Thiết kế bộ biến tần điều khiển thang máy chở người

Sơ đồ truyền động dùng 1 bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng đảo chiều dòng kích từ Phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều: -Nguyên lí điều chỉnh đồng thời

DANH MỤC HÌNH VẼ……… … i

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU….……… …iv

LỜI NÓI ĐẦU………1

Chương 1 KHÁI QUÁT CHUNG CÔNG NGHỆ ……….2

1.1 Mô tả chung về thang máy……… ………….……2

1.2 Cấu tạo thang máy……….2

1.2.1.Hệ thống điện của thang máy ……….3

1.2.2 Hệ thống cơ khí của thang máy ……… 4

1.3 Phân loại thang máy……… 4

1.3.1 Phân loại theo công dụng………4

1.3.2 Phân loại theo tốc độ di chuyển của buồng thang.……… 4

1.3.3 Phân loại theo trọng tải ……… 5

1.4 Đặc điểm công nghệ và các yêu cầu về truyền động……….5

1.4.1.Đặc điểm công nghệ……….5

1.4.2.Yêu cầu về truyền động ……… 5

Chương 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ………9

2.1.Với động cơ một chiều……… 9

2.1.1.Hệ thống truyền động F - Đ ………9

2.1.2.Hệ truyền động T - Đ có đảo chiều quay ……… 10

2.1.3 Các phương pháp khởi động và hãm động cơ điện một chiều.……….14

2.2 Hệ truyền động động cơ xoay chiều………18

2.2.1.Hệ điều chỉnh điện áp động cơ.……… 18

2.2.2 Hệ điều chỉnh công suất trượt động cơ ……….20

2.2.3 Hệ điều chỉnh xung điện trở rôto ……… 22

2.2.4 Hệ điều chỉnh tần số động cơ KĐB 25

Chương 3 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN BÔ BIẾN TẦN 30

3.1 Phân tích lựa chọn bộ biến tần cho động cơ………30

3.1.1 Biến tần trực tiếp 30

3.1.2 Biến tần gián tiếp 31

3.2 Phân tích lựa chọn sơ đồ bộ biến tần gián tiếp nguồn áp………33

3.2.1 Biến tần gián tiếp nguồn áp với nguồn một chiều đầu vào có điều chỉnh 33

3.2.2 Biến tần nguồn áp một chiều đầu vào không điều chỉnh 38

3.3 Chọn thiết bị bán dẫn cho mạch lực………58

3.3.1.Chọn thiết bị bán dẫn phần nghịch lưu 58

3.3.2 Chọn điôt chỉnh lưu 60

3.3.3.Chọn tụ lọc nguồn 61

3.3.4 Tính toán máy biến áp cấp cho nguồn chỉnh lưu 64

Chương 4 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 65

4.1.Cấu trúc của hệ thống điều khiển biến tần……….… 65

4.2 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển biến tần dùng PWM nghịch lưu áp 3 pha………66

4.3 Thiết kế tính chọn các phần tử hệ thống……….67

4.3.1 Bộ điều khiển 67

4.3.2 Drive cho IGBT 70

4.3.3 Mạch cách ly 72

4.3.4 Mạch theo dõi nhiệt độ 72

4.3.5 Mạch phản dòng 72

4.3.6 Phím 72

4.3.7 Nguồn nuôi 72

Chương 5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB – SIMULINK 73

5.1.1 Khối nguồn 76

5.1.2 Khối tính các khoảng thời gian 77

5.1.3 Khối xác định trình tự phát xung điều khiển đóng mở các van IBGT 77

5.1.4 Mô hình mạch nghịch lưu IGBT 78

5.2 Kết quả mô phỏng………78

KẾT LUẬN……….……… 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 82

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1:Kết cấu tổng quan của thang máy………2

Hình 1.2: Đồ thị quãng đường, vận tốc, gia tốc và độ giật……….6

Hình 1.3: Đồ thị đặc tính làm việc……… 7

Hình2.1: Sơ đồ truyền động dùng 1 bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng đảo chiều dòng kích từ……… 11

Hình 2.2: Đặc tính điều chỉnh hai vùng kế tiếp nhau………12

Hình 2.3: a, Truyền động dùng hai bộ biến đổi điều khiển riêng cấp cho phần ứng b, Truyền động dùng hai bộ biến đổi điều khiển chung nối song song ngược 12

Hình 2.4: Đặc tính điều chỉnh điện áp phần ứng……… 13

Hình 2.5: Giản đồ thay thế T-Đ khi hãm tái sinh……… 18

Hình 2.6: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi giảm điện áp……… 19

Hình 2.7: Đặc tính điều chỉnh công suất trượt động cơ……….21

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lí và đặc tính cơ của phương pháp điều chỉnh xung điện trở roto……….………23

Hình 2.9: Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi điều chỉnh……… 25

Hình 2.10: Mở máy trực tiếp động cơ……… 26

Hình 2.11: Sơ đồ hệ truyền động biến tần nguồn áp chỉnh lưu điot……….27

Hình 2.12: Sơ đồ biến tần nguồn ap chỉnh lưu tiristor……… 28

Hình 3.1: Sơ đồ khối biến tần gián tiếp……….31

Hình 3.2: Biến tần nguồn áp một chiều dùng chỉnh lưu thyristo……… 33

Hình 3.3: Đồ thị dòng điện, điện áp sau chỉnh lưu……… ……… 34

Hình 3.4: Sơ đồ tương đương mạch tải ứng với các khoảng dẫn của van……….35

Hình 3.5: a, Biểu đồ xung trạng thái b, Dạng tín hiệu điều khiển các van và dòng điện, điện áp……… 36

Hình 3.6:Sơ đồ biến tần nguồn áp dùng chỉnh lưu không điều khiển……… 39

Hình 3.7: Đồ thị dòng điện, điện áp sau chỉnh lưu………40

Hình 3.8: Các biện pháp hạn chế dòng nạp cho tụ một chiều lúc khởi động (a) Dùng điện trở nối tiếp với tụ; (b) Dùng điện trở nối tiếp với mạch xoay chiều đầu vào (c) Dùng cầu chỉnh lưu bán điều khiển; (d) Dùng cầu chỉnh lưu tiristo………… 41

Hình 3.9: Nguyên lí và các dạng điện áp của PWM đơn cực………41

Hình 3.10:Nguyên lí và dạng điện áp của PWM lưỡng cực……… 42

Hình 3.11: Phổ biên độ các thành phần sóng hài a, ma<1 b, ma>………46

Hình 3.12: Dạng tín hiệu điều khiển các van và điện áp ra nghịch lưu……….49

Hình 3.13:Sơ đồ nguyên lý của ĐCXCBP nuôi bởi biến tần nguồn áp……….53

Hình 3.14: a, Sơ đồ nối ba cuộn dây theo khả năng thứ 4 của bảng 3.2 b, Vector không gian ứng với khả năng 4 của bảng 3.2 ………… ……….54

Hình 3.15: Tám vector chuẩn do ba cặp van bán dẫn của biến tần tạo nên Q1 Q4: các góc phần tư

S1 … S6: các góc phần sáu……… 54

Hình 3.16: Hình 3.16 Thực hiện vector us bất kì bằng 2 vector điện áp chuẩn…………55

Hình 3.17: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần sáu thứ nhất S1………… 57

Hình 3.18: Hình dạng cánh tản nhiệt của IGBT………60

Hình 3.19:Dạng điện áp của bộ chỉnh lưu……….62

Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển nghịch lưu……….65

Hình 4.2: Sơ đồ điều khiển PWM điều khiển biến tần……… 66

Hình 4.3:Sơ đồ khối bên trong của chip………67

Hình 4.4: Cấu trúc phần cứng điều chế véctơ không gian dùng chíp SAB 80C166…….69

Hình 4.5: Bố trí cặp thanh ghi phù hớp thời gian đóng ngắt của từng nhánh van……….70

Hình 4.6: Sơ đồ IGBT driver sử dụng HCPL-316J……… 71

Hình 4.7: Mạch cách ly điều khiển IGBT……… 72

Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lí nguồn cung cấp……… ……….72

Hình 5.1:Mô hình matlab hệ điều khiển nghịch lưu……… 76

Hình 5.2: Cấu trúc chi tiết khối nguồn……… 76

Hình 5.3: Cấu trúc chi tiết các khoảng thời gian điện áp.……….77

Hình 5.4:Cấu trúc khối xác định trình tự phát xung điều khiển………77

Hình 5.5: Mô hình mạch nghịch lưu……….……78

Hình 5.6: Dạng điện áp Uα ,Uβ……… ………78

Hình 5.7: Dạng xung điện áp pha……… 79

Hình 5.8: Dạng xung điện áp dây……… ………79

Hình 5.9: Dạng điện áp pha qua bộ lọc………….……….………… 79

Hình 5.10: Dạng điện áp dây qua bộ lọc…… ……… ….…80

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 3.1: Thành phần sóng hài trong điện áp dây……….48Bảng 3.2: Các khả năng nối pha của động cơ với Ud………53Bảng 5.1 Bảng tính khoảng thời gian đóng mở các van……… 74

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay nền kinh tế quốc gia phát triển rất mạnh mẽ, nhu cầu về đô thị hóa ngàycàng tăng cao Các dự án đầu tư lớn về cơ sở hạ tầng, khu đô thị mới, chung cư cao cấp,trung tâm thương mại được xây dựng ngày càng nhiều Vì vậy nhu cầu tiêu thụ thangmáy ở Việt Nam sẽ tăng nhanh trong các năm tiếp theo Để đáp ứng nhu cầu của thịtrường nội địa, vấn đề đặt ra là cần phải tăng cường năng lực trong nước để thiết kế lắpráp các hệ thống thang máy nói chung và bộ biến tần điều khiển động cơ thang máy nóiriêng

Xuất phát từ ý tưởng đó mà em đã nghiên cứu về đề tài “ Thiết kế bộ biến tần điềukhiển thang máy chở người” Sau một thời gian làm việc nỗ lực của bản thân và đặc biệt

là sự hướng dẫn nhiệt tình của TS Dương Văn Nghi em đã hoàn thành quyển đồ án này.

Tuy nhiên do kinh nghiệm của bản thân cũng như thời gian nghiên cứu còn hạn chế nên

đồ án này chắc chắn còn nhiều thiếu sót Em rất mong được sự hướng dẫn và góp ý củacác thầy cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày 25 tháng 05 năm 2011

Sinh viên thực hiện

Lê Hùng Cường

Chương 1 KHÁI QUÁT CHUNG CÔNG NGHỆ

1.1 Mô tả chung về thang máy

Thang máy là thiết bị vận tải dùng để chở người và hàng hoá theo phương thẳngđứng Nó là một loại hình máy nâng chuyển được sử dụng rộng rãi trong các ngành sảnxuất của nền kinh tế quốc dân như trong ngành khai thác hầm mỏ, trong ngành xây dựng,luyện kim, công nghiệp nhẹ ở những nơi đó thang máy được sử dụng để vận chuyểnhàng hoá, sản phẩm, đưa công nhân tới nơi làm việc có độ cao khác nhau Nó đã thaythế cho sức lực của con người và đã mang lại năng suất cao

Đặc biệt, trong sinh hoạt dân dụng, thang máy được sử dụng rộng rãi trong các toànhà cao tầng, cơ quan, khách sạn Thang máy đã giúp cho con người tiết kiệm đượcnhiều thời gian và sức lực

1.2 Cấu tạo thang máy

Thang máy có nhiều kiểu dáng khác nhau nhưng nhìn chung có các bộ phậnchính như sau:

Hình 1.1:Kết cấu tổng quan của thang máy

Bộ tời kéo cabin cùng hệ thống treo cabin, cơ cấu đóng mở cửa cabin và bộhãm bảo hiểm, cáp nâng, đối trọng, hệ thống dẫn hướng cho cabin và đối trọng chuyển

động trong giếng thang; bộ phận giảm trấn cho cabin và đối trọng đặt ở đáy giếng thang;

hệ thống hạn chế tốc độ tác động lên bộ hãm bảo hiểm để dừng cabin khi tốc độ vượt quágiới hạn cho phép, tủ điện điều khiển cùng các thiết bị điện để điều khiển tự động thangmáy hoạt động theo đúng chức năng và đảm bảo an toàn; cửa cabin cùng cửa tầng cùng

Ngoài ra, đối với các thang máy có cửa lùa tự động, khi đóng cửa nếu gặpchướng ngại vật thì cửa sẽ tự động mở và đóng lại Thang máy chở người thường đượctrang bị nút ấn cấp cứu phòng khi có sự cố ( khi ấn nút này cabin sẽ hoạt đông theo một

chế đặc biệt nó chỉ nhận lệnh ở tầng có sự cố và hạ cabin xuống tầng một và mở cửa, chứkhông nhận lệnh ở bất cứ tầng nào khác)

1.2.2 Hệ thống cơ khí của thang máy

a Các thiết bị cố định trọng hệ thống thang máy

- Ray dẫn hướng

- Hệ thống cửa cabin và cửa tầng

c Hệ thống cân bằng trong thang máy

- Đối trọng

- Xích và cáp cân bằng

- Cáp nâng

d Bộ tời kéo

e Thiết bị an toàn cơ khí

- Bộ hãm bảo hiểm

- Bộ hạn chế tốc độ

1.3 Phân loại thang máy

1.3.1 Phân loại theo công dụng

- Thang máy chở khách trong các nhà cao tầng

- Thang máy chở hàng có người điều khiển

- Thang máy vừa chở khách vừa chở hàng

- Thang máy chở bệnh nhân

1.3.2 Phân loại theo tốc độ di chuyển của buồng thang

- Thang máy chạy chậm: v = 0,5  0,65 m/s

- Thang máy tốc độ trung bình: v = 0,75  1,5 m/s

- Thang máy cao tốc: v = 2,5  5 m/s

1.3.3 Phân loại theo trọng tải

- Thang máy loại nhỏ: Q <160 kg

- Thang máy loại trung bình: Q = 500  2000 kg

- Thang máy loại lớn: Q > 2000 kgQua việc phân loại như trên, ta thấy đề tài được giao là thang máy chở người,trọng tải loại trung bình Ta chọn tốc độ di chuyển của thang là 0,5m/s - thuộc loại chậm

1.4 Đặc điểm công nghệ và các yêu cầu về truyền động

1.4.1 Đặc điểm công nghệ

- Động cơ của thang máy làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, khởi động và hãmnhiều

- Vì có đối trọng nên thang máy làm việc ở cả 4 góc phần tư :

+ Khi thang máy đi lên :

Nếu (khối lượng buồng thang+khối lượng người) < khối lượng đốitrọng thì thang máy làm việc ở góc 1/4 thứ 2 (chế độ hãm tái sinh)

Nếu (khối lượng buồng thang+khối lượng người) > khối lượng đốitrọng thì thang máy làm việc ở góc 1/4 thứ 1 (chế độ động cơ)

+ Khi thang máy đi xuống :

Nếu (khối lượng buồng thang+khối lượng người) < khối lượng đốitrọng thì thang máy làm việc ở góc 1/4 thứ 3 (chế độ động cơ)

Nếu (khối lượng buồng thang+khối lượng người) > khối lượng đốitrọng thì thang máy làm việc ở góc 1/4 thứ 4 (chế độ hãm tái sinh)

- Bản chất của thang máy là 1 máy nâng-vận chuyển nên nó làm việc với phụ tải thế năng

1.4.2 Yêu cầu về truyền động

Các yêu cầu đặt ra đối với điều khiển thang máy là có vấn đề chính sau :

- Yêu cầu về an toàn

- Yêu cầu về điều khiển tốc độ, gia tốc và độ giật

- Yêu cầu về điều khiển vị trí của buồng thang

- Yêu cầu về tín hiệu

a.Yêu cầu về an toàn

Đây là những yêu cầu rất quan trọng ví dụ như thang máy chỉ được phépvận hành khi cửa tầng và cửa cabin đã đóng hay khi thang máy quá tải thì không vận

hành …

b.Yêu cầu về điều khiển tốc độ , gia tốc và độ giật

Hệ truyền động thang máy phải đảm bảo cho buồng thang chuyển động êm Điều

này phụ thuộc vào gia tốc khi mở máy và khi hãm máy Các tham số chính đặc trưng cho

chế độ làm việc của thang máy là :

dt  dt  dt (đạo hàm bậc nhất của gia tốc)

Tốc độ di chuyển của buồng thang quyết định năng suất của thang máy, nó có ý

nghĩa rất quan trọng nhất là đối với các nhà cao tầng Tốc độ di chuyển trung bình của

thang máy có thể tăng bằng cách giảm thời gian mở máy và hãm máy nghĩa là tăng gia

tốc, nhưng khi gia tốc lớn sẽ gây cảm giác khó chịu, bởi vậy gia tốc tối ưu là a <= 2(m/s2)

Khi chọn trị số tốc độ của thang máy phải căn cứ vào đối tượng mà thang máyphục vụ, trị số tốc độ càng cao thì năng suất của thang máy càng tăng nhưng kéo theo giáthành rất lớn Bởi vậy cần phải cân nhắc chọn trị số tốc độ cho phù hợp Đường congbiểu diễn quãng đường, tốc độ, gia tốc và độ giật tố ưu của thang máy hình 1.2

Đồ thị hình 1.2 có thể chia ra làm 5 giai đoạn theo tính chất thay đổi tốc độ củabuồng thang như sau: Mở máy, chế độ ổn định, hãm xuống tốc độ thấp, buồng thang đếntầng và hãm dừng Trong chế độ ổn định, thang máy có vận tốc không đổi ứng với mọigiá trị của tải

c.Yêu cầu về điều khiển vị trí buồng thang

Một trong những yêu cầu của hệ truyền động và hệ điều khiển thang máy là phảidừng chính xác buồng thang Nếu dừng không chính xác nó làm ảnh hưởng đến thời gian

ra vào của hành khách do đó mà nó làm giảm năng suất của buồng thang

d.Yêu cầu về điều khiển tín hiệu

Hệ thống điều khiển thang máy thường dùng hai phương án tối ưu điều khiển

- Tối ưu về vị trí: Phương án này phục vụ các tín hiệu gọi theo thứ tự dựa trên sự so sánh

về khoảng cách giữa tín hiệu gọi và tín hiệu hiện tại của buồng thang Thứ tự xử lý tínhiệu gọi phục vụ từ gần cho đến xa

Ưu điểm của phương pháp này là tối ưu về đường đi, nhưng nhược điểm là đầuvào của bài toán biến đổi liên tục dẫn đến sự rối loạn trong mạch điều khiển

- Tối ưu về chiều chuyển động: Giả sử buồng thang đang chuyển động theo chiều đi lênthì nó sẽ xử lý tất cả các lệnh ở trên đó, còn các lệnh ở thấp hơn nó sẽ lưu lại và xử lý saukhi đã thực hiện hết hành trình đi lên và

ngược lại

e.Yêu cầu về chế độ làm việc của động cơ

Do thang máy lên rồi lại xuống và

ở mỗi tầng lại dừng lại nên chế độ làm

việc của động cơ là chế độ làm việc ngắn

hạn lặp lại, có đảo chiều, có hãm tái sinh,

phụ tải biến đổi, làm việc ở 4 góc phần

tư.Động cơ làm việc ở cả 4 góc phần tư:

Hình 1.3: Đồ thị đặc tính làm việc

Góc phần tư thứ nhất : khi thang máy đi lên, tải trọng lớn hơn đối trọng, động cơ làm việc ở chế độ động cơ

Góc phần tư thứ hai : Khi thang máy đi lên, tải trọng nhỏ hơn đối trọng, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh trả năng lượng về lưới

Góc phần tư thứ ba : Khi thang máy hạ, tải trọng nhỏ hơn đối trọng, động cơ làmviệc ở chế độ động cơ

Góc phần tư thứ tư : Khi thang máy hạ, tải trọng lớn hơn đối trọng, động cơ làmviệc ở chế độ hãm tái sinh trả năng lượng về lưới

Kết luận:

 Đặc điểm của tải thang máy là:

- Chế độ làm việc của động cơ là chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại, có đảo chiều, có hãmtái sinh, phụ tải biến đổi, làm việc ở 4 góc phần tư

- Khởi động và hãm dừng êm, có khả năng ổn định tốc độ với các giá trị khác nhau củatải

- Yêu cầu có khả năng dừng chính xác

 Yêu cầu của hệ truyền động cần sử dụng:

- Đảm bảo được yêu cầu công nghệ kỹ thuật đã nêu ở trên Hệ thống gồm phần cứng vàphần mềm đảm bảo yêu cầu công nghệ, khởi động, hãm, đảo chiều, liên động, dừng khẩncấp, bảo vệ tín hiệu hóa…

- Vốn đầu tư ít, đơn giản, gọn nhẹ

- Tính khả thi của thiết kế, tính đồng bộ của thiết bị sử dụng, tránh các thiết bị quá đặcchủng

Chương 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

Chọn phương án truyền động là dựa trên các yêu công nghệ và kết quả tính chọncông suất động cơ, từ đó chọn ra một hệ truyền động có thể thoả mãn yêu cầu công nghệđặt ra Bằng việc phân tích, so sánh các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật các hệ truyền động nàykết hợp tính khả thi cụ thể của hệ truyền động khác mà có thể lựa chọn được phương ánphù hợp với yêu cầu thang máy Động cơ dùng để kéo puli cáp trong thang máy có thể làđộng cơ một chiều hoặc động cơ xoay chiều không đồng bộ

2.1 Với động cơ một chiều

2.1.1 Hệ thống truyền động F - Đ

Hệ thống F-Đ là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi là máy phát điện một chiềukích từ độc lập Máy phát do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha quay và coi tốc độquay của máy phát là không đổi Tính chất này của máy phát được xác định bởi hai đặctính:

- Đặc tính từ hoá: là sự phụ thuộc giữa sức điện động của máy phát và dòng điệnkích từ

- Đặc tính tải: là sự phụ thuộc của điện áp rơi trên hai cực của máy phát vào dòngđiện tải

Các đặc tính này nói chung là phi tuyến do tính chất của lõi sắt, do phản ứng củadòng điện phần ứng…

Trong tính toán gần đúng có thể tuyến tính hoá các đặc tính này:

kF F F F F F

F K K C i

E     

(2.1)Với: K là hệ số kết cấu của máy phát F

là hệ số góc của đặc tính từ hoá

Nếu dây quấn kích thích của máy được cấp bởi nguồn áp lý tưởng thì:

Ikf = Ukf/Rkf và ta coi gần đúng máy phát điện một chiều là một bộ khuếch đại thì :

k k

k

RI U

k k

kF f

kF f

để có dải điều chỉnh rộng hơn

Ưu điểm: Nổi bật của hệ máy phát động cơ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất

linh hoạt, khả năng quá tải lớn Do vậy thường sử dụng hệ nguồn truyền dộng F-Đ ở cácmáy khai thác công nghiệp mỏ Do thang máy chở hàng là một hệ truyền động có tải ổnđịnh nên phương pháp này không có tính khả thi

Nhược điểm: Nhược điểm cơ bản quan trọng của hệ máy phát - động cơ là dùng

nhiều máy điện quay trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều gây ồn lớn công suất lắpđặt máy ít nhất gấp ba lần công suất của động cơ chấp hành Ngoài ra do máy phát có từ

dư đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh tốc độ

Hệ thống này, hiện nay ít được sử dụng trong thực tế

2.1.2 Hệ truyền động T - Đ có đảo chiều quay

Do chỉnh lưu Tiristor dẫn dòng theo một chiều và chỉ điều khiển khi mở, còn khoátheo điện áp lưới cho nên truyền động van thực hiện đảo khó khăn và phức tạp hơntruyền động máy phát-động cơ Cấu trúc mạch lực cũng như mạch cấu trúc mạch điềukhiển hệ truyền động T-Đ đảo chiều có yêu cầu an toàn cao và có logic điều khiển chặtchẽ Có hai nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động đảo chiều:

+Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ động cơ

+Giữ nguyên chiều dòng kích từ và đảo chiều dòng điện phần ứng

Trong thực tế,các sơ đồ truyền động T-Đ đảo chiều có nhiều song đều thực hiệntheo hai nguyên tắc và có thể được phân loại theo nhiều sơ đồ khác nhau Dưới đây trìnhbày cách phân loại theo hai nguyên tắc thành hai nhóm sau :

Nhóm 1 : Truyền động dùng 1 bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng

đảo chiều dòng kích từ Loại sơ đồ này dùng cho công suất lớn và rất ít đảo chiều

BD1

BD2

Udk

D

Hình 2.1 Sơ đồ truyền động dùng 1 bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay

bằng đảo chiều dòng kích từ

Phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều:

-Nguyên lí điều chỉnh đồng thời điện áp và từ thông, dòng điện phần ứng đượcgiữ không đổi

-Nguyên lí điều chỉnh đồng thời điện áp và từ thông, giữ sức điện động không đổi

Điều chỉnh theo nguyên tắc hai vùng kế tiếp nhau là phương pháp đơn giản vàđược sử dụng rộng rãi hơn cả, ta sẽ phân tích sâu hơn về phương pháp này

Vùng điều chỉnh điện áp: Uư từ 0U dm từ thông được giữ không đổi ở giá trị địnhmức Khả năng sinh momen của động cơ là không đổi, công suất tăng tuyến tính tốc độ

0dm

Vùng điều chỉnh từ thông  từ dm min Khi điều chỉnh, điện áp U=U đm tốc độđộng cơ dm, người ta giảm từ thông động cơ từ dm đến min(tương ứng với max )

Công suất truyền động không đổi, momen động cơ suy giảm tỉ lệ nghịch với tốc độ

1

~

M

 Đặc tính được trình bày như hình 2.2

Hình 2.2 Đặc tính điều chỉnh hai vùng kế tiếp nhau

Nhóm 2 : Thay đổi tốc độ và đảo chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máyphát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu có điều khiển… Các thiết bị nguồnnày có chức năng biến năng lượng xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điềuchỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơnên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb khác không

Hì

nh 2.3 a, Truyền động dùng hai bộ biến đổi điều khiển riêng cấp cho phần ứng

b, Truyền động dùng hai bộ biến đổi điều khiển chung nối song song ngược.

Ở chế độ xác lập có thể viết được

phương trình đặc tính của hệ thống

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng khôngđổi, còn tốc độ không tải lý tưởng chỉ tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệthống Do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là ưu việt

Truyền động T-Đ điều khiển riêng

Nguyên tắc: Khoá các bộ biến đổi mạch phần ứng để cắt dòng , sau đó tiến hànhchuyển mạch

Khi điều khiển riêng có hai bộ điều khiển làm việc riêng rẽ với nhau Tại một thờiđiểm thì chỉ có một bộ biến đổi có xung điều khiển còn bộ biến đổi kia bị khoá do không

có xung điều khiển Trong một khoảng thời gian thì BĐ1 bị khóa hoàn toàn và dòng phầnứng bị triệt tiêu, tuy nhiên suất điện động phần ứng E vẫn còn dương Sau khoảng thờigian này thì phát xung 2 mở bộ biến đổi 2 đổi chiều dòng phần ứng động cơ được hãmtái sinh Nếu giữ nhịp điệu giảm 2 phù hợp với quán tính của hệ thì có thể duy trì dòngđiện hãm và dòng điện khởi động không đổi điều này được thực hiện bởi các mạch vòngđiều chỉnh tự động dòng điện của hệ thống

Hệ truyền động có đảo chiều điều khiển riêng có ưu điểm là làm việc an toànkhông có dòng cân bằng chảy giữa các bộ biến đổi song cần có 1 khoảng thời gian trễtrong đó dòng điện động cơ bằng không

Truyền động T-Đ điều khiển chung

Nguyên tắc: Tại một thời điểm thì cả hai bộ biến đổi BĐ1 và BĐ2 đều nhận đượcxung mở nhưng chỉ có một bộ biến đổi cấp dòng cho nghịch lưu còn bộ biến đổi kia làmviệc ở chế độ đợi.

Nếu chọn Ed1= Ed2 thì 1+2= và ta có phương pháp điều khiển chung đốixứng khi này sđđ tổng trong mạch vòng giữa hai bộ biến đổi sẽ triệt tiêu và dòng điệntrung bình chảy vòng qua hai bộbiến đổi cũng triệt tiêu: Icb=0

Trong phương pháp điều khiển chung mặc dù đảm bảoEd2 Ed1 tức là khôngxuất hiện giá trị dòng cân bằng song giá trị tức thời của suất điện động của các bộ chỉnhlưu là ed1(t) và ed2(t) luôn khác nhau do đó vẫn xuất hiện thành phần xoay chiều củadòng điện cân bằng và để hạn chế dòng điện cân bằng này thường dùng các cuộn khángcân bằng Lcb

Nhận xét:

Ưu điểm: Độ tác động nhanh, cao không gây ồn và dễ tự động hoá do các van bán

dẫn có hệ số khuếch đại cao, điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự độngđiều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của

hệ thống

Nhược điểm:

- Do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp của chỉnh lưu ra có biên độđập mạch cao nên gây tổn thất phụ trong máy điện và ở các truyền động có công suất lớncòn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lưới xoay chiều Hệ số cos thấp

- Do có LCB nên hệ này có trọng lượng lớn, kích thước cồng kềnh vốn đầu tư lớn

2.1.3 Các phương pháp khởi động và hãm động cơ điện một chiều

a Các phương pháp khởi động động cơ điện một chiều

Để khởi động động cơ điện một chiều được tốt, phải thực hiện được những yêucầu sau đây:

1 Momen khởi động phải có trị số cao nhất có thể có để hoàn thành quátrình khởi động nghĩa là đạt được tốc độ qui định trong thời gian ngắn nhất

2 Dòng điện khởi động phải được hạn chế đến mức nhỏ nhất để tránh chodây quấn khỏi bị cháy hoặc ảnh hưởng xấu đến đảo chiều

Dựa vào những yêu cầu trên, người ta áp dụng 3 phương phápkhởi động sau:

 Khởi động trực tiếp (U=Uđm).

 Khởi động nhờ biến trở

 Khởi động bằng điện áp thấp

Trong tất cả mọi trường hợp, khi khởi động bao giờ cũng phải đảm bảo có max,nghĩa là trước khi đóng điện động cơ vào nguồn điện, biến trở dùng để điều chỉnh dòngđiện kích thích phải ở vị trí ứng với trị số nhỏ nhất để khi đóng cầu dao động cơ đượckích thích tới mức tối đa khi đó momen tương ứng là lớn nhất Hơn nữa phải đảm bảokhông để xảy ra hiện tượng đứt mạch kích thích vì trong trường hợp đó   0, M=0 động

cơ không quay được Dòng điện sinh ra sẽ rất lớn làm cháy vành góp và dây quấn

Phương pháp 1 Khởi động trực tiếp

Phương pháp này được thực hiện bằng cách đóng thằng động cơ điện vào nguồn

Như vậy lúc roto chưa quay s.đ.đ E=0 và dòng điện qua phần ứng

u u

lớn và bằng (510)Iđm Cho nên phương pháp khởi động trực tiếp chỉ áp dụng được cho

các động cơ nhỏ có công suất cỡ vài trăm oát Với nhóm động cơ này R u tương đối lớn do

đó khi khởi động I =(4 u 6)Iđm Trong những trường hợp đặc biệt mới cho phép áp dụng

để khởi động động cơ có công suất vài kilôoat

Phương pháp 2 Khởi động nhờ biến trở

Để tránh nguy hiểm cho động cơ vì dòng điên khởi động quá lớn người ta dùngbiến trở khởi động, gồm một số điện trở nối tiếp nhau Biến trở mở máy được tính saocho I =(1,4 u 2)Iđm đối với các động cơ lớn và I =(2 u 2,5)Iđm đối với các động cơ nhỏ.Khi khởi động toàn bộ điện trở nào được nối vào phần ứng động cơ Toàn bộ điên áp đặtlên dây quấn kích thích và từ thông có trị số cực đại  max Nếu momen động cơ điện

sinh ra lớn hơn momen cản (M>M C) roto bắt đầu quay và s.đ.đ sẽ tăng tỉ lệ với tốc độ

quay n Do sự xuất hiện và tăng lên của E, dòng điện phần ứng I sẽ giảm theo, M giảm u

khiến n tăng chậm hơn Khi I giảm đến trị số (1,1 u 1,3)Iđm một cấp điện trở sẽ bị ngắt rakhỏi mạch phần ứng làm cho I ngay lập tức tăng lên đến giới hạn trên của nó kéo theo I u

và M tăng Sau đó I, M lại giảm theo qui luật trên Lần lượt ngắt các điện trở còn lại khỏi

mạch phần ứng Quá trình trên cứ lặp đi lặp lại cho đến khi động cơ đạt tốc độ n=nđm

cũng là lúc đã loại trừ hoàn toàn điện trở và động cơ làm việc với toàn bộ điện áp

Phương pháp 3 Khởi động bằng điện áp thấp

Phương pháp này đòi hỏi phải dùng một nguồn điện độc lập có thể điều chỉnh điên

áp được để cung cấp cho phần ứng của động cơ, trong khi đó kích thích phải được đặtdưới điện áp U=Uđm của một nguồn khác

Đây là phương pháp thường dùng hơn cả trong việc khởi động các động cơ điệncông suất lớn, ngoài ra còn kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp

b Các phương pháp hãm động cơ điện một chiều

Đối với hệ F-Đ

Trong mạch động lực của hệ F-Đ không có phần tử phi tuyến nào nên có nhữngđặc tính rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển chế độ làm việc Động cơ Đ có thể làm việc ởchế độ điều chỉnh được ở cả 2 phía: kích thích máy phát F và kích thích động cơ Đ, đảochiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược ở cuối giai đoạn hãm tái sinhkhi máy phát đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với momen tải có tính chất thế năng…

Ở các góc phần tư thứ I và III tốc độ quay và momen quay của động cơ cùng chiềunhau, sức điện động máy phát và động cơ có chiều xung đối nhau và công suất điện từcủa máy phát và của động cơ là:

0 0 0

D co F c

Vùng hãm tái sinh nằm ở góc phần tư II và IV, lúc này do 0 nên E  EF

,mặc dù mắc xung đối nhưng dòng phần ứng lại chảy ngược từ động cơ về máy phát làmcho momen quay ngược chiều tốc độ quay Công suất điện từ của máy phát, công suấtđiện từ và công suất cơ học của động cơ là:

0 0 0

D co

có tính chất thế năng

Vùng hãm ngược của động cơ trong hệ F-Đ được giới hạn bởi đặc tính hãm độngnăng và trục momen Sức điện động E của động cơ trở nên cùng chiều sức điện động máyphát hoặc do roto bị kéo quay ngược bởi ngoại lực của thế năng, hoặc do roto bị kéo quayngược bởi ngoại lực của tải thế năng, hoặc do chính sđđ máy phát đảo dấu Biểu thứccông suất sẽ là:

0 0 0

D co

Hệ truyền động tiristo – động cơ một chiều có đảo chiều quay

Đối với hệ T-Đ đảo chiều quay cũng tương tự như hệ F-Đ cần thực hiện chế độhãm tái sinh ở vùng tốc độ cao và chuyển sang hãm ngược ở tốc độ thấp

Do chỉnh lưu tiristo chỉ dẫn dòng theo một chiều và nó chỉ điều khiển được khi

mở, còn khóa phụ thuộc vào điện áp lưới Nên hệ T-Đ đảo chiều khó khăn và phức tạphơn hệ máy phát- động cơ

Khi hệ T-Đ hãm tái sinh, bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu, biến đổi nănglượng dòng một chiều sang dòng xoay chiều để phát vào lưới Để thực hiện đảo chiềuhãm tái sinh, hệ T-Đ cần có các đặc điều kiện:

-Sức điện động cơ E có chiều dương hướng vào anot của tiristo

-Bộ chỉnh lưu phải làm việc ở chế độ nghịch lưu Ed<0, 2



 

-Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu lúc đó cần phải luôn luôn nhỏ hơn giá trị sứcđiện động động cơ ED  E

Điều kiện này được minh họa trên giản đồ thay thế sau:

Hình 2.5 Giản đồ thay thế T-Đ khi hãm tái sinh

Ta thấy công suất động cơ lúc đó P d E I. d  phát công suất Công suất bộ0biến đổi P b E I. d  thu công suất.0

2.2 Hệ truyền động động cơ xoay chiều

2.2.1.Hệ điều chỉnh điện áp động cơ

R R

R U M

m n

f

.'

' 3

2

2 2 1 1

2

2 1

Khi giảm điện áp, từ công thức momen tới hạn:

2 1

nm

U M





(2.10)không thay đổi

Ta có đặc tính cơ như hình 2.6:

Hình 2.6 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi giảm điện áp

Thực tế, hầu hết các động cơ KĐB có tốc độ trượt tới hạn (ứng với đặc tính cơ tựnhiên) nhỏ, khi dùng điều chỉnh tốc độ sẽ bị hạn chế vì dải điều chỉnh hẹp Ngoài ra, khigiảm áp, mô-men động cơ còn bị giảm nhanh theo bình phương điện áp Vì lý do này màphương pháp này ít được dùng cho động cơ KĐB roto lồng sóc mà thường kết hợp vớiviệc điều chỉnh mạch roto đối với động cơ KĐB roto dây quấn nhằm mở rộng dải điềuchỉnh

b Đánh giá về phạm vi ứng dụng

- Vì việc giảm điện áp đặt vào stato động cơ, trong khi giữ f=const không làm thay đổitốc độ không tải lý tưởng, nên khi tăng điện trở phụ ở roto, tốc độ động cơ giảm, độ trượttới hạn tăng lên kéo theo tăng tổn hao công suất trượt của động cơ:

P s M c(1 )P dt.s (2.11)

- Cùng với lý do trên, do phạm vi điều chỉnh phụ thuộc vào giá trị điện trở phụ đưavào mạch roto nên yêu cầu đối với hệ cần phạm vi điều chỉnh rộng sẽ mâu thuẫn với việcgiảm tổn thất điều chỉnh đối với tất cả các hệ truyền động Tốc độ động cơ càng thấp (scàng lớn), nhất là trong trường hợp điều chỉnh sâu tốc độ, thì tổn hao công suất trượt cànglớn.

Do có nhiều hạn chế như trên nên vấn đề điều chỉnh điện áp stato để điều khiểntốc độ động cơ chỉ được ứng dụng hạn hẹp Hiện nay, nó thường ứng dụng làm bộ khởiđộng mềm (soft startor) với mục đích thay thế các bộ khởi động có cấp dùng rơ-le, công-tắc-tơ cho các động cơ công suất lớn và rất lớn so với lưới tiêu thụ chung Trong phạm vinày nó cho phép tạo ra các đường đặc tính khởi động êm, tránh việc gây sụt áp lưới, làmảnh hưởng đến các tải khác khi các động cơ công suất lớn khởi động Trong ứng dụngvào điểu chỉnh nó chỉ phù hợp với hệ truyền động với các phụ tải có mô-men là hàm tăngtheo tốc độ (như quạt gió, bơm ly tâm)

Lý thuyết chứng minh là đối với hệ truyền động có mô-men tải không đổi(Mc=const) thì tổn thất sẽ rất lớn khi điều chỉnh Vì vậy, việc xem xét phương án truyềnđộng dùng phương pháp điều chỉnh điện áp stato đối với hệ truyền động thang máy làkhông có ý nghĩa; điều đó có nghĩa là phương án dùng điều chỉnh điện áp bị loại bỏ trong

s P s M M

Trong thực tế việc thay đổi Ps có nhiều cách, đơn giản nhất là sử dụng điện trởphụ đưa và mạch roto làm tăng tổn thất Việc này đối với các hệ thống truyền động côngsuất nhỏ thì không có vấn đề gì, nhưng với hệ truyền động công suất lớn thì các tổn hao

là đáng kể (vấn đề làm mát cho điện trở tổn hao) Vì vậy để tận dụng công suất trượtngười ta dùng các sơ đồ nối tầng nhằm đưa công suất trượt trở lại lưới hoặc biến thành cơnăng hữu ích quay trục động cơ nào đó, khi đó ta có hệ truyền động nối cấp đồng bộ.Dưới đây xin giới thiệu một sơ đồ nguyên lý của một hệ nối cấp:

Trong sơ đồ này thì sức điện động roto được chỉnh lưu thành điện áp một chiềuqua bộ chỉnh lưu cầu diode và qua điện kháng lọc cho nguồn dòng cấp cho bộ nghịch lưuphụ thuộc Nghịch lưu làm việc với góc điều khiển từ 90ođến khoảng 140o , điều chỉnhgóc điều khiển  trong khoảng này ta sẽ điều chỉnh được sức điện động chỉnh lưu trongmạch roto; tức là điều chỉnh được tốc độ không tải lý tưởng của động cơ Đặc tính cơđiều chỉnh của hệ nối tầng van điện được dựng qua việc thay đổi góc điều khiển  củanghịch lưu được dựng như hình vẽ; trong đó do ảnh hưởng của điện trở stato, điện trởmạch một chiều và điện kháng tản của máy biến áp (MBA) cũng như sụt áp do chuyểnmạch của nghịch lưu và chỉnh lưu nên các đặc tính có độ cứng và mô-men tới hạn nhỏhơn độ cứng và mô-men tới hạn của đặc tính tự nhiên

Hình 2.7 Đặc tính điều chỉnh công suất trượt động cơ

b Đánh giá và phạm vi ứng dụng

Như đã phân tích ở trên việc sử dụng sơ đồ nối cấp chỉ có ý nghĩa trong hệ truyềnđộng với công suất lớn (thường cỡ trên 500kW), vì khi đó công suất trượt đưa về mới làđáng kể và việc đầu tư cho các bộ biến đổi mới thoả đáng, không lãng phí

Việc tái sử dụng công suất trượt rõ ràng làm tăng hiệu suất của hệ thống lên; việcđiều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh lượng công suất đưa về có thể đạt được những chỉtiêu điều chỉnh tốt như êm,dải điều chỉnh khá rộng; tuy có hạn chế là mô-men tới hạn cósuy giảm so với tự nhiên, mômen của động cơ bị giảm khi tốc độ thấp

Một vấn đề nữa là đối với các hệ thống công suất lớn vấn đề quan trọng là khởiđộng động cơ, thường dùng điện trở phụ kiểu chất lỏng để khởi động động cơ đến vùngtốc độ làm việc sau đó mới chuyển sang chế độ điều chỉnh công suất trượt Vì vậy màviệc sử dụng hệ thống này chỉ phù hợp với các hệ truyền động có số lần khởi động, dừngmáy và đảo chiều ít hoặc tốt nhất là không có đảo chiều.

Từ những đánh giá trên, đối chiếu với đặc điểm của hệ truyền động thang máy nêu

ở chương đầu cùng với việc lựa chọn là động cơ không đồng bộ roto lồng sóc chúng taloại bỏ việc sử dụng phương án này cho hệ truyền động thang máy Cụ thể là có hai lý do

cơ bản sau:

Hệ truyền động thang máy làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có đảo chiều quayCông suất động cơ tính ra thuộc loại không lớn nên vấn đề đầu tư cả hệ nối tầng làkhông hiệu quả về mặt kinh tế

2.2.3 Hệ điều chỉnh xung điện trở rôto

a Nguyên lý điều chỉnh

Trước hết cần phải nói rằng việc điều chỉnh điện trở roto chỉ áp dụng được vớiđộng cơ roto dây quấn chứ không sử dụng được cho động cơ roto lồng sóc Như đã biết,với động cơ roto dây quấn, ta có thể thay đổi được độ cứng của đường đặc tính cơ bằngcách đưa điện trở phụ vào mạch roto động cơ

Thực chất của phương pháp này là điều chỉnh công suất trượt; công suất trượt ởđây được lấy bớt ra và được biến thành tổn hao nhiệt năng vô ích trên điện trở

Vì độ trượt tới hạn tỷ lệ bậc nhất với điện trở roto nên

th f rd

th

R

R R R

R s

là tuyến tính thì khi điều chỉnh điện trở roto ta có thể viết:

2

0 2

0

R

R s s R

R s

s s

rd th

th   



(2.12)trong đó: s0: là độ trượt tới hạn khi điện trở roto là R2

s: là độ trượt khi điện trở roto là Rrd=R2+Rf.Theo biểu thức mô-men thì:

0 1

2 2 2

.

2 1

2 2 1

.

3 ] )

' [(

' 3

s

R I X

s

R R

s

R U

m n

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lí và đặc tính cơ của phương pháp

điều chỉnh xung điện trở rotoHoạt động đóng cắt của khoá bán dẫn S tương tự như mạch điều chỉnh xung ápmột chiều:

+ Khi S đóng: R0 bị loại ra khỏi mạch phần ứng, dòng roto tăng lên

+ Khi S ngắt: R0 được đưa vào mạch, dòng roto lại giảm

Với tần số đóng cắt nhất định, nhờ điện cảm L mà dòng roto coi như không đổi và ta

có một giá trị điện trở tương đương Rtd trong mạch

0 0

T

t R t t

t R R

ck

d ng

2

b Đánh giá và phạm vi ứng dụng

Có thể nói việc sử dụng phương pháp xung điện trở roto trong điều chỉnh truyềnđộng, về mặt lý thuyết, là một phương pháp đơn giản nhất, dễ thực hiện và vận hành;mạch điều chỉnh cũng rất đơn giản là gồm hai mạch vòng điều chỉnh (tốc độ và dòngđiện)

Phương pháp này như đã phân tích ở trên cũng rất phù hợp với phụ tải có mô-menkhông đổi như cơ cấu thang máy Cụ thể là nó cho phép điều chỉnh để động cơ có mômenkhởi động lớn khi nâng bằng cách thêm một cách hợp lý điện trở và mạch roto trong giaiđoạn khởi động; cho phép điều chỉnh trơn và dải điều chỉnh rộng nếu ta tăng điện trở R0

kết hợp với việc dùng một tụ bổ trợ cho việc mở rộng phạm vi điều chỉnh Mặt khác, việcđiều chỉnh được tiến hành ở mạch roto nên không gây ảnh hưởng đến công suất động cơtiêu thụ đưa vào stato; tức là không gây ảnh hưởng đến lưới điện và tải khác khi động cơkhởi động như ở phương pháp điều chỉnh điện áp stato

Tuy vậy, như đã đề cập ở trên, thực chất của phương pháp cũng dựa vào việc điềuchỉnh công suất trượt nên tổn hao trong khi điều chỉnh không thể tránh khỏi So vớiphương pháp nối cấp nó có cấu trúc đơn giản hơn, ít vốn đầu tư hơn, nhưng lại có tổn thấtkhi điều chỉnh lớn hơn lại bị tiêu hao vô ích nên nó chỉ sử dụng cho các động cơ có côngsuất nhỏ và trung bình (dưới 100kW)

Phân tích ưu và nhược điểm của phương án dùng điều chỉnh xung điện trở rotocho hệ truyền động thang máy ta thấy rằng đây là một phương án khả thi, ta sẽ xem xétkhả năng sử dụng khi so sánh với phương pháp biến tần sẽ được trình bày dưới đây

động cơ thay đổi Dạng đặc tính

cơ của động cơ khi thay đổi tần

số được trình bày dưới hình vẽ

sau:

Từ đặc tính cơ ta thấy khi tần

só tăng ( f>fđm), thì mô-men tới hạn lại giảm (với điện áp giữ không đổi), cụ thể là:

2 1

1

f

M th 

(2.16)Trong trường hợp tần số giảm, nếu giữ nguyên điện áp thì dòng điện động cơ tăng (do

f giảm  X=2fL cũng giảm  I tăng), gây ảnh hưởng xấu đến các chỉ tiêu của động cơ

Vì vậy để bảo đảm một số chỉ tiêu mà không làm động cơ bị quá dòng cần phải điều

chỉnh cả điện áp động cơ, cụ thể là giảm điện áp cùng với việc giảm tần số theo quy luật

nhất định

b Đánh giá và phạm vi ứng dụng

Từ đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh nguồn ta có nhận xét là: Nếu đảm bảo

được luật điều chỉnh điện áp – tần số thì ta có mọi đường đặc tính cơ mong muốn khi

giảm tần số Nghĩa là phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cung cấp kết hợp với việc

điều chỉnh điện áp stato mở ra khả năng áp dụng cho mọi yêu cầu truyền động

Do có khả năng linh hoạt trong việc điều chỉnh cả tốc độ không tải lý tưởng và tốc

độ trượt tới hạn; cụ thể là khi tốc độ trượt giảm thì tốc độ không tải cũng giảm với tỷ lệ

tương ứng nên phương pháp này cho phép tổn thất điều chỉnh nhỏ nhất

Vì việc điều chỉnh tần số yêu cầu phải điều chỉnh cả điện áp nên việc tìm ra quy

luật điều chỉnh và trang bị thiết bị điều chỉnh , biến đổi công suất phức tạp ; nói chung giá

thành các bộ biến tần có đắt hơn giá thành của các bộ biến đổi trang bị cho các phươngpháp điều chỉnh khác.

Kết luận: Từ những so sánh trên, kết hợp với việc xem xét thực tế, em quyết định chọn

phương án truyền động dùng các bộ biến đổi tần số vói động cơ roto lồng sóc

2.2.5 Các phương pháp khởi động và hãm động cơ xoay chiều

a Các phương pháp khởi động động cơ xoay chiều

Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thường phải

mở máy và ngừng máy nhiều lần Tuỳ theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện màyêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau

- Khi mở máy một động cơ cần xét đến những yêu cầu sau:

+Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính của tải

+Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt

+Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn

+Tổn hao công suất trong qúa trình mở máy càng thấp càng tốt

- Những yêu cầu trên thường mâu thuẫn với nhau do đó phải căn cứ vào điều kiện làmviệc cụ thể mà chọn phương pháp mở máy thích hợp

Các phương pháp khởi động động cơ không đồng

bộ:

- Mở máy trực tiếp động cơ điện rôto lồng sóc

- Hạ điện áp mở máy

- Mở máy bằng phương pháp Y-

- Mở máy bằng cách thêm điện trở phụ vào rôto

Trong phạm vi đồ án này, với công suất của

động cơ truyền động thuộc loại, trung bình nên ta

chỉ xét cụ thể phương pháp khởi động trực tiếp động

cơ điện roto lồng sóc

Hình 2.10 Mở máy trực tiếp động cơ

Khởi động trực tiếp động cơ điện rôto lồng sóc

Đây là phương pháp mở máy đơn giản nhất, chỉ việc đóng trực tiếp, động cơ điệnvào lưới điện là được Nhưng lúc mở máy trực tiếp dòng điện mở máy tương đối lớn.Nếu quán tính của tải tương đối lớn, thời gian mở máy quá dài thì có thể làm cho máynóng và ảnh hưởng đến điện áp của lưới điện Nhưng nếu nguồn điện tương đối lớn thìnên dùng phương pháp này vì mở máy nhanh đơn giản

b, Các phương pháp hãm động cơ không đồng bộ

Phương pháp 1 Sử dụng hệ truyền động biến tần nguồn dòng

Đối với loại biến tần này dòng Id không thay đổi, do điện áp đầu ra của chỉnh lưucủa biến tần này thay đổi được dấu nên biến tần nguồn dòng dễ dàng làm việc trong chế

độ hãm tái sinh

Phương pháp 2 Sử dụng hệ truyền động biến tần nguồn áp chỉnh lưu điot

Đặc điểm của biến tần nguồn áp là điện áp một chiều luôn giữ dấu không đổi trongkhi dòng Id cũng không đổi dấu Do vậy không thể thực hiện trao đổi năng lượng từ tải vềlưới Trong trường hợp này phổ biến là dùng hãm dập động năng bằng điện trở mạch hãmmột chiều Khi động năng động cơ không đồng bộ cân giải thoát chuyển về mạch mộtchiều qua cầu điot ngược làm cho điện áp UDC sẽ dâng cao Dùng tranzito Th và Rh đóngcắt theo tần số nhất định sẽ biến động năng dư thừa thành nhiệt năng để đốt nóng điệntrở Các loại biến tần này phổ biến rộng rãi nhất trong công nghiệp

Hình 2.11 Sơ đồ hệ truyền động biến tần nguồn áp chỉnh lưu điot

Phương pháp 3 Sử dụng biến tần nguồn áp chỉnh lưu tiristo

Đối với hệ truyền động biến tần nguồn áp công suất lớn ( từ vài trăm kWđến MW) thì không dùng mạch dập điện trở một chiều, người ta dùng cấu trúc hình 1.12.Trong đó nghịch lưu dùng tiristo GTO, chỉnh lưu CL dùng 2 bộ đấu song song ngược,

một bộ làm việc chỉnh lưu và một bộ nghịch lưu ( Tương tự như truyền động T-Đ đảochiều) Khi hãm tái sinh, bộ CL phải khóa chắc sau đó mới mở NL1 để hãm Kết thúcquá trình hãm, bộ NL1 phải chắc chắn khóa thì bộ CL1 mới đưa vào làm việc.

Trong công nghiệp, biến tần loại này thường dùng cho truyền động quay quạt gió

ở nhà máy nhiệt điện, xi măng, mỏ than công suất tử vài trăm kW đến vài MW

Hình 2.12 Sơ đồ biến tần nguồn áp chỉnh lưu tiristor

Phương pháp 4 Biến tần nguồn áp làm việc bốn góc phần tư

Người ta nghiên cứu hai loại biến tần làm việc ở bốn góc phần tư đảm bảo trao đổicông suất giữa tải và lưới đồng thời dòng đầu vào có dạng hình sin, có thể điều chỉnh cho

hệ số công suất bằng 1

Loại thứ nhất là biến tần dòng chỉnh lưu PWM đã được thương phẩm khoảng 10năm trở lại đây

Loại thứ hai là biến tần kiểu ma trận Maxtric converter đang trong giai đoạn chếthử

Kết luận:

Từ những phân tích đánh giá trên ta thấy rằng việc chọn phương án truyền độngdùng phương pháp điều chỉnh tần số là hoàn toàn có cơ sở vì tính kinh tế khi vận hànhcũng như đáp ứng được yêu cầu truyền động thang máy do các lý do sau:

1 Về tính đơn giản trong điều chỉnh

Với phương pháp điều chỉnh tần số ta còn phải kết hợp với điều chỉnh điện áp theomột quy luật nhất định; điều này làm phức tạp lên rất nhiều so với phương pháp khác

2 Về hiệu suất điều chỉnh, dải điều chỉnh và khả năng khởi động, khả năng đảo chiều

Còn phương pháp điều chỉnh tần số có khả năng giữ cho tổn thất công suất là hằngnên tổn thất điều chỉnh nói chung là thấp nhất trong các phương pháp áp dụng cho hệtruyền động xoay chiều Với phương pháp dùng biến tần ta có thể điều khiển việc đảochiều kết hợp với việc điều chỉnh xung mở các van bán dẫn trong bộ biến đổi nên khảnăng tự động hoá điều chỉnh cao hơn

3 Về tính kinh tế của phương pháp truyền động

Phương án dùng bộ biến tần để điều chỉnh động cơ roto lồng sóc thực tế là phương

án truyền động kinh tế Mặc dù giá thành các bộ biến đổi tần số có đắt hơn so với phươngpháp khác, nhưng bù lạ động cơ kéo tải lại dùng động cơ roto lồng sóc với tín đơn giản

về kết cấu, vận hành tin cậy giá thành hạ hơn so với động cơ roto dây quấn sử dụng với

bộ điều chỉnh xung Với môi trường làm việc nặng nề của động cơ truyền động cần trụcthì việc xem xét khả năng sử dụng động cơ roto lồng sóc là hợp lý

4 Về lĩnh vực ứng dụng, tính tin cậy trong vận hành

Do khả năng điều chỉnh tần số đưa đến khả năng có mọi đặc tính cơ mong muốnnên thực tế phương pháp điều chỉnh tần số có thể áp dụng cho mọi yêu cầu truyền động.Điều đó có nghĩa là việc sử dụng nó cho truyền động thang máy là hết sức hợp lý

Phương án dùng biến tần không chỉ cho phép vận hành tin cậy nhờ sử dụng động

cơ roto dây quấn mà ngay bản thân bộ biến tần nhờ những tiến bộ đột phá của thiết bịcông suất hiện nay dẫn đến khả năng làm việc tin cậy hơn Hơn nữa giá thành của các bộbiến tần hiện nay đã rẻ đi rất nhiều so với thời kỳ đầu, chúng lại cho hiệu suất điều chỉnhcao vận hành tin cậy do đã có nhiều luật điều chỉnh phù hợp

Từ những so sánh trên, kết hợp với việc xem xét thực tế, em quyết định chọnphương án truyền động dùng các bộ biến đổi tần số với động cơ roto lồng sóc cho tải làthang máy chở người

Chương 3 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN BỘ BIẾN TẦN

3.1 Phân tích lựa chọn bộ biến tần cho động cơ

Biến tần là các bộ biến đổi dùng để biến đổi nguồn điện áp xoay chiều có tần số,sốpha, thứ tự và điện áp không đổi thành nguồn điện xoay chiều có các thông thay đổiđược Thông thường biến tần làm việc với nguồn đầu vào lấy từ lưới điện, nhưng vềnguyên tắc, biến tần có thể làm việc với bất kì nguồn điện xoay chiều nào

Biến tần được phân loại như sau:

 Biến tần trực tiếp: Bộ biến đổi trực tiếp từ tần số,điện áp lưới sang điện áptải

 Biến tần gián tiếp: Bộ biến đổi từ điện áp lưới thành điện áp một chiều(chỉnh lưu), sau đó lại biến từ điện áp một chiều thành xoay chiều (nghịchlưu)

Biến tần gián tiếp được chia thành 3 loại chính:

- Biến tần dùng nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện

- Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển đầu vào và nghịch lưu nguồn áp

- Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển đầu vào và nghịch lưu làm việcđiều chế (SPWM)

3.1.1 Biến tần trực tiếp

Tạo ra điện áp trên tải bằng các phần của điện áp lưới, mỗi lần nối tải vào nguồnbằng một phần tử đóng cắt, không qua một kho năng lượng trung gian nào Biến tần trựctiếp có khả năng trao đổi năng lượng với lưới theo cả hai chiều Đây là đặc tính ưu việtnhất của biến tần trực tiếp so với biến tần gián tiếp, nhất là đối với các hệ điện cơ côngsuất lớn, từ hàng trăn KW đến vài MW Ngoài ra tổn hao công suất trong biến tần trựctiếp cũng ít hơn vì phụ tải chỉ nối với nguồn qua phần tử đóng cắt, không thông qua khâutrung gian nào

Tuy nhiên số lượng van ở biến tần trực tiếp lớn hơn và hệ thống điều khiển cũngphức tạp hơn nhiều, tần số điện áp ra bị giới hạn trên ở một phần hai tần số lưới Ngoài rabiến tần trực tiếp thừa hưởng những nhược điểm của các sơ đồ chỉnh lưu là dòng đầu vào

không sin, hệ số công suất thấp Khi phụ tải có công suất rất lớn từ 1000 đến 30000 KW

sử dụng biến tần là phù hợp vì khi đó số lượng van sử dụng và độ phức tạp của hệ thốngđiều khiển không còn là trở ngại, vì vấn đề chính là khả năng điều chỉnh công suất vàhiệu suất của bộ biến đổi

Do đó trong phạm vi đồ án này với tải có công suất trung bình như vậy ta sẽ khôngchọn biến tần loại trực tiếp này

3.1.2 Biến tần gián tiếp

Hay còn gọi là biến tần có khâu trung gian một chiều, dùng bộ chỉnh lưu để biếnnguồn điện áp xoay chiều thành nguồn điện một chiều, tích trữ trong các kho từ (dùngcuộn cảm), hoặc trong các kho điện (dùng tụ điện) sau đó lại dùng bộ nghịch lưu để biếnnguồn một chiều thành nguồn xoay chiều Khâu trung gian một chiều tạo ra một khâu độclập nhất định, biến đổi chậm, tách phần phụ tải ra khỏi lưới điện

Sơ đồ khối :

Hình 3.1: Sơ đồ khối biến tần gián tiếp Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy cótên gọi là biến tần gián tiếp Chức năng của các khối như sau:

Khối chỉnh lưu:

Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp mộtchiều Chỉnh lưu có thể là không điều khiển hoặc có điều khiển Ngày nay đa số chỉnhlưu là không điều khiển, vì điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽ làm tăngkích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi Nói chung chức năng biến đổiđiện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua luật điều khiển Trong các bộbiến đổi công suất lớn, người ta thường dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làmnhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi quá tải Tùy theo bộ nghịch lưu yêu cầu nguồn

dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra nguồn dòng điện hay nguồn điện áp tươngứng phù hợp.

- Nghịch lưu nguồn dòng điện: dạng dòng điện ra tải được định hình trước, còndạng điện áp phụ thuộc vào tải Nguồn cung cấp cho nghịch lưu này phải là nguồn dòng

để đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thì phải cóđiện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều khiển ổn địnhdòng điện

- Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hưởng khi mạch hoạt động,

do đó dạng dòng điện (hoặc điện áp) thường có dạng hình sin Cả điện áp và dòng điện ratải phụ thuộc vào tính chất tải

a Biến tần gián tiếp nguồn dòng

Trong trường hợp này này, nguồn cung cấp là nguồn dòng tức là dòng một chiềuvào bộ nghịch lưu không phụ thuộc vào tổng trở tải Điều này dẫn đến dạng sóng củadòng điện các pha sau bộ nghịch lưu có dạng chữ nhật nếu bỏ qua giai đoạn chuyểnmạch, điện áp ra có dạng sin nhưng mang các đỉnh nhọn ở thời điểm chuyển mạch Biếntần loại này sử dụng cuộn dây, cuộn dây ngăn các biến thiên đột ngột của dòng điện nêntruyền động này rất thích hợp đối với những nơi cần tránh biến thiên đột ngột của mô-men trên trục động cơ Hơn nữa, ở bộ nghịch lưu nguồn dòng khi ngắn mạch đầu cựcđộng cơ không gây hư hỏng nghịch lưu vì dòng điện luôn có xu hướng giữ không đổi

Một điểm quan trọng là ở biến tần nguồn dòng ta có thể thực hiện hãm tái sinhđộng cơ chỉ với mạch lực đơn giản Bộ biến tần nguồn dòng làm tăng được công suấtđơn vị động cơ nên thích hợp cho truyền động có đảo chiều, công suất động cơ truyềnđộng lớn

Nhược điểm của biến tần nguồn dòng là hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào tải.Với công suất nhỏ sơ đồ này kém hiệu quả vì kích thước cồng kềnh nhưng với công suấtlớn hơn 100 KW thì biến tần nguồn dòng có thể là một giải pháp thích hợp Như vậy tacũng sẽ không chọn phương án sử dụng biến tần nguồn dòng do phụ tải động cơ thangmáy có công suất thuộc loại trung bình.

b Biến tần gián tiếp nguồn áp

Đặc điểm của loại biến tần này là nguồn cấp cho BBĐ là nguồn sức điện động vớinội trở nhỏ Hiện nay với phương pháp (biến điệu độ rộng xung) áp dụng cho các bộnghịch lưu điện áp, cho phép các dạng sóng gần sin hơn và vì vậy nâng cao được chấtlượng điều chỉnh Những đặc điểm đó đưa đến khả năng ứng dụng bộ biến tần nguồn áptrong truyền động yêu cầu cao về độ chính xác điều chỉnh, chiếm ưu thế trong truyềnđộng công suất nhỏ và truyền động nhiều động cơ hoạt động chính xác và đồng bộ

Từ những phân tích cơ bản về biến tần nguồn dòng và biến tần nguồn áp ở trên,kết hợp với yêu cầu cụ thể của phụ tải trong đồ án này, em quyết định chọn biến tầnnguồn áp để điều khiển tải động cơ Sau đây sẽ đi phân tích cụ thể hơn các phương án củabiến tần nguồn áp

3.2 Phân tích lựa chọn sơ đồ bộ biến tần gián tiếp nguồn áp

3.2.1 Biến tần gián tiếp nguồn áp với nguồn một chiều đầu vào có điều chỉnh

Biến tần nguồn áp loại này dùng nghịch lưu nguồn áp với đầu vào một chiều điềukhiển được Điện áp phía một chiều có thể điều chỉnh được nhờ chỉnh lưu thyristo

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 3.2 Biến tần nguồn áp 1 chiều dùng chỉnh lưu thyristo