Lý do chọn đề tài : Hệ thống thang cuốn là một phương tiện phổ biến, giúp con người di chuyển dễ dàng giữa các tầng trong tòa nhà theo phương thức dạng băng chuyền băng tải.. Hệ thống t
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
Trang 3MỤC LỤC
1
CHƯƠNG I : MỞ ĐẦU 5
1 Lý do chọn đề tài : 5
2 Mục tiêu đề tài : 5
3 Nội dung đề tài : 5
CHƯƠNG II : TỔNG QUANG VỀ THANG CUỐN 6
1 Khái niệm thang cuốn : 6
2 Ứng dụng thang cuốn : 6
3 Phân loại cầu thang cuốn : 6
3.1 Phân loại theo công dụng : 6
3.2 Phân loại theo hình dạng đường đi : 6
3.3 Phân loại theo các thông số cơ bản : 7
3.4 Phân loại theo mức độ tự động : 7
4 Lịch sử phát triển của cầu thang cuốn : 7
5 Các thiết bị và cơ cấu chính trong thang cuốn : 7
5.1 Nguồn lực : 7
5.2 Hộp giảm tốc : 8
5.3 Băng thang : 9
5.4 Lang cang tay vịn thang cuốn : 9
5.5 Lớp áo bọc cầu thang cuốn : 10
5.6 Cảm biến tốc độ : 10
CHƯƠNG III : ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 11
1 Cấu tạo : 11
2 Nguyên lý : 12
3 Đặc tính cơ : 13
CHƯƠNG IV : BIẾN TẦN 15
1 Ứng dụng : 15
2 Phân loại : 15
Trang 43 Cấu tạo biến tần : 15
4 Nguyên lý hoạt động : 16
5 Lợi ích : 17
CHƯƠNG V : THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANG CUỐN 18
1 Tính toán công suất tải trên trục động cơ khi tải trọng thang cuốn thay đổi lần lượt là 0, 1000, 3000, 5000 : 18
2 Tính toán công suất động cơ và biến tầng tương ứng : 19
3 Sơ đồ khối cho hệ thống điều khiển tốc độ thang cuốn : 22
4 Đề xuất kết nối thiết bị cho hệ thống truyền động thang cuốn : 22
5 Mô phỏng hệ thống truyền động thang cuốn : 24
6 Ghi nhận kết quả điều khiển tốc độ thang cuốn khi số lượng người lên thang cuốn có sự thay đổi : 25
CHƯƠNG VI : KẾT LUẬN 27
Trang 5CHƯƠNG I : MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài :
Hệ thống thang cuốn là một phương tiện phổ biến, giúp con người di chuyển dễ dàng giữa các tầng trong tòa nhà theo phương thức dạng băng chuyền (băng tải) Hệ thống thang cuốn gồm tập hợp những bậc thang di chuyển liên tục, bước gối lên luân phiên nhau theo chiều lên hoặc xuống tạo thành một vòng khép kín và các khe rãnh trên bậc thang được thiết kế so le, ăn khớp với nhau
Ngày nay với sự phát triển quy mô dân số không ngừng, quỹ đất ngày càng hạn hẹp, nên hiện nay xuất hiện nhiều tòa nhà cao tầng hơn Đi đôi với việc xây dựng các tòa nhà cao tầng tại các thành phố thì vấn đề chở người và chở hàng hóa hết sức được quan tâm Vì vậy vấn đề đặt ra là cần phải thiết kế một hệ thống thang cuốn thật tối ưu rất được quan tâm
2 Mục tiêu đề tài :
- Nguyên cứu nguyên lý và điểu khiển động cơ KĐB
- Mô phỏng hệ thống truyền động điện bằng phần mềm Matlab/Simulink
- Nâng cao tính linh hoạt cũng như điều khiển vận hành dây chuyền truyện động Chính vì vậy đề tài này giúp em hiểu rõ về vấn đề điều khiển động cơ để vận hành một cách trơn tru, chính xác, đem lại hiệu qua cao
3 Nội dung đề tài :
- Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ KĐB
- Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến tần
- Tính toán và chọn động cơ, biến tần phù hợp cho hệ thống thang cuốn
- Mô phỏng Matlab/Simulink cho hệ thống thang cuốn
Trang 6CHƯƠNG II : TỔNG QUANG VỀ THANG CUỐN
1 Khái niệm thang cuốn :
Cầu thang cuốn là thiết bị vận chuyển người, hàng hóa dạng băng tải Thangcuốn bao gồm hệ thống những bước thang có thể chuyển động lên trên hay xuống dướiliên tục luân phiên nhau thành vòng tròn khép kín, ăn khớp với nhau bằng những khesâu trên bề mặt Đường đi của thang cuốn chủ yếu là đường thẳng nhưng một số khácđược thiết kế theo dạng xoắn ốc để tiết kiệm diện tích
Hình 1.1 Mô hình thang cuốn
2 Ứng dụng thang cuốn :
Cầu thang cuốn thường được lắp đặt tại các siêu thị, trung tâm thương mại,các gatàu sân bay, nhà hàng, khách sạn… để vận chuyển hàng hóa và hành khách Hiện nay,cầu thang cuốn còn được sử dụng rộng rãi trong các nhà ở dân dụng
Ngoài ý nghĩa là thiết bị vận chuyển hàng hóa và người cầu thang cuốn còn làmột trong những yếu tố làm tăng vẻ đẹp và tiện nghi của mỗi công trình.Thang cuốn hiện đại được sử dụng từng đôi với một chiều lên và một chiều xuống
3 Phân loại cầu thang cuốn :
Thang cuốn hiện nay được thiết kế, chế tạo rất đa dạng với nhiều kiểu loại khác nhau để phù hợp với mục đích sử dụng của từng công trình
3.1 Phân loại theo công dụng :
+ Cầu thang cuốn bậc thang dùng vận chuyển người
+ Cầu thang cuốn dạng băng tải vận chuyển người và hàng hóa
3.2 Phân loại theo hình dạng đường đi :
+ Cầu thang cuốn di chuyển thẳng rất phổ biến thường thấy ở siêu thị,trung tâm thương mại
+ Cầu thang cuốn dạng xoắn ốc ít phổ biến
Trang 73.3 Phân loại theo các thông số cơ bản :
+ Theo độ cao
+ Theo góc nghiêng
+ Theo chiều dài thang
+ Theo dung lượng vận chuyển
3.4 Phân loại theo mức độ tự động :
+ Bán tự động
+ Tự động
4 Lịch sử phát triển của cầu thang cuốn :
Cầu thang cuốn ngày nay có mục đích sử dụng và hình dáng tương đồng với các loại cầu thang trong ngành kiến trúc Cầu thang là một trong những phần kiến trúc trong nhà có lịch sử lâu đời nhất trong lịch sử ngành kiến trúc.Và rất khó có thể nói chính xác năm nào đã có cầu thang, nhưng người ta vẫn tin rằng chúng xuất hiện vào khoảng năm 6000 trước công nguyên Cầu thang luôn thay đổi hình dáng qua nhiều thời kì kiến trúc khác nhau
Mẫu cầu thang đầu tiên trong lịch sử được chế tạo bằng gỗ cây Với hình dáng thô sơ đơn giản Trong lịch sử cầu thang gần đây, mẫu cầu thang xoắn ốc ra đời sử dụng với mục đích tiết kiệm diện tích
Có thể nói cầu thang cuốn ra đời trong thế kỉ thứ 19, khi động cơ hơi nước(1860), động cơ điện một chiều (1870), động cơ điện xoay chiều (1889) ra đời Vào cuối thế kỉ 19, Peter Nicholson đã phát trển một hệ thống toán học cho cầu thang
và thanh cây vịn
Năm 1920 hệ cơ khí và truyền động điện ra đời Những kĩ thuật và phương pháp điều kiển động cơ điện không ngừng phát triển, cầu thang cuốn dùng hộp giảm tốc bánh răng kết hợp với động cơ điện đã được ra đời
Năm 1935, hệ cơ khí với điều khiển tự động ra đời với những hệ điều khiển tốc
độ phức tạp và sự phối hợp đóng ngắt để điều khiển an toàn tốc độ Vào thời đại máy tính và kĩ thuật vi điều khiển kết hợp với các loại cảm biến làm tăng hiệu quả làm việc
và tính an toàn của thang Sự phát triển của vật liệu(thủy tinh, thép không rĩ ,titan, nhựa tổng hợp…) đã tạo ra những kiểu thiết kế cầu thang cuốn có tính thẩm mĩ cao và
an toàn như ngày nay Cầu thang cuốn trở thành trung gian của kĩ thuật kiến trúc và mỹ thuật, nó tô điểm và trang hoàn lộng lẫy công trình xây dựng
5 Các thiết bị và cơ cấu chính trong thang cuốn :
5.1 Nguồn lực :
Nguồn động lực có vai trò quan trọng trong tất cả các hệ thống truyền động Nócung cấp toàn bộ năng lượng cho cả hệ thống hoạt động Đối với cầu thang cuốn nguồn động lực được sử dụng đó là động cơ điện không đồng bộ xoay chiều 3 pha380– 220V, pha đơn 220V với tần số 50 – 60Hz Vì động cơ giữ vai trò rất quan trọngnên việc lựa chọn động cơ cho hệ thống cầu thang cuốn phải đảm bảo các điều kiện sau:
Trang 8- Công suất động cơ phải lớn hơn công suất cần thiết của cả hệ thống
- Tốc độ của động cơ phải phù hợp để đơn giản trong việc thiết kế các bộ giảmtố, phải đảm bảo về mặt kinh tế và kích thước khối lượng ( vì tốc độ động cơ có ảnh hưởng rất lớn đến giá thành, khối lượng và kích thước của động cơ)
- Có khả năng quá tải trong thời gian ngắn
- Momen khởi động phải đủ lớn để có thể thắng được momen cản ban đầu
- Động cơ không quá nóng khi làm việc trong thời gian dài
5.2 Hộp giảm tốc :
Hộp giảm tốc là một bộ phận phổ biến và quan trọng trong hầu hết các máy móc
cơ khí Trong hệ thống cầu thang cuốn hộp giảm tốc được sử dụng giảm tốc độ từ trục động cơ đến băng tải thang Do cầu thang cuốn không cần độ tự hãm lớn nên các hãng chế tạo thường sử dụng bộ truyền bánh răng nghiêng kết hợp bộ truyền xích.Vìthế việc thiết kế hộp giảm tốc cần phải được tiến hành cẩn thận, tính toán kinh tế theo các phương án thích hợp nhất Thông thường khi thiết kế hộp giảm tốc cần thỏa mãn hai điều kiện sau:
Hình 1.2 : Hộp giảm tốc + Hộp giảm tốc được thiết kế phải thảo mãn những chỉ tiêu làm việc chủ yếu như sức bền, độ bền mòn, độ cứng…
+ Giá thành chế tạo rẻ nhất, nhỏ gọn và thẩm mĩ
Ngoài những yêu cầu về khả năng làm việc chủ yếu, hộp giảm tốc được thiết kế cần thõa mãn những điều kiện kĩ thuật cơ bản:
+ Cơ sở hợp lý để chọn kết cấu các chi tiết và bộ phận máy
+ Những yêu cầu về tháo lắp, sữa chữa ( như tháo lắp điều chỉnh thuận lợi, giảmkhối lượng các nguyên công bằng tay khi lắp ráp và thời gian tháo láp…)
+ Hình dạng cấu tạo của chi tiết phù hợp với phương pháp chế tạo phôi gia công cơ và sản lượng cho trước
+ Tiết kiệm nguyên vật liệu
Trang 9+ Dùng rộng rãi các chi tiết, bộ phận máy đã được tiêu chuẩn hóa
+ Đảm bảo bôi trơn thường xuyên các chỗ ăn khớp, các bề mặt tiếp xúc
+ Bảo đảm dung sai lắp ghép các chi tiết
5.3 Băng thang :
Gồm các mắc xích thang ăn khớp với nhau bằng các khe sâu trên bề mặt và có thể trượt lên nhau Mỗi mắc xích thang có hai dãy con lăn Nhờ vào hai dãy con lăn này khi trượt trên hai băng dẫn hướng khác nhau mà các mắc xích thang có thể tạo nên các bậc thang khi di chuyển trên đoạn đường làm việc của thang
Hình 1.3 : Băng thang và mắc xích thang Băng dẫn hướng ngoài nhiệm vụ dẫn hướng cho các con lăn tạo nên hành trình của mắc xích thang thì nó còn là nơi chịu tải trọng làm việc của thang
Khuôn dẫn hướng cũng ngoài nhiệm vụ dẫn hướng ra thì nó còn giúp cho cáccon lăn trên mắc xích thang dễ dàng ăn khớp với bánh răng bị dẫn và bánh răng dẫn tạo ra chuyển động liên tục luân phiên thành vòng khép kín của cụm mắc xích thang Nhờ đó có thể tạo nên chiều chuyển động lên hay xuống của thang
Băng dẫn hướng, khuôn dẫn hướng sẽ được gắn cố định vào khung gia cố Khung gia cố phải được thiết kế vững chắc vì nó chịu tác dụng của toàn bộ tải trọng làm việc và tải trọng của chính thang cuốn Khung gia cố đối tượng trung gia nđể liên kết giữa thang cuốn với với kết cấu xây dựng của công trình
5.4 Lang cang tay vịn thang cuốn :
Khác với các loại lan can của cầu thang cố định truyền thống Lan can cầu thang cuốn được thiết kế gồm có bộ lan can cố định và bố trí thêm hệ thống băng đai chạy thành vòng khép kín với cùng vận tốc với bậc thang Chính nhờ băng đai này giúp cho hành khách cảm thấy an toàn khi đi trên thang, đồng làm tăng thêm tính thẩm mỹ của toàn bộ hệ thống cầu thang cuốn
Trang 10Hình 1.4 : Lang cang tay vịn thang cuốn Băng đai hoạt động dựa vào hai bánh xe trụ chốt tay vịn cầu thang cùng với hai bánh dẫn và bộ căng đai tạo nên chuyển động thành vòng khép kín của băng đai
5.5 Lớp áo bọc cầu thang cuốn :
- Lớp áo bọc này có nhiệm vụ che chắn toàn bộ hệ thống truyền động của hệthống Nó giúp ngăn cản bụi rơi vào các cơ cấu ăn khớp bên trong Có thể làm giảm tiếng ồn phát ra bên ngoài khi hệ thống làm việc
- Lớp áo bọc này còn là phần quan trọng để tạo nên yếu tố thẩm mỹ cho toàn
bộ cầu thang cuốn
5.6 Cảm biến tốc độ :
Cảm biến tốc độ là thiết bị dùng để kiểm tra tốc độ của thang Sau đó, đưa thông
số vận tốc về tín hiệu điện áp hay dòng điện cung cấp cho bộ điều khiển trung tâm để
xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển động cơ đảm bảo vận tốc làm việc của thang theo yêu cầu khi các điều kiện bên ngoài thay đổi
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ gồm có: + Điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch rôto
+ Điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ bằng cách thay đổi điện áp stato
+ Điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ bằng cách thay đổi số đôi cực(p)
+ Điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ bằng cách thay đổi tần
số của điện áp Thông thường khi thay tần số để điều chỉnh tốc độ động cơ người ta thường kết hợp thay đổi điện áp stato
Trang 11CHƯƠNG III : ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1 Cấu tạo :
❖ Phần tĩnh ( stato ) :
- Có cấu tạo gồm vỏ máy, lõi săt và dây quấn
+ Vỏ máy: Có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để àm mạch dẫn từ Thường được làm bằng gang, đối với máy có công suất lớn (>1000 kW) thì thường được dùng thép tấm hàn lại để làm vỏ máy Tùy theo cách làm nguội của máy mà cách làm vỏ cũng khác nhau
+ Lỗi sắt: Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tối đa tổn hao thì lõi sắt thường được làm bằng những lá thép kĩ thuật điện ép lại Khi đường kính ngoài lõi sắt nhở hơn 90mm thì ta dùng cả tấm thép tròn ép lại Ngược lại khi đường kính ngoài lớn hơn thì ta dùng những tấm thép hình rẻ quạt ghép lại
+ Dây quấn: dâu quấn Stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách định với lõi sắt
Hính 2.1 : Lõi thép stato
❖ Phần quay ( roto ) :
- Rotor dây quấn: Rotor dây quấn giống như dây quấn của Stator Dây quấn 3 pha của Rotor thường được đấu hình sao còn ba đầu kia được nói vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài Đặc biệt là có thể thông qua chổi than có thể đưa thêm điện trở phục hay suất điện động phụ vào mạch Rotor để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làm việc bình thường thì dây quấn Rotor được nối ngắn mạch Nhưng có nhược điểm là giá thành cao, dễ cháy nổ, và không làm việc được ở môi trường khắc nghiệt
- Rotor lồng sóc: Kết cấu của loại dây quấn này rất khác với dây quấn Stator Trong khi mỗi rảnh của lõi sắt Rotor đặt vào bằng đồng hay nhôm
Trang 12dặt vào và được kéo dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở 2 đầu bằng 2 vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng chính vì lí
do này mà người ta quen gọi là Rotor lồng sóc
2 Nguyên lý :
Khi nam châm điện quay (vớ vận tốc n1 vòng/ phút) làm đường sức từ quay cắt qua các cạnh của khung dây cảm ứng gây nên sức điện động E trên khung dây Khi đó sức điện động E sinh ra dòng điện I chạy trong khung dây một lức điện từ F Lực điện
từ này làm khung dây chuyển động với vận tốc không đổi n vòng/ phút Chính vì lí do này mà người ta gọi là động cơ không đồng bộ Đọng cơ không đồng bộ 3 pha có dây quấn 3 pha phía Stator, Rotor của động cơ không đồng bộ là một bộ dây quấn 3 pha có cùng số cực trên lõi thép của Rotor Khi Stator được cung cấp bởi nguồn 3 pha cân bằng có tần số f khi đó từ trường quay với tốc độ sẽ được tạo ra
- Quan hệ giữa từ trường quay và tần số f của nguồn 3 pha là:
𝜔1: tần số góc của nguồn 3 pha cung cấp cho động cơ: 𝜔1 = 2𝜋𝑓(rad/s)
- Nếu tốc độ của Rotor là n, thì sự sai lệch về tốc độ quay giữa Rotor và từ trường quay là:
𝜔𝑠𝑙 = 𝜔𝑑𝑏− 𝜔 = 𝑠 𝜔𝑑𝑏 (rad/s) Trong đó :
𝜔𝑠𝑙: được gọi là tốc độ trượt
s: được gọi là hệ số trượt
𝑠 = 𝜔𝑑𝑏− 𝜔
𝜔𝑑𝑏
Vì có tốc độ tương đối giữa Rotor và từ trường quay Stator, điện áp cảm ứng 3 pha
sẽ được sinh ra trong Rotor Tần số điện áp này tỷ lệ với độ trượt theo công thức:
𝜔𝑟 = 𝑠 𝜔1
- Khi đó Moment động cơ sinh ra là:
Trang 13Fm: giá trị đỉnh của sức từ động Rotor
𝛿𝑟: góc lệch pha giữa sức từ động Rotor và sức từ động khe hở không khí
3 Đặc tính cơ :
Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và moment của động
cơ Ta có đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nếu như động cơ vận hành ở chế độ định mức (điện áp, từ thông, tần số, định mức và không nối thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ) Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có điểm làm việc định mức có giá trị Mđm,
\omega_{dm} Đặc tính cơ nhân tạo ccuar động cơ là đặc tính khi tải thây đổi các tham
số nguồn hoặc nói thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ
Để đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cho beta và được tính như sau:
𝛽 = 𝛥𝑀𝛥𝜔+𝛽 lớn có đặc tính cơ cứng
+𝛽 có đặc tính cơ mềm
+𝛽 → ∞đặc tính cơ tuyệt đối cứng
Hình 2.2 : Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
