Đồ án tốt nghiệp p22 30,64

ĐK thang máy

… i

….……… …iv

1 ……….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

………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

2.2.5 Các phương pháp khởi động và hãm động cơ xoay chiều 26

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 tầ ………33

3.2.1 Biến tầ ồn áp với nguồ ều đầu vào có điều chỉnh 33

3.2.2 Biến tần nguồ ều đầu vào không điều chỉnh 38

………58

58

60

61

3.3 64

Chương 4 655

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

– SIMULINK 73

gian……….75

5.1.1 Khối nguồn 76

5.1.2 Khố 77

5.1.3 Khố 77

78

78 ……….……… 81

……… 82

i

DANH

2

……….6

7

11

12 12

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

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

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

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

roto……….………23

25

26

2.11: Sơ ưu điot……….27

2.12: Sơ ưu tiristor……… 28

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

thyristo……… 33

3.3: ưu……… ……… 34

.35 .36

ii

39 lưu………40

risto………… 41

41 42

.49

……….53 3.2

67 4.4: Cấu trúc phần cứng điều chế véctơ không gian dùng chíp SAB 80C166…….694.5: Bố trí cặp thanh ghi phù hớp thời gian đóng ngắt của từng nhánh van……….704.6: Sơ đồ IGBT driver sử dụng HCPL-316J……… 71

iii

4.8: .……….72

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

5.3: Cấu trúc chi tiế ……….77

5.4:C ………77

5.5: ……….……78

5.6: Dạng điện áp Uα ,Uβ……… ………78

5.7: ……… 79

5.8: ……… ………79

5.9: ……….………… 79

5.10: ……… ….…80

2

Chương 1

1.1 Mô tả chung về thang máy

Thang máy là thiết bị vận tải dùng để chở người và hàng hoá theo phương thẳng đứng Nó là một loại hình máy nâng chuyển được sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất 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 chuyển hàng hoá, sản phẩm, đưa công nhân tới nơi làm việc có độ cao khác nhau Nó đã thay thế 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 toà nhà cao tầng, cơ quan, khách sạn Thang máy đã giúp cho con người tiết kiệm được nhiều 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 phận chính 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 bộ hãm bảo hiểm, cáp nâng, đối trọng, hệ thống dẫn hướng cho cabin và đối trọng chuyển động

3

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 quá giới hạn cho phép, tủ điện điều khiển cùng các thiết bị điện để điều khiển tự động thang máy hoạt động theo đúng chức năng và đảm bảo an toàn; cửa cabin cùng cửa tầng cùng

hệ thống khoá lên động

1.2.1 Hệ thống điện của thang máy

a) Mạch động lực

cơ dẫn động và phanh của bộ tời kéo Hệ thống phải đảm bảo việc điều chỉnh tốc độ chuyển động của cabin sao cho quá trình mở máy và phanh được êm dịu và dừng cabin chính xác

b) Mạch điều khiển

Là hệ thống điều khiển tầng có tác dụng thực hiện một chương trình điều khiển phức tạp, phù hợp với chức năng yêu cầu của thang máy Hệ thống điều khiển tầng có nhiệm vụ : lưu trữ các lệnh di chuyển từ cabin , các lệnh gọi tầng của khách hàng và thực hiện các lệnh di chuyển hoặc dừng theo một chế độ ưu tiên nào đó, sau khi thực hiện xong lệnh điều khiển thì xoá bỏ, xác nhận và ghi nhận thường xuyên vị trí của cabin và hướng chuyển động của nó Tất cả các hệ thống điều khiển tự động đều dùng nút ấn

c) Mạch tín hiệu

của thang máy, vị trí và hướng chuyển động của cabin

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

4

biệt nó chỉ nhận lệnh ở tầng có sự cố và hạ cabin xuống tầng một và mở cửa, chứ không 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

- Hệ thống cửa cabin và cửa tầng

c Hệ thống cân bằng trong thang máy

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

5

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 kg

Qua việc phân loại như trên, ta thấy đề tài được giao là thang máy chở người,

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 hãm nhiều

- 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 đối trọng 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 đối trọng 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 đối trọng 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 đối trọng 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

6

a.Yờu cầu về an toàn

Đõy là những yờu cầu rất quan trọng vớ dụ như thang mỏy chỉ được phộp vận hành khi cửa tầng và cửa cabin đó đúng hay khi thang mỏy quỏ tải thỡ khụng vận hành …

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

Hệ truyền động thang mỏy phải đảm bảo cho buồng thang chuyển động ờm phụ thuộc vào gia tốc khi mở mỏy và khi hóm mỏy Cỏc tham số chớnh đặc trưng cho chế độ làm việc của thang mỏy là :

Tốc độ di chuyển của buồng thang quyết định năng suất của thang mỏy, nú cú ý nghĩa rất quan trọng nhất là đối với cỏc nhà cao tầng Tốc độ di chuyển trung bỡnh của thang mỏy cú thể tăng bằng cỏch giảm thời gian mở mỏy và hóm mỏy nghĩa là tăng gia

a

Hãm xuống tốc độ thấp

7

Khi chọn trị số tốc độ của thang máy phải căn cứ vào đối tượng mà thang máy phục vụ, trị số tốc độ càng cao thì năng suất của thang máy càng tăng nhưng kéo theo giá thành rất lớn Bởi vậy cần phải cân nhắc chọn trị số tốc độ cho phù hợp Đường cong

1.2 có thể chia ra làm 5 giai đoạn theo tính chất thay đổi tốc độ của buồng thang như sau: Mở máy, chế độ ổn định, hãm xuống tốc độ thấp, buồng thang đến tầng và hãm dừng Trong chế độ ổn định, thang máy có vận tốc không đổi ứng với mọi giá 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 phải dừng 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 tín hiệu gọi phục vụ từ gần cho đến xa

Ưu điểm của phương pháp này là tối ưu về đường đi, nhưng nhược điểm là đầu vào 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 lên thì nó sẽ xử lý tất cả các lệnh ở trên đó, còn các lệnh ở thấp hơn nó sẽ lưu lại và xử lý sau khi 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:

1.3: Đồ thị đặc tính làm việc

8

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

làm việc ở chế độ hãm tái sinh trả năng lượng về lưới

việc ở chế độ động cơ

Góc phần tư thứ tư : Khi thang máy hạ, tải trọng lớn hơn đối trọng, động cơ làm việc 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 hãm tái sinh, phụ tải biến đổi, làm việc ở 4 góc phần tư

tải

- 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 và phần mềm đảm bảo yêu cầu công nghệ, khởi động, hãm, đảo chiều, liên động, dừng khẩn cấp, 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 đặc chủng

9

Chương 2

Chọn phương án truyền động là dựa trên các yêu công nghệ và kết quả tính chọn công suất động cơ, từ đó chọn ra một hệ truyền động có thể thoả mãn yêu cầu công nghệ đặt ra Bằng việc phân tích, so sánh các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật các hệ truyền động này

phù hợp với yêu cầu thang máy Động cơ dùng để kéo puli cáp trong thang máy có thể là động cơ một chiều hoặc động cơ xoay chiều không đồng bộ

2.1 Với động cơ một chiều

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

10

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

hệ F-Đ như sau:

2

k

RM U

k k

k

RI U

k k

kF f

kF f

(2.2)

Biểu thức (2.2) chứng tỏ rằng khi điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát thì điều chỉnh tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng thì giữ nguyên Cũng có thể điều chỉnh kích từ của động cơ 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 các máy khai thác công nghiệp mỏ Do thang máy chở hàng là một hệ truyền động có tải ổn định 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 lắp đặt 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 khoá theo điện áp lưới cho nên truyền động van thực hiện đảo khó khăn và phức tạp hơn truyền động máy phát-động cơ Cấu trúc mạch lực cũng như mạch cấu trúc mạch điều khiển hệ truyền động T-Đ đảo chiều có yêu cầu an toàn cao và có logic điều khiển chặt chẽ 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 hiện theo hai nguyên tắc và có thể được phân loại theo nhiều sơ đồ khác nhau Dưới đây trình

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

11

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 được giữ 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 và được 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 định mức Khả năng sinh momen của động cơ là không đổi, công suất tăng tuyến tính tốc độ

Vùng điều chỉnh từ thông từ dm min Khi điều chỉnh, điện áp U=U đm tốc độ

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

D

12

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 máy

phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu có điều khiển… Các thiết bị nguồn

nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb khác không

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

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không

thống 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 hành chuyển mạch

điểm 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 phần ứng bị triệt tiêu, tuy nhiên suất điện động phần ứng E vẫn còn dương Sau khoảng thời

điện hãm và dòng điện khởi động không đổi điều này được thực hiện bởi các mạch vòng điều chỉnh tự động dòng điện của hệ thống

Hệ truyền động có đảo chiều điều khiển riêng có ưu điểm là làm việc an toàn không có dòng cân bằng chảy giữa các bộ biến đổi song cần có 1 khoảng thời gian trễ trong 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 được xung mở nhưng chỉ có một bộ biến đổi cấp dòng cho nghịch lưu còn bộ biến đổi kia làm việc ở chế độ đợi

14

xứng khi này sđđ tổng trong mạch vòng giữa hai bộ biến đổi sẽ triệt tiêu và dòng điện

xuất hiện giá trị dòng cân bằng song giá trị tức thời của suất điện động của các bộ chỉnh

dòng điện cân bằng và để hạn chế dòng điện cân bằng này thường dùng các cuộn kháng cân 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 động điều 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 độ đập mạch cao nên gây tổn thất phụ trong máy điện và ở các truyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lưới xoay chiều Hệ số cos thấp

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 yêu cầu sau đây:

i định trong thời gian ngắn nhất

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

:

ờ biến trở

ằng điện áp thấp

15

ax

m , nghĩa là trước khi đóng điện động cơ vào nguồn điện, biến trở dùng để điều chỉnh dòng điện kích thích phải ở vị trí ứng với trị số nhỏ nhất để khi đóng cầu dao động cơ được kích thích tới mức tối đa khi đó momen tương ứng là lớn nhất Hơn nữa phải đảm bảo

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

1 trực tiếp

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

để khởi động động cơ có công suất vài kilôoat

cho I =(1,4 2)I u đm đối với các động cơ lớn và I =(2 2,5)I u đm đối với các động cơ nhỏ

ra khỏi mạch phần ứng làm cho I ngay lập tức tăng lên đến giới hạn trên của nó kéo u

theo I 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

16

3 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 đặt

công 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 những đặc tính rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển chế độ làm việc Động cơ Đ có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh được ở cả 2 phía: kích thích máy phát F và kích thích động cơ Đ, đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược ở cuối giai đoạn hãm tái sinh khi 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 chiều nhau, sức điện động máy phát và động cơ có chiều xung đối nhau và công suất điện từ của máy phát và của động cơ là:

0 0 0

F f D co F c

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

có tính chất thế năng

Vùng hãm ngược của động cơ trong hệ F-Đ được giới hạn bởi đặc tính hãm động

phát hoặc do roto bị kéo quay ngược bởi ngoại lực của thế năng, hoặc do roto bị kéo quay ngược bởi ngoại lực của tải thế năng, hoặc do chính sđđ máy phát đảo dấu Biểu thức công suất sẽ là:

P M

(2.7)

tạo nhiệt năng tiêu tán trên đó

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 độ hãm 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 tạp hơn hệ máy phát- động cơ

lượng dòng một chiều sang dòng xoay chiều để phát vào lưới Để thực hiện đảo chiều hãm tái sinh, hệ T-Đ cần có các đặc điều kiện:

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

2

18

-Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu lúc đó cần phải luôn luôn nhỏ hơn giá trị sức

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

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

2.2 Hệ truyền động động cơ xoay chiều

2.2.1.Hệ điều chỉnh điện áp động cơ

a Nguyên lý

Theo lý thuyết máy điện, ta có quan hệ giữa mô-men và điện áp đặt vào Stato

động cơ như sau:

s X s

R R

R U M

m n

f

.'

' 3

2

2 2 1 1

2 2 1

(2.8)

Như vậy, ở một tần số nhất định, mô-men của động cơ KĐB tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào phần cảm (stato) Do đó, ta có thể điều chỉnh tốc độ đ/c KĐB bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số Để thực hiện được điều này người ta dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC)

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

2 1

nm

U M

(2.9)

19

ta thấy momen tới hạn sẽ giảm bình phương lần độ suy giảm của điện áp Trong khi đó

' 2

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 đổi tốc độ không tải lý tưởng, nên khi tăng điện trở phụ ở roto, tốc độ động cơ giảm, độ trượt tới 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 đưa vào mạch roto nên yêu cầu đối với hệ cần phạm vi điều chỉnh rộng sẽ mâu thuẫn với việc giảm tổn thất điều chỉnh đối với tất cả các hệ truyền động Tốc độ động cơ càng thấp (s

Lý thuyết chứng minh là đối với hệ truyền động có mô-men tải không đổi

động dùng phương pháp điều chỉnh điện áp stato đối với hệ truyền động thang máy là không có ý nghĩa; điều đó có nghĩa là phương án dùng điều chỉnh điện áp bị loại bỏ trong

s P s M M

P s c.( 1 ) c 1 dt

dt

s P

P s

Như vậy theo biểu thức trên thì nếu ta bảo đảm giữ công suất đưa và mạch stato là

được tổn hao công suất trong mạch roto thì ta sẽ thay đổi được độ trượt s; tức là ta điều chỉnh được tốc độ động cơ Đây chính là tinh thần của việc điều chỉnh công suất trượt

phụ đưa và mạch roto làm tăng tổn thất Việc này đối với các hệ thống truyền động công suất 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 trượt người ta dùng các sơ đồ nối tầng nhằm đưa công suất trượt trở lại lưới hoặc biến thành cơ

2.7 Đặc tính điều chỉnh công suất trượt động cơ

b Đánh giá và phạm vi ứng dụng

động với công suất lớn (thường cỡ trên 500kW), vì khi đó công suất trượt đưa về mới là đáng 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; việc điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh lượng công suất đưa về có thể đạt được những chỉ tiêu điều chỉnh tốt như êm,dải điều chỉnh khá rộng; tuy có hạn chế là mô-men tới hạn có suy 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 khởi động động cơ, thường dùng điện trở phụ kiểu chất lỏng để khởi động động cơ đến vùng

22

tốc độ làm việc sau đó mới chuyển sang chế độ điều chỉnh công suất trượt Vì vậy mà việc sử dụng hệ thống này chỉ phù hợp với các hệ truyền động có số lần khởi động, dừng máy 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 n

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 với động 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 bằng cách đưa điện trở phụ vào mạch roto động cơ

Thực chất của phương pháp này là điều chỉnh công suất trượt; công suất trượt ở đây 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

rd f th

th

R

R R R

R s

2

2 0

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

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

Theo biểu thức mô-men thì:

23

0 1

2 2 2

2

1

2 2 1

.

3 ] )

' [(

' 3

s

R I X

s

R R

s

R U

m n f

(2.13)

momen không đổi và không phụ thuộc vào tốc độ động cơ Vì vậy, phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở roto rất thích hợp với hệ truyền động có mômen tải không đổi Thực tế, việc thay đổi điện trở roto dùng cấp điện trở ngày nay ít dùng, vì vừa có hiệu suất thấp, độ trơn điều chỉnh kém, đặc tính điều chỉ lại dốc Vì thế điều chỉnh xung điện trở roto dùng van bán dẫn với các mạch vòng điều chỉnh sẽ tạo được đặc tính điều chỉnh cứng và đủ rộng; mặt khác lại dễ tự động hoá việc điều chỉnh Nguyên lý cơ bản của bộ điều chỉnh xung điện trở roto như sau:

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

Hoạt động đóng cắt của khoá bán dẫn S tương tự như mạch điều chỉnh xung áp một chiều:

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

24

0 0

T

t R t t

t R R

ck d

ng d

d td

(2.14)

chiều ba pha ở roto theo nguyên tắc bảo toàn công suất Kết quả tính quy đổi được:

Như vậy, điều chỉnh chu kỳ đóng ngắt của S ta thay đổi được và từ đó thay đổi

b Đánh giá và phạm vi ứng dụng

Có thể nói việc sử dụng phương pháp xung điện trở roto trong điều chỉnh truyền động, 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 dòng

điện)

Phương pháp này như đã phân tích ở trên cũng rất phù hợp với phụ tải có mô-men không đổi như cơ cấu thang máy Cụ thể là nó cho phép điều chỉnh để động cơ có mômen khởi động lớn khi nâng bằng cách thêm một cách hợp lý điện trở và mạch roto trong giai

kết hợp với việc dùng một tụ bổ trợ cho việc mở rộng phạm vi điều chỉnh Mặt khác, việc điều chỉnh được tiến hành ở mạch roto nên không gây ảnh hưởng đến công suất động cơ tiêu thụ đưa vào stato; tức là không gây ảnh hưởng đến lưới điện và tải khác khi động cơ khởi 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 điều chỉnh công suất trượt nên tổn hao trong khi điều chỉnh không thể tránh khỏi So với phương pháp nối cấp nó có cấu trúc đơn giản hơn, ít vốn đầu tư hơn, nhưng lại có tổn thất khi điều chỉnh lớn hơn lại bị tiêu hao vô ích nên nó chỉ sử dụng cho các động cơ có công suất nhỏ và trung bình (dưới 100kW)

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

25

f đm

H 2.9 Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi điều chỉnh

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

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

26

thành các bộ biến tần có đắt hơn giá thành của các bộ biến đổi trang bị cho các phương pháp 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 mà yêu 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 làm việc cụ thể mà chọn phương pháp mở máy thích

27

trực tiếp động cơ điện rôto lồng sóc

Đây là phương pháp mở máy đơn giản nhất, chỉ việc đóng trực tiếp, động cơ điện vào 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 máy nóng và ảnh hưởng đến điện áp của lưới điện Nhưng nếu nguồn điện tương đối lớn

p

1 Sử dụng hệ truyền động biến tần nguồn dòng

của biến tần này thay đổi được dấu nên biến tần nguồn dòng dễ dàng làm việc trong chế

độ hãm tái sinh

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 trong

lưới Trong trường hợp này phổ biến là dùng hãm dập động năng bằng điện trở mạch hãm một chiều Khi động năng động cơ không đồng bộ cân giải thoát chuyển về mạch một

cắt theo tần số nhất định sẽ biến động năng dư thừa thành nhiệt năng để đốt nóng điện trở Các loại biến tần này phổ biến rộng rãi nhất trong công nghiệp

2.11

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 kW đến MW) thì không dùng mạch dập điện trở một chiều, người ta dùng cấu trúc hình 1.12

28

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 đảo chiều) Khi hãm tái sinh, bộ CL phải khóa chắc sau đó mới mở NL1 để hãm Kết thúc quá 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

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 đổi công suất giữa tải và lưới đồng thời dòng đầu vào có dạng hình sin, có thể điều chỉnh cho

cũng 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 theo một quy luật nhất định; điều này làm phức tạp lên rất nhiều so với phương pháp khác

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 phương pháp 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 trục thì 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 muốn nên 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 bị công suất hiện nay dẫn đến khả năng làm việc tin cậy hơn Hơn nữa giá thành của các bộ biến tần hiện nay đã rẻ đi rất nhiều so với thời kỳ đầu, chúng lại cho hiệu suất điều chỉnh cao 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 chọn phương án truyền động dùng các bộ biến đổi tần số với động cơ roto lồng sóc cho tải là thang máy chở người

Chương

30

Chương 3 PHÂ

3.1 Phân tích lựa chọn bộ biến tần cho động cơ

ều có tần số,số

:

: Bộ biến đổi trực tiếp từ tần số,điện áp lưới sang điện áp tải

(chỉnh lưu), sau đó lại biến từ điện áp một chiều thành xoay chiều (nghịch

lưu)

:

điều chế (SPWM)

3.1.1 Biến tần trực tiếp

Khối chỉnh lưu:

Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một

kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua luật điều khiển Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thường dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi quá tải Tùy theo bộ nghịch lưu yêu cầu nguồn

- Nghịch lưu nguồn dòng điện: dạng dòng điện ra tải được định hình trước, còn dạng 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 có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều khiển ổn định dòng 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 ra

tải 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 chiều vào bộ nghịch lưu không phụ thuộc vào tổng trở tải Điều này dẫn đến dạng sóng của dòng điện các pha sau bộ nghịch lưu có dạng chữ nhật nếu bỏ qua giai đoạn chuyển mạch, điện áp ra có dạng sin nhưng mang các đỉnh nhọn ở thời điểm chuyển mạ

, cuộn dây ngăn các biến thiên đột ngột của dòng điện nên truyền 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 cực động 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 sinh động cơ chỉ với mạch lực đơn giản Bộ biến tần nguồn dòng làm tăng được công suất đơn vị động cơ nên thích hợp cho truyền động có đảo chiều, công suất động cơ truyền động lớn

Chương

33

b Biến tần gián tiếp nguồn áp

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

động công suất nhỏ và truyền động nhiều động cơ hoạt động chính xác và đồng bộ

3.2 Phân tích lựa chọn sơ đồ bộ biến tần

3.2.1 nguồn áp với nguồn chiều đầu vào có điều chỉnh

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

Sơ đồ nguyên lý:

3.2 Biến tần nguồn áp 1 chiều dùng chỉnh lưu thyristo