Khoá luận tốt nghiệp nghiên cứu các trạng thái hãm của động cơ điện thiết kế bộ thiết bị hãm và thu hồi năng lượng cho xe điện

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Khoá luận tốt nghiệp nghiên cứu các trạng thái hãm của động cơ điện thiết kế bộ thiết bị hãm và thu, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất

• Tác giả: Lê Tường Thanh
• Người hướng dẫn: ThS. Đinh Thế Nam
• Trường học: Trường Đại học Dân lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện tự động công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu các trạng thái hãm của động cơ điện. Thiết kế bộ thiết bị hãm và thu hồi năng lượng cho xe điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Trạng thái hãm động cơ điện

Nghiên cứu về trạng thái hãm động cơ điện tập trung vào các chế độ hãm khác nhau của động cơ điện một chiều, bao gồm hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng. Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng, động cơ hoạt động như một máy phát, trả năng lượng về nguồn. Hãm ngược được thực hiện bằng cách đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng hoặc đảo chiều điện áp phần ứng, tạo ra mômen hãm ngược chiều với tốc độ quay. Hãm động năng được thực hiện bằng cách cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện và đóng vào điện trở hãm, biến cơ năng thành nhiệt năng.

1.1 Hãm tái sinh

Hãm tái sinh là quá trình động cơ hoạt động như một máy phát khi tốc độ quay vượt quá tốc độ không tải lý tưởng. Trong trạng thái này, sức điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn, dòng điện phần ứng đổi chiều, và mômen hãm được tạo ra. Phương pháp này được áp dụng trong các hệ thống phanh tái tạo năng lượng, giúp thu hồi năng lượng khi xe giảm tốc hoặc xuống dốc.

1.2 Hãm ngược

Hãm ngược được thực hiện bằng cách đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng hoặc đảo chiều điện áp phần ứng. Khi đưa điện trở phụ vào, động cơ chuyển sang trạng thái máy phát nối tiếp với lưới điện, tạo ra mômen hãm ngược chiều với tốc độ quay. Phương pháp này thường được sử dụng trong các hệ thống cần giảm tốc độ nhanh chóng.

1.3 Hãm động năng

Hãm động năng được thực hiện bằng cách cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện và đóng vào điện trở hãm. Động cơ hoạt động như một máy phát, biến cơ năng thành nhiệt năng trên điện trở hãm. Phương pháp này hiệu quả trong việc giảm tốc độ động cơ và tiết kiệm năng lượng so với hãm ngược.

II. Thiết kế bộ thu hồi năng lượng

Thiết kế bộ thu hồi năng lượng cho xe điện tập trung vào việc tối ưu hóa hệ thống phanh tái tạo, giúp thu hồi năng lượng khi xe giảm tốc hoặc xuống dốc. Hệ thống này bao gồm động cơ điện, bộ chỉnh lưu và bộ tích trữ năng lượng (ắc quy hoặc siêu tụ điện). Khi xe phanh, động cơ điện hoạt động như máy phát, chuyển đổi động năng thành điện năng và lưu trữ trong bộ tích trữ. Thiết kế này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn tăng hiệu suất tổng thể của xe điện.

2.1 Nguyên lý hoạt động

Hệ thống thu hồi năng lượng hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi động năng thành điện năng thông qua động cơ điện. Khi xe giảm tốc hoặc xuống dốc, động cơ điện được điều khiển để hoạt động như máy phát, tạo ra điện năng và nạp vào bộ tích trữ năng lượng. Quá trình này giúp tái sử dụng năng lượng, giảm tiêu thụ điện và tăng hiệu suất của xe.

2.2 Thiết kế mạch điện

Thiết kế mạch điện cho hệ thống thu hồi năng lượng bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ điều khiển và bộ tích trữ năng lượng. Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển đổi điện năng xoay chiều từ động cơ thành điện một chiều để nạp vào ắc quy. Bộ điều khiển đảm bảo quá trình thu hồi năng lượng diễn ra hiệu quả và an toàn.

2.3 Tối ưu hóa hiệu suất

Tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống thu hồi năng lượng đòi hỏi sự kết hợp giữa thiết kế mạch điện và điều khiển động cơ. Việc điều chỉnh lực phanh và tốc độ thu hồi năng lượng cần được tính toán kỹ lưỡng để đạt được hiệu suất cao nhất. Các giải pháp như sử dụng siêu tụ điện hoặc ắc quy công nghệ mới cũng được nghiên cứu để nâng cao hiệu quả của hệ thống.

III. Ứng dụng trong xe điện

Nghiên cứu về trạng thái hãm động cơ điện và thiết kế bộ thu hồi năng lượng có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển xe điện. Hệ thống phanh tái tạo năng lượng giúp tăng hiệu suất và giảm tiêu thụ năng lượng của xe, đặc biệt trong các khu vực có nhiều đèo dốc. Việc tích hợp hệ thống này vào xe điện không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

3.1 Giải pháp năng lượng cho xe điện

Giải pháp năng lượng cho xe điện bao gồm việc sử dụng hệ thống thu hồi năng lượng từ phanh tái tạo. Hệ thống này giúp tái sử dụng năng lượng, giảm phụ thuộc vào nguồn sạc bên ngoài và tăng quãng đường di chuyển của xe. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển xe điện bền vững.

3.2 Công nghệ hãm và thu hồi năng lượng

Công nghệ hãm và thu hồi năng lượng đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các dòng xe điện hiện đại. Các hệ thống này không chỉ giúp tăng hiệu suất phanh mà còn tối ưu hóa việc thu hồi năng lượng, giảm thiểu lãng phí năng lượng trong quá trình vận hành.

3.3 Tương lai của xe điện

Với sự phát triển của công nghệ xe điện, việc tích hợp các hệ thống thu hồi năng lượng và tối ưu hóa hiệu suất động cơ sẽ tiếp tục là xu hướng chính. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc nâng cao hiệu suất, giảm chi phí và tăng tính thân thiện với môi trường của xe điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 1.ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 1. Cấu tạo động cơ điện 1 chiều Máy điện một chiều là loại máy điện biến cơ năng thành năng lượng điện một chiều(máy phát) hoặc biến điện năng dòng một chiều thành cơ năng (động cơ). Máy điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ trơn trong khoảng rộng và momen mở máy lớn vì vậy nó được sử dụng rộng rãi làm động cơ kéo, khi cần điều chỉnh chính xác tốc độ động cơ trong khoảng rộng, máy điện một chiều còn được sử dụng rộng rãi làm nguồn nạp ácquy, hàn điện, nguồn cung cấp điện… 1- Cổ góp điện. 3-Roto 4- Cực từ 5- Cuộn dây kích từ 6- Stato 7- Cuộn dây phần ứng Hình 1.10: Cấu tạo động cơ điện một chiều 1.

Phân loại động cơ điện một chiều. Động cơ điện 1 chiều phân loại theo kích từ thành những loại sau: 7 + Kích từ độc lập: Cuộn kích từ được cấp điện từ nguồn một chiều độc lập với nguồn điện cấp cho rôto.11: Sơ đồ kích từ độc lập động cơ điện 1 chiều + Kích từ song song: Nếu cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện thì động cơ là loại kích từ song song.12: Sơ đồ kích từ song song động cơ điện 1 chiều + Kích từ nối tiếp: 8 Động cơ điện 1 chiều nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng.13: Sơ đồ kích từ nối tiếp động cơ điện 1 chiều + Kích từ hỗn hợp: Gồm hai dây quấn kích từ : Dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp Hình 1.14: Sơ đồ kích từ hỗn hợp động cơ điện 1 chiều 1. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều + Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều, 1 phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.

9 + Pha 1: Từ trường của Rotor cùng cực với Stato, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của Rotor.15: Pha thứ nhất của chuyển động quay Rotor + Pha 2: Rotor tiếp tục quay Hình 1.16: Pha thứ hai của chuyển động quay Rotor 10 + Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ Stato và Rotor cùng dấu,trở lại pha 1.17: Pha thứ ba của chuyển động quay Rotor 2. Phương trình cân bằng sđđ của động cơ. Khi đưa một máy điện một chiều đã kích từ vào lưới điện thì cuộn cảm ứng sẽ chạy một dòng điện, dòng điện này sẽ tác động với từ trường sinh ra lực,chiều của nó được xắc định bằng quy tác bàn tay trái và tạo ra momen điện từ làm cho rotor quay với tốc độ , trong cuộn dây xuất hiện sđđ cảm ứng: Eư =ke   (2.1) Ở chế độ quá độ, khi n,Iư thay đổi ta có phương trình sau: Uư +(-eư)+(-Ladiư/dt)=iưRư (2.2) Ở chế độ ổn định (n = const, Iư = const) ta có: Uư =Eư+Iư Rư (2.3) Trong đó: Eư: sức điện động phần ứng. Rư: điện trở phần ứng.

Iư: dòng điện phần ứng. Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều. Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập và song song.18: Đường đặc tính cơ của đông cơ kích từ độc lập và song song. Đặc tính cơ là mối quan hệ hàm giữa tốc độ và momen điện từ  =f(M), khi Ikt=const.

Dòng kích từ được xắc định bằng: Ikt =Ukt /Rkt ,  =ktikt (2.4) Phương trình đặc tính cơ điện:  =(Uư – Iư Rư)/k (2.5) Trong đó: 0 =Uư /k là tốc độ không tải. =0 - Ru  Ru  R f  = Iu= M Rf k  2 k 12 b. Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp Uu Rf E Hình 1.19: Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp. Từ công thức: Trong máy này: Ikt=Iư Ta xét 2 trường hợp: Khi 0 < Iư < Iđm – Máy chưa bão hoà Vậy:  = KIư M = C mKIưIư = C I 2 mư Iư = Cm M Thay vào (2.7) Hay: Hay: Trong đó: Như vậy trong phạm vi dòng tải nhỏ hơn hoặc bằng dòng định mức, đặc tính có dạng hypebol.

Khi Iư > Iđm, máy bão hoà, đặc tính cơ không trùng với đường hypebol nữa. 13 Vì Rt nhỏ nên Ikđ có giá trị rất lớn (20  25) Iđm sự tăng dòng đột ngột làm xuất hiện tia lửa điện ở cổ góp làm hiện xung cơ học và giảm điện áp lưới, phương pháp này hầu như không sử dụng. Khởi động dùng điện trở khởi động. n Mmin Mmax Hình 1.20: Đặc tính cơ khởi động dùng điện trở khởi động.

Người ta đưa vào rotor 1 điện trở có khả năng điều chỉnh và gọi là điện trở khởi động dòng khởi động bây giờ có giá trị: U dm Ikđ = .9) Rt  Rkd Điện trở khởi động được ngắt dần ra theo sự tăng của tốc độ, nấc khởi động thứ nhất phải chọn sao cho dòng phần ứng không lớn quá và momen khởi động không nhỏ quá. Khi có cùng dòng phần ứng thì động cơ kích từ nối tiếp có momen khởi động lớn hơn của động cơ kích từ song song. Với các động cơ kích từ song song khi dùng điện trở khởi động phải nối sao cho cuộn kích từ trong mọi thời gian đều được cấp điện áp định mức để đảm bảo lớn nhất. Nếu trong mạch kín từ có điện trở điều chỉnh thì khi khởi động điện trở này phải ngắn mạch.

Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ. - Thay đổi điện áp nguồn nạp. - Thay đổi điện trở mạch rotor.

- Thay đổi từ thông. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn nạp. Khi cho Uư=var thì o=var.Nếu Mc=const thì tốc độ = var ta điều chỉnh được tốc độ của động cơ. Khi điện áp nạp thay đổi các đặc tính cơ song song với nhau.

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nạp thì chỉ thay đổi được theo chiều tốc độ giảm ( vì mỗi cuộn dây đã được thiết kế với U đm nên không thể tăng điện áp đặt lên cuộn dây. Trên hình vẽ ta biểu diễn đặc tính cơ của động cơ khi Uư=var.21: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp nguồn nạp. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch rotor Ta có:  =M.(Rt +Rđc), nếu tat hay đổi được Rđc thì ta sẽ thay đổi được (độ giảm tốc độ), khi M=const nghĩa là thay đổi được tốc độ động cơ.22: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch rotor. 15 Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở mạch phần ứng có những ưu khuyết điểm sau: - Dễ thực hiện, giá thành rẻ.

- Điều chỉnh tương đối láng. Tuy nhiên phạm vi điều chỉnh hẹp và phụ thuộc vào tải (tải càng lớn phạm vi điều chỉnh càng rộng), không thực hiện được ở vùng gần tốc độ không tải. Điều chỉnh có tổn hao lớn. Người ta đã chứng minh rằng để giảm 50% tốc độ định mức thì tổn hao trên điện trở điều chỉnh chiếm 50% công suất đưa vào.

Điện trở điều chỉnh tốc độ có chế độ làm việc lâu dài nên không dùng điện trở khởi động (làm việc ở chế độ ngắn hạn) để làm điện trở điều chỉnh tốc độ. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông.23: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông. Uu Từ biểu thức:  = Rt  k Iu .10) k Khi M=const, Uư=const, =var (thay đổi dòng kích từ) thì tăng lên. Thật vậy khi giảm từ thông dòng điện ở rotor tăng nhưng không làm cho biểu thức thay đổi vì giảm điện áp ở R t chỉ chiếm vài phần trăm của điện áp phần ứng nên khi giảm từ thông thì tốc độ sẽ tăng, song nếu cứ tiếp tục giảm dòng 16 kích từ thì tới 1 lúc nào đó tốc độ không tăng được nữa, sở dĩ như vậy là vì momen điện từ của động cơ giảm.

Phương pháp này chỉ thực hiện khi từ thông giảm tốc độ còn tăng. Trên hình vẽ biểu diễn đặc tính cơ khi từ thông thay đổi. - Phương pháp thay đổi từ thông để điều chỉnh tốc độ rất láng và kinh tế. - Không điều chỉnh tốc độ ở dưới tốc độ định mức.

Không được giảm kích từ tới giá trị không vì lúc này chỉ còn từ dư khi tải tăng tốc độ tăng quá lớn thường người ta thiết kế bộ điện trở điều chỉnh để không khi nào mạch từ bị hở. Tổn hao và hiệu suất máy điện một chiều. Trong máy điện có hai loại tổn hao: tổn hao chính và tổn hao phụ. - Tổn hao chính gồm: + Tổn hao cơ (tổn hao ổ bi, tổn hao ma sát ở cổ góp, ma sát với không khí).

+ Tổn hao sắt từ trong cuộn rotor và stator, trong cuộn phụ, cuộn khử trong mạch kích từ. + Tổn hao ở hai lớp tiếp xúc của chổi than và vành khuyên. - Tổn hao phụ: Tổn hao phụ xuất hiện trong lõi thép và trong đồng, nó gồm tổn hao dòng xoáy, tổn hao nối cân bằng, tổn hao do phân bố từ trường không đều, do mật độ ở chổi than không đều Hiệu suất của động cơ được tính như sau: P2 = (2.11) P1   P Trong đó:  P : Tổng hợp các tổn hao của máy P 1: công suất vào P2:công suất đưa ra 17 CHƯƠNG 2:CÁC CHẾ ĐỘ HÃM CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ BRUSHLESS 2.1 CÁC CHẾ ĐỘ HÃM CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 2. Hãm tái sinh: Hãm tái sinh khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (( > (0).

Khi hãm tái sinh, sức điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn: E > Uư, động cơ làm việc như một máy phát song song với lưới và trả năng lượng về nguồn, lúc này thì dòng hãm và mômen hãm đã đổi chiều so với chế độ động cơ. * Một số trạng thái hãm tái sinh: + Hãm tái sinh khi ( > (0: lúc này máy sản xuất như là nguồn động lực quay rôto động cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả về nguồn.10:Hãm tái sinh trả năng lượng về nguồn Vì E > Uư, do đó dòng điện phần ứng sẽ thay đổi chiều so với trạng thái động cơ Mômen động cơ đổi chiều (M < 0) và trở nên ngược chiều với tốc độ, trở thành mômen hãm (Mh).