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 nay trong 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 vận hành 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 cơ không thể thay thế đợc trong những lĩnh vực nói trên. ứng dụng phổ biến của động cơ điện một chiều hiện nay trong các 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 động cơ KĐB, đồng thời lại đạt chất lợng điều chỉnh cao hơn trong dải điều chỉnh rộng. Thực tế là ở các nớc phát triển, việc dùng động cơ điện thay thế cho 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 điện rộng rãi; tiến bộ nhảy vọt về công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo đợc nhiều 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 tr- ờng nh các loại động cơ khác, đồng thời cho hiệu suất cao. Đây là một trong những đặc điểm quan trọng đa đến việc đa động cơ điện vào giao thông ngày càng rộng rãi hơn. Trong thực tế, ở các nớc phát triển nh Mỹ, Đức, Pháp, TQ . đa số hệ thống đ- ờng sắt dùng động cơ điện kéo đầu máy đều đợc cung cấp bằng điện áp một chiều qua đờng dây trên không hoặc đờng ray thứ ba. Đối với hệ thống đờng sắt trong thành phố có đặc điểm là khoảng cách ngắn, mật độ giao thông cao thì việc dùng trực tiếp hệ thống đờng dây 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 là không kinh tế. Trong trờng hợp này ngời ta lấy t lới điện xoay chiều một pha có tần số 50Hz ữ 60Hz và có điện áp khoảng 25kV sau đó qua hạ áp cấp 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 ữ 700V (với TH đ- ờng ray thứ ba) hoặc 1500V (với TH đờng dây trên không). Trong cả hai trờng hợp trên thì ngời ta tạo dòng một chiều bằng cách chỉnh lu từ lới điện xoay chiều với hệ số đập mạch là 12 để có chất lợng cao. Đối với ôtô điện ngời ta cũng lấy từ đờng dây trên không nếu công suất động cơ truyền tải lớn. Hiện nay, trong một số loại động cơ kéo tải giao thông có công suất nhỏ, thì ngời ta dùng nguồn ac-quy kèm theo bộ biến 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 dụng trong trờng hợp công nghệ chế tạo ac-quy tiến bộ hơn nữa và thực tế loại dùng nguồn truyền tải hiện nay vẫn là chủ yếu trong truyền động giao thông. 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 trọng của động cơ một chiều trong lĩnh vực này trớc hết ta phân tích rõ đặc thù 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 lĩnh vực giao thông là: + Yêu cầu cao trong việc điều chỉnh tốc độ; bao gồm những yêu cầu 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 là không cố định Ngoài ra, truyền động trong giao thông còn đòi hỏi cao về độ an toàn khi vận hành. Muốn vậy việc thiết kế phải đảm bảo đa ra đợc một sơ đồ điều khiển đơn giản 0 M M đm tin cậy, dễ thao tác trong vận hành điều khiển động cơ ô - tô. Vì thực tế trong lĩnh vực giao thông còn đòi hỏi truyền 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 ra quyết 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. a. Động cơ điện kích thích độc lập hoặc song song. Phơng trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n)và mômen (M) M K RR K U fu u . )( 2 + = Với những điều kiện U=const, I t =const thì từ thông của động cơ hầu 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 định mức thì tốc độ giảm rất ít cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kích thích song 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 tải thay đổi. b. Động cơ điện kích thích nối tiếp. ở động cơ điện kích thích nối tiếp, dòng điện kích thích chính là dòng điện phần ứng : I t = I=I. Vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị: * M * M đm =K .I trong đó hệ số tỷ lệ K chỉ là hằng số trong vùng I <0,8I đm ; còn khi I >(0,8 ữ 0,9)I đm thì hơi giảm xuống do hiện tợng bão hoà mạch từ. Nh vậy, biểu thức đặc tính cơ có dạng: M=C M I=C M . K 2 = KC R MKCe UC n e u M . . nếu bỏ qua R thì: M U n = hay: M= 2 2 n U 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 bậc hai. Ta thấy, ở động cơ một chiều kích thích nối tiếp, tốc độ quay n giảm rất nhanh khi M tăng. Và khi mất tải (M=0, I=0) thì n có trị số rất lớn. Vì vậy thờng chỉ cho phép động cơ làm việc với tải tối thiều P 2 =(0,2 ữ 0,25)P đm . Từ dạng đặc tính cơ ta cũng có nhận xét là đặc tính cơ của động cơ kích thích nối tiếp 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 nhau hoặc ngợc nhau. Trên thực tế ngời ta chỉ sử dụng loại kích thích hỗn hợp bù vì động cơ ngợc không đảm bảo đợc điều kiện làm việc ổn định. Động cơ kích thích hỗn hợp bù có đặc tính cơ mang tính 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 cơ kích thích hỗn hợp bù mềm hơn so với đặc tính cơ của động cơ kích thích song song. Tuy nhiên mức độ tăng của từ thông không mạnh 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 cơ của động cơ kích thích nối tiếp. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp đợc điều chỉnh nh ở trờng hợp động cơ kích thích song song; 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, so sánh với đặc tính tải và những yêu cầu của truyền động trong lĩnh vực giao thông ta thấy rằng loại động cơ kích thích nối tiếp và kích thích hỗn hợp kiều bù là đáp ứng đợc những yêu cầu về truyền động. Ta có thể nêu u điểm của hai loại động cơ này so với động cơ kích thích độc lập hoặc 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 rất thích 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 nên khả năng chịu tải của động cơ không chịu ảnh hởng của sụt áp lới điện nên 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 ng- ời ta cũng dùng cả động cơ kích thích hỗn hợp vì nó cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lợng mà vẫn đảm bảo tốt các yêu cầu truyền 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 giao thông có thể dùng phơng pháp điện kết hợp cả phơng pháp cơ qua cơ cấu 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 cấu cơ khí bấy nhiêu. Thực tế tồn tại hai phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều: 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 từ thông . 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 vùng trên tốc độ & giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đảo chiều quay nên phơng pháp này không thích hợp trong trờng hợp 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 U đm của động cơ. Phơng pháp này cho phép điều chỉnh triệt 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 mômen ngắn mạch M nm giảm, dòng ngắn mạch I nm giảm; điều này rất có ý nghĩa trong 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 đòi hỏi 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 ở trên. 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 chọn trong điều chỉnh tốc độ động cơ. Thực tế, để thay đổi điện áp phần ứng động cơ ô-tô ngời ta có thể thay đổi góc mở chậm nếu dùng bộ biến đổi là hệ thống chỉnh lu, hoặc thay đổi tần số băm trong trờng hợp bộ biến đổi là bộ băm xung áp một chiều. Việc sử dụng hệ thống chỉnh lu tiristor - động cơ chỉ ứng dụng trong trờng hợp tải của nó là loại động cơ công suất lớn, sử dụng sơ đồ chỉnh lu tiristor động cơ một chiều luôn đi kèm theo việc đa thêm bộ lọc kồng kềnh nên chỉ khả dụng cho truyền động đầu máy tầu điện kéo tải lớn. Với loại động cơ công suất nhỏ thì việc dùng bộ băm xung áp một chiều là phù hợp. Vì thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao (theo tính toán là xấp xỉ bằng 1); ít nhạy cảm với nhiệt độ và điều kiện môi trờng vì tham số điều kiển là thời gian đóng mở; đặc biệt là có kích thớc nhỏ gọn (tính cả lọc), nên rất phù hợp với ôtô điện. Sau đây giới thiệu nguyên lý chung của bộ băm xung, đồng thời phân tích khái l- ợc về các yếu tố ảnh hởng đến chế độ làm việc của bộ băm 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 một chiều không đổi E thành các xung điện áp một chiều U tb có trị số có thể điều chỉnh đợc. Điện áp U tb này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ ô tô. Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<U tb <E. Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E<U tb <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 cao chất lợng điều chỉnh . Điện áp trên tải thu đợc phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K.Trong khi đó các hạn chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiều quyết định giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi .Để tránh các sóng không mong muốn và từ đấy tránh đợc Momen đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào đó .Tần số đóng cắt càng nhanh thì càng giảm đợc kích thớc của bộ lọc ,nhng nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến .Vì vậy phải cân nhắc để lựa chọn đợc bộ biến đổi làm việc ở dải tần thích hợp( dới 1KHz). Thực tế thờng dùng tần số băm khoảng 400Hz ữ 600Hz. Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý đợc thay bằng khoá điện tử cụ thể là Tiristor hoặc Transistor(Công suất hoặc MOS). Dùng Tiristor có u điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn rẻ tiền,tổn hao khi dẫn nhỏ nhng có nhợc điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số đóng mở thấp (dới 500Hz). Tải Chỉnh lưu không điều khiển L 2 K D C 1 C 2 Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một chiều Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz. 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 bằng Tiristor,nh- ng Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor .Vì vậy ở những môi trờng làm việc nặng nề việc sử dụng Transistor 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 việc lựa chọn không rõ ràng . Ngoài sự ảnh hởng của các thông số kỹ thuật là tần số đóng cắt, giới hạn về các linh kiện thì chất lợng điều chỉnh tốc độ ôtô còn phụ thuộc vào cả cơ cấu điều chỉnh là kín hay hở. Dùng sơ đồ điều chỉnh kín (có vòng phản hồi) sẽ tăng thêm tính ổn định tốc độ với một tần số đóng cắt 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 U S một cách trơn liên tục. Phần trên cũng đã đề cập tới nguyên lý chung của bộ biến điện áp một chiều, ở chơng này ta đi chi tiết giới thiệu tổng quan nguyên lý điều chỉnh, các phơng pháp điều chỉnh và một số sơ đồ băm xung áp thực tế. I. Nguyên lý Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác nhau. U ra là một dãy xung vuông (lý tởng) có độ rộng t 1 và độ nghỉ t 2 . 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 pháp xung. Để có hiệu suất lớn thì điện áp sụt trên các phần tử công suất ở trạng thái mở phải nhỏ, dòng qua nó ở trạng thái mở rất nhỏ. BBĐ một chiều U S U ra U ra t t 1 t 2 T . =I d R E A B R U I ú = 1 1 1 max 1 1 . R E A ABA R U I ú = 1 111 min 1 . Trong đó: TaaT eBaA == 11 ; b. Xác định điện áp trung bình trên tải : Từ. di L T 0000 11 11 úd UERI =++ 0 R EU I ú d = d. Độ nhấp nhô của dòng điện tải : Ta có: L TU A BAB R UII I úa d 2 )1( 1 )1) (1( . 2 1 11 1 1 minmax