thiết kế hệ truyền động cho xe con cầu trục

Biến tần đơn giản thờng điều khiển tốc độ theo luật U/f để đảm bảo động cơ sinh mômen tốt nhng cho các hệ truyền động yêucầu cao hơn thì có biến tần điều khiển theo vectơ.Với mục đích nh

Môc lôc

Môclôc……….1

Lêi nãi ®Çu: ……… 2

Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ xe con cÇu trôc………3

Ch¬ng 2: ThiÕt kÕ phÇn lùc cña hÖ thèng …….……….5

Ch¬ng 3: Tæng hîp c¸c m¹ch vßng ………… ………16

Ch¬ng 4: M« pháng ……… 37

KÕt luËn: ………42

Tµi liÖu tham kh¶o: ……….43

Lời nói đầu

Động cơ không đồng bộ ngày nay đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thay chocác động cơ khác vì nó có nhiều u điểm nh khởi động đơn giản, vận hành tin cậy, rẻtiền và kích thớc gọn nhẹ Nhợc điểm của nó là đặc tính cơ phi tuyến mạnh nên trớc

đây, với các phơng pháp điều khiển còn đơn giản, loại động cơ này phải nhờng chỗ cho

động cơ điện một chiều Nhng với việc phát triển của các lý thuyết điều khiển, truyền

động cộng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật nh kỹ thuật vi xử lý, điện tử công suấtnên đã hạn chế đợc nhợc điểm trên, đa động cơ không đồng bộ trở thành phổ biến.Trớc đây thờng điều khiển động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp Đây là một phơngpháp đơn giản nhng chất lợng điều chỉnh kể cả tĩnh lẫn động đều không cao Để điềukhiển đợc chính xác và hiệu quả phải nói đến phơng pháp thay đổi tần số điện ápnguồn cung cấp Do tốc độ động cơ không đồng bộ xấp xỉ tốc độ đồng bộ nên động cơlàm việc với độ trợt nhỏ và tổn hao công suất trợt trong mạch rôto nhỏ Tuy nhiên ph-

ơng pháp này còn phức tạp và đắt tiền hiết bị dùng để biến đổi tần số là các bộ nghịch

lu, có thể là nghịch lu trực tiếp hoặc gián tiếp Ta có thể sử dụng bộ biến tần là mộtthiết bị tích hợp cả chỉnh lu, nghịch lu lẫn điều khiển Luật điều khiển trong mỗi biếntần tuỳ thuộc vào nhà sản xuất

Hiện nay để điều khiển động cơ đã có nhiều biến tần bán sẵn trên thị trờng, ít khicòn phải thiết kế theo phơng pháp kinh điển nữa Các nhà sản xuất lựa chọn biến tầnnhiều hơn bảng điều khiển sao - tam giác hoặc điện trở phụ hoặc các thiết bị điềukhiển khác vì nó gọn nhẹ, điều khiển chính xác, tin cậy, đáp ứng đợc nhu cầu tự độnghoá và từng bớc hiện đại hoá xí nghiệp của họ Biến tần đơn giản thờng điều khiển tốc

độ theo luật U/f để đảm bảo động cơ sinh mômen tốt nhng cho các hệ truyền động yêucầu cao hơn thì có biến tần điều khiển theo vectơ.Với mục đích nh vậy trong bản đồ ánnày ta sẽ điều chỉnh tốc độ cho hệ thống xe con cầu trục sử dụng biến tần điều chỉnhbằng phơng pháp U/f Trong quá trình thực hiện em đã nhận đợc rất nhiều sự giúp đỡ

của các thầy cô giáo trong bộ môn đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Quang Địch, em xin

1.1 Mô tả chung

Trong tất cả các xí nghiệp công nghiệp thì hầu nh nhà máy nào cũng có cácmáy nâng, vận chuyển vì nó đóng một vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất.Máy nâng - vận chuyển là cầu nối giữa các hạng mục công trình sản xuất riêng biệt,

giữa các phân xởng của một nhà máy, giữa các máy công tác trong một dây truyềnsản xuất

Cơ cấu xe con cầu trục kết hợp với cơ cấu máy nâng hạ thì thành một cầu trụchoàn chỉnh Cơ cấu nâng hạ của cầu trục là để nâng tải trọng lên, hạ tải trọngxuống Còn cơ cấu xe con cầu trục để đa tải trọng sang phải, sang trái

1.2 Chế độ làm việc của xe con - cầu trục.

Cầu trục thờng đợc đặt trong nhà xởng hay ngoài trời Môi trờng làm việc củacầu trục thờng rất nặng nề Xe con - cầu trục thờng làm việc ở chế độ ngắn hạn lặplại Động cơ truyền động thờng phải đảo chiều quay liên tục Hơn nữa, động cơtruyền động cầu trục có momen thay đổi theo tải trọng rất rõ rệt Trong một chu kỳlàm việc của cầu trục, thì chỉ có nửa chu kỳ động cơ phải làm việc đầy tải và trongnửa chu kỳ tiếp theo thì động cơ phải làm việc không tải Khi không có tải thìmomen của động cơ không vợt quá 35 đến 50 Mđm [2]

Trong các hệ truyền động của xe con - cầu trục, yêu cầu quá trình tăng tốc,giảm tốc, hãm và đảo chiều xảy ra phải êm Tuy nhiên, momen động trong quátrình quá độ phải đợc hạn chế theo yêu cầu của kỹ thuật an toàn

Năng suất của xe con - cầu trục quyết định bởi hai yếu tố: tải trọng của thiết bị

và số chu kỳ phải dịch chuyển tiến lên và giật lùi trong một giờ Tải trọng trong mộtchu kỳ không nh nhau và nhỏ hơn tải trọng định mức, cho nên phụ tải đối với độngcơ chỉ đạt 60 - 70% công suất định mức của động cơ Hơn nữa, trong một nửa chu

kỳ còn lại thì động cơ lại chạy không tải ( không có tải trọng - thờng là nh vậy )

Do điều kiện làm việc của xe con cầu trục nặng nề, thờng xuyên làm việc trongchế độ quá tải nên khi thiết kế hệ truyền động cho xe con - cầu trục phải chú ý khiquá tải của động cơ [2]

Dới đây là hình ảnh về một mô hình của một chiếc xe con - cầu trục

Chơng 2Thiết kế phần lực của hệ truyền động

2.1 Đặc điểm cơ bản của hệ truyền động.

Chế độ làm việc của các cầu trục phải đợc xác định từ các yêu cầu của quátrình công nghệ, chức năng của cầu trục trong dây chuyền sản xuất Cấu tạo và kếtcấu của cầu trục rất đa dạng Khi thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và hệtruyền động điện phải phù hợp với từng loại cụ thể

Tuy nhiên, một hệ thống điều khiển và hệ truyền động điện cho một cơ cấu xecon - cầu trục điển hình thì phải có các đặc điểm cơ bản nh sau: [2]

• Quá trình mở máy phải êm

• Dải điều chỉnh tốc độ phải rộng

• Hãm và đảo chiều êm

• Độ chính xác điều chỉnh cao, đảm bảo dừng chính xác tại các nơi cầnlấy hàng và trả hàng Do đó, thờng có công tắc hành trình hạn chếhành trình tiến lùi cho xe con - cầu trục

2.2 Lý thuyết chọn động cơ truyền động cho xe con [2]

Phụ tải tĩnh của cơ cấu là do lực cản chuyển động gây ra lực đó bao gồm haithành phần chính: lực ma sát lăn trên đờng đi F1, lực ma sát trong cổ trục của bánhxe: Fct

Thành phần F1 đợc viết theo biểu thức:

] [

0

R

G G F

b

+

=trong đó:

F ct = + àNếu dời điểm đặt của lực về vành bánh xe thì tíh theo biểu thức:

b

ct ct

R

R G G

0

R

G G F F

b ct

G1+G0F

Đối với các cơ cấu lăn trên bánh xe bằng sắt, lăn trên đờng ray, phải tính đếnlực cản ma sát giữa mép bánh xe và đờng ray Lực đó, đợc tính thêm bằng hệ số dựtrữ k:

) (

0

R

G G k kF

b c

k lấy từ kinh nghiệm hoặc thực hành

Đối với xe con khi dùng: ổ trợt k = 1,25 ữ 1,6

) ( 88 , 4 82 , 0 1000

1 4000

v F P

dm

C

ηCông suất cản tĩnh khi xe con chạy không tải Ta có η = 0,76 cùng với tải bằng0,5 theo đồ thị hình 2-2 [2]:

) ( 63 , 2 76 , 0 1000

1 2000

% 03 , 27 100 150 120 100

100

% 100 2

2

%

02 01

= +

+

= +

+

=

t t t

t

εChọn công suất động cơ theo công suất trung bình:

) ( 39 , 9 2

63 , 2 88 , 4 5 , 2 2

t

t P t P k

Do không có động cơ có ε = 27,03% nên ta phải quy đổi về loại động cơ có hệ

số tiếp điện tiêu chuẩn là ε = 25%

) ( 76 , 9 25

03 , 27 39 , 9

ε

εTốc độ của động cơ lúc lớn nhất:

983 35 , 0 14 , 3

60 18 1

b dc

D

i v n

Tốc độ của động cơ lúc nhỏ nhất:

49 35 , 0 14 , 3

60 18 05 , 0 min

b dc

D

i v n

Vậy ta chọn động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc loại MTK B3U-6 có ε% =25%, Pđm = 11kW và nđm = 910 vòng/phút

2.4 Kiểm nghiệm công suất động cơ

2.4.1 Kiểm nghiệm khả năng phát nóng của động cơ

Để kiểm nghiệm đợc động cơ ta xây dựng đồ thị phụ tải trong một chu kỳ làmviệc của động cơ

Nh giả thiết ở trên, thời gian xe con dừng lại để lấy tải trọng là t02 = 150s vàthời gian để xe con dừng lại tháo tải trọng là t01 = 120s Mặt khác, ta đã tính toán đ-

ợc thời gian để động cơ di chuyển hết một hành trình là: 50s Vậy ta có:

Ta có:

) ( 6 , 46 983

55 , 9 4800

55 , 9 2630 0

50 ).

6 , 25 6 , 46 (

2

Nm t

t M M

i

i Ci

∑

∑

) ( 111 55 , 9 910

11000 03 , 27

25

%

% '

Nm M

Vậy động cơ đợc chọn thỏa mãn điều kiện phát nóng

2.4.2 Kiểm nghiệm động cơ theo khả năng quá tải và khởi động

Vậy ⇒M th = 3 , 1 M dm = 3 , 1 111 = 344 , 1 (Nm)

⇒ Mth > Mcmax

) ( 311 111 8 , 2 8

,

M kddm = dm = =

⇒ Mkdđm > Mcmax

Vậy động cơ đợc chọn thỏa mãn điều kiện kiểm nghiệm quá tải và khởi động

Thông số của động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc loại MTK B3U-6 do Liên Xô cũ sản xuất:

th

M

M M

Ta có động cơ có điện áp định mức là 380V và điện áp vào của biến tần cũng là

3 pha 380V Đây là bài toán chọn van nên để đơn giản trong việc tính chọn các vancủa bộ biến đổi, ta giả thiết rằng hiệu suất của các bộ chỉnh lu, nghịch lu và khâuliên kết một chiều ( DC link ) đều bằng 100% Với giả thiết này thì giá trị dòng

điện trung bình đi qua các van tính đợc sẽ nhỏ hơn so với thực tế Do đó, sau này tacần phải nhân hệ số dữ trữ cao để bù đắp lại sai số mà ta đã giả thiết trong quá trìnhtính toán này

Đối với bộ nghịch lu thì ta coi thành phần sóng điện áp ra của nó chỉ là sóng

điều hòa bậc 1 ( vì nó chiếm tới 96% giá trị điện áp ra )

Giá trị điện áp ra sau bộ chỉnh lu là:

V Uv

U d = 2 , 34 = 2 , 34 220 = 514 , 8Mặt khác nếu tính ngợc lại từ phía động cơ:

V U

U d A 220 467

2

3 2

Pd = UdId = Pđm ⇒ A

U

P I

=

Điện áp ngợc đặt vào các van IGBT là:

V U

U CE T = d = 515Dòng điện trung bình lớn nhất qua van là:

A I

K

I Tmax = i T = 4 7 , 13 = 28 , 52

Điện áp ngợc cực đại đặt vào các van IGBT là:

V U

K U

T

CE u

Vậy chọn van IGBT loại: QM30HQ-24 do hãng MITSUBISHI sản xuất có cácthông số sau:

ICmax = 30A UCEmax = 1200V IB = 2A

Chọn các diode mắc song song ngợc với các IGBT:

Điện áp ngợc đặt lên diode là:

V U

U ngD = d = 515Dòng điện trung bình đi qua van là:

Điện áp ngợc cực đại đặt lên diode là:

V U

K

U D'max = u. ngD = 2 , 3 515 = 1185Dòng điện trung bình đi qua van là:

A I

K

I D'max = i D' = 4 3 , 57 = 14 , 3Vậy chọn diode loại: SW12PCR030 có thông số:

UNGmax = 1200V Ith = 120A

Chọn diode cho các van diode của mạch chỉnh lu:

Điện áp ngợc đặt vào van là:

V U

U ngD = 6 nguon = 6 220 = 538 , 9Dòng điện trung bình đi qua van là:

=

Điện áp ngợc cực đại đặt vào van là:

V U

K

U ngDmax = U. ngD = 2 , 2 538 , 9 = 1186Dòng điện trung bình đi qua van là:

A I

K

I Dmax = i D = 4 7 , 13 = 28 , 6Vậy ta cũng chọn diode loại SW12PCR030 nh trên

Chọn tụ lọc C.

Theo kinh nghiệm của thầy giỏo hướng dẫn, ta chọn tụ lọc C = 1800àF, giỏtrị điện ỏp trờn hai bản của tụ điện là 1000V Ta mắc song song ba tụ cú giỏ trị C

= 600àF để cú một tụ điện cú giỏ trị điện dung tương đương là 1800àF

Tớnh chọn điện trở hóm và Transistor đúng cắt điện trở hóm.

Khi động cơ hóm thỡ toàn bộ động năng của động cơ sẽ được đưa ngượctrở về phớa khõu một chiều trung gian thụng qua cỏc diode mắc song song ngượcvới cỏc IGBT Phần năng lượng đú sẽ được nạp vào cho tụ (vỡ chỉnh lưu làchỉnh lưu khụng điều khiển nờn năng lượng khụng thể trả trở về lưới) Điềunày làm cho điện ỏp trờn hai bản cực của tụ lọc sẽ tăng lờn Để trỏnh quỏ ỏp cho

tụ thỡ ta thiết kế một điện trở hóm Khi điện ỏp trờn tụ đến mức cần phải bảo

vệ an toàn cho tụ thỡ ta phỏt xung mở Transistor T để toàn bộ năng lượng từphớa động cơ trả về được đốt núng trờn điện trở hóm

Như vậy khi hóm thỡ Transistor T phải chịu toàn bộ năng lượng trả về củađộng cơ Điện ỏp ngược lớn nhất mà Transistor T phải chịu là điện ỏp an toàncủa tụ Ở trờn ta đó chọn tụ cú điện ỏp danh định là 1000V và tụ đú cú điện ỏp

an toàn là 900V Điều đú cú nghĩa là khi điện ỏp trờn tụ đạt 900V thỡ cần phảiphỏt xung mở T Ta tớnh một cỏch cực đoan nhất là lỳc đú Transistor phải chịutoàn bộ cụng suất của động cơ Khi đú, dũng điện lớn nhất đi qua van phải bằngdũng I = 11000/900 = 12,2A

Chọn hệ số dữ trữ điện ỏp Ku = 1,7

Chọn hệ số dữ trữ dũng điện Ki = 3

Vậy ta cú dũng điện lớn nhất qua van là: 12,2.3 = 36,7A

Điện ỏp lớn nhất qua van là: 900.1,7 = 1530V

Vậy chọn van Transistor T loại: TM90DZ-2H của hóng MITSUBISHI sảnxuất cú cỏc thụng số như sau:

900

I

U

R B

2.6 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch lực bộ biến đổi.

2.6.1 Bảo vệ quá nhiệt cho các van.

Có 4 loại phát nhiệt trên các van bán dẫn là: [8]

• Phát nhiệt trong trạng thái dẫn dòng của van Khi van dẫn, do có sụt

áp trên các van nên công suất tỏa nhiệt trên van sẽ bằng dòng đi quavan nhân với sụt áp trên van

• Phát nhiệt trong trạng thái không dẫn dòng của van Khi van khôngdẫn dòng thì qua van có dòng điện rò Do đó trên van sẽ có một lợngcông suất tỏa nhiệt là bằng điện áp ngợc nhân với dòng rò

• Phát nhiệt trong trạng thái quá độ của van Cả khi van tắt và van dẫnthì đều có tỏa nhiệt Khi van đang dẫn dòng mà chuyển sang trạngthái tắt thì dòng điện giảm từ từ về không Trong khi đó thì điện áp lạităng dần từ giá trị điện áp sụt áp lên giá trị điện áp ngợc Do dó, nócũng gây ra một lợng công suất tỏa nhiệt đáng kể Và trong quá trìnhngợc lại thì cũng tơng tự nh vậy

• Phát nhiệt trong quá trình phát xung mở van ( chỉ đối với những van

điều khiển đợc ) Khi phát xung mở van thì cũng làm nóng cực điềukhiển

Tuy nhiên, trong 4 loại phát nhiệt cho van này thì loại hình phát nhiệt đầu tiên

là lớn nhất Do đó, trong quá trình thiết kế ta chỉ cần quan tâm đên loại hình phátnhiệt này

2.6.1.1 Tính toán cánh tản nhiệt cho các van Diode chỉnh lu.

Tổn thất cụng suất trờn mỗi van là:

W 1 , 53 77 , 1 30

k

P

S = ∆Trong đú: τ: là độ chờnh nhiệt độ so với mụi trường

Với điều kiện khớ hậu nhiệt độ của Việt Nam thỡ tao chọn nhiệt độ mụi trường

là 40oC Nhiệt độ làm việc cho phộp của van là 175oC Ta chọn nhiệt độ làm việctrờn cỏnh tản nhiệt là: 150oC

110 40

1 , 53

m

S TN = =Vậy chọn cỏnh tản nhiệt loại 5 cỏnh cú kớch thước mỗi cỏnh là: 5ì5

Tổng diện tớch của cỏnh tản nhiệt là:

STN = 5.2.5.5 = 250 cm2 = 0,25m2

2.6.1.2 Tớnh chọn cỏnh tản nhiệt cho diode ở mạch nghịch lưu.

Cỏc van diode ở trong mạch nghịch lưu cú cựng loại với cỏc diode trong mạchchỉnh lưu nờn ta sử dụng loại cỏnh tản nhiệt cho nú

2.6.1.3 Tớnh chọn cỏnh tản nhiệt cho IGBT của mạch nghịch lưu

Tra datasheet của van ta cú cụng suất tiờu tỏn trờn collector là 310W

Nhiệt độ cho phộp trờn vỏ của van là: 125oC Ta chọn nhiệt độ làm việc trờncỏnh tản nhiệt của van là: 110oC

τ = Tlv – Tmt = 110 – 40 = 70oC

Diện tích cánh tản nhiệt là:

2 44 , 0 70 10

310

m k

P S

m

τ

Ta chọn cánh tản nhiệt loại có 10 cánh có kích thước: 5×5

Tổng diện tích của cánh tản nhiệt là:

p U F

f

FT

ω

ω ω

τ

=

1 ) (

) (

Trong đó: Kω - là hệ số tỷ lệ

I – là dòng tải của máy phát

Rư – là điện trở phần ứng máy phát

910 55 , 9 60

2

s rad n

n dm dm

ω

1 , 0 105 , 0 3 , 95

Hằng số thời gian của bộ lọc Tf ω < 5ms, chọn Tf ω = 1(ms)

Vậy ta có hàm truyền máy phát tốc là:

F FT

001 , 0 1

1 , 0 +

=

2.7.2 Đo lường dòng điện

Sơ đồ đo dòng điện xoay chiều ba pha đơn giản nhất là dùng ba máy biếndòng như trên hình vẽ Ba máy biến dòng mắc vào ba pha của mạng điện và cuộndây của máy biến dòng được ngắn mạch qua điện trở công suất R0 Điện áp thứ cấpmáy biến dòng được cho qua một bộ chỉnh lưu cầu ba pha dùng diode và mạch lọc

RC để lọc thành phần xoay chiều sau chỉnh lưu

Điện áp đầu ra của chỉnh lưu là:

d

U2 = 1Trong đó: I d 3 2 I2

π

=Trong mạch bố trí R1 mắc nối tiếp diode D0 phục vụ cho việc đo tín hiệu dòngđiện không U20 Khi diode dẫn thì điện áp UD0≈ 0,5V

Ta ký hiệu PI là tỷ số của máy biến dòng, vậy cơ cấu hàm truyền đo lườngdòng điện là:

p

K p

I

p U p F

fI

I I

τ +

=

=

1 ) (

) ( )

(

1 21

Trong đó: KI = PIR1 là hệ số tỷ lệ

τfI = RC là hằng số thời gian bộ lọc

Ta vẫn giả sử rằng hiệu suất của biến tần bằng 100% Điện áp vào của biến tần

là 220V và cosϕ = 0,8 Khi đó, dòng điện chạy trong một pha là:

A U

P

8 , 0 220 3

11000 cos

F I

001 , 0 1

157 , 0 ) (

+

=

Ic Ib

Lựa chọn phương án truyền động tức là phải xác định được loại động cơtruyền động một chiều hay xoay chiều, phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp vớiđặc tính tải, sơ đồ nối bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động.

Qua tìm hiểu yêu cầu công nghệ của cơ cấu truyền động cho xe con cầu trục

ta có một số nhận xét sau:

Hệ thống truyền động xe con cầu trục làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại

Để điều chỉnh tốc độ cho hệ thống này ta có thể dùng 2 loại hệ truyền động với động cơ một chiều hoặc xoay chiều

Động cơ một chiều có ưu điểm là có khả năng điều chỉnh tốc độ trong phạm

vi rộng, dễ tạo đường đặc tính cơ học phù hợp với yêu cầu làm việc của máy, có khả năng quá tải cao, cần có nguồn điện một chiều Nói chung việc dùng hệ truyền động một chiều có thể đạt được đặc tính điều chỉnh rất lí tưởng song hệ làm việc kém tin cậy, giá thành hệ thống đắt, nguồn cấp riêng do vậy chỉ trong những trườnghợp có công suất lớn và yều cầu cao về truyền động mới dùng hệ này Trong yều cầu đề bài nêu, ứng dụng trong một hệ công suất không lớn và không cần điều chỉnh quá chính xác do vậy ta bỏ qua giải pháp này

Động cơ xoay chiều có hiệu quả kinh tế cao, đạt yêu cầu về đặc tính khởi

động cũng như đặc tính điều chỉnh Hệ truyền động này dùng động cơ không đồngbộ( KĐB) 3 pha Loại động cơ này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp,chiếm tỉ lệ rất lớn so với động cơ khác Tuy nhiên động cơ KĐB có cấu tạo phầncảm và phần ứng không tách biệt, từ thông động cơ cũng như mô men động cơ sinh

ra phụ thuộc nhiều vào tham số Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điệnđộng cơ không đồng bộ là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh Trong công nghiệp thường sử dụng bốn hệ điều chỉnh tốc độ :

+ Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ

+ Điều chỉnh xung điện trở mạch rô to

+ Phương pháp điều chỉnh công suất trượt

+ Phương pháp biến đổi tần số

Sau đây là một số đặc điểm và phạm vi ứng dụng của 4 phương pháp

1 Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ

Ưu điểm:

- Tổn thất trong bộ biến đổi thấp

- Dễ dàng tự động hoá

- Thiết bị thực hiện là Thyristor hay van hai chiều có bán sẵn trên thị trường

- Phù hợp cho các tải có momen tải là hàm tăng của tốc độ như bơm li tâm, quạtgió

- Đắt tiền hiệu quả kinh tế thấp

- Chỉ phù hợp điều khiển động cơ công suất lớn

3 Điều chỉnh xung điện trở mạch roto

Đây là một phương pháp điều chỉnh đơn giản và cổ điển đã được sử dụngtrước đây rất nhiều Nguyên lý điều chỉnh dựa trên việc thay đổi điện trở roto, thayđổi đường đặc tính cơ KĐB dẫn đến thay đổi tốc độ

ưu điểm:

- Điều chỉnh được ở tốc độ thấp

- Tốc độ điều chỉnh nhỏ hơn tốc độ cơ bản

- Tự động hoá trong điều chỉnh được dễ dàng

- Chỉ phù hợp với các điều chỉnh có yêu cầu không cao về tốc độ

4 Phương pháp biến đổi tần số:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi tần nguồn áp, cho phép

mở rộng phạm vi sử dụng động cơ KĐB trong nhiều ngành công nghiệp Nó chophép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điềuchỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ KĐB nói riêng Trước hếtchúng ta ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúcnhư các truyền động của nhóm máy dệt, băng tải, bánh lăn phương pháp này cònđược ứng dụng cho cả các thiết bị đơn lẻ nhất là những cơ cấu có yêu cầu tốc tốc

độ cao như máy ly tâm, máy mài Đặc biệt là hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơbằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho động cơ KĐB rotor lồng sóc sẽ cókết cấu đơn giản vững chắc giá thành hạ có thể làm việc trong nhiều môi trường

Nhược điểm cơ bản của hệ thống này là mạch điều khiển rất phức tạp

Đối với hệ thống này động cơ không nhận điện từ lưới chung mà từ một bộbiến tần Bộ biến tần này có khả năng biến đổi tần số và điện áp ra một cách độclập với nhau Trong phần này đề cập đến hai nội dung: Nguyên lý điều chỉnh tốc độđộng cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số và các loại biến tần dùng trong hệ truyềnđộng biến tần - động cơ KĐB

4.1 Nguyên lý điều chỉnh tần số:

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số fi củađiện áp stato được rút ra từ biểu thức xác định động cơ KĐB

ωs = 2.π.fsVậy sức điện động của dây quấn stato của động cơ tỷ lệ với tần số ra và từthông: Es = C.φ.fs

Mặt khác nếu bỏ qua độ sụt áp trên tổng trở dây quấn stato tức coi

Vậy đồng thời với việc điều chỉnh tần số ta phải điều chỉnh cả điện áp nguồncung cấp Từ công thức trên ta thấy khi điều chỉnh tần số mà giữ nguyên điện ápnguồn Us không đổi thì từ thông động cơ sẽ biến thiên

*Khi ƒs giảm từ thông φ của động cơ lớn lên làm cho mạch từ bão hoà và dòngđiện từ hoá lớn lên Do các chỉ tiêu năng lượng xấu đi và đôi khi nhiều động cơ cònphát năng lượng quá mức cho phép

*Khi ƒs tăng từ thông φ của động cơ giảm xuống và nếu mômen phụ tải không đổithì theo biểu thức M = k.φ.I.n.cosφ ta thấy dòng điện rotor Ir phải tăng lên.Vậytrong trường hợp này dây quấn động cơ chịu quá tải còn lõi thép thì phải non tải.Ngoài ra cũng vì lý do trên mômen cho phép và khả năng quá tải của động cơ giảmxuống

Vì vậy để tận dụng khả năng động cơ một cách tốt nhất là khi điều chỉnh tốc

độ bằng phương pháp biến đổi tần số người ta còn phải điều chỉnh cả điện áp vàdòng điện theo hàm của tần số và phụ tải

Việc điều chỉnh này chỉ theo hàm của tần số có đặc máy sản xuất có thểđược thực hiện trong hệ kín Khi đó nhờ các mạch hồi tiếp điện áp ứng với một tầncho trước nào đó sẽ biến đổi theo phụ tải

Yêu cầu chính đối với đặc tính của truyền động điều chỉnh tần số đảm bảo

độ cứng đặc tính cơ và khả năng quá tải trong toàn bộ dải điều chỉnh tần số và phụtải ngoài ra còn có thể có vài yêu cầu về điều chỉnh tối ưu trong chế độ tĩnh

4.2 Các loại biến tần :

Gồm hai loại: Biến tần trực tiếp

Biến tần gián tiếp

Đặc điểm là điện áp ra trên tải được định hình sẵn còn dạng dòng điện tải lại

ít phụ thuộc vào tính chất tải Việc điều chỉnh tần số điện áp ra trên tải được thựchiện dễ dàng bằng điều khiển qui luật mở van của phần nghịch lưu Phương phápđiều khiển này thay đổi dễ dàng tần số mà không phụ thuộc vào lưới

Biến tần nguồn dòng :

Sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy, đã từng được sử dụng rộng rãi để điềukhiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha, rotor lồng sóc Sơ đồ gồm một cầu chỉnhlưu và một cầu biến tần, mỗi tiristor được nối tiếp thêm một một điôt gọi là điôtchặn

Theo yêu cầu của đề bài và theo đặc điểm hệ truyền động cho xe con cầutrục là có momen tải không đổi, em chọn phương pháp điều chỉnh tần số nguồncung cấp cho động cơ sư dụng biến tần nguồn áp cho hệ xe con cầu trục đã cho.

3.2 Mụ hỡnh toỏn học của động cơ không đồng bộ

Để xõy dựng và thiết kế bộ điều chỉnh cần phải cú mụ hỡnh mụ tả chớnh xỏctới mức tối đa đối tượng điều chỉnh

Xuất phỏt điểm để xõy dựng mụ hỡnh toỏn học cho động cơ không đồng bộ

là mụ hỡnh đơn giản của động cơ trong hỡnh trờn Mụ hỡnh toỏn học thu được cầnphải thể hiện rừ cỏc đặc tớnh thời gian của đối tượng điều chỉnh Tuy nhiờn, cầnphải lưu ý rằng mụ hỡnh mà chỳng ta xõy dựng ở đây khụng nhằm mục đích mụphỏng chớnh xỏc về mặt toỏn học đối tượng động cơ mà mụ hỡnh ở đây chỉ phục

vụ cho việc xõy dựng thuật toỏn điều chỉnh động cơ

Về phương diện động học hệ thống, động cơ không đồng bộ được mụ tả bởimột hệ phương trỡnh vi phõn bậc cao Vỡ cấu trỳc phõn bố trong khụng gian củacỏc cuộn dõy phức tạp và cỏc mạch từ múc vũng nờn ta phải chấp nhận một loạtcỏc giả thiết sau đây khi mụ hỡnh húa động cơ

 Cỏc cuộn dõy stator được phõn bố một cỏch đối xứng trong khụnggian

pha U

Cuén d©y pha W

Cuén d©y phaV

Mụ hỡnh đơn giản của động cơ không đồng bộ rotor lồng

súc

 Cỏc thụng số của động cơ không đổi nghĩa là khụng phụ thuộc vàonhiệt độ, điện trở rotor khụng phụ thuộc vào tần số dũng điện rotor,mạch từ khụng bóo hũa nờn điện khỏng X1 và X2 khụng đổi

 Tổng dẫn mạch từ húa khụng thay đổi, dũng điện từ húa khụng phụcthuộc tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stator của động cơ

 Bỏ qua cỏc tổn thất ma sỏt, tổn thất trong lừi thộp

 Điện áp lưới hoàn toàn hỡnh sin và đối xứng ba pha

Động cơ không đồng bộ là loại động cơ được dựng phổ biến nhất trong thực

tế vỡ nú cú cỏc ưu điểm là: cấu trỳc đơn giản, bền vững, dễ chế tạo, giỏ thành rẻ,khả năng quỏ tải về momen lớn, cú thể làm việc ở tốc độ rất thấp hoặc rất cao, hoạtđộng dựa trờn nguyờn lý cảm ứng điện từ nờn cú thể ứng dụng trong những mụitrường cú hoạt tớnh cao, chỏy nổ

Động cơ không đồng bộ 3 pha là mỏy điện cú nhiều dõy quấn trờn stator,phương trỡnh cõn bằng điện áp trờn mỗi cuộn dõy như sau

Uk = Rk.Ik + dΨk/dtTrong đó:

k – là tờn của dõy quấn pha

Từ thụng múc vũng của mỗi dõy quấn là ψk = ∑LkjIj

Trong đó: j cũng là tờn của dõy quấn pha

Khi j = k thỡ đó là điện cảm tự cảm, j ≠ k thỡ đó là điện cảm hỗ cảm

Nếu lấy cỏc chữ cỏi thường a, b, c để chỉ tờn của dõy quấn stator và cỏc chữcỏi hoa A, B, C để chỉ tờn của dõy quấn pha của rotor thỡ

k = a, b, c, A, B, C và j = a, b, c, A, B, CNếu coi mạch từ là tuyến tớnh và bỏ qua tổn hao sắt thỡ momen điện từ củađộng cơ:

∑ ∂∂

=

t i

k

ψ 2

1

Gọi gúc lệch của trục cỏc dõy quấn cựng pha của stator và rotor là υ thỡ tốc

độ quay của rotor sẽ là đạo hàm của gúc quay này ω = dυ/dt

Để đơn giản trong cỏch viết, coi động cơ cú hai cực (p’=1) Theo sơ đồ ta cúthể tớnh được từ thụng của tất cả sỏu dõy quấn

Vớ dụ từ thụng của pha a ở Stator

LS1, LR1 là điện cảm của từng dõy quấn stator và rotor

MS, MR là hỗ cảm giữa cỏc dõy quấn stator và rotor với nhau