kỹ thuật điều khiển động cơ

kỹ thuật điều khiển động cơ mô hình thang máy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY

NHÓM 7

Mục lục

Contents

Phần 1: Khảo sát đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha, đặc tính cơ của máy sản xuất, các yêu cầu về điều khiển tốc độ, chế độ làm việc và bảo vệ

chính 3

I ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 3

1 Các giả thuyết 3

2 Sơ đồ thay thế 3

3 Phương trình và đặc tính cơ 5

II ĐẶC TÍNH CƠ CỦA MÁY SẢN XUẤT 8

III CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA 9

3.1 Thay đổi số cực từ 9

3.2 Thay đổi tần số 10

3.3 Thay đổi điện áp 11

3.4 Thay đổi điện trở phụ trên mạch rotor 11

IV CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC 12

4.1 Chế độ làm việc dài hạn 12

4.2 Chế độ làm việc ngắn hạn 13

4.3 Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại 13

V Các yêu cầu bảo vệ 14

5.1 Bảo vệ ngắn mạch 14

5.2 Bảo vệ quá tải 15

5.3 Bảo vệ thấp áp và bảo vệ “0” 15

5.4 Bảo vệ mất từ trường 15

5.5 Bảo vệ liên động 15

5.6 Tín hiệu báo trong hệ thống truyền động điện 16

Phần 2: Giới thiệu hệ thống thang máy cơ bản 17

I Giới thiệu: 17

1.1 Phân loại: 17

II Đường đặc tính cơ của thang máy 20

3.1 Vấn đề đặt ra: 20

3.2 Hướng giải quyết: 20

III Nguyên lí hoạt động: 21

3.1 Các thiết bị thường được sử dụng trong thang máy: 21

3.2 Một số thiết bị khác trong cấu tạo thang máy: 26

Phần 3: Sơ lược về biến tần ABB 28

Phần 4: Đồ án mô phỏng khởi động và điều khiển thang máy cho toà nhà 2 tầng, tải nâng hạ 30

I Yêu cầu kĩ thuật: 30

1 Về kĩ thuật: 30

2 Về an toàn: 30

3 Về thẩm mĩ: 30

4 Về thực tế: 30

5 Xây dựng mô hình: 30

6 Tính toán chọn động cơ: 30

7 Chọn biến tần: 33

8 Chọn thiết bị đóng cắt: 33

9 Chọn relay trung gian: 34

10 Chọn nút nhấn và đèn báo: 34

11 Sơ đồ nguyên lí 35

II Nguyên lí hoạt động: 36

III Các thiết bị dùng thực tế: 36

36

37

Lời mở đầu

trò không thể thiếu được.

Không chỉ phục vụ trong công nghiệp hóa, lĩnh vực tự động hóa còn thể hiện bản chất của một nước hiện đại Cùng với sự phát triển của đất nước, ngày càng xuất hiện nhiều công trình xây dựng cao tầng đồ sộ: những cao ốc thương mại, nhà hàng, khách sạn hiện đại theo tiêu chuẩn quốc tế, và cả những siêu thị, bệnh viện đều có xu hướng “phát triển theo chiều cao” Đó là một qui luật phát triển hiển nhiên Đi đôi với sự phát triển này là nhu cầu về thiết bị chuyển tải hàng hoá và con người theo “độ cao” Thiết bị hiện đại đó chính là Thang máy Thang máy phục vụ con người, tải hàng hoá, một phần thể hiện bộ mặt hiện đại của một đất nước Chính vì vậy, nó có vai trò không kém phần quan trọng Nó quyết định giờ giấc làm việc, năng suất lao động,

và rất tiện lợi cho việc di chuyển lên xuống ở các toà nhà cao tầng….

Hiện nay ngành thang máy với trang thiết bị ngoại nhập ở mức hợp

nhập Với mong muốn được góp phần vào việc phát triển công nghệ

mô hình về thang máy mà chúng em tìm hiểu được ngay bên dưới.

Phần 1: Khảo sát đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha, đặc tính cơ của máy sản xuất, các yêu cầu về điều khiển tốc độ, chế độ làm việc và bảo vệ chính.

I ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

1 Các giả thuyết

Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thực tế Ưu điểm nổi bật:

- Cấu tạo đơn giản.

- Làm việc tin cậy.

- Vốn đầu tư ít, giá thành hạ, trọng lượng, kích thước nhỏ hơn khi cùng

công suất định mức so với động cơ một chiều

- Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha.

Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn, các động cơ KĐB lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu (dòng khởi động lớn, moment khởi động nhỏ) Để đơn giản cho việc khảo sát, nghiên cứu,

ta giả thiết:

- Ba pha của động cơ là đối xứng.

- Các thông số của mạch không thay đổi nghĩa là không phụ thuộc nhiệt

độ, tần số, mạch từ không bão hoà nên điện trở, điện kháng, không thay đổi

- Tổng dẫn của mạch vòng từ hoá không thay đổi, dòng từ hoá không phụ

thuộc tải mà chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stator

- Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép.

- Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng.

2 Sơ đồ thay thế

Với các giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế 1 pha của động cơ:

Hình 1-1 Sơ đồ thay thế động cơ KĐB.

Trong đó:

U 1f – trị số hiệu dụng của điện áp pha stator.

I 1 , I μ , I’ 2 – các dòng stator, mạch từ hóa, rotor đã quy đổi về stator

X 1 , X μ , X’ 2 – điện kháng stator, mạch từ, rotor đã quy đổi về stator

R 1 , R μ , R’ 2 – điện trở stator, mạch từ, rotor đã quy đổi về stator R’ 2f là điện trở phụ (nếu có) ở mỗi pha rotor đã quy đổi về stator.

Hệ số trượt tốc độ của động cơ:

Với: ω1 = ω0 – tốc độ của từ trường quay ở stator động cơ, còn gọi là tốc độ đồng bộ (rad/s)

Trong đó:

ω – tốc độ góc của rotor động cơ (rad/s)

f1 – tần số của điện áp nguồn đặt vào stator (Hz)

p – số đôi cực của động cơ

1 3Biểu đồ năng lượng

Hình 1-2 Biểu đồ năng lượng

Trong đó:

P1 – công suất điện từ đưa vào 3 pha stator động cơ

ΔP1 = ΔPCu1 – tổn thất công suất trong các cuộn dây đồng stator

P12 – công suất điện từ truyền giữa stator và rotor động cơ

ΔP2 = ΔPCu2 – tổn thất công suất trong các cuộn dây đồng rotor

P2 – công suất trên trục động cơ, hay là công suất cơ truyền động cho máysản xuất

Trị số hiệu dụng của dòng rotor đã quy đổi về stator:

Quan hệ giữa dòng rotor I’2 với hệ số trượt s hay giữa I’2 với tốc độ góc ω,được gọi là đặc tính điện-cơ

Khi ω = ω0 → s = 0 → I’2 = 0

Khi ω = 0 → s = 1, ta có:

I’2nm – dòng ngắn mạch rotor hay dòng khởi động

Hình 1-3 Đặc tính điện – cơ.

Phương trình đặc tính cơ được thành lập từ điều kiện cân bằng công suất trong động cơ:

Công suất điện chuyển từ stator sang rotor: P12 = Mđt × ω0

Nếu bỏ qua các tổn thất phụ: Mđt = Mco = M

P12 = Pco + ΔP2Với: Pco = M × ω – công suất cơ trên trục động cơ

ΔP = 3× I'22 × R'2L – tổn hao công suất đồng trong rotor

Thay thế vào phương trình cân bằng công suất:

Mô men động cơ:

Thay biểu thức dòng điện rotor:

Biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị sẽ là đường cong

Có thể xác định các điểm cực trị của đường cong đó bằng cách cho đạo hàm dM/ds = 0, ta sẽ được các trị số về độ trượt tới hạn sth và moment tới hạn Mth tại điểm cực trị:

– Độ trượt tới hạn sth:

– Moment tới hạn Mth:

Trong các biểu thức trên, dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, còn dấu (-) ứng với trạng thái máy phát, (MthĐ > MthF)

Hình 1-4 Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ 3 pha.

Phương trình đặc tính cơ có thể biểu diễn theo closs:

Đối với động cơ KĐB công suất lớn, thường R1 << Xnm, nên có thể bỏ quaR1 và a.sth ≈ 0, khi đó ta có dạng closs đơn giản :

và

Có thể tuyến tính hóa đoạn đặc

tính cơ làm việc qua 2 điểm: điểm

đồng bộ (không tải lý tưởng) và điểm định mức

Trên đặc tính cơ tự nhiên, thay , ta có:

Qua dạng đặc tính cơ tự nhiên, một cách gần đúng ta tính độ cứng đặc tính cơ trong đoạn làm việc:

Đối với đoạn đặc tính có s >> sth thì coi sth/s ≈ 0 và ta có:

Trong đoạn này độ cứng β > 0 và giá trị của nó thay đổi, đây thường là đoạn động cơ khởi động

II ĐẶC TÍNH CƠ CỦA MÁY SẢN XUẤT

- Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mô-men cản

của máy sản xuất: M = f(ω)

- Phương trình đặc tính cơ của máy sản xuất:

Hình 1-5 Đặc tính cơ của một số máy sản xuất

III CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

Tốc độ quay của động cơ không đồng bộ được xác định bằng biểu thức:

Động cơ không đồng bộ muốn tạo ra moment quay trên rotor thì số cực củarotor và của stator phải bằng nhau Vậy khi thay đổi p ở trên stator ta phải thay đổi p trên rotor Điều này khó thực hiện đối với động cơ rotor dây quấn Ở động

cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có khả năng đặc biệt khi cuộn stator chưa đóng điện áp vào thì rotor là khối lồng sóc chưa cực nhưng khi cuộn stator được đóng U và tạo ra dòng điện thì cuộn rotor sẽ tự động hình thành số đôi cực hoàn toàn phù hợp số đôi cực stator

Tùy theo tính chất của tải mà chọn kiểu đấu cho phù hợp:

- Tải nâng hạ hàng phải đấu kiểu: M = const.

- Máy công cụ thì đấu kiểu: P = const.

- Động cơ bơm, quạt gió, chân vịt tàu thủy …: M,P ≠ const.

Hình 1-6 Thay đổi số cực của động cơ bằng cách đổi nối các đầu dây.

3.2 Thay đổi tần số

Tốc độ của động cơ không đồng bộ:

Khi hệ số trượt thay đổi ít thì tốc độ tỷ lệ thuận với tần số

Mặt khác, từ biểu thức: E1 = 4,44 × f1 × w1 × kdq× max ta nhận thấy max tỷ lệ thuận với E1/f1

Ta muốn giữ cho max = const → phải điều chỉnh đồng thời cả E/f, có nghĩa

là phải sử dụng một nguồn điện đặc biệt, đó là các máy biến tần công nghiệp

Do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi điện tử và điện tử công suất, các

bộ máy biến tần ra đời đã mở ra một triển vọng lớn trong lĩnh vực điều khiển động cơ xoay chiều bằng phương pháp tần số Sử dụng biến tần để điều khiển động cơ theo các quy luật khác nhau (quy luật U/f, điều khiển vector, …) đã tạo

ta những hệ điều khiển tốc độ motor – động cơ điện có các tính năng vượt trội

Nguyên lý hoạt động của bộ biến tần:

- Lưới nguồn xoay chiều 50 Hz (1 pha hay 3 pha) được chỉnh lưu, san

phẳng, sau đó được tách thành 2: biến tần số và điện áp 3 kiểu biến tần

- Bộ dao động dùng nguồn dòng (CSI) Động cơ vận hành êm, không sử

dụng cho nhiều động cơ đấu song song

- Bộ điều chỉnh biên xung (PAM) Cho nhiều động cơ đấu song song,

nhưng gây ồn Bộ điều chỉnh độ rộng xung (PWM)

Hình 1-7 Biến tần

3.3 Thay đổi điện áp

Điện áp giảm k lần thì M giảm k2 lần Nếu Mtải không đổi thì tốc độ giảm,

hệ số trượt tăng từ sa → sb → sc

Do moment giảm nhiều nên giảm rõ rệt khả năng quá tải của động cơ, nếu điện áp thấp đến mức moment lớn nhất thấp hơn moment phụ tải → động cơ không quay

Ngày nay người ta dùng bộ chỉnh nấc điện áp (dùng Thyristor) để thay đổi điện áp nguồn nuôi cho động cơ

Hình 1-8 Đặc tính cơ khi thay đổi điện áp.

3.4 Thay đổi điện trở phụ trên mạch rotor

Với moment tải nhất định, Rp càng lớn thì hệ số trượt ở điểm làm việc càng lớn → tốc độ quay giảm xuống

Phương pháp này gây tổn hao trong biến trở nên làm giảm hiệu suất động

cơ, tuy vậy, nó khá đơn giản, vận tốc được điều chỉnh liên tục nên được dùng nhiều trong các động cơ có công suất trung bình

Hình 1-9 Phương pháp thay đổi điện trở phụ trên mạch rotor.

Hình 1-10 Đặc tính nhiệt của chế độ làm việc dài hạn.

Đặc trưng của chế độ ngắn hạn là thời gian làm việc tlv

Hình 1-11 Đặc tính nhiệt của chế độ làm việc ngắn hạn

Đặc trưng của chế độ ngắn hạn lặp lại là thời gian đóng mạch tương đối:

Trong đó: tlv – tổng thời gian các giai đoạn làm việc.

T – thời gian chu kỳ, T = tlv + tngh

Hình 1-12 Đặc tính nhiệt của chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại.

V Các yêu cầu bảo vệ

Trong quá trình hoạt động, các hệ thống truyền động điện có thể xảy ra cáctrạng thái không đúng với các trạng thái tiêu chuẩn hoặc hệ thống bị sự cố Nếukhông bảo vệ cho hệ thống thì sẽ dẫn đến các hư hỏng cho máy móc thiết bị, thậm chí nguy hiểm đến tính mạng người sử dụng Vì vậy cần thiết phải trang

bị cho hệ thống truyền động điện các loại bảo vệ nhằm đề phòng và loại trừ sự

cố Tùy theo mức độ nguy hiểm của sự cố mà các hệ thống bảo vệ có thể ngắt nguồn cấp cho hệ thống hoặc tín hiệu báo cho người vận hành

5.1 Bảo vệ ngắn mạch

Khi hệ thống điện bị ngắn mạch sẽ rất nguy hiểm cho hệ thống do đó cần thiết phải ngắt hệ thống khỏi lưới điện Để bảo vệ ngắn mạch hệ thống người ta

sử dụng các thiết bị sau: cầu chì, aptomat, rơle dòng cực đại

- Bảo vệ ngắn mạch bằng cầu chì có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền nhưng

nhược điểm là khi tác động cần phải có thời gian để thay thế cầu chì, tác động không chính xác, phụ thuộc vào thời gian vì sự oxy hóa mòn kim loại Lựa chọn cầu chì cần thiết phải đảm bảo các điều kiện như sau:Uđm > UL; Iđm = k.It

Trong đó: k – hệ số tính tới đặc tính tải

Bảo vệ ngắn mạch bằng aptomat có ưu điểm lớn là có thể hoàn lại ngay sau khi tác động, đặc tính bảo vệ hoàn thiện và có khả năng bảo vệ chọn lọc Điều kiện chọn aptomat cũng giống như cầu chì.

Bảo vệ ngắn mạch bằng rơle dòng cực đại tác động nhanh cũng có ưu điểm

và cùng các điều kiện lựa chọn như aptomat

5.2 Bảo vệ quá tải

Bảo vệ quá tải cho truyền động điện nhằm tránh cho động cơ điện phải làm việc với điều kiện quá dòng do những nguyên nhân từ tải của động cơ điện gây nên Để bảo vệ quá tải thường dùng rơle nhiệt, rơle dòng cực đại tác động chậm

Rơle nhiệt có thể sử dụng loại rơle nhiệt dùng thanh lưỡng kim để tác động hoặc rơle nhiệt sử dụng bộ cảm biến nhiệt độ loại PT hay CA qua bộ khuếch đại Giá trị dòng điện tác động khi bảo vệ quá tải là:

Ibv = (1,1 – 1,3).Iđm

5.3 Bảo vệ thấp áp và bảo vệ “0”

Bảo vệ thấp áp và bảo vệ “0” nhằm tránh cho hệ truyền động điện những tác động ngoài ý muốn như: khi điện áp thấp sẽ làm tăng dòng dẫn quá tải cho động cơ hoặc khi mất nguồn ngắn hạn thì hệ thống không hoạt động lại được

mà không phải thao tác lại từ đầu

Giá trị điện áp ngắt khi bảo vệ thấp áp là: U < 0,85Uh

5.4 Bảo vệ mất từ trường

Bảo vệ mất từ trường chỉ sử dụng cho động cơ điện một chiều, nếu khi bị mất từ trường thì động cơ điện bị ngắn mạch dẫn đến cháy động cơ nên cần thiết phải bảo vệ mất từ trường Để bảo vệ mất từ trường chúng ta sử dụng các rơle dòng tác động nhanh, khi mất từ trường thì rơle dòng điện trong mạch kích

từ sẽ không tác động và ngắt động cơ điện ra khỏi lưới điện

5.5 Bảo vệ liên động

Trong nhiều hệ truyền động điện với nhiều chức năng, chế độ làm việc khác nhau đòi hỏi khi hệ thống làm việc ở mỗi chức năng hay chế độ nào thì tuyệt đối cấm các chế độ khác hoạt động vì sẽ xảy ra các sự cố do đó cần thiết phải bảo vệ liên động giữa các mạch, các hệ thống với nhau

Để bảo vệ liên động người ta dùng các mạch khóa liên động bằng cơ khí hoặc điện hoặc cả cơ cả điện

- Khóa liên động về cơ khí sử dụng các nút ấn kép hoặc các contactor kép

chỉ cho phép tác động theo một chiều nhất định, nếu tác động theo chiều ngược lại sẽ ngắt chiều kia ra

- Bảo vệ liên động điện thường sử dụng các tiếp điểm khóa truyền lẫn nhau

hoặc trong các hệ thống truyền động điện hiện đại có thể dùng chương trình để bảo vệ liên động

5.6 Tín hiệu báo trong hệ thống truyền động điện

Để đảm bảo khai thác tốt các hệ truyền động điện tự động và điều khiển

từ xa các hệ thống, chúng ta cần thiết phải có các tín hiệu báo và hiển thị các trạng thái làm việc bình thường cũng như các trạng thái sự số giúp cho người vận hành biết để xử lý kịp thời các sự cố Tín hiệu báo trong hệ thống truyền động điện có thể bao gồm các dạng sau:

 Tín hiệu báo nguồn

 Tín hiệu báo sẵn sàng làm việc

 Tín hiệu báo làm việc

 Tín hiệu báo hệ làm việc không chuẩn hoặc các loại sự cố

Thông thường khi tín hiệu báo nguồn hoặc làm việc thì chỉ thị bằng ánh sáng, còi hoặc các tín hiệu báo sự cố phải cả bằng ánh sáng và âm thanh

Phần 2: Giới thiệu hệ thống thang máy cơ bản

I Giới thiệu:

- Thang máy là một thiết bị vận tải chạy theo chiều đứng để vận chuyển người,hàng hoá giữa các tầng của một con tàu, công trình xây dựng hoặc cấu trúckhác Có nhiều loại thang máy như: thang máy nâng hàng, thang máy gia đình,thang máy tải khách, thang máy tải giường bệnh, thang máy tải hàng, thangtải thực phẩm Thang máy thường được trang bị động cơ điện tạo lực kéo dâycáp và hệ thống đối trọng như cần trục, hoặc máy bơm chất lỏng thủy lực đểnâng cao một piston hình trụ

- Do luật dành cho xe lăn, thang máy thường là yêu cầu pháp lý trong các tòanhà nhiều tầng mới, đặc biệt là những nơi không thể sử dụng đường dốc dànhcho xe lăn

- Ngoài ra còn có một số thang máy có thể đi ngang ngoài chuyển động lênxuống thông thường

1.1 Phân loại:

Thang máy được phân thành nhiều loại như dựa vào chức năng, tốc độ dichuyển, theo tải trọng…

Theo chức năng:

- Thang máy chở người:

+ Còn gọi là thang máy tải khách: thang máy khách sạn, thang máy gia đình + Gia tốc cho phép được quy định theo cảm giác của hành khách: Gia tốc tối ưu

là a< 2m/s2

+ Thang máy dùng trong các toà nhà cao tầng: bao gồm các thang máy tảikhách, thang máy gia đình, thang máy khách sạn, biệt thự Loại này có tốc độtrung bình hoặc lớn, đòi hỏi vận hành êm, an toàn và có tính thẩm mỹ

+ Thang máy dùng trong bệnh viện: Phải đảm bảo rất an toàn, sự tối ưu về độ

êm khi dịch chuyển, thời gian dịch chuyển, tính ưu tiên đúng theo các yêu cầucủa bệnh viện…

+ Thang máy dùng trong các hầm mỏ, xí nghiệp: Đáp ứng được các điều đượccác điều kiện làm việc nặng nề trong công nghiệp như tác động của môi trườnglàm việc: độ ẩm, nhiệt độ, thời gian làm việc, sự ăn mòn

- Thang máy chở hàng: được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong kinhdoanh… Nó đòi hỏi cao về việc dừng chính xác buồng thang máy đảm bảo choviệc vận chuyển hàng hoá lên xuống thang máy được dễ dàng thuận tiện

Thang máy chở người, chở hàng Thang máy bệnh viện

Theo tốc độ di chuyển:

- Thang máy tốc độ thấp : vận tốc dưới 1 m/s