Đồ án tốt ngiệp


Đề tài :Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất ứng
dụng cho truyền động di chuyển của xe vận chuyển
tự hành
5
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 bộ biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho truyền động di
chuyển của xe vận chuyển tự hành”.
2. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
2.1. Số liệu cho ban đầu: Được lấy từ quá trình khảo sát máy.
2.2. Nội dung thực hiện:
2.2.1. Tổng quan về xe vận chuyển tự hành.
2.2.2. Phân tích lựa chọn phương án truyền động và bộ biến đổi điện tử công suất
cho xe vận chuyển tự hành.
2.2.3. Thiết kế bộ 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 của hệ truyền động.
3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp: Ngày 8 tháng 2 năm 2011.
Trưởng bộ môn Giáo viên hướng dẫn chính
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
6
Đồ án tốt ngiệp

Hình 1.11. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 27
Hình 1.12. Ảnh hưởng của mạch phần ứng tới đặc tính cơ của động cơ
điện một 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 bằng điện trở 31
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động di chuyển xe nâng điều chỉnh
tốc độ bằng điện trở mạch phần ứng 32
8
Đồ án tốt ngiệp
Hình 2.3. Đặc tính khởi động động cơ một chiều kích từ nối tiếp qua 2 cấp
điện trở phụ 32
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ nối tiếp 33
Hình 2.5. Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 33
Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc Matlab hệ truyền động di chuyển xe nâng khởi động
và điều chỉnh tốc độ bằng điện trở mạch phần ứng 35
Hình 2.7. Đường đặc tính tốc độ và dòng điện khi động cơ khởi động
qua 2 cấp điện trở phụ 35
Hình 2.8. Đường đặc tính tốc độ và dòng điện phần ứng khi động cơ
làm việc với cấp điện trở Rf
1
trong mạch phần ứng 36
Hình 2.9. Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC) 37
Hình 2.10. Băm xung một chiều nối tiếp 39
Hình 2.11. Băm xung một chiều song song 40
Hình 2.12. Băm xung một chiều nối tiếp – song song 42
Hình 2.13. Băm xung một chiều đảo chiều sơ đồ cầu 44
Hình 2.14. Băm xung một chiều đảo chiều, điều khiển riêng 45
Hình 2.15. Băm xung một chiều đảo chiều điều khiển đối xứng 46

Hình 5.19. Sơ đồ cấu trúc Matlab của hệ thống 74

10
Đồ án tốt ngiệp
DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
TT KÝ HIỆU GIẢI THÍCH
1. BXMC Băm xung một chiều
2. Tr Tranzitor
3. PWM Bộ điều chế độ rộng xung
4. IGBT Tranzitor có cực điều khiển cách ly
5. U
cđ
Điện áp chủ đạo
6. U
rc
Điện áp tựa răng cưa
7. U
đk
Điện áp điều khiển
8. KĐTT Khuếch đại thuật toán
9. PI Bộ điều chỉnh tích phân tỷ lệ
10. ĐC Động cơ
11. BT Tranzitor công suất
12. KTNT Kích từ nối tiếp
11
Đồ án tốt ngiệp
MỤC LỤC
Trang
TÀI LIỆU THAM KHẢO 79
12

Đồ án tốt ngiệp
Chương 1: Tổng quan về xe nâng chuyển tự hành.
Chương 2: Lựa chọn phương án truyền động và bộ 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 của hệ truyền động.
Với sự cố gắng của bản thân cùng sự hướng dẫn của các thầy cô giáo trong
bộ môn, đặc biệt là thầy giáo - Thạc sỹ Trần Duy Trinh đã trực tiếp hướng dẫn giúp
đỡ em hoàn thành đồ án này. Mặc dù đã hết sức cố gắng để cuốn đồ án được hoàn
chỉnh, song chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận
được sự góp ý của thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên
Nguyễn Văn Thăng
14
Đồ án tốt ngiệp
Chương I. TỔNG QUAN VỀ XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH
1.1. Giới thiệu chung
Xe nâng tự hành là một dạng của máy nâng - vận chuyển, được dùng để
nâng và vận chuyển các loại hàng đóng kiện, hàng bao gói, có khối lượng lớn ở các
siêu thị, phòng thí nghiệm, kho, cảng biển…Nó có thể dùng để nâng và vận chuyển
gỗ, sắt, thép, vật liệu xây dựng ở các nhà máy và công xưởng, các công trường xây
dựng… Hiện nay, có rất nhiều chủng loại xe nâng tự hành, mỗi loại được sử dụng
cho mục đích và công việc khác nhau trong những điều kiện môi trường thích hợp.
Chính vì vậy nên cấu tạo của các loại xe nâng tự hành cũng rất đa dạng.
1.1.1. Xe nâng tự hành bằng tay
Xe nâng tự hành bằng tay di chuyển và nâng hàng bằng lực của tay người
điều khiển thông qua hệ thống thủy lực. Tải trọng nâng không lớn, di chuyển chậm,
làm việc trong phạm vi hẹp, phải cần đến sức người. Loại xe nâng này được dùng ở

Hình 1.2. Xe nâng tự hành bằng tay cao
16
Đồ án tốt ngiệp
nâng cao
nhất
(mm)
Chiều dài
càng nâng
L
(mm)
1150/1220 1150/1220 1150/1220 1150/1220
Chiều rộng
càng nâng
W
(mm)
520/685 520/685 520/685 520/685
Đường kính
bánh trước
A
(mm)
φ74×70/82×70 φ74×70/82×70 φ74×70/82×70 φ74×70/82×70
Đường kính
bánh sau
B
(mm)
φ180×50/200×50 φ180×50/200×50 φ180×50/200×50 φ180×50/200×50
1.1.2. Xe nâng truyền động bằng động cơ diezel
Xe nâng loại này phục vụ cho nâng - vận chuyển ở ngoài trời như cảng biển,
công trình xây dựng, sân bay…có khả năng nâng với tải trọng lớn. Kết cấu của xe
tương đối chắc chắn, có đầy đủ chức năng gần như của ô tô như động cơ truyền

Đồ án tốt ngiệp
2 – 5 tấn. Thường sử dụng nguồn ắc quy có điện áp từ 24V đến 110V. Xe nâng
bằng điện có loại bán tự động tức là chỉ thực hiện truyền động nâng hoặc chỉ thực
hiện truyền động cho xe chạy nhằm hạn chế tổn hao năng lượng.
Ưu điểm của loại động cơ này là có thể giải quyết được những hạn chế của
xe truyền động bằng động cơ diezel đó là ít gây tiếng ồn, ít gây ô nhiễm môi
trường, rất phù hợp với môi trường làm việc trong nhà. Một vấn đề rất quan trọng
nữa là nó sử dụng nguồn năng lượng nhân tạo rất có triển vọng, trong tương lai
nguồn năng lượng này sẽ dồi dào hơn.
Một số xe nâng chuyển tự hành bằng điện sử dụng động cơ điện truyền
động:
Xe nâng điện bán tự động:
Nguồn điện một chiều từ ắc quy được cấp cho động cơ, động cơ được dùng
để nâng, không có động cơ 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 2 tấn;
Chiều cao nâng cao nhất 4,5m;
Sử dụng ắc quy tiêu chuẩn 48V- 550A;
Công suất động cơ nâng 7,5 Kw;
Kiểu lốp hơi; Có hệ thống thủy lực.
19
Đồ án tốt ngiệp
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 của xe nâng
chuyển bằng điện hiệu FEELER - Đài Loan
Hình 1.4. Xe nâng điện bán tự động
Càng nâng

H×nh 1.6.
Xe n©ng
tù hµnh ®-
îc truyÒn
®éng b»ng
®éng c¬
mét chiÒu
KTNT
Bánh hơi
Vô lăng điều khiển
Hình 1.6. Xe nâng tự hành được truyền động bằng động cơ một chiều KTNT
21
Đồ án tốt ngiệp
Hình 1.7. Kích thước và đồ thị xe nâng tự hành được
truyền động bằng động cơ một chiều KTNT
Xích kéo
Động cơ di
chuyển xe
Ắc quy
Động cơ chạy
xe nâng
Động cơ nâng
Hình 1.8. Các thiết bị cơ bản của xe nâng - chuyển
được truyền động bằng động cơ một chiều KTNT
22
Đồ án tốt ngiệp
1.2. Cấu tạo chung – đặc điểm đặc trưng cho chế độ làm việc và yêu cầu cơ
bản của xe nâng tự hành.
Xe nâng tự hành thường được hoạt động, trang bị trong các nhà xưởng, nhà
máy hoặc để ở ngoài trời. Môi trường làm việc của xe rất nặng nề, đặc biệt là ngoài

xích được treo vào đầu trên của khung phụ nên truyền động từ động cơ qua hệ
thống thủy lực đến xích và đĩa xích làm cho càng nâng nâng, hạ lên xuống. Hiện
nay xe nâng tự hành có cấu tạo hình dáng khá đa dạng phụ thuộc vào từng hãng,
từng nước sản xuất.
1.2.2. Đặc diểm đặc trưng cho chế độ làm việc của xe nâng tự hành
Một số đặc điểm đặc trưng cho chế độ làm việc của xe:
Tải trọng không cố định, động cơ truyền động cho xe có mômen thay đổi
theo tải trọng rất rõ rệt.
Trong hệ truyền động, các cơ cấu của xe nâng yêu cầu quá trình tăng tốc và
giảm tốc xảy ra phải êm, đặc biệt là đối với các loại xe dùng để vận chuyển hàng
hóa trong các phòng thí nghiệm, siêu thị…Bởi vậy mô men động trong quá trình
quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kỹ thuật an toàn.
Năng suất của xe nâng quyết định bởi 2 yếu tố: Tải trọng của thiết bị và số
chu kỳ nâng trong một giờ. Số lượng hàng hóa để nâng trong một chu kỳ không
như nhau và nhỏ hơn trọng tải định mức cho nên phụ tải đối với động cơ nâng cũng
như động cơ di chuyển xe chỉ đạt từ 60 – 70% công suất định mức của động cơ.
Điều kiện làm việc của xe thường là ở trong chế độ quá tải nên xe được chế
tạo với độ bền cơ khí cao, các thiết bị điện làm việc có khả năng quá tải lớn.
Xe nâng hoạt động không cố định, không theo một quy luật nào mà phụ
thuộc vào người vận hành. Yêu cầu có độ linh hoạt cao trong di chuyển. Vì thế việc
trang bị điện cho hệ truyền động xe nâng phải được độc lập với các hệ truyền động
xung quanh. Thường truyền động cho xe là động cơ xăng, động cơ diezel, động cơ
điện một chiều. Đối với xe truyền động bằng động cơ đốt trong chỉ dùng hoạt động
ở điều kiện ngoài trời vì nó gây tiếng ồn, tổn hao nhiều nhiên liệu xăng dầu, đặc
biệt là nó thải khí gây ô nhiễm môi trường. Điều này không thích hợp cho xe nâng
hoạt động ở các siêu thị, thư viện, phòng thí nghiệm, khách sạn… Chính vì thế
người ta thay thế động cơ đốt trong bằng động cơ điện để truyền động cho xe nâng,
cải thiện nhược điểm của động cơ đốt trong. Tuy nhiên nguồn năng lượng để cấp
24
Đồ án tốt ngiệp

25
Đồ án tốt ngiệp
- Điều khiển từng động cơ riêng biệt (một động cơ chạy xe nâng, một động cơ
nâng), xe có thể vừa di chuyển vừa nâng hàng.
Qua phân tích có thể thấy xe nâng điện tự hành sẽ được lựa chọn vì nó giải
quyết được các vấn đề về môi trường. Tuy nhiên với loại xe nâng này lại gặp phải
những vấn đề đó là nguồn năng lượng ắc quy có hạn.
Xe nâng điện tự hành sử dụng động cơ điện một chiều cho truyền động, vì
vậy trước hết ta khảo sát động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.
1.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều KTNT
Đặc điểm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp là cuộn kích từ mắc nối tiếp với
cuộn dây phần ứng (h1.9), nên cuộn dây kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số
vòng dây ít, chế tạo dễ dàng.
Từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng phần ứng (tức là phụ thuộc vào
tải):
'k=
φ
I
ư
(1.1)
Trong đó : k’ – hệ số phụ thuộc vào cuộn dây kích từ của từng loại động cơ, phụ
thuộc vào dòng điện tải. Khi mạch từ không bão hòa I
ư
< ( 0,8-0,9) I
đm
, k’ coi như là
hằng số.
Hình 1.10. Sự phụ thuộc giữa từ thông và dòng phần ứng (cũng là
dòng kích từ) động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

) quan hệ giữa từ thông và dòng điện là quan hệ phi tuyến
theo đường cong từ hóa do đó để đơn giản cho việc tính toán ta tuyến tính hóa đoạn
đường cong để Φ =f(I
kt
) là quan hệ tuyến tính, khi đó Φ = k’I, thay vào (1.4) ta có:
M = k.Φ.I
ư
= k.k’.
2
u
I
, thay vào (1.5) ta có thể tìm được phương trình đặc tính cơ của
động cơ một chiều kích từ nối tiếp:
'.
'.
kk
R
Mkk
U
u ∑
−=
ω

(1.6)
1.3.2. Đường đặc tính cơ
Thực tế, động cơ thường được thiết kế để làm việc với mạch từ bảo hòa ở
vùng tải định mức. Do vậy, khi tải nhỏ, đặc tính cơ có dạng đường hypebol bậc 2
và mềm, còn khi tải lớn (trên định mức) đặc tính có dạng gần thẳng và cứng hơn vì
mạch từ đã bão hoà (φ = const).
Hình 1.11 - Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

đm
và có thể gây hại và nguy hiểm cho hệ
truyền động điện. Vì vậy không được để động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm
việc ở chế độ không tải hoặc rơi vào tình trạng không tải. Không dùng động cơ một
chiều kích từ nối tiếp với các bộ truyền đai hoặc ly hợp ma sát Thông thường, tải
tối thiểu của động cơ là khoảng (10 - 20)% định mức. Chỉ những động cơ công suất
rất nhỏ (vài chục Watt) mới có thể cho phép chạy không tải.
1.3.3. Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ
Ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng điện phần ứng cũng là dòng
điện kích từ nên khả năng tải của động cơ hầu như không bị ảnh hưởng bởi điện áp.
Phương trình đặc tính cơ ω = f(M) (1.6) của động cơ điện một chiều kích từ nối
tiếp cho thấy đặc tích cơ bị ảnh hưởng bởi điện trở mạch động cơ (mạch phần ứng
và cũng là mạch kích từ).
Đặc tính cơ tự nhiên cao nhất ứng với điện trở phụ R
p
= 0. Các đặc tính cơ
nhân tạo ứng với R
p
≠ 0. Đặc tính càng thấp khi R
p
càng lớn.
Hình 1.12. Ảnh hưởng của mạch phần ứng tới đặc tính cơ
của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Trị số M
mm
suy ra từ phương trình (1.6) khi cho ω = 0
M
mm
= k.k’
2

) và lực ma sát trong cổ trục bánh xe (F
ct
).
Lực ma sát tính theo biểu thức:
( )
b
ms
R
fGG
F
0
+
=
(1.9)
Trong đó: G – trọng lượng tải trọng, [N]
G
0
– trọng lượng bản thân cơ cấu, [N]
R
b
– bán kính bánh xe, [cm]
f – hệ số ma sát lăn, [cm]
Thành phần lực F
ct
được xác định theo biểu thức:
µ
)(
0
GGF
ct

+
+
=+=
µ
[N] (1.12)
Nếu xe di chuyển trên đường dốc có góc nghiêng α, toàn bộ lực cản được
tính theo biểu thức:
ααµ
sin).(cos) (
0
0
''
GGfR
R
GG
F
ct
b
c
+±+
+
=
(1.13)
Đối với xe làm việc ngoài trời, cần phải tính thêm lực cản của gió:
F
gió
= C.
g
γ
.q.