiết diện trịn, với động cơ có cơng suất vừa và lớn tiết diện dây là hình chữ nhật. Khi đặt dây quấn phần ứng vào rãnh Rotor người ta phải dùng các nêm, chèn lên bề mặt của cuộn dây, các nêm này nằm trong rãnh đặt các cạnh dây quấn để tránh cho dây không bị văng ra ngoài khi dây chịu lực điện từ tác động.
- Cổ góp dùng để đổi chiều dịng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến góp bằng đồng ghép lại thành hình trụ trịn sau đó được ép chặt vào trục. Các phiến góp được cách điện với nhau bằng các tấm mạ đặt ở giữa. Đi các phiến góp nhơ cao để hàn đầu dây cuộn dây phần ứng, mỗi phiến góp có đi chỉ hàn một đầu dây và tạo thành các cuộn dây phần ứng nối tiếp nhau.
- Cánh quạt dùng để làm mát động cơ. Cánh quạt được lắp trên trục động cơ để hút gió từ ngồi qua các khe hở trên nắp máy, khi động cơ làm việc gió từ ngồi vào qua các khe hở trên nắp máy , khi động cơ làm việc gió hút vào làm nguội dây quấn, mạch từ.
- Trục máy được làm bằng loại thép cứng nhiều cacbon. Trên trục máy đặt lõi thép phần ứng và cổ góp. Hai đầu của trục máy được gối lên 2 vòng bi ở nắp máy.
Nguyên lí hoạt động
Một đầu của nguồn điện áp được kết nối với cuộn dây quấn và đầu cịn lại được kết nối với phần ứng thơng qua các chổi than. Ban đầu khi động cơ khởi động, với nguồn điện áp được kết nối với động cơ, sẽ hút một dịng điện rất lớn bởi vì cả cuộn dây quấn và phần ứng của động cơ, cả hai đều được tạo thành từ các dây dẫn lớn, cung cấp điện trở tối thiểu cho đường dẫn hiện tại. Dòng điện lớn qua cuộn dây tạo ra từ trường mạnh. Cuộn dây quấn có điện nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực điện từ (xác định theo quy tắc bàn tay trái), sinh ra mô men lớn làm quay rotor.
23 Lượng mơ men tạo ra tỷ lệ thuận với dịng điện cấp vào cho cuộn dây quấn. Vậy nên ưu điểm của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp tạo ra mơ men lớn thích hợp cho các cơng việc như kéo, tải.
2.3.2. Hộp số giảm tốc
Hình 2.33. Hộp số giảm tốc
Hộp số giảm tốc trên xe ZERO là bộ phận truyền sức mạnh từ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp đến hệ dẫn động. Hộp số giảm tốc chỉ có một cấp, tỉ số truyền của hộp số là 15.33. Ngoài ra, hộp số được trang bị cảm biến tốc độ loại điện từ, giúp xe xác định được tốc độ của xe. Tín hiệu được truyền đến bộ điều khiển động cơ.
24
2.3.3 Hộp điều khiển động cơ
Hình 2.35. Hộp điều khiển động cơ
Hộp điều khiển động cơ gồm cầu chì, cơng tắc tơ điện từ, bộ điều khiển động cơ.
Công tắc tơ điện từ
Cơng tắc tơ điện từ có dạng rơ le sử dụng trong các mạch phải sử dụng nguồn tải điện lớn, cũng như mạch điều khiển tốc độ xe điện ZERO có nguồn tải 200 Ampe. Cơng tắc tơ điện từ được sử dụng trên xe điên như một thiết bị ngắt nguồn trong những trường hợp khẩn cấp.
Cấu tạo bao gồm một cuộn dây điện từ, lò xo, cơng tắc tơ, điên trở và diode. Khi có dòng điện đi qua cuộn dây điện từ tạo ra một lực kéo ngược với lị xo để đóng cơng tắc tơ, và ngược lại khi khơng có dịng điện đi qua, khơng có lực kéo ngược lị xo, cơng tắc ngắt.
25 Diode được nối giữa 2 đầu cuộn dây nhằm ngăn chặn dòng điện cảm ứng ngược chiều được cuộn dây tạo ra khi ngắt công tắc. Điện trở được mắc giữa 2 đầu công tắc nhằm giảm thiểu dịng điện được phóng ra từ các tụ điện của mạch điều khiển khi ngắt công tắc.
Bộ điều khiển động cơ Chức năng
Về cơ bản, bộ điều khiển động cơ có chức chính là điều chỉnh tốc độ và hướng của động cơ điện bằng cách điều khiển điện áp. Ngồi ra, cịn có những chức năng an tồn khác như:
- Cung cấp nguồn điện khởi động, giúp bảo vệ động cơ điện không bị hư hại do mô men lớn do công tắc khơng được điều khiển
- Chỉ đảo ngược dịng điện khi động cơ điện dừng hẳn
- Bảo vệ bộ điều khiển động cơ, động cơ điện phòng trường hợp lắp đặt sai ở các cực đầu vào và đầu ra hoặc các lỗi ở do đứt dây tín hiệu gửi vào
- Tăng tốc, giảm tốc mượt mà
- Giới hạn tốc độ tối đa dựa vào cảm biến tốc độ, giới hạn dịng điện
Ngun lí hoạt động
Để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện, bộ điều khiển động cơ thực hiện băm phương pháp điều xung PWM.
Hình 2.37. Xung PWM
Đại lượng đặc trưng cho 1 xung PWM bao gồm tần số là số dao động trong một thời gian nhất định và chu kì làm việc là tỉ lệ phần trăm giữa thời gian của mức cao của dao động với chu kỳ của dao động. Dao động được các định từ trạng thái bắt đầu và kết thúc ngay trước khi trang thái bắt đầu được lặp lại.
26 Hình 2.38. Điều xung PWM
Phương pháp điều xung PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổi chu kì làm việc của chuỗi xung vng. Các xung PWM khi biến đổi thì có cùng tần số và khác nhau về chu kì làm việc. Phương pháp điều xung ngoài thay đổi tốc độ động cơ điện, ngoài ra còn dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ điện, tần số điều xung PWM càng cao thì động cơ điện hoạt động càng mượt mà, ổn định. Tần số điều xung thường sử dụng trong điều khiển tốc độ động cơ điện dòng thấp lý tưởng là 20 kHz. Điện áp đầu ra trung bình tỉ lệ với chu kì làm việc. Ví dụ, nếu như điện áp cấp vào là 72V, khi điều xung PWM nếu chu kì làm việc là 50% thì tương ứng với điện áp đầu ra trung bình là 36V.
Hình 2.39. Mạch điều xung PWM bằng MOSFET
MOSFET công suất được sử dụng trong bộ điều khiển động cơ của xe ZERO dùng để điều xung. Động cơ điện sẽ có một đầu vào nối với dương nguồn, đầu ra cuối cùng sẽ
27 nối với âm nguồn thông qua MOSFET A tương ứng như các cơng tắc đóng mở với chức năng để điều xung PWM. Khi MOSFET A mở, dòng điện sẽ đi chiều mũi tên A từ dương nguồn qua động cơ điện qua MOSFET A rồi về âm nguồn. Ngay khi MOSFET A ngắt, các cuộn dây trong động cơ điện sinh ra dòng điện tự cảm khá lớn do dòng điện đột ngột về khơng, dịng diện cảm ứng cần tiếp tục được di chuyển. Lúc đó, MOSFET B mở, dịng điện tự cảm đi từ cực âm của động cơ điện qua MOSFET B thông qua diode tự do bên trong sẽ về lại cực dương của động cơ điện theo chiều mũi tên B, giúp triệt tiêu chúng. Nếu khơng có MOSFET B thì tại cực âm của động cơ điện sẽ xảy ra hiện tượng tích tụ điện lượng, tăng vọt điện áp, xuất hiện tia lửa điện và làm hỏng MOSFET A và dòng điện tự cảm ngược chiều về nguồn dương, gây hư hại cho động cơ điện và bộ điều khiển động cơ điện.
Ngoài ra, khi ngắt MOSFET A đột ngột, khơng gây gián đoạn dịng điện từ động cơ điện mà còn gây gián đoạn lên dòng điện chạy từ cực dương của nguồn. Các dây dẫn từ nguồn và nguồn cũng xuất hiện dòng điện tự cảm gây hiện tượng tăng vọt điện áp. Để giải quyết vấn đề này, ta lắp các tụ điện trong mạch để hấp thụ hầu hết hiện tượng tăng vọt điện áp. Khi MOSFET A dẫn điện lại, dòng điện yêu cầu phải nhanh, các tụ điện sẽ cung cấp thêm dòng điện trong khi dòng điện từ nguồn đang thiết lập lại. Việc lắp số lượng tụ điện phụ thuộc vào cường độ, điện áp dòng điện và độ dài của dây dẫn vì dây dẫn càng dài, độ tự cảm càng lớn.
Hình 2.40. Mạch cầu H cho động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Dựa vào Hình 2.40, mạch cầu H gồm bốn MOSFET công suất. Giả sử theo chiều quay cùng chiều kim đồng hồ của động cơ điện, dòng điện chạy theo chiều của mũi tên A từ dương nguồn đến qua phần tĩnh của động cơ điện rồi qua MOSFET 1, qua phần ứng của động cơ điện rồi qua MOSFET 3 rồi về âm nguồn. Theo chiều quay ngược chiều kim đồng
28 hồ của động cơ điện, dòng điện chạy theo chiều của mũi tên C từ dương nguồn đến qua phần tĩnh của động cơ điện rồi qua MOSFET 2, qua phần ứng của động cơ điện rồi qua MOSFET 4 rồi về âm nguồn.
Trong mạch cầu H, MOSFET 3 và MOSFET 4 có chức năng giống như MOSFET A đùng để điều xung PWM, MOSFET 1 và MOSFET 2 có chức năng đóng ngắt dịng điện tùy vịng chiều quay của động cơ điện và đóng vai trị như MOSFET B để triệt tiêu các dòng điện ngược chiều khi điều xung PWM. Từ đó, khi động cơ điện quay theo chiều kim đồng hồ, MOSFET 1 luôn dẫn điện, MOSFET 2 ngắt điện, MOSFET 4 ngắt điện và MOSFET 3 điều xung PWM. Khi điều xung, khi MOSFET 3 dẫn điện, MOSFET 2 ngắt điện và khi MOSFET 3 ngắt điện thì phần ứng sẽ sinh ra dòng điện tự cảm, dòng điện tự cảm của động cơ điện cần được tiếp tục di chuyển, MOSFET 2 mở, cho dòng điện tự cảm đi qua MOSFET 2 qua MOSFET 1 về lại phần ứng theo chiều mũi tên B, giúp triệt tiêu chúng. Ngược lại tương ứng khi động cơ quay ngược chiều kim đồng, MOSFET 2 luôn mở, MOSFET 4 điều xung PWM, MOSFET 3 luôn ngắt và MOSFET 1 mở ngắt dựa vào MOSFET 2 để triệt tiêu dòng điện ngược chiều tương ứng chiều mũi tên C và D.
Cầu chì
Cầu chì là một phần tử hay thiết bị bảo vệ mạch điện bằng cách làm đứt mạch điện. Cầu chì thực hiện theo nguyên lý tự chảy hoặc uốn cong để tách ra khỏi mạch điện khi cường độ dòng điện trong mạch tăng đột biến. Để làm được điều này, điện trở của chất liệu làm dây cầu chì cần có nhiệt độ nóng chảy, kích thước và thành phần thích hợp. Cầu chì được sử dụng nhằm phòng tránh các hiện tượng quá tải trên đường dây gây cháy, nổ. Do dòng điện điều khiển dưới 400A, nên hộp điều khiển động cơ điện sử dụng loại cầu chì 200A. Cầu chì được mắc nối tiếp dương nguồn với công tắc tơ điện từ.
29
2.3.4. Ắc quy
Cấu tạo
Xe điện ZERO sử dụng 2 nguồn pin 72V và 12V. Nguồn 72V là 6 ắc quy axit-chì 12V mắc nối tiếp, được sử dụng để cấp nguồn điện năng cho động cơ điện. Nguồn 12V là một ắc quy axit-chì 12V, được sử dụng để cấp nguồn điện năng cho hệ thống điều khiển và các phụ tải trên xe như hệ thống đèn, cịi,...
Hình 2.42. Cấu tạo bình ắc quy
Ắc quy chì - axit gồm có các bản cực bằng chì và ơ xít chì ngâm trong dung dịch acid sulfuric. Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp kim chì antimon, có nhồi các hạt hóa chất tích cực có bản chất chì (premium chì). Các hóa chất này khi được nạp đầy là diocid chì ở anod (cực dương), và chì nguyên chất ở cathod (cực âm). Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm. Chiều dài, chiều ngang, bề dày và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ắc quy. Thơng thường, các bản cực âm được đặt ở bên ngồi, do đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn bản cực dương. Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn.