Đồ án Thiết kế hệ thống truyền động cho xe BUS chạy điện

động cơ điện một chiều đựoc cung cấp điện thông qua hai càng tiếp xúc vói lưới 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 hướng, 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 hệ thông bao gồm từ nhận năng lượng điện từ một nguồn cố định, biến đổi năng lượng thật phù hợp để đưa vào động cơ truyền động, bên cạnh đó là hệ thống điều khiển nguồn năng lượng 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 và dài hạn cho động cơ… Về phần cơ bao gồm cơ cáu bánh răng, xích truyền, hộp số… để truyền chuyển động từ động cơ truyền động đến bánh xe, hệ thống tăng giảm tốc độ, đảo chiều chuyển động, hệ thống phanh hãm… Và còn rất nhiều các hệ thống điện cơ khác mà chúng ta không kể tới trong phạm vi của đố án này. Trong khuôn khổ đồ án này chỉ xét đến hệ thống điện từ nguồn cung cấp dến 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 được hạn chế theo yêu cầu kỹ thuật an toàn .Điều kiện làm việc của xe là thường phải chịu tải từ 60% tới 70% tải định mức và hay phải chịu quá tải nên yêu cầu về độ bền cơ khí cao,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 các khí cụ điện phi tiếp điểm thay cho các khí cụ có tiếp điểm. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền 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 phương án truyền động. Công suất động cơ được chọn sao cho đủ lớn nhằm sinh ra mô men với điều kiện thắng được các lực cản và hơn nữa phải đảm bảo hệ truyền động hoạt động được theo đúng yêu cầu công nghệ đặt ra. Ngoài việc tính chọn công suất động cơ, ta phải chọn loại động cơ sao cho thích 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 ma sát lăn trên đường và lực ma sát ở ổ trục bánh xe (F1và F2),trong đó để đơn giản có thể coi thành phần F1 là do ngoại lực tác dụng lên bánh xe khi nó chuyển động. Có thể tính F1và F2 qua các công thức sau: F1 =f.Gồ.cosa Trong đó +f : gọi là hệ số cản lăn +Gồ. : Trọng tải tổng của ôtô và bằng G0+G +G0 : Trọng tải tĩnh của xe +G : Trọng lượng của tải +a : Góc dốc mặt đường ở đây ta xét ôtô chuyển động trên mặt phẳng ngang và vì thế a =0. Vậy ta có: F1=f .Gồ = f.(G0+G) =0,02.(5.103+4.103).10=1800N F2 = Gồ..m. r/Rb m: Hệ số ma sát lăn ở ổ trục r : Bán kính ổ trục Rb:Bán kính bánh xe Từ đó ta có: 2. Lực cản không khí. Fkk = K.S.v02 =K.S(v+vg)2 + K :Hệ số cản không khí[Ns2/m4];và thường K=(0,25 á 0,4) + S :Diện tích cản chính diện + v0 :Vận tốc tương đối giữa ôtô và không khí + v :Vận tốc của ôtô +vg :Vận tốc của gió Ôtô chuyển động với tốc độ lớn nhất là 60km/h =16,67m/s và vận tốc nhỏ nhất là 5km/h =1,39m/s. Chọn vận tốc của gió là 2m/s .Lực cản của gió lớn nhất khi ôtô chuyển động với vận tốc lớn nhất. Với S=4m2 và K=0,4 ta có Fkk =K.S(v+vg)2 =0,4.4.(16,67+2)2 =557,71N 3.Tính công suất động cơ. Thực nghiệm cho ta biết hiệu suất của hệ thống truyền lực của ôtô khách là ht=0,93. Bên cạnh đó khi ôtô chuyển động trên mỗi loại đường khác nhau thì có độ bám khác nhau , trong trường hợp này ta xét xe chuyển động trên đường nhựa khô với hệ số bám đường là j =0,75. Vậy ứng với tải trọng lớn nhất , công suất động cơ cần có là: Do ôtô luôn chạy khả năng quá tải nên chọn số an toàn cho động cơ là: Kat = 1,3 Vì thế công suất động cơ được chọn là : Pđ/c=P.1,3=68,64.1,3=89,23 kw. Ta có bảng tính các lực cản ứng với vận tốc lớn nhất và nhỏ nhất như sau: Trong đó: Bảng 1. F(G0=5.103) (N) F (Gồ =9.103) (N) nb/xe (vg/phút) wb/xe (rad/giây) vmin (m/s) 1738,8 3110,24 37,91 4 vmax (m/s) 1843,4 3829,3 455 47,6 Trong đó nb/xe là tốc độ quay của bánh xe. 4 . Chọn động cơ. Trong việc chọn động cơ thì ta phải xác định được xem nó là loại động cơ nao mà ta cần : một chiều hay xoay chiều ,đồng bộ hay không đồng bộ ,kích kích từ độc lập hay kích từ nối tiếp đồng thời phải chọn được động cơ có công suất đủ lớn để đáp ứng được yêu cầu công nghệ đặt ra. Do yêu cầu công nghệ đặt ra là thiết kế cho xe buýt chạy điện ,dùng động cơ một chiều. Đây là hệ truyền động kéo vì thế ta chọn loại động cơ là động cơ một chiều kích từ nối tiếp. Việc sử dụng động cơ một chiều kích từ nối tiếp rất phổ biến trong các hệ truyền động giao thông như tầu kéo, ôtô. Đặc tính cơ của nó là lí tưởng ,mềm và có độ cứng thay đổi theo phụ tải : mô men lớn ở tốc độ thấp và tốc độ lớn khi mô men 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 được sự thay sự thay đổi của phụ tải thông qua tốc độ của động cơ. Hơn nữa động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mô men. Nhờ cuộn 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 tăng của dòng điện . Như vậy với mức độ quá dòng điện như nhau thì động cơ một chiều kích 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 ưu điểm nữa khi dùng động cơ kích từ nối tiếp là khả năng chịu tải của động cơ không bị ảnh hưởng bởi sự sụt áp của lưới điện vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng và có độ tin cậy hơn các loại động cơ một chiều khác, vì cuộn dây kích từ của nó có tiết diện lớn và điện áp giữa các vòng dây của cuộn này không đáng kể. Dựa vào công suất và loại động cơ ta chọn được động cơ P_808 của Nga có các thông số sau: + Pđm = 47kw + nđm = 720 vòng/phút + Iđm = 248 A + Uđm = 220 V + rckn = 0.02 W + wckn = 24 wckn là số vòng dây một cực của cuộn nối tiếp + f =39.6 mVb f là từ thông hữu ích của một cực + nmax =2300vòng/phút nmax là tốc độ quay cực đại cho phép + j =2 kgm2 j là mômen quán tính của phần ứng + p =2 p số đôi cực Do công suất một động cơ không đủ nên ta chọn hai động cơ giống hệt nhau và nối cứng với nhau. Việc chọn hai động cơ và nối cứng với nhau cũng có ưu điểm của nó đó là giảm được chiều cao của gầm xe và mô men quán tính giảm đi một nửa. Ngoài ra nếu chọn hai động cơ nối tiếp thì khi điện áp đặt vào phần ứng là 440V và dòng vẫn là 248A , nên khi hoạt động non tải thì tổn hao nhỏ hơn so với một máy hoạt động non tải. Bên cạnh đó việc nối hai động cơ với nhau sẽ tạo nên hệ truyền động có khả năng làm việc ổn định ở tốc độ bằng một nửa định mức 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 hao cơ ta có thể coi mô men điện từ và mô men cơ là như nhau , từ đó ta có : Từ công thức tính mô men ta có : . Vậy ta có: (W) Để công việc tính toán được dễ dàng nên ta coi hai động cơ khi được ghép cứng vói nhau tạo thành một động cơ có các thông số sau : Uđm = 440 V Iđm = 248 A Pđm = 94 kw Rư = 0.24 W Một cách gần đúng có thể xác định được điện cảm của dây cuấn phần ứng động cơ như sau: Đối với động cơ không bù thì K =5,5á 5,7 Trong trường hợp này ta chọn K = 5,6 Điện cảm của cuộn kích từ : f = Lkt.Iđm ị Vì động cơ có hai đôi cực và hai động cơ được ghép với nhau nên điện cảm của cuộn kích từ là Lkt = 0.16.p.2 = 0.64mH Xác định dải mô men cản của tải ( coi xe có 4 số tiến và 1 số lùi ) Trường hợp 1:Xe chạy với tốc độ lớn nhất và tải trọng là max. Tỉ số truyền : Ta có mô men : Vậy ta có: V vmin vmax Mc 731,6 900,7 ịw -8,7 = 0,23.M – 168,3 (1) Khi xe chạy không tải và giả thiết ở số 1 có tốc độ max là 25km/h Với tốc độ là 25km/h thì tương ứng tốc độ của bánh xe là nbxe = 190vg/ph .Từ đó ta có tỉ số truyền i = nđc/nbxe = 720/455 =1,6 Tương tự ta có bảng quan hệ sau: v vmin vmax Mc 413 70 w - 8.7 =1,17.M - 483,21 ị w = 1,17.M - 474,21 5.Đặc tính cơ của động cơ Với các thông số của động cơ đã biết ta có thể thành lập được phương trình đặc tính cơ cũng như phương 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 điện kích từ, tương ứng với đường (2) trên đồ thị .Khi đó ta có : f =C.Ikt Trong đó C là hằng số tỉ lệ *Phương trình đặc tính cơ điện: vơi kf = 5 nên ta có Phương trình đặc tính cơ : Vậy ta có: (M) Đặc tính cơ M 1246,8 1000 800 600 400 w 75,39 78,1 80 81,9 83,8 Đặc tính cơ điện I 248 200 150 100 50 w 75,39 77,6 80,1 82,6 85,1 Dải điều chỉnh: Dải điều chỉnh điện áp: Phần 3 Chọn phương 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=Uư=g.UN g - Hệ số tỷ lệ ở chế độ xác lập ta có BBĐ ĐC thay vào g=f(Uđk) ta thấy tốc độ lớn nhất bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản ứng g=1 .Vậy khi thay đổi ta có các đường cong song song g1<g0 w 0 I,M g2<g1 g0=1 và tốc độ nhỏ nhất giới hạn bởi sai số tốc độ và mômen khởi động. 2. Điều chỉnh từ thông động cơ( cách này ít dùng). ĐC Uư Rf 3. Điều chỉnh tốc độ bằng điện trở phụ từ trên thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng I , M Rf0= 0 Rf2>Rf1 0 w Rf1>Rf0 khi ta thay đổi Rf làm độ dốc đường đặc tính cơ điện thay đổi theo Cách này có nhược điểm khi càng thêm điện trở phụ khi giảm tốc độ như ý muốn 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 máy khuếch đai (KĐM). Bộ biến đổi điện từ: khuếch đại từ (KĐT) Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : chỉnh lưu Thyristor (CLT) Bộ biến đổi xung áp một chiều Thyristor và tranzitor (BBĐKA) Tương 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 lưu 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 phải rộng. 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 phanh vì vậy ta chỉ xét động cơ trong góc phần tư thứ nhất. Ta chọn loại truyền động xung áp - động cơ (XA - Đ) Nguyên lý cơ bản của xung áp - động cơ (XA - Đ) : S R L UN D Uđ/c ĐC Sơ đồ nguyên lý: Khi S đóng thì UN = Uđ/c thì dòng điện đi qua động cơ về nguồn. Do ảnh hưởng điện cảm phần ứng dòng qua động cơ tăng từ Imin tới Imax Khi S khoá thì Uư = 0, dòng qua động cơ vẫn đi theo chiều cũ và khép vòng qua điôt D khi đó do ảnh hưởng của cuộn cảm L mà dòng giảm dần từ Imax về Imin. Khoá S mở theo một chu kỳ nhất định 0 Imin Imax 0 tđ T Uư Với cách truyền động này ta có 2 sơ đồ dùng Thyristor và Tranristor D L D0 L D2 L T2 C T1 D4 D3 D1 C T1 T1 ĐC ĐC Sơ đồ dùng Thyristor Sơ đồ dùng Tranristor Do dòng định mức động cơ khá lớn và khi động cơ khởi động thì dòng rất lớn. Vậy để sử dụng trong trường hợp này ta sử dụng loại sơ đồ dùng Thyristor. Phần 4 Thiết kế mạch lực. Với phương pháp điều khiển xung áp động cơ ra có mạch lực sau: D0 Lư , Rư D L T1 C T2 ĐC Sơ đồ: C T2 T1 Nguyên lý hoạt động: trong sơ đồ trên T1 là Thyristor chính, T2 là Thyristor phụ diều khiển đóng mở điện áp của tụ vào các cực của T1 tạo ra mạch khoá cưỡng bức, cuộn dây L cần thiết để đảm bảo đúng cực tính của tụ C. Ngay cả khi nguồn một chiều được nối vào thì vẫn đảm bảo không có bất cứ dòng điện nào chạy qua cả vì cả 2 Thyristor đều đang khoá. Để mạch làm việc một cách hợp lý đầu tiên cần nạp cho tụ điện C bằng cách mồi Thyristor T2. Khi đó có mạch đơn giản sau: Dòng tải giảm theo hàm mũ từ giá trị đầu UN/RƯ . Sau một khoảng thời gian lý tưởng tụ điện C được nạp tới điện áp UN của nguồn, nhưng trong thực tế khi dòng điện tải giảm dưới mức duy trì của Thyristor thì dòng điện ngừng. D L C T1 Khi ta nối Thyristor T1 làm cho nguồn nối với tải ta có sơ đồ tương đương: 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 ngược. Tụ điện C phóng điện qua T1-L-D-C và được nạp ngược lại, lúc này tụ C đã sẵn sàng khoá 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 được đặt T1 khiến T1 bị khoá lại, điện áp trên tải bằng không. Đồng thời tụ C được nạp vào lại theo đường từ nguồn qua T2 và qua tải như giai đoạn đầu. Thời gian để điện áp trên tụ giảm đi từ giá trị ban đầu về đến giá trị 0 chính là khoảng thời gian Thyristor T1 chịu điện áp ngược tương ứng đây cũng là khoảng thời gian phục hồi cho van. Xét quá trình dòng tải liên tục: (là giai đoạn T1 được mở ). theo phương pháp toán tử Laplaxơ ta có : Điện áp trên tải : Dòng diện tải : Trong đó : t0là thời gian mở Thyristor T1. T thời gian một chu kỳ đóng mở. Trong giai đoạn khoá T1 ( từ t0 - T ) dịch trục toạ độ sang điểm t0 ta có: Dòng điện tải: Giá trị dòng tải max: Giá trị dòng cực tiểu : Độ đập mạch dòng điện: - 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=gUN. Dòng trung bình ra tải: Dòng qua Thyristor: Dòng trung bình qua điôt: Chế độ dòng điện gián đoạn: Chế độ này xuất hiện khi tải của động cơ quá nhỏ hoặc khi giai đoạn dẫn của Thyristor (t0 ) nhỏ xấp xỉ với hằng số thời gian của mạch là TƯ . Quá trình làm việc 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 khi dòng về đến 0. -Giai đoạn t1..T vì dòng điện mạch đã hoàn toàn tắt cho nên điện áp trên tải bằng điện áp phần ứng : Ut=UƯ. Vì chế độ dòng điện gián đoạn có đặc điểm là các chu kỳ không ảnh hưởng sang nhau nên để đơn giản ta dùng luật đóng ngắt mạch điện với điều kiện đầu biết trước. -Giai đoạn 0..t0 có i1(0)=0 nên dưới tác động của 2 nguồn EƯ+ và UN ta có: -Dòng điện cực đại Imax -Trong giai đoạn T1 khoá (t0..t2) dòng điện bắt đầu giảm xuống dưới tác động của nguồn Eư từ giá trị Im tới 0: Dịch trục toạ độ sang vị trí t0 để có i2(0)=Im. ta có trị số trung bình của điện áp : từ (2) được : -Dòng trung bình qua tải: Đặc tính cơ : Đặc tính cơ dạng tương tự với đặc tính của phương pháp điều chỉng tốc độ dùng biến trở phần ứng Ta cần xác định vùng gián đoạn khi điều chỉnh XA-Đ,chọn tần số đóng cắt của van f=250 Hz hay T=0,004s Dựa vào phần 2 khi xác định t1 thì biên liên tục của dòng điện trung bình tải: Để xác định coi như tuyến tính hoá đặc tính cơ,điện của động cơ kích từ nối tiếp có dạng: khi thay đổi g ta có được biên giới liên tục có dạng là hình elíp với giá trị cực tiểu Iblt= 0 ứng với w =0 (g =0) Iblt= 0 ứng với w =wmax (g =0) Ta có giá trị cực đại: I 1,6 w ứng với Mth = (KC.I)2 =111,3 Nm tại giá trị giới hạn: I w 111,3 g =1 g =0,5 Tính chọn thiết bị mạch động lực: Chọn Thyristor : Việc chọn Thyristor cần phải đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật đặt ra, thường gồm có : +Tần số làm việc thường gần tần số tối ưu + Phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ + Làm việc an toàn với Uth, Iđm Với các thông số đã biết Itmax =248 A,UN= 600 V đ ta có dòng chọn cho van: Trong đó : l: hệ số khởi động Itb =Id / 3 KLM : hệ số làm mát, KLM = (0,3 á 0,5) Như vậy Thời gian khoá thường từ 10ms á 50ms đ chọn toff = 40ms Với các thông số trên ta chọn Thyristor loại T4p2-1200 : Itb Uim DU toff Ig Ug di/dt du/dt 1200A 0,4á1,2KV 1,3V 40ms 3A 10V 150A/ms 200V/ms Chọn tụ điện: Trong một chu kì làm việc của bộ biến đổi ,tụ điện C sẽ thực hiện nạp phóng một lần, để hỗ trợ cho các Thyristor T1 và T2 trong mạch đóng mở được tin cậy và chính xác trong suốt dải điều chỉnh tốc độ động cơ,tụ C yêu cầu: + Phải đặt được điện áp ngược đủ lớn lên các Thyristor cần khoá. + Khi đã kết thúc quá trình khoá T1 hoặc mở T2 thì điện áp trên tụ chưa giảm về không mà còn tồn taị một lượng điện áp dư 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 tương ứng tụ điện C sẽ phóng đi một lượng điện áp là Ucf = 0,8.UN Khi đó DUc =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: Ls : điện cảm kí sinh do lắp ráp gây ra, khoảng 10mH 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 lượng, ta có dòng trung bình qua nó là: Hệ số an toàn là 1,2 đ ID 0=1,2.66 = 79,2 A, vậy chọn điốt D0 là loại BYX42 có Imax =12,5 A, U= 600 V. 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 F.Ta biết tương tác qua dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo ra mô men điện từ có giá trị (1) Do mô men điện từ kéo cho phần ứng quay nên các dây quấn phần ứng quét trong từ thông và trong các dây quấn cảm ứng sức điện động. (2) Với động cơ một chiều Do động cơ một chiều nối tiếp Ikt=Iư=I và quan hệ F=C.I ;C:hằng số và mô men M=K.F.I=K.C.I2 (3) Trong mạch phần ứng động cơ có ảnh hưởng của cuộn kích từ U(p)=Rư.I(p)+Rkt.Ikt(p)-Lkt.p.Ikt(p)-Lư.p.I(p)+E(p) =R.I(p)-L.p.I(p)+E(p) đặt R=Rư+Rkt L=Lkt+Lư Rút ra được (4) Tư=L/R Và phương trình chuyển động hệ thống M(p)-Mc(p)=J.p.w (5) J:mô men quán tính đưa các phần chuyền động quy đổi về trục động cơ Từ (1),(2),(3),(4),(5) xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ. w Mc M Kf I KC Từ các phương trình trên thành lập được 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 như sau Ta có Tại điểm làm việc xác lập ta có điện áp phần ứng Uo ,dòng điện tải Io,tốc độ quay wB,từ thông Fo,mô men tải MB.Các đại lượng biến thiên nhỏ xung quanh điểm làm việc DU(p),DI(p) Dw(p),DF(p),DMc(p). Động cơ kích từ nối tiếp Mạch phần ứng Uo+DU(p) = (Rư+Rkt)[Io+DI(p)]+p(Lư+Lkt)[Io+DI(p)]+K[Fo+DF(p)].[wB+Dw(p)] Fo+DF(p)=C[Io+DI(p)] Phương trình chuyển động cơ học : K[Fo+DF(p)]. [Io+DI(p)]-[MB+DMc(p)]=J.p.[wB+Dw(p)] Bỏ qua các vô cùng bé bậc cao từ các phương trình trên ta có DU(p)-[KFoDw(p)+K.wB. DF(p)]=R. DI(p).(1+Tư.p) DF(p)=C. DI(p) K.Io. DF(p)+K.FoDI(p)- DMc=J.p. Dw(p) Dw DMc Df DI DU Kf KI0 KwB Kf0 C B Sơ đồ cấu trúc được tuyến tính hoá theo các phương trình thu được như sau:2.Thiết kế hệ điều chỉnh Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần phải đảm bảo hệ thực hiện được tất cả các yêu cầu đặt ra,đó là các yêu cầu về công nghệ,các chỉ tiêu chất lượng,các yêu cầu về kinh tế. Độ ổn định và độ chính xác của hệ điều chỉnh là hai chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng nhất của hệ thống điều khiển tự động truyền động điện.Độ chính xác được đánh giá dựa trên cơ sở phân tích các sai lệch điều chỉnh, các sai lệch này phụ thuộc vào nhiều yếu tố.Sự biến thiên của các tín hiệu gây ra các sai lệch không thể tránh được trong quá trình quá độ và cũng có thể gây ra sai lệch trong chế xác lập.Trên cơ sở phân tich các sai lệch điều chỉnh ta có thể chọn được các bộ điêù chỉnh,các mạch bù thích hợp để nâng cao độ chính xác của hệ điều chỉnh Để đáp ứng được 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 điều chỉnh: + Mạch vòng điều chỉnh dòng điện – ổn định mômen + Mạch vòng điều chỉnh tốc độ – ổn định tốc độ w Iđ I MC Rw S0w S0I RI Sơ đồ cấu trúc: Mạch điều chình dòng điện ( mạch vòng trong ) là mạch vòng cơ bản có tính chất quyết định tới chất lượng điều chỉnh của hệ thống vì mạch điều chỉnh dòng điện ảnh hưởng trực tiếp tới Mômen kéo của động cơ,gia tốc của động cơ…và chức năng bảo vệ hệ truyền động. Hằng số thời gian điện từ của phần ứng động cơ: (s) Mômen quán tính: (kgm2) Hằng số thời gian cơ học: (s) Ta thấy hằng số thời gian cơ học Tc=4,205 (s) rất lớn so với hằng số thời gian điện từ của phần ứng động cơ Tư = 0,032 (s) nên ta có thể coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng tới quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện. Ta có: I -E Si Uiđ F RI BĐ Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh dòng điện: +Khâu lọc tín hiệu F Dùng lọc tín hiệu một chiều,có hàm truyền là khâu tuyến tính Trong đó Tf = 0.001s +Bộ biến đổi BĐ Tuỳ đối tượng điều chỉnh mà bộ biến đổi có hàm truyền khác nhau. Với động cơ điện một chiều hàm truyền của bộ biến đổi có dạng: Trong đó: Wbx,Wdk là hàm truyền của bộ băm xung và bộ điều khiển = 0,002s f là tần số băm xung, f=250 Hz = 60 UN điện áp nguồn Uđk điện áp mạch điều khiển Tđk= 0,002 (s) (chọn) =0,032s L = 7,64.10-3 H Rư =0,24 W +Xensơ đo dòng điện Si: =0,013 Rs điện trở đo dòng, Rs =1 W Iư dòng điện phần ứng động cơ, Iư =248 A Ti =0,001s (chọn) Hàm truyền của mạch vòng dòng điện: Vì Tf,Tđk,Tv0,Ti là các hằng số thời gian rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ Tư nên nếu đặt : Ts= Tf + Tđk + Tv0 + Ti = 0,001 + 0,002 + 0,002 + 0,001 = 0,006 (s) ta có thể có S0I(p) ở dạng gần đúng như sau: (Ts<<Tư) áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI chọn a=2 Cuối cùng hàm truyền của mạch vòng dòng điện thu được là: Thay số ta được: Qúa trình quá độ điều chỉnh sẽ kết thúc sau thời gian quá độ Tqđ = 8,4.Ts và độ qua sđiều chỉnh là 4,3%.Khi xét đến ảnh hưởng của sức điện động của động cơ thì do tính chất cảm dịu của nó mà trong nhiều trường hợp không xảy ra quá điều chỉnh dòng điện. I Uiđ Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện: Uiđ I Mạch vòng điều chỉnh tốc độ (mạch vòng ngoài ) dùng điều chỉnh tốc độ và giữ độ chính xác tĩnh của hệ thống Mc w REM Rw Kfđm Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ: Xác định các tham số của hàm truyền của Xensơ đo tốc độ: Ta có thể coi gần đúng Uw=Kw.w Tw = 0,005 (s) (chọn) Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh: Theo tiêu chuẩn modul tối ưu ta có: Thay số ta có : Chọn a2 = 15 Hệ thống điều khiển tự động truyền động điện: 4.17 .032s+1 34.5 1 .13 .005s+1 .013 .001s+1 60 .002s+1 1 .002s+1 1 .001s+1 .032s+1 .039s s 1 .011 10 Chương 6 REM Rw RI SS BAX BAX ³1 & - ~ ĐC Hạn chế Thiết kế bộ điều khiển Sơ đồ: Hoạt động của mạch điện điều khiển :điện áp đặt qua khâu hạn chế so sánh điện áp từ phát tốc (Uđw-Uw) qua mạch điều chỉnh tốc độ so sánh điện áp từ mạch do dòng (UđI-Ui) Sơ đồ điều khiển phải đảm bảo : +điều chỉnh tỉ số chu kỳ a=T1/T +mở và khoá chắc chắn Thyristor chính T1.Để làm được thì tụ C phải được nạp đủ trước khi phát xung mở T1.(Nếu tụ C chưa nạp đủ không phát xung mở T2 Tạo tỉ số chu kỳ a=T1/T Coi điện áp Uc=UđI-Ui Điện áp răng cưa Ur Hiệu điện áp (Uc-Ur) đưa đầu vào của khâu so sánh SS4 hoạt động như một trigơ khi Uc-Ur=0 thì trigơ chuyển trạng thái tín hiệu d=”0” Khi Uc>Ur thì d=”1” Khi Uc<Ur thì d=”0” Hoạt động :tín hiệu logic d được đồng thời đưa đến phần tử AND7 và trigơ5 một trạng thái ổn định. Phần tử AND7 có 2 đầu vào nếu C nạp thuận đủ thì phần tử đo lường 9 sẽ phát tín hiệu kích trigơ 8 lúc đó d2= “0”.Bây giờ AND7 phát tín hiệu trigơ 8 mở Thyristor T1. Phần tử OR 6 phát tín hiệu logic “0” khi các tín hiệu d= “0” và d1=“0”. Khi d= “0” thì db= “1” là khoảng thời gian chuyển trạng thái của trigơ5 đủ để tụ C nạp ngược. 1.Thiết kế mạch phát xung tam giác. U2 Uv T T/2 U2 Ur Urmax Urmin Ta có điện áp đầu ra là Tại t=T/2 điện áp tích phân đạt Thời gian một chu kỳ f:tần số băm xung chọn R3=R4=R2=10K=R1 C1=100nF 2.Thiết kế xensor đo tốc độ Chọn máy phát có điện áp phát ra một chiều Uph=100V Vậy chọn Rt=10W để đạt Uw=10V Tw=0,005=RC Chọn R=90 W Uw C R C=0,005/90=56mF3.Mạch đo dòng điện phần ứng R d c R b Rs R a R R3 R2 C1 R2 R1 U C R +15V -15V R R R R Chọn điện trở lắp trên mạch lực Rs=0,14 W Chọn các điện trở của mạch R=10KW Vậy chọn thời gian cho mạch tạo xung tam giác =0,001 C1=25nF Chọn hằng số cho tích phân t=RC=0,001;C=0,1mF 4.Mạch điều chỉnh dòng điện: U2 U1 UI C2 R2 R1 R