thiết kế hệ thống truyền động cho xe bus chạy điện

Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
Lời nói đầu
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật ,truyền động
điện có vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của xã hội. Truyền động điện
làm tăng năng suất lao động và chất lợng sản phẩm .Để đáp ứng đợc yêu cầu
thực tế các hệ truyền động có khả năng tự động điều khiển và độ chính xác ngày
càng cao đã ra đời .
Với mục đích phục vụ nhu cầu đi lại và vận chuyển hàng hoá trong thành
phố,chống ô nhiễm môi trờng xe BUS chạy điện đã ra đời và ngày phát triển
mạnh ở các nớc phát triển .
Do yêu cầu của môn học và nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết
hệ thống truyền động ,góp phần hoàn thiện và củng cố kiến thức của môn học
em đợc nhận đề tài Thiết kế hệ thống truyền động cho xe BUS chạy điện
Với các thông số :
+Điện áp nguồn : U
N
= 600VDC.
+Trọng lợng xe : G
0
= 5.10
3
Kg.
+Trọng lợng tải : G
T
= 4.10
3
Kg.
+Tốc độ lớn nhất : v
max
= 60 Km/h.
+Đờng kính bánh xe : D = 700 mm.

+Đờng kính trục : d = 80mm.
+Hệ số bám đờng : f = 0,02.
+Hệ số ma sát lăn ổ trục : à =0,05.
Trong khuôn khổ đồ án tiến hành ngiên cứu thiết kế hệ thống truyền động cho xe
BUS chạy điện dùng trong thành phố em xin trình bày các nội dung sau:
Phần I : Tổng quan về máy và yêu cầu công nghệ.
Phần II : Tính chọn công suất đông cơ
và chọn phơng án truyền động.
Phần III : Tổng hợp tham số các bộ điều chỉnh.
Phần IV : Tính chọn các thiết bị điều khiển.
- 1 -
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
Phần 1
Tổng quan về máy và yêu cầu công nghệ.
Về hình dạng, ôtô chạy điện và ôtô chạy bằng động cơ đốt trong hoàn toàn
nh nhau, nhng ôtô chạy điện một chiều sử dụng động cơ điện một chiều đựoc
cung cấp điện thông qua hai càng tiếp xúc vói lới 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 hớng, 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 lợng điện từ một nguồn cố định, biến đổi năng lợng
thật phù hợp để đa vào động cơ truyền động, bên cạnh đó là hệ thống điều khiển
nguồn năng lợng 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 đợc hạn chế
theo yêu cầu kỹ thuật an toàn .Điều kiện làm việc của xe là thờng 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.
- 2 -
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
Phần 2
Tính chọn công suất đông cơ
và chọn phơng án truyền động.
Công suất động cơ đợc chọn sao cho đủ lớn nhằm sinh ra mô men với
điều kiện thắng đợc các lực cản và hơn nữa phải đảm bảo hệ truyền động hoạt
động đợc 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 đờng và lực ma sát ở ổ trục bánh xe (F
1
và F
2

),trong đó để đơn giản có
thể coi thành phần F
1
là do ngoại lực tác dụng

lên bánh xe khi nó chuyển động.
Có thể tính F
1
và F
2
qua các công thức sau:
F
1
=f.G

.cos
Trong đó
+f : gọi là hệ số cản lăn
+G

. : Trọng tải tổng của ôtô và bằng G
0
+G
+G
0
: Trọng tải tĩnh của xe
+G : Trọng lợng của tải
+ : Góc dốc mặt đờng
ở đây ta xét ôtô chuyển động trên mặt phẳng ngang và vì thế =0.
Vậy ta có:

F
1
=f .G

= f.(G
0
+G) =0,02.(5.10
3
+4.10
3
).10=1800N
F2 = G

.
.à.

r/R
b
à: Hệ số ma sát lăn ở ổ trục
r : Bán kính ổ trục
R
b
:Bán kính bánh xe
Từ đó ta có:
- 3 -
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
NF 29,541
350
40.05,0.10.9
4

2
==
2. Lực cản không khí.
F
kk
= K.S.v
0
2
=K.S(v+vg)
2

+ K :Hệ số cản không khí[Ns
2
/m
4
];và thờng K=(0,25 ữ 0,4)
+ S :Diện tích cản chính diện
+ v
0
:Vận tốc tơng đối giữa ôtô và không khí
+ v :Vận tốc của ôtô
+v
g
: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=4m
2

và K=0,4 ta có
F
kk
=K.S(v+v
g
)
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

t
=0,93.
Bên cạnh đó khi ôtô chuyển động trên mỗi loại đờng khác nhau thì có độ bám
khác nhau , trong trờng hợp này ta xét xe chuyển động trên đờng nhựa khô với
hệ số bám đờng là =0,75.
Vậy ứng với tải trọng lớn nhất , công suất động cơ cần có là:

Kw64,68
.
v).FFF(
P
t
maxkk21
=

++
=

Do ôtô luôn chạy khả năng quá tải nên chọn số an toàn cho động cơ là:
K
at
= 1,3
Vì thế công suất động cơ đợc chọn là :
P
đ/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 nh sau:
Trong đó:
- 4 -
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học

75,0
FFFFFF
F
kk21kk21
++
=

++
=

Bảng 1.
F(G
0
=5.10
3
)
(N)

F (G

=9.10
3
)
(N)
n
b/xe
(vg/phút)

b/xe
(rad/giây)
v
min
(m/s) 1738,8 3110,24 37,91 4
v
max
(m/s) 1843,4 3829,3 455 47,6
Trong đó n
b/xe
là tốc độ quay của bánh xe.
b
xeb
R
v
n
2
/

=

4 . Chọn động cơ.
Trong việc chọn động cơ thì ta phải xác định đợc 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 đợc động cơ có công
suất đủ lớn để đáp ứng đợc 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 nh tầu kéo, ôtô. Đặc tính cơ của nó là lí tởng ,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 đợc 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 . Nh vậy với mức độ quá dòng điện nh 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.
- 5 -
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
Một u điểm nữa khi dùng động cơ kích từ nối tiếp là khả năng chịu tải của
động cơ không bị ảnh hởng bởi sự sụt áp của lới 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 đợc động cơ _808 của Nga
có các thông số sau:

+ P
đm
= 47kw
+ n
đm
= 720 vòng/phút
+ I
đm
= 248 A
+ U
đm
= 220 V
+ r
ckn
= 0.02
+ w
ckn
= 24
w
ckn
là số vòng dây một cực của cuộn nối tiếp
+ =39.6 mVb
là từ thông hữu ích của một cực
+ n
max
=2300vòng/phút
n
max
là tốc độ quay cực đại cho phép
+ j =2 kgm

2

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
u điểm của nó đó là giảm đợc 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.
- 6 -
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
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 nh nhau , từ đó ta có :

Nm4,623
P
MM
dm
dm
dt
=

==
Từ công thức tính mô men ta có :

51,2
I
M
KI.KM
dm
dm
===
.
Vậy ta có:
12,0
248
39,75.51,2220
=

=

=
dm
u
u
I
EU
r
()
Để công việc tính toán đợc dễ dàng nên ta coi hai động cơ khi đợc ghép
cứng vói nhau tạo thành một động cơ có các thông số sau :
U
đm
= 440 V
I

đm
= 248 A
P
đm
= 94 kw
R = 0.24
Một cách gần đúng có thể xác định đợc điện cảm của dây cuấn phần ứng
động cơ nh sau:

H10.7
2.720.248
440.6,5
p.n.I
U.K
L
3
dmdm
dm
u

===
Đối với động cơ không bù thì K =5,5ữ 5,7
Trong trờng hợp này ta chọn K = 5,6
Điện cảm của cuộn kích từ :
= L
kt
.I
đm

mH16,0

248
10.6,39
I
L
3
dm
kt
==

=

Vì động cơ có hai đôi cực và hai động cơ đợc ghép với nhau nên điện cảm
của cuộn kích từ là
L
kt
= 0.16.p.2 = 0.64mH
Xác định dải mô men cản của tải ( coi xe có 4 số tiến và 1 số lùi )
- 7 -
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
Trờng hợp 1:Xe chạy với tốc độ lớn nhất và tải trọng là max.
Tỉ số truyền :
6,1
455
720
/
/
===
xenb
cnd
i

Ta có mô men :
.Nm7,900
93,0.6,1
35,0.3,3829
.1
R.F
M
bc
max
c
==

=

.Nm6,731
6,1.93,0
35,0.24,3110
M
minc
==
Vậy ta có:
V v
min
v
max
M
c
731,6 900,7

6,7317,900
7,86,47
6,731
7,8


=


M

-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 tơng ứng tốc độ của bánh xe là
n
bxe
= 190vg/ph .Từ đó ta có tỉ số truyền i = n
đc
/n
bxe
= 720/455 =1,6
Tơng tự ta có bảng quan hệ sau:
v v
min
v
max
M
c
413 70

413470
46,75
413
4


=


M

- 8.7 =1,17.M - 483,21 = 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 đợc phơng trình
đặc tính cơ cũng nh phơng 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, tơng ứng với đờng (2) trên đồ thị .Khi đó ta có :
=C.I
kt

- 8 -
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
Trong đó C là hằng số tỉ lệ
*Phơng trình đặc tính cơ điện:
I
k
Ru
k
Uu
.

=
vơi k = 5 nên ta có
II .05,08,87
5
24,0
5
440
==

Phơng trình đặc tính cơ :
Vậy ta có:
M
k
Ru
k
Uu
.
2)(


=
0095,06,87M.
25
24,0
5
440
==
(M)

Đặc
tính cơ
M 1246,8 1000 800 600 400

75,39 78,1 80 81,9 83,8
Đặc
tính cơ
I 248 200 150 100 50

75,39 77,6 80,1 82,6 85,1
Dải điều chỉnh:
1
min
min
1
max
max
min
max


B
MCK
U
B
MCK
U
D

==


Dải điều chỉnh điện áp:
30
440
U
U
min
max
=
- 9 -
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
Phần 3
Chọn phơng 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
U
đ/c
=U=.U
N
- Hệ số tỷ lệ
ở chế độ xác lập ta có
C.K
R
I.C.K
U
u
=
C.K

R
M.C.K
U
u
=
BBĐ ĐC
thay vào
B
I
A.
C.K
R
I.C.K
U.
1
u


=

=
B
M
A
=
2
.


=f(U

đk
)
ta thấy tốc độ lớn nhất bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản ứng =1 .Vậy khi thay
đổi ta có các đờng cong song song




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).
- 10 -

1
<
0

0
I,M

2
<
1

0
=1
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
3. Điều chỉnh tốc độ bằng điện trở phụ từ trên thêm điện trở phụ vào
mạch phần ứng

CK

RR
ICK
U
fu
u

.
+
=


CK
RR
MCK
U
f
u
.

+
=

khi ta thay đổi R
f
làm độ dốc đờng đặc tính cơ điện thay đổi theo

- Cách này có nhợc điểm khi càng thêm điện trở phụ khi giảm tốc độ nh 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 lu bán dẫn : chỉnh lu Thyristor (CLT)
- Bộ biến đổi xung áp một chiều Thyristor và tranzitor (BBĐKA)
Tơng 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 lu Thyristor - động cơ (T - Đ)
- 11 -
I , M
R
f0
= 0
R
f2
>R
f1
0

R
f1
>R
f0
ĐC
U

R
f

Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
- 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 t thứ nhất. Ta chọn loại truyền động
xung áp - động cơ (XA - Đ)
Nguyên lý cơ bản của xung áp - động cơ (XA - Đ) :
Sơ đồ nguyên lý:

Khi S đóng thì U
N
= U
đ/c
thì dòng điện đi qua động cơ về nguồn.
Do ảnh hởng điện cảm phần ứng dòng qua động cơ tăng từ I
min
tới I
max

Khi S khoá thì U = 0, dòng qua động cơ vẫn đi theo chiều cũ và khép vòng qua
điôt D khi đó do ảnh hởng của cuộn cảm L mà dòng giảm dần từ I
max
về I
min
.
Khoá S mở theo một chu kỳ nhất định

- 12 -
0
I
min
I
max
0 t
đ
T
U

S R L
U
N
D U
đ/c
ĐC
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
Với cách truyền động này ta có 2 sơ đồ dùng Thyristor và Tranristor





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 trờng hợp này ta sử dụng loại sơ đồ dùng Thyristor.
- 13 -
D L D
0

L D
2
L
T
2
C T
1
D
4
D
3
D
1
C
T
1
T
1
Đ
C
Đ
C
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
Phần 4
Thiết kế mạch lực.
Với phơng pháp điều khiển xung áp động cơ ra có mạch lực sau:
Sơ đồ:

Nguyên lý hoạt động: trong sơ đồ trên T
1

là Thyristor chính, T
2
là Thyristor
phụ diều khiển đóng mở điện áp của tụ vào các cực của T
1
tạo ra mạch khoá c-
ỡng bức, cuộn dây L cần thiết để đảm bảo đúng cực tính của tụ C. Ngay cả khi
nguồn một chiều đợc 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 T
2
. Khi đó có mạch đơn
giản sau:

Dòng tải giảm theo hàm mũ từ giá trị đầu U
N
/R
Ư
. Sau một khoảng thời
gian lý tởng tụ điện C đợc nạp tới điện áp U
N
của nguồn, nhng trong thực tế khi
dòng điện tải giảm dới mức duy trì của Thyristor thì dòng điện ngừng.
Khi ta nối Thyristor T
1
làm cho nguồn nối với tải ta có sơ đồ tơng đơng:


- 14 -
C

T
2
T
1
D
0
L

, R

D L
T
1
C T
2
Đ
C
D L
C
T
1
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
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 ngợc. Tụ
điện C phóng điện qua T
1
-L-D-C và đợc nạp ngợc lại, lúc này tụ C đã sẵn sàng
khoá T
1
. Khi cần khoá T

1
ta chỉ cần phát xung mở T
2
,Thyristor này sẽ mở điện
áp giữa hai bản cực của tụ C đợc đặt T
1
khiến T
1
bị khoá lại, điện áp trên tải bằng
không.
Đồng thời tụ C đợc nạp vào lại theo đờng từ nguồn qua T
2
và qua tải nh
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 T
1
chịu điện áp ngợc tơng ứng đây cũng
là khoảng thời gian phục hồi cho van.
Xét quá trình dòng tải liên tục: (là giai đoạn T
1
đợc mở ).
theo phơng pháp toán tử Laplaxơ ta có :
Điện áp trên tải :
)1(
)(
)(
0
00
pt
pt

u
pt
NuN
t
ep
eEeUEU
pU



+
=
Dòng diện tải :
Tt
N
N
e
a
ba
R
U
R
EU
t
/
ƯƯ
Ư
11
111
)(

ì

ì
ì

=
1
i
Trong đó : t
0
là thời gian mở Thyristor T
1
.
T thời gian một chu kỳ đóng mở.

u
u
u
R
L
T =

uu
T
t
T
T
ebea
0

11
; ==


Trong giai đoạn khoá T
1
( từ t
0
- T ) dịch trục toạ độ sang điểm t
0
ta có:
)1(
).(.
)(
.
.
)(
0
Tp
Tp
uN
tTp
Nu
t
ep
eEUeUE
pU

+
=
Dòng điện tải:
u
Tt
u
N
u
u
e
a
b
R
U
R
E
ti
/
1
1
2
.
1
1
1
.)(

+=
Giá trị dòng tải max:
- 15 -
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
1
1
1
201max
1
1
.)0()(
a
b
R
U
R
E
itiI
u
N
u
u


+===

Giá trị dòng cực tiểu :

u
uN

u
ut
t
R
EU
R
EU
I

=

=


Độ đập mạch dòng điện:
1
11
1
1
minmax
1
).1)(1(
.
a
bab
R
E
III
u
u

==

- Độ đập mạch này phụ thuộc vào tần số làm việc và vào tỷ số t
0
/T.
- Điện áp trung bình ra tải khi dòng điện liên tục: U
t
=U
N
.
- Dòng trung bình ra tải:
u
uN
u
ut
t
R
EU
R
EU
I

=

=
.

- Dòng qua Thyristor:

















=
==


1
1
1
1
0
1
0
1

)1)(1(
.
.
)(.
1
).(
1
)(
1
0
a
ab
T
TU
EU
R
dtti
T
dtti
T
I
uN
uN
t
T
TT

- Dòng trung bình qua điôt:
)1(
1

)1).(1(

1
11
1
1

+


==

u
uu
u
N
TtD
R
E
a
bab
T
T
R
U
III
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 (t
0

) nhỏ xấp xỉ với hằng số thời gian của mạch là T
Ư
. Quá trình làm
việc chia làm 3 giai đoạn :
-Giai đoạn từ 0 t
0
van T
1
dẫn, dòng tăng lên từ giá trị 0 đến giá trị max I
max
.
-Giai đoạn van T
1
dã ngắt song dòng tải chạy vòng qua điôt D
0
cho đến khi
dòng về đến 0.
-Giai đoạn t
1
T vì dòng điện mạch đã hoàn toàn tắt cho nên điện áp trên tải
bằng điện áp phần ứng : U
t
=U
Ư
.
- 16 -
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
Vì chế độ dòng điện gián đoạn có đặc điểm là các chu kỳ không ảnh hởng
sang nhau nên để đơn giản ta dùng luật đóng ngắt mạch điện với điều kiện đầu
biết trớc.

-Giai đoạn 0 t
0
có i
1
(0)=0 nên dới tác động của 2 nguồn E
Ư+
và U
N
ta có:
)1.()(
/
1
u
Tt
u
uN
e
R
EU
ti



=
-Dòng điện cực đại I
max
)1.(
/
1max
0

0
u
Tt
u
uN
tt
e
R
EU
iI

=


==
-Trong giai đoạn T
1
khoá (t
0
t
2
) dòng điện bắt đầu giảm xuống dới tác động
của nguồn E từ giá trị I
m
tới 0:

)1(.)(
//
2
0 uu

Tt
u
d
Tt
m
e
R
E
eIti

=
Dịch trục toạ độ sang vị trí t
0
để có i2(0)=I
m
. ta có trị số trung bình của điện áp :
uNuN
T
t
u
t
Nt
E
T
t
UE
T
tT
U
T

t
dtEdtU
T
U
1
110
0
1
0
+=

+=








+=


từ (2) đợc :

+=

)1.(1.
1
111
b
R
EU
bLTt
u
uN
nu
-Dòng trung bình qua tải:
{ }
R
E
T
t
R
U
RT
EtUt

I
TEEtTUt
TRR
EU
I
uNuN
t
uuN
ut
t

.

.).(.
.
1
110
10
=

=
+=

=

Đặc tính cơ :
101
0
0
.

t
T
I
I
t
t
n
n
t
=
Đặc tính cơ dạng tơng tự với đặc tính của phơng 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
- 17 -
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
)(032,0
24,0
10.64,7
3
s
R
L
T
u
u
u
===

Dựa vào phần 2 khi xác định t1 thì biên liên tục của dòng điện trung bình tải:

( )








=
==

=


T
gh
N
min
maxminmax
t
e1EU
2R
1

)0I (
2
I

2

I I
tblt
I
Để xác định coi nh tuyến tính hoá đặc tính cơ,điện của động cơ kích từ nối tiếp
có dạng:













=





=
M
)K(
R
K
.U

I
K
R
K
.U
2
N
N



khi thay đổi ta có đợc biên giới liên tục có dạng là hình elíp với giá trị cực tiểu
I
blt
= 0 ứng với =0 ( =0)
I
blt
= 0 ứng với =
max
( =0)
Ta có giá trị cực đại:

ứng với M
th
= (KC.I)
2
=111,3 Nm tại giá trị giới hạn:
- 18 -
( )
bltNblt

KU
R
I




+
=
/12
1
( )
( )

1,6A 210,0222-0,022
2.0,022
600

212
2
max
=++=
++=


N
blt
U
I
I

1,6

Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
( )
( )
5,01022,01
022,0
1

11
1
=+=
+=



th
Tính chọn thiết bị mạch động lực:
a) Chọn Thyristor :
Việc chọn Thyristor cần phải đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật đặt ra, thờng gồm
có :
+Tần số làm việc thờng gần tần số tối u
+ Phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ
+ Làm việc an toàn với U
th
, I
đm
Với các thông số đã biết I
tmax
=248 A,U

N
= 600 V ta có dòng chọn cho van:
Trong đó : : hệ số khởi động
I
tb
=I
d
/ 3
K
LM
: hệ số làm mát, K
LM
= (0,3 ữ 0,5)
Nh vậy
Thời gian khoá thờng từ 10às ữ 50às chọn t
off
= 40às
- 19 -
LM
tb
V
K
I
I
.

=
VUU
AI
NV

V
960600.6,1.6,1
689
3.3,0
248.5,2
===
==
I

111,3
=1
=0,5
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
Với các thông số trên ta chọn Thyristor loại T42-1200 :
I
tb
U
im
U
t
off
I
g
U
g
di/dt du/dt
1200A
0,4ữ1,2KV
1,3V
40às

3A 10V
150A/às 200V/às
b) 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 đợc tin cậy và
chính xác trong suốt dải điều chỉnh tốc độ động cơ,tụ C yêu cầu:
+ Phải đặt đợc điện áp ngợc đủ lớn lên các Thyristor cần khoá.
+ Khi đã kết thúc quá trình khoá T1 hoặc mở T2 thì điện áp trên tụ cha
giảm về không mà còn tồn taị một lợng điện áp d đủ nhỏ nào đó.
Với các giả thiết :
- Điện áp nạp thuận của tụ ở thời điểm ban đầu(t=0)là:
U
Co
=0,9.U
N
= 0,9.600=540 V
- Trong khoảng thời gian khoá T1 và T2 mở tơng ứng tụ điện C sẽ phóng đi
một lợng điện áp là U
cf
= 0,8.U
N
Khi đó U
c
=0,9.U
N
0,8.U
N
= 0,1.U
N
, mặt khác ta có:

Vậy điện dung của tụ là:
điện áp lớn nhất trên tụ điện là:
L


: điện cảm kí sinh do lắp ráp gây ra, khoảng 10àH
Dòng lớn nhất chảy qua tụ I
mc
=248 A.Vậy điện cảm chuyển mạch trong mạch
vòng dao động LC là:
- 20 -
Noff
off
t
dmcf
Ut
C
dtI
C
U .8,0
1
.
1
0
===

F
U
tI
C

N
offdm
à
21
600.8,0
10.40.248
.8,0
.
6
===

V
C
L
UU
NC
1076
10.21
10.100
600
6
6
=+=
+=



mH
I
U

CL
mc
C
395,0
248
1076
.10.21.
2
6
2
=






=








=

Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
c) Tính chọn điốt D

0
:
D
0
dùng để hoàn năng lợng, ta có dòng trung bình qua nó là:
Hệ số an toàn là 1,2 I
D 0
=1,2.66 = 79,2 A, vậy chọn điốt D
0
là loại BYX42 có
I
max
=12,5 A, U= 600 V.
- 21 -
A 66248
600
440
1).1(
0
=






==
tD
II

Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
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 .Ta biết tơng tác qua dòng điện phần ứng
và từ thông kích từ tạo ra mô men điện từ có giá trị
IKI
a
Np
M
2
'.
==

(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
'.
== K
a
Np
E
(2)
Với động cơ một chiều

=
.
.
K
IRU
u

Do động cơ một chiều nối tiếp I
kt
=I=I và quan hệ =C.I ;C:hằng số
CK
R
CKI
U
KIC
IRU

.
=

=

và mô men
M=K..I=K.C.I
2
(3)
Trong mạch phần ứng động cơ có ảnh hởng của cuộn kích từ
U(p)=R.I(p)+R

kt
.I
kt
(p)-L
kt
.p.I
kt
(p)-L.p.I(p)+E(p)
=R.I(p)-L.p.I(p)+E(p)
đặt R=R+R
kt
L=L
kt
+L
Rút ra đợc
[ ]
)()(.
.1
/1
)( pEpU
Tp
R
pI
u

+
=
(4)
T=L/R
Và phơng trình chuyển động hệ thống

M(p)-M
c
(p)=J.p. (5)
J:mô men quán tính đa các phần chuyền động quy đổi về trục động cơ
- 22 -
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
Từ (1),(2),(3),(4),(5) xây dựng đợc sơ đồ cấu trúc của động cơ.
Từ các phơng trình trên thành lập đợc 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 nh sau
Ta có
oo
I
K
I
K
,


=

oo
M
c
M
B
,

=
Tại điểm làm việc xác lập ta có điện áp phần ứng U
o
,dòng điện tải I
o
,tốc
độ quay
B
,từ thông
o
,mô men tải M
B
.Các đại lợng biến thiên nhỏ xung quanh
điểm làm việc U(p),I(p) (p),(p),M
c
(p).
Động cơ kích từ nối tiếp
Mạch phần ứng
U
o
+U(p) = (R+R
kt
)[I
o
+I(p)]+p(L+L
kt
)[I

o
+I(p)]+K[
o
+(p)].[
B
+(p)]

o
+(p)=C[I
o
+I(p)]
Phơng trình chuyển động cơ học :
K[
o
+(p)]. [I
o
+I(p)]-[M
B
+M
c
(p)]=J.p.[
B
+(p)]
Bỏ qua các vô cùng bé bậc cao từ các phơng trình trên ta có
- 23 -

M
c
M
K

I
pT
R
.1
1
+
KC
pJ.
1
NguyÔn Quang T¹o §å ¸n m«n häc
∆U(p)-[KΦ
o
∆ω(p)+K.ω
B
. ∆Φ(p)]=R. ∆I(p).(1+T.p)
∆Φ(p)=C. ∆I(p)
K.I
o
. ∆Φ(p)+K.Φ
o
∆I(p)- ∆M
c
=J.p. ∆ω(p)
S¬ ®å cÊu tróc ®îc tuyÕn tÝnh ho¸ theo c¸c ph¬ng tr×nh thu ®îc nh sau:
- 24 -
∆ω
∆M
c
∆φ
∆I

∆U
pT
R
u
.1
1
+
Kφ
KI
0
Kω
B
Kφ
0
pJ.
1
C
B
Nguyễn Quang Tạo Đồ án môn học
2.Thiết kế hệ điều chỉnh
Khi thiết kế hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cần phải đảm bảo hệ
thực hiện đợc tất cả các yêu cầu đặt ra,đó là các yêu cầu về công nghệ,các chỉ
tiêu chất lợng,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 đợc
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 đợc 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 đợc các bộ điêù
chỉnh,các mạch bù thích hợp để nâng cao độ chính xác của hệ điều chỉnh

Để đáp ứng đợc 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
Sơ đồ cấu trúc:

Mạch điều chình dòng điện ( mạch vòng trong ) là mạch vòng cơ bản có
tính chất quyết định tới chất lợng điều chỉnh của hệ thống vì mạch điều chỉnh
dòng điện ảnh hởng 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:
032,0
24,0
10.64,7
3
===

R
L
T
u
(s)
Mômen quán tính:
- 25 -

I
đ
I
M

C
R

S
0
S
0I
R
I