Chương 2 Thiết kế hệ truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ hàng dùng biến tần PWM

Thiết kế hệ truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ hàng dùng biến tần PWM

Chương 2:Thiết kế hệ truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ hàng dùng biến tần PWM

2.1 Lựa chọn phương án truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ hàng

2.1.1 Yêu cầu của hệ truyền động cơ cấu nâng hạ hàng

a Đặc tính tải

- Phụ tải của cơ cấu nâng hạ là phụ tải thế năng Động cơ cho truyền động nâng hạlàm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại

Hình 2.1 giản đồ phụ tải của cơ cấu nâng hạ với thời gian mở máy và thời gian

phanh coi như bằng 0

Trong đó:

t1: Thời gian hạ không tải t2: thời gian nâng tải

t01: thời gian nghỉ t3: thời gian hạ tải

t4: thời gian nâng không tải t02: thời gian nghỉ

Qua giản đồ phụ tải ta thấy đây là phụ tải ngắn hạn lặp lại biến đổi Động cơlàm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại với yêu cầu có đảo chiều

d Những yêu cầu khác.

- Vấn đề tính chọn công suất động cơ

-Đảm bảo chiều quay

- Khi làm việc với thời gian đóng máy cho trước động cơ không bị đốt nóng quámức

- Công suất động cơ cần phải đủ để đảm bảo thời gian khởi động trong quy định

- Việc tăng công suất động cơ lên quá lớn cũng không cho phép do:

Khi P↑⇒ có khả năng làm tăng gia tốc cầu trục (cơ cấu nâng hạ) có thể dẫn tới

đứt dây treo hay tải bị dật mạnh

- Tăng vốn đầu tư ban đầu

- Phải thiết kế để cơ cấu làm việc an toàn ở chế độ nặng nề nhất

- Các thiết bị cầu trục phải đảm bảo làm việc an toàn ở điện áp bằng 85% điện ápđịnh mức

- Khi không có tải trọng (không tải) mô men của động cơ không vượt quá(1520)% Mđm , đối với cơ cấu nâng của cầu trục gầu ngoạm đạt tới 50% Mđm, đốivới động cơ di chuyển xe con bằng (5055)% Mđm

2.1.2 Hệ truyền động một chiều

- Hệ thống F -Đ nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ biến đổi máy điện (máy

điện một chiều kích từ độc lập)

- Động cơ Đ truyền động máy sản xuất MSX được cấp điện phần ứng từ máy phát

F Động cơ sơ cấp kéo máy phát F với tốc độ không đổi là động cơ điện khôngđồng bộ ĐK Động cơ ĐK cũng kéo luôn máy phát kích từ K để cấp điện áp chođộng cơ Đ và máy phát F Biến trở Rkk dùng để điều chỉnh dòng kích từ của máyphát tự kích K nghĩa là để điều chỉnh điện áp phát ra cấp cho các cuộn kích từnmáy phát KTF và cuộn kích từ động cơ KT Đ Biến trở RKF dùng để điều chỉnhdòng kích từ máy phát F do đó điều chỉnh điện áp phát ra của máy phát F đặt vàophần ứng động cơ Đ Biến trở RKĐ dùng để điều chỉnh dòng kích từ động cơ, do đóthay đổi tốc độ động cơ nhờ thay đổi tờ thông

Phương trình đặc tính cơ của hệ F –Đ

- Ưu điểm: Phạm vi điều chỉnh tăng lên Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm

vi điều chỉnh Việc điều chỉnh tiến hành trên các mạch kích từ nên tổn hao nhỏ Hệđiều chỉnh đơn giẩn Trạng thái làm việc linh hoạt khả năng quá tải lớn Có thể thựchiện hãm điện

- Nhược điểm: Sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp (không quá 75%),

cồng kềnh, tốn diện tích lắp đặt, gây ồn lớn Công suất đặt máy lớn Vốn đầu tư banđầu cao Điều chỉnh sâu bị hạn chế

2.1.3 Hệ truyền động dùng động cơ điện xoay chiều

- Khi sử dụng động cơ xoay chiều trong hệ thống thì người ta hay dùng động cơ điện dị bộ rô to lồng sóc có 3 cấp tốc độ

- Loại động cơ này là loại động cơ đặc biệt, nó được xem như hai động cơ ghép lại với nhau

Hình 2.2 Động cơ KĐB stato nhiều cuộn dây

1: Cuộn dây cấp tốc độ 1

2: Rôto rãnh kép hoặc rãnh sâu

3: Rôto thường

4: Cuộn dây cấp tốc độ 2,3

- Cuộn dây cấp tốc độ thấp được bố trí ở một vùng riêng biệt.Cuộn dây tốc độ 2 và

3 được bố trí chung một rãnh Có động cơ chỉ có 2 cuộn dây, trong đó một cuộn có khả năng đổi nối để tạo tốc độ 2, tốc độ 3

- Ưu điểm của loại động cơ lồng sóc này là nó có khả năng chịu quá tải về mô menKhi sử dụng động cơ xoay chiều trong hệ thống thì người ta hay dùng động cơ điện

dị bộ rô to lồng sóc có 3 cấp tốc độ.động cơ này hay được dùng vì nó có cấu tạo đơn giản, đáp ứng tương đối tốt các yêu cầu về tốc độ Đồng thời có trọng lượng vàkích thước nhỏ động cơ điện một chiều cùng công suất

Tuy nhiên việc điều chỉnh tốc độ không láng, mô men khởi động nhỏ hơn so với động cơ một chiều

*Kết luận:Do yêu cầu của động cơ của cơ cấu nâng hạ hàng làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại và phải có khả năng chịu được quá tải cao về momen nên chúng ta chọn sử dụng là động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc.

2.2 Lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ cho động cơ của cơ cấu nâng hạ hàng

2.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp xung điện trở

- Động cơ KĐB có thể điều chỉnh tốc độ KĐB bằng cách điều chỉnh điện trở mạch

rô to, trong mục này chúng khảo sát việc thực hiện điều chỉnh trơn điện trở mạchrôto bằng các van bán dẫn, ưu thế của phương pháp này là dễ tự động hoá việc điềuchỉnh Điện trở trong mạch rôto động cơ KĐB Rr = Rrd+Rf

Trong đó + Rrd điện trở dây quấn rôto

+ Rf điện trở ngoài mắc thêm vào rôto

- Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rôto thì mômen tới hạn của động cơ KĐBkhông thay đổi và độ trượt tới hạn thì tỷ lệ bậc nhất với điện trở Nếu coi đoạn đặctính làm việc của động cơ KĐB tức là đoạn có độ trượt từ s = 0 tới s = sth là thẳng

(2.2)thì khi điều chỉnh điện trở ta có thể viết

Trong đó+ s là độ trượt khi điện trở mạch rôto là RrT

+ si là độ trượt khi điện trở mạch roto là Rrd

(2.3)

- Nếu giữ dòng điện rôto không đổi thì mômen cũng không đổi và phụ thuộc vàotốc độ động cơ Vì thế mà có thể ứng dụng phương pháp điều chỉnh điện trở mạch

rô to cho truyền động có mômen tải không đổi N

- Mạch điều khiển gồm điện trở Ro nối song song với khoá bán dẫn T1 Khóa T1 sẽđược đóng ngắt một cách chu kỳ để điều chỉnh giá trị điện trở trung bình của toànmạch Khi T1 đóng điện trở Ro bị loại ra khỏi mạch dòng điện rôto tăng lên KhiT1 ngắt điện trở Ro lại được đưa vào mạch dòng điện rôto lại giảm xuống Với tần

số đóng cắt nhất định, nhờ có điện cảm L mà dòng điện rôto coi như không đổi và

có một giá trị điện trở tương đương Re trong mạch Thời gian ngắt tn = T-tđ

+ Nếu điều chỉnh trơn tỉ số giữa thời gian đóng và thời gian ngắt ta điều

chỉnh trơn giá trị điện trở trong mạch rôto

+ Điện trở tương đương trong mạch 1 chiều tính đổi về mạch xoay chiều ởrôto theo qui tắc bảo toàn công suất tổn hao trong mạch rôto

- Cơ sở để tính tổn hao công suất là như nhau

+ Khi dùng chỉnh lưu cầu ba pha thì điện trở tính đổi là:

(2.5)+ Khi có điện trở tính đổi, dễ dàng dựng dược đặc tính cơ theo phương pháp thôngthường, họ đặc tính cơ này quét kín phần mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính cơ tựnhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ Rf = 0,5Ro

+ Để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen có thể nối tiếp điện trở Ro vớimột tụ điện có điện dung đủ lớn

2.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp tần số

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

độ cao như máy ly tâm, máy mài Đặc biệt là hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơbằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho động cơ KĐB rôto lồng sóc sẽ cókết cấu đơn giản vững chắc giá thành hạ có thể làm việc trong nhiều môi trườngNhược điểm cơ bản của hệ thống này là mạch điều khiển rất phức tạp

Đối với hệ thống này động cơ không nhận điện từ lưới chung mà từ một bộ biếntần Bộ biến tần này có khả năng biến đổi tần số và điện áp ra một cách độc lập vớinhau Trong phần này đề cập đến hai nội dung: Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động

cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số và các loại biến tần dùng trong hệ truyền độngbiến tần - động cơ KĐB

* Nguyên lý điều chỉnh tần số:

- Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số fi của điện

áp stato được rút ra từ biểu thức xác định động cơ KĐB

Vậy đồng thời với việc điều chỉnh tần số ta phải điều chỉnh cả điện áp nguồn cungcấp Từ công thức trên ta thấy khi điều chỉnh tần số mà giữ nguyên điện áp nguồn

Us không đổi thì từ thông động cơ sẽ biến thiên

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

+ Khi s tăng từ thông  của động cơ giảm xuống và nếu mômen phụ tải không đổithì theo biểu thức M = k..I.n.cos ta thấy dòng điện rôto Ir phải tăng lên.Vậy trongtrường hợp này dây quấn động cơ chịu quá tải còn lõi thép thì phải non tải Ngoài

ra cũng vì lý do trên mômen cho phép và khả năng quá tải của động cơ giảmxuống

- Vì vậy để tận dụng khả năng động cơ một cách tốt nhất là khi điều chỉnh tốc độbằng phương pháp biến đổi tần số người ta còn phải điều chỉnh cả điện áp và dòngđiện theo hàm của tần số và phụ tải

Việc điều chỉnh này chỉ theo hàm của tần số có đặc máy sản xuất có thể được thựchiện trong hệ kín Khi đó nhờ các mạch hồi tiếp điện áp ứng với một tần cho trướcnào đó sẽ biến đổi theo phụ tải

Yêu cầu chính đối với đặc tính của truyền động điều chỉnh tần số đảm bảo độ cứngđặc tính cơ và khả năng quá tải trong toàn bộ dải điều chỉnh tần số và phụ tải ngoài

ra còn có thể có vài yêu cầu về điều chỉnh tối ưu trong chế độ tĩnh

Kết luận :Từ những phân tích trên em quyết định chọn sử dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ cơ cấu nâng hạ hàng bằng phương pháp thay đổi tần

số dùng biến tần

2.2 Mô hình toán động cơ, truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ

- Có hai phương pháp điều khiển tần số chủ yếu:

- Điều khiển có hướng

- Điều khiển vô hướng

a Điều khiển vô hướng hệ biến tấn- động cơ không đồng bộ 3 pha

 Điều chỉnh điện áp – tần số với từ thông là hàm của mômen tải.

Nguyên lý điều khiển

Đối với hệ biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ khả năng quá tải về mômen của động cơ là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ Khả năng quá tải

về mômen là: λ M=M th/M c Nếu bỏ qua điện dây quấn stato thì biểu thức mômen

tới hạn có thể tính như sau:

M th=kφ th.(U1

Trong đó: kφ th - là hằng số, phụ thuộc vào thông số động cơ

Điều kiện để giữ hệ số quá tải về mômen không đổi là:

λ M=M th

M c =

M th dm

Hình 2.3 Xác định khả năng quá tải về mômen

Phương trình đặc tính cơ của máy sản xuất:

Nên có thể coi luật điều khiển này chính là luật

từ thông hàm của mômen phụ tải:

ψ¿s

=√m¿c

Ưu và nhược điểm

+) Ưu điểm:

- Phương pháp này dễ thực hiện

- Tổn thất công suất nhỏ, lượng tiêu thụ công suất phản kháng luôn nhỏ hơn hoặc bằng công suất phản kháng định mức

+) Nhược điểm:

- Tuy vậy, khó ổn định ở tốc độ thấp.Vì ở tần số thấp sụt áp trên điện trở Stator có thể so sánh với điện áp Stator

Nguyên lý điều khiển

Từ thông móc vòng qua khe hở không khí ψ σ tính theo:

Cφ1 - Hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy điện

f 1 dm - tần số định mức

f1¿ - Tần số đơn vị tương đối

Nếu bỏ qua thành phần sụt áp trên điện trở Stator ta có: ψ σ~

bù lượng điện áp rơI trên điện trở Stator

Giải pháp thực hiện giữ ψ σ =const trong thực tế là Phát hàm U1(f1) với dòng điện không tải I10 Khi động cơ mang tải ta bù thêm lượng điện áp tỷ lệ với sụt áp trên điện trở Stator: ΔU Rs=I s R s Như vậy, tại một giá trị tần số đầu vào

f1 giá trị điện áp U1 sẽ có hai thành phần:

- Thành phần thứ nhất U10 : lấy từ quan hệ U1(f1)

- Thành phần thứ hai U11 : tỷ lệ với dòng điện tải U1~ I1

Hình 2.4 Cấu trúc điều khiển Điện áp – Tần số giữ từ thông không đổi

Hình 2.5 Đặc tính cơ theo luật điều khiển điện áp - tần số giữ từ thông

động cơ không đổi

Ưu và nhược điểm

Phương pháp điều khiển U1(f1) giữ từ thông động cơ không đổi Đơn giản

dễ thực hiện Do vậy mà giá thành rẻ Vì vậy phần lớn các biến tần công nghiệp thường sử dụng phương pháp này Do biến tần sử dụng nguồn áp nên không có khảnăng hãm tái sinh

Nguyên lý điều khiển

Khi giữ từ thông rôto ψ r không đổi thì mômen sẽ không phụ thuộc vào tần

số và mômen tới hạn sẽ không đổi trong toàn dải điều chỉnh Để giữ biên độ từthông rotor không đổi: Ψ r=const ở phần mô tả động cơ không đồng bộ, hoặc dựavào sơ đồ thay thế ta có thể tính được từ thông rotor và phương trình cân bằngmạch rotor ở dạng các thành phần vector trên các trục toạ độ ox và oy:

{ Ψ rx = L m i sx + L rδ i rx ¿ { Ψ ry = L m i sy + L rδ i ry ¿ { 0=R r i rx + pΨΨ rx + ω s Ψ ry ¿¿¿¿

(2.13)

Nếu giữ được biên độ vector từ thông |Ψ r|=const thì pΨ|Ψ r| =0 và

pΨΨ rx=pΨΨry=0 , và ta có phương trình cân bằng mạc rotor:

Hình 2.6 Quan hệ I ss khi từ thông  s const

Điều chỉnh từ thông là trường hợp giữ từ thông luôn không đổi và bằng giátrị từ thông định mức Như vậy, có thể khai thác hết công suất mạch từ của động cơKĐB Điều khiển tần số thông qua từ thông động cơ cụ thể là điều chỉnh từ thôngkhông đổi qua quan hệ dòng chính lưu Id và tần số trượt f2 Bản chất của phươngpháp này là thông qua việc duy trì quan hệ giữa dòng điện stato Is và tần số trượt fssao cho từ thông của máy điện được giữ không đổi

Hình 2.7 Cấu trúc điều khiển tần số - đòng điện giữ từ thông động cơ không đổi

Nguồn dòng một chiều gồm bộ chỉnh lưu, cuộn kháng L d, bộ điều chỉnh sâudòng điện Id: RId Nghịch lưu có tần số đầu ra là f1 cấp cho động cơ được thiết lậpbởi:

Ưu và nhược điểm

Cấu trúc điều khiển tần số – dòng điện sử dụng quan hệ I f s s với  s const

dùng cho từng ứng dụng cụ thể Do sử dụng nguồn dòng nên có các ưu điểm là:

- Có khả năng vượt qua được các sự cố chuyển mạch và tự phục hồi về trạng tháI làm việc bình thường

- Có khả năng thực hiện hãm tái sinh trả năng lượng về lưới điện

Nhược điểm của hệ truyền động biến tần nghịch lưu dòng điện là:

- Không thể làm việc ở chế độ không tải

- Kích thước và giá thành của các tụ điện chuyển mạch và điện cảm lọc một chiều khá lớn

b Điều khiển có hướng(điều khiển vector)

Mô tả toán học động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ KĐB ba pha nói chung bao gồm sáu dây quấn: 3 dây quấn pha stator cố định đạt cách nhau 1/ đường tròn và 3 dây quấn pha rôto cũng được đặt lệch nhau 1/3 vòng tròn song chúng lại dược quay quanh trục rôto Giữa dây quấn

pha stato và dây quấn pha rôto đươc liên hệ với nhau bởi cảm cảm ứng điện từ qua khe hở không khí Giả thiết là:

- Tham số của động cơ không đổi

- Mạch từ chưa bão hoà

- Khe hở không khí đều

- Nguồn ba pha cấp là hình và đối xứng

Các phương trình cơ bản trong hệ toạ độ tổng quát (0,x,y):

Hình 2.8 Đồ thị vec tơ trong hệ trục toạ độ tổng quát

u R i

dt d

dt d

L L



 

- Hệ số tản từ stator

r r

M

L L

Sơ đồ thay thế của động cơ trong hệ toạ độ tổng quát

Hình 2.9: Sơ đồ thay thế ĐCKĐB trong hệ toạ độ tổng quát (o,x,y)

Nguyên lý điều khiển

Nội dung cơ bản của phương pháp tựa theo vectơ từ thông là dựa trên cơ sở điều khiển toàn phần vector dòng điện cả biên độ và góc pha  (góc tải) Giúp tạo được hệ thống điều chỉnh từ thông hoàn hảo mà không cần sử dụng cảm biến từ thông Trong hệ trục toạ độ (o,x,y) Biểu thức mômen động cơ được viết lại như sau:

Hình 2.10: Đồ thị vector cho phương pháp FOC

Khi giữ được r  rx const có nghĩa là i sx const Khi điều khiển thành phần i sy

tức là làm cho vector i svẽ nên một đường thẳng song song với trục oy

Hình 2.10 Mô hình điều khiển FOC

Ưu và nhược điểm của FOC

- Mô hình rất nhạy với sự biến thiên thông số của động cơ

- Có nhiều khối tính toán nên mất nhiều thời gian cho Vi Xử Lý tính toán Do vậy,

độ tác động nhanh không cao

- Nhưng hệ FOC có thể hoạt động tốt ở tốc độ cận không Tức là, có thể điều chỉnh sâu tốc độ

Nguyên lý hoạt động

Nội dung của phương pháp này là điều khiển vị trí vector từ thông stator sđể điềukhiển mômen động cơ Để thực hiện phương pháp này, ta cần dựa trên phép đổi vector để xách định độ lớn và vị vector s Thay đổi vị trí vector U s để thay đổi vị trí vector s Xuất phát từ biểu thức tính mômen: