Đề án Thang máy chở người

đề án : thang máy chở người Cho mô hình thang máy như sau: Động cơ Hộp số puli chủ động Thanh dẫn Đối trọng puli bị động Hình 1 Các số liệu cho như sau: Loại động cơ : Động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Tốc độ : V = 1,5 m/s Gia tốc : a = 1,5 m/s2 Chiều cao mỗi tầng : h0 = 4 m Số tầng : n = 10 tầng Trọng lượng Cabin : G0 = 1000 kg Trọng lượng tải : Gđm = 630 kg Đường kính puli : D = 0,45 m Hiệu suất cơ cấu : h = 0,75 Tỷ số truyền cơ cấu : i nội dung thiết kế Phần I: Mô tả công nghệ và yêu cầu truyền động I. 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. 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 thời gian và sức lực... ở Việt Nam từ trước tới nay thang máy chỉ chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp để trở hàng và ít được phổ biến. Nhưng trong giai đoạn hiện nay nền kinh tế nước ta đang có những bước phát triển mạnh thì nhu cầu sử dụng thang máy trong mọi lĩnh vực ngày càng tăng lên. Có thể phân loại thang máy như sau: 1.Phân loại theo chức năng: a.Thang máy chở người: Gia tốc cho phép được quy định theo cảm giác của hành khách: a Ê 1,5 m/g2 +Dùng trong các toà nhà cao tầng: loại này có tốc độ trung bình hoặc lớn, đòi hỏi vận hành êm, an toàn và có tính mỹ thuật... +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 cầu của bệnh viện... +Trong các hầm mỏ, xí nghiệp: đáp ứng được các điều kiện làm việc nặng nề trong công nghiệp như tác động của môi trường làm việc: độ ẩm, nhiệt độ; thời gian làm việc, sự ăn mòn... b.Thang máy chở hàng: Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong kinh doanh...Nó đòi hỏi cao về việc dừng chính xác buồng thang máy đảm bảo cho việc vận chuyển hàng hoá lên xuống thang máy được dễ dàng thuận lợi... 2.Phân loại theo tốc độ dịch chuyển: Thang máy tốc độ chậm: V = 0,5 m/s Thang máy tốc độ trung bình: V = 0,75 á 1,5 m/s Thang máy tốc độ cao: V = 2,5 á 5 m/s 3.Phân loại theo tải trọng: Thang máy loại nhỏ: QTm < 160 KG Thang máy loại trung bình: QTm = 500 á 2000 KG Thang máy loại lớn: QTm > 2000 KG II.Đặc điểm phụ tải của thang máy và các yêu cầu truyền động cho thang máy: Phụ tải thang máy là phụ tải thế năng Vị trí các điểm dừng của thang máy để đón, trả khách trên hố thang là các vị trí cố định, đó chính là vị trí sàn các tầng nhà. Động cơ truyền động thang máy làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại, mở máy và hãm máy nhiều. Vì đây là thang máy chở người, nên đòi hỏi cao về độ chính xác khi dừng máy: Khi Gtải trọng = 2,5 Gđm thì yêu cầu khi dừng, khoảng cách từ sàn Cabin đến mặt sàn tầng nhà Ê 2 cm. Đảm bảo gia tốc Cabin khi khởi động và khi dừng nằm trong giới hạn cho phép (vì không được để cho người trên thang có cảm giác bị giật). Biểu đồ phụ tải thang máy II Phân tích, so sánh và lựa chọn phương án truyền động chương 3 : Phân tích - lựa chọn phương án Động cơ dùng để kéo pu li cáp trong thang máy là loại động cơ có điều chỉnh tốc độ và có đảo chiều quay ( quá trình nâng, hạ của thang máy). Như vậy, để thực hiện được truyền động trong thang máy chúng ta phải có 2 phương án chính sau : + Dùng hệ truyền động chỉnh lưu - triristo, động cơ 1 chiều có đảo chiều quay. + Dùng hệ truyền động xoay chiều có điều chỉnh tốc độ Sau đây chúng ta sẽ đi vào phân tích ưu nhược điểm hai loại hệ truyền động này để từ đó chọn ra 1 phương án truyền động phù hợp nhất dùng trong thang máy. I.1. Hệ Truyền Động Chỉnh Lưu - Triristo có đảo chiều quay. Hệ Truyền Động T-Đ có đảo chiều quay được xây dựng trên hai nguyên tắc cơ bản : - Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ của động cơ . - Giữ nguyên chiều dòng kích từ và đảo chiều dòng điện phần ứng Từ hai nguyên tắc cơ bản này ta có năm loại sơ đồ chính Sơ đồ 1 : Truyền động dùng 1 bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng đảo chiều dòng kích từ. Hình 1 Loại sơ đồ này dùng cho công suất lớn và rất ít đảo chiều . Sơ đồ 2 : Truyền động dùng 1 bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng công tắc tơ chuyển mạch ở phần ứng ( từ thông giữ không đổi) Loại này dùng cho công suất nhỏ, tần số đảo chiều thấp . Hình 2 Sơ đồ 3 : Truyền động dùng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng. Hệ này có ưu điểm là dùng cho mọi dải công suất, có tần số đảo chiều lớn Hình 3 Sơ đồ 4 : Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song ngược điều khiển chung .Loại này dùng cho mọi dải công suất vừa và lớn, thực hiện được công việc đảo chiều êm hơn. Hình -4 Sơ đồ 5 : Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối theo sơ đồ chéo điều khiển chung. Sơ đồ dùng cho mọi dải công suất vừa và lớn thực hiện việc đảo chiều êm Tuy nhiên kích thước cồng kềnh, vốn đầu tư và tổn thất lớn.(Hình-5) Hình 5 Mạch điều khiển của 5 loại sơ đồ này có thể chia làm hai loại chính : a. Điều khiển riêng : Nguyên tắc : Khoá các bộ biến đổi mạch phần ứng để cắt dòng, sau đó tiến hành chuyển mạch, như vậy khi điều khiển sẽ tồn tại một thời gian gián đoạn, sơ đồ 1,2,3 được điều khiển theo nguyên tắc này . Khi điều khiển riêng có hai bộ diều khiển làm việc riêng rẽ với nhau . Tại một thời 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 gian này thì phát xung a2 mở bộ biến đổi 2 đổi chiều dòng phần ứng động cơ được hãm tái sinh. Hệ truyền động có van 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 . b.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. Sơ đồ 4, 5 thực hiện theo nguyên tắc này.Trong phương pháp điều khiển chung mặc dù đảm bảo ẵEd2ẵ =ẵEd1ẵ tức là không xuất hiện giá trị dòng cân bằng song giá trị tức thời của suất điện động của các bộ chỉnh lưu là ed1(t) và ed2(t) luôn khác nhau do đó vẫn xuất hiện thành phần xoay chiều của dòng điện cân bằng và để hạn chế dòng điện cân bằng này thường dùng các cuộn kháng cân bằng Lcb I.2. Hệ Truyền Động xoay chiều có điều chỉnh tốc độ. Hệ truyền động này dùng động cơ không đồng bộ 3 pha. Loại động cơ này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, chiếm tỉ lệ rất lớn so với động cơ khác. Ngày nay do sự phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử - tin học động cơ không đồng bộ mới khai thác được hết các ưu điểm của mình. Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động chỉnh lưu - triristo. Không giống như động cơ một chiều, động cơ KĐB có cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt. Từ thông động cơ cũng như mô men động cơ sinh ra phụ thuộc nhiều vào tham số. Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động diện động cơ không đồng bộ là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh . Trong công nghiệp thường sử dụng bốn hệ điều chỉnh tốc độ : a. Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi Tiristo Nguyên tắc của phương pháp này là mô men của động cơ KĐB tỷ lệ với bình phương điện áp stato. Do đó có thể điều chỉnh được mô men và tốc độ của động cơ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số b. Điều chỉnh điện trở mạch rô to Phương pháp này được thực hiện theo nguyên tắc điều chỉnh trơn điện trở rô to bằng các van bán dẫn. Ưu điểm của phương pháp này là dễ tự động hoá việc điều chỉnh. Điện trở trong mạch rô to của động cơ KĐB : Rr = Rrd + Rf Trong đó : Rrd : điện trở dây quấn rô to Rf : điện trở ngoài mắc thêm vào mạch stato Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rô to thì mô men tới hạn của động cơ không thay đổi và độ trượt tới hạn tỉ lệ bậc nhất với điện trở Mô men Si : Độ trượt khi điện trở mạch rô to là Rrd Nếu giữ cho Ir = const thì M = const và không phụ thuộc tốc độ động cơ . Vì thế mà có thể ứng dụng phương pháp điều chỉnh điện trở mạch rô to cho truyền động có mô men tải không đổi . Phương pháp điều chỉnh trơn điện trở mạch rô to bằng phương pháp xung : Re là điện trở tương đương trong mạch rô to được tính theo thời gian đóng td và thời gian ngắt tn của một khoá bán dẫn cho phép một điện trở R0 vào mạch hay không . c. Phương pháp điều chỉnh công suất trượt Đối với các hệ truyền động công suất lớn, tổn hao DPs là lớn. Vì vậy để diều chỉnh được tốc độ vừa tận dụng được công suất trượt người ta dùng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt. d. Phương pháp biến đổi tần số Phương pháp này điều chỉnh tốc độ động cơ dựa trên nguyên tắc điều chỉnh tần số f1 sang tần số f2 Khi điều chỉnh tần số động cơ KĐB thường kéo theo cả việc điều chỉnh điện áp, dòng điện hoặc cả từ thông mạch stato. Do vậy đây là một phương pháp phức tạp phải dùng nhiều thiết bị . Có hai loại biến tần : Biến tần trực tiếp : Loại này có sơ đồ cấu trúc rất đơn giản Mạch van f1 f2 Hình 6 Điện áp vào xoay chiều U1 (tần số f1 ) qua một mạch van là ra ngay tải với tần số f2. Bộ biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lượng cao tuy nhiên thực tế sơ đồ mạch van khá phức tạp, có số lượng van lớn nhất với mạch 3 pha. Việc thay đổi tần số ra f2 khó khăn và phụ thuộc nhiều vào tần số f1 * Biến tần gián tiếp : Có cấu trúc như sau : (xoay chiều) (một chiều) (xoay chiều ) Hình 7 Chỉnh lưu Lọccc Nghịch lưu độc lập U1 U U U2 f1 f2 Điện áp xoay chiều được biến thành một chiều nhờ bộ chỉnh lưu, qua bộ lọc rồi được biến đổi thành U2 với tần số f2 sau khi qua bộ nghịch lưu độc lập. Hiệu suất biến tần loại này thấp song cho phép thay đổi dễ dàng f2 mà không phụ thuộc f1 Kết Luận : Qua phân tích hai loại hệ truyền động trên em chọn phương án dùng loại Hệ Truyền Động Chỉnh Lưu Tiristo - Động Cơ Có Đảo Chiều Quay vì: + Độ tác động của hệ này nhanh và cao, không gây ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn công suất có hệ số khuyếch đại công suất rất cao. Điều này thuận tiện cho việc thiết lập hệ thống điều chỉnh tự động nhiều vòng để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và đặc tính động của hệ thống. + Trong hệ truyền động một chiều này, em sẽ sử dụng mạch lực là sơ đồ ba bởi vì loại này có ưu điểm là dùng cho mọi dải công suất, có tần số đảo chiều lớn. Đồng thời hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng hoạt động đóng mở độc lập với nhau, làm việc an toàn và không có dòng chảy giữa các bộ biến đổi. + Sử dụng hệ truyền động chỉnh lưu Tiristo - Động cơ có đảo chiều quay sẽ đạt được đồ thị tốc độ tối ưu (đối với loại truyền động xoay chiều thì chỉ đạt được dạng đồ thị gần giống mà thôi ). Như vậy, loại động cơ sử dụng trong hệ truyền động là loại động cơ một chiều phần iii: Tính chọn các thiết bị điện trong sơ đồ truyền động A. Chọn động cơ điện: Vì hệ truyền động thang máy làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại, mở máy và hãm máy nhiều, nên khi tính chọn công suất động cơ cần xét đến phụ tải tĩnh và động. (Hình 2). Hình 8 H D F1 F2 Puli chủ động Puli bị động Dây cáp Cabin Đối trọng 1. Xác định phụ tải tĩnh: Phụ tải tĩnh là phụ tải do trọng lượng Cabin, trọng lượng tải trọng, trọng lượng đối trọng, và trọng lượng của cáp gây nên ở trạng thái tĩnh, thông qua puli, hộp giảm tốc, tác dụng lên trục của động cơ. Các lực tác động lên puli chủ động theo các nhánh cáp là: F1 = [G0 + G + gc(H - hcb)]g (N) F2 = [Gđt + gc(H - hđt)]g (N) ị Lực tổng tác động lên puli chủ động khi nâng và hạ tải (lực gây mômen quay) Fn = F1 - F2 = (G0 + G -Gđt)g + gc(hđt - hcb)g (N ) Fh = F2 - F1 = (Gđt - G0 - G)g + gc(hcb - hđt)g (N) Trong đó : G0 : Khối lượng Cabin (kg) G : Khối lượng tải trọng (kg) Gđt : Khối lượng đối trọng (kg) gc : Khối lượng một đơn vị dài dây cáp (kg/m) hđt và hcb : Chiều cao đối trọng và Cabin (m) g : Gia tốc trọng trường (m/s2) Để đơn giản, giả sử rằng hđt = hcb. Thay vào trên ta được: (1) Fn = (G0 + G - Gđt)g (N) Fh = (Gđt - G0 - G)g (N) Mục đích của đối trọng là giảm phụ tải của cơ cấu, do đó giảm được công suất động cơ truyền động. Điều kiện chọn đối trọng là tạo ra phụ tải tĩnh của động cơ nhỏ nhất. Trọng lượng đối trọng được chọn theo công thức: Gđt = G0 + aGđm Trong đó: Gđm là tải định mức. Với thang máy chở người thì a = 0,35 á 0,4. Chọn a = 0,35. Thay vào (1) ta được: Fn = (G - aGđm)g (N) (2) Fh = (aGđm - G)g (N) (3) Khi tính toán công suất động cơ, ta xét động cơ luôn làm việc với tải định mức. Tức là G = Gđm. Thay vào (2) và (3): Fn = (Gđm - aGđm)g (N) ị Fn > 0 Fh = (aGđm - Gđm)g (N) ị Fh < 0 Như vậy, để cho thang máy chạy đều với vận tốc V thì công suất trên trục động cơ khi thang lên, xuống là: P1đm = = (N.m) (4) P2đm = = (N.m) (5) Trong đó: P1đm ứng với trường hợp máy điện làm việc ở chế độ động cơ (nâng tải). P2đm ứng với trường hợp máy điện làm việc ở chế độ máy phát (hạ tải). D : đường kính puli (m). V(m/s) : Tốc độ của buồng thang. hc : hiệu suất của cơ cấu. Thay số liệu vào (4) và (5) ta được: P1đm = ằ 8,03 (KW) P2đm = ằ 4,52(KW) 2.Xác định hệ số đóng điện tương đối: Để xác định hệ số đóng điện tương đối, ta phải vẽ được đồ thị phụ tải tĩnh của cơ cấu. Để làm được điều này, ta cần phải xác định các khoảng thời gian làm việc cũng như nghỉ của thang máy trong một chu kỳ lên-xuống. Xét thang máy luôn làm việc với tải định mức: Gđm = 630 kg Û 12 người. Để đơn giản, ta cho rằng qua mỗi tầng thang máy chỉ dừng một lần để đón, trả khách. Ta có các thời gian giả định như sau: Thời gian ra, vào Cabin được tính gần đúng là 1s/1 người. Thời gian mở cửa buồng thang ằ 1s. V(m/s) t(s) 1,5 1 2,67 3,67 0 tlv Hình 9 tkđ Thời gian đóng cửa buồng thang ằ 1s. Giả sử ở mỗi tầng chỉ có một người ra và một người vào ị thời gian nghỉ tng ằ 4s. Ta có đồ thị vận tốc gần đúng của thang máy như hình 9. Thời gian khởi động động cơ để thang máy có vận tốc V = 1,5m/s là: tkđ = = = 1s ị Sau thời gian này Cabin đi được quãng đường là: Skđ = 0.t + at2/2 = 1,5.12/2 = 0,75m Thời gian hãm Cabin khi dừng ở mỗi tầng là thãm = = = 1s ị Sau thời gian này Cabin đi đươc quãng đường: Shãm = Skđ = 0,75m ị thời gian Cabin đi với vận tốc đều V = 1,5m/s ở giữa mỗi tầng là: t = = ằ 1,67s Vậy thời gian làm việc của thang máy giữa 2 tầng kế nhau là: tlv = tkđ + t + thãm = 1 + 1,67 + 1 tlv = 3,67s Khi lên đến tầng trên cùng (tầng 10), giả sử cả 12 người trong thang ra hết, ngay sau đó có 12 người khác vào để xuống các tầng dưới. Như vậy thời gian nghỉ ở giai đoạn này là: t0 = 1 + 12.1 + 12.1 + 1 = 26s. Khi đi xuống, do V và a không đổi, nên tlv và tng giống như khi đi lên. Khi xuống đến tầng dưới cùng (tầng 1), giả sử cả 12 người trong thang ra hết, ngay sau đó có 12 người khác vào để đi lên các tầng trên. Như vậy thời gian nghỉ ở giai đoạn này là: t’0 = t0 = 1 + 12.1 + 12.1 + 1 =26s. Vậy ta có đồ thị phụ tải trong một chu kỳ lên-xuống như hình 10. Với chu kỳ làm việc: Tck = 18tlv + 16tng + 2t0 = 18.3,67 + 16.4 + 2.26 Û Tck = 182,7s Hình 10 Từ đồ thị phụ tải(Hình –11), ta tính được hệ số đóng điện tương đối: eđđ% = = ằ 36,15% Vậy hệ số đóng điện tương đối của phụ tải là 36,15%. 3.Chọn sơ bộ động cơ: Để chọn động cơ, ta tính công suất đẳng trị gây nên trên trục động cơ: Pđt = = Û Pđt ằ 3,91 (kw) Vậy phụ tải thang máy có: eđđ% = 36,15% và Pđt = 3,91 kw Ta chọn hệ số đóng điện tiêu chuẩn etc% = 25%. Như vậy phải hiệu chỉnh công suất: Pđmchọn = Pđt ằ 4,22 (kw) Từ các số liệu trên, tra loại động cơ trong quyển “Các đặc tính cơ của động cơ trong truyền động điện” - Bùi Đình Tiếu và Lê Tòng dịch, ta chọn được động cơ: Bảng 1 Động cơ 1 chiều kiểu P P, Uđm = 220V, có chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại eđđ % = 25% Kiểu động cơ Pđm (kw) Uđm (V) Nđm Vg/ph Iđm (A) Rư+rcp (W) Rcks (W) Dòng điện định mức của cuộn kích từ iđm (A) P P-21 4,5 220 1050 26 0,94 128 1,24 Kiểu động cơ Số thanh dẫn tác dụng của phần ứng N Số nhánh song song phần ứng 2a Số vòng trên 1 cực cuộn song song wcks Từ thông hữu ích của 1 cực từ F.10-2 Wb Mô men QT phần ứng J (kgm2) P P-21 920 2 1650 0,58 0,125 B.Tính chọn mạch biến đổi: Vì hệ truyền động thang máy là một chiều và có đảo chiều, nên ta chọn mạch biến đổi điện áp tới động cơ gồm 2 bộ chỉnh lưu cầu 3 pha Thyristor điều khiển riêng. Còn mạch kích từ động cơ cũng có một bộ chỉnh lưu cầu 3 pha Điốt. 1.Mạch biến đổi nguồn cấp cho động cơ: Xét khi một bộ chỉnh lưu làm việc. Ta có sơ đồ sau: Hình 11 Trong đó: BAN : Biến áp nguồn lấy điện từ lưới cấp cho động cơ. Uv0 : Điện áp dây hiệu dụng thứ cấp biến áp nguồn BAN. T : 6 Tiristor của mạch chỉnh lưu cùng loại. Lck : Cuộn kháng san bằng. Lư, Rư : cảm kháng, điện trở phần ứng động cơ. Rư = rư + rcp = 0,94 (W) Điện áp không tải của bộ chỉnh lưu Ud0 phải thoả mãn phương trình: g1Ud0cosamin = g2Eưđm + ồUv + IưmaxRưồ + DUgmax (*) Trong đó: Ud0 : điện áp không tải của chỉnh lưu. g1 : hệ số tính đến sự suy giảm lưới điện; g1 = 0,95. g2 : hệ số dự trữ BAN; g2 = 1,04 á 1,06. Chọn g2 = 1,04. amin : góc điều khiển cực tiểu. Sơ đồ có đảo chiều, và m = 6 xung, nên ta chọn amin = 12o. ồUv : tổng sụt áp trên van. Mỗi thời điểm chỉ có 2 van dẫn, nên ồUv = 2Uv ằ 2.1,6 = 3,2 (V). Iưmax : dòng cực đại phần ứng động cơ. Iưmax = (2 á 2,5)Iưđm. Chọn Iưmax = 2Iưđm = 2.26 =52 (A). Eưđm = Uưđm - RưIưđm = 220 - 0,94.26 = 195,56 (V). DUgmax : sụt áp cực đại do trùng dẫn. DUgmax = DUgđm Có Idđm = Iưđm và Iưmax = 2Iưđm ị DUgmax = 2DUgđm = 2Ud0UkYk với Uk là điện áp ngắn mạch: Uk(%) = 5% ị Uk = 0,05 và Yk = = 0,5 (Tra bảng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha) Vậy: Ud0 = = Û Ud0 ằ 290,55 (V) ị Uv0 = Ud0/1,35 ằ 215,22 (V) *Tính chọn biến áp nguồn BAN: BAN đấu theo kiểu D/Y. Điện áp lưới UL = 380V. ị Tỷ số biến áp: kBAN = = ằ 3,06 Dòng hiệu dụng thứ cấp BAN: I2 =Id = .26 ằ 21,23(A) ị dòng hiệu dụng sơ cấp BAN: I1 = I2 = 21,23 ằ 6,94(A) Công suất định mức BAN: SBAN = 1,05Ud0Idđm = 1,05.290,55.26 (VA) SBAN = 7932,015 (VA) Tra sổ tay, ta chọn máy biến áp tiêu chuẩn có Sđm = 8,5(kVA). *Tính chọn các Tiristor trong mạch chỉnh lưu: Ta có bộ chỉnh lưu là cầu 3 pha. Tra sổ tay, ta tính được các thông số sau: Dòng trung bình qua mỗi Thyristor: IT = Idđm = .26 ằ 8,67(A). Dòng cực đại qua mỗi Thyristor: ITM = Idmax = .52 ằ 17,33(A). Điện áp ngược cực đại mỗi Thyristor phải chịu: Ungmax = Uv0 = .215,22 ằ 304,37(V). Chọn hệ số dự trữ về điện áp và dòng điện của các Thyristor là: Ku = 1,6 và Ki = 1,5 Vậy Tiristor phải chịu được điện áp ngược cực đại = 1,6.304,37 ằ 486,99(V), phải chịu được dòng trung bình khi dẫn = 1,5.8,67 ằ 13(A), và phải chịu được dòng cực đại khi dẫn = 1,5.17,33 ằ 26(A). Vậy ta chọn được loại Thyristor dùng cho bộ chỉnh lưu cấp nguồn cho động cơ: Loại I0 (A) VRRM = VDRM (V) ITSM (A) IDM (mA) VGT Max (V) IGT Max (A) VTM max (V) ITM Max (A) Du/dt (V/ms) di/dt (A/ms) TYN 690 16 600 220 3 1,5 25 1,4 50 50 100 Trong đó: I0 : Dòng trung bình ở trạng thái dẫn của Thyristor. VRRM : Điện áp ngược của lặp lại của Thyristor. VDRM : Điện áp lặp lại ở trạng thái khoá. ITSM : Dòng điện quá tải ở điểm hư hỏng ở trạng thái dẫn. IDM : Dòng cực đại ở trạng thái khoá. VGT, I GT : Điện áp, dòng điện điều khiển. VTM, ITM : Điện áp, dòng điện cực đại ở trạng thái dẫn. du/dt : Tốc độ tăng tới hạn của điện áp ở trạng thái khoá. di/dt : Tốc độ tăng tới hạn của dòng điện ở trạng thái dẫn. * Tính cuộn kháng san bằng: Công thức gần đúng tính điện cảm phần ứng động cơ 1 chiều kích từ độc lập: Lư ằ KL (H) (Truyền động điện - Trang 273). Trong đó : KL = 1,4 á 1,9 (máy có bù); chọn KL = 1,4. Uưđm = 220(V), Iưđm = 26(A), Zp(số đôi cực) = 4 và nđm =1050(vòng/phút). ị Lư = 1,4 Û Lư ằ 2,82.10-3(H), hay Lư = 2,82(mH). *Tính toán mạch bảovệ du/dt và di/dt: Ta có sơ đồ mạch bảo vệ hoàn chỉnh như sau: Hình 12 a.Mạch R1C1 bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích: (Điện tử công suất - Nguyễn Bính - trang 261) Gọi b là hệ số dự trữ về điện áp của Thyristor ị b = 1á 2. Chọn b = 1,6. Giả sử BAN có Lc = 0,2(mH). -Hệ số quá điện áp : k = = ằ 1,23. -Các thông số trung gian, sử dụng các đường cong (Hình 7): C*min(k) = 5,5; R*max(k) = 1,2; R*min(k) = 0,55. -Tính khi chuyển mạch. Ta có phương trình lúc bắt đầu trùng dẫn: 2Lc = udây = Uv0sin(wt+j) = = ằ 760917,61(A/s) Û = 0,76(A/ms) Ta thấy với Thyristor đã chọn có = 100(A/ms) >> 0,76(A/ms), nên trong mạch không cần có các cuộn kháng bảo vệ Lk (bảo vệ ). Tức là có thể coi Lk = 0. -Xác định điện lượng tích tụ Q = f(), sử dụng các đường cong (Hình 8): Với Id = 26(A), = 0,76(A/ms) tra đường cong ị Q ằ 15(Ams). -Xác định R1,C1: C1 = .C*min(k) = 5,5 ằ 0,54(mF). R*min(k) Ê R1 Ê R*max(k) Û 0,55 Ê R1 Ê 1,2 ị 35,04 Ê R1 Ê 76,44 (W). Vậy ta có thể chọn các giá trị chuẩn: R1 = 47(W) và C1 = 0,6(mF) b. Mạch R2C2 bảo vệ quá điện áp do cắt BAN không tải gây ra: -Như trên, ta có hệ số quá điện áp: k = 1,23. -Các thông số trung gian, sử dụng các đường cong (Hình 9): C*min(k) = 0,45; R*max(k) = 2,1; R*min(k) = 1. -Giá trị lớn nhất của năng lượng từ trong BAN (3pha) khi cắt: WT3 = Trong đó: Is.o.m : là giá trị cực đại của dòng từ hoá quy sang thứ cấp. Is : giá trị hiệu dụng dòng định mức thứ cấp. Is =Id =.26 ằ 21,23(A) S : Công suất biểu kiến BAN. w = 2pf = 314(rad/s). Ta có Is.o.m = Is.o = .0,03Is ị WT3 = = 0,03 ằ 0,41(W.s) -Xác định R2 và C2: C2 = C*min(k) Trong đó Usm là giá trị cực đại điện áp dây thứ cấp BAN: Usm = Us = .Uv0 = .215,22 ằ 304,37(V) ị C2 = 0,45 ằ 3,98.10-6(F) Û C2 = 3,98(mF). R*min(k) Ê R2 Ê R*max(k) Û 1 Ê R2 Ê 2,1 ị 337,92 Ê R2 Ê 709,63 (W). Vậy ta chọn các giá trị chuẩn: R2 = 600(W) và C2 = 4(mF). 2. Mạch biến đổi nguồn cấp cho mạch kích từ động cơ: Hình 13 Ta dùng sơ đồ cầu 3 pha Điôt như sau: Từ loại động cơ, ta có Iktđm = 1,24(A) và Rcks = 128(W). Ta có điện áp ra mạch chỉnh lưu: Ud = Ud0 = IktđmRcks = 1,24.128 = 158,72(V). ị Uv0 = Ud/1,35 = 158,72/1,35 Û Uv0 ằ 117,57(V). * Tính chọn biến áp nguồn cấp cho mạch kích từ BAKT: BAKT đấu theo kiểu D/Y. Điện áp lưới UL = 380V. ị Tỷ số biến áp: kBAKT = = ằ 5,6 Dòng hiệu dụng thứ cấp BAKT: I2 =Id = .1,24 ằ 1,01(A) ị dòng hiệu dụng sơ cấp BAKT: I1 = I2 = .1,01 ằ 0,18(A) Công suất định mức BAKT: SBAKT = 1,05Ud0Idđm = 1,05.158,72.1,24 SBAN = 206,65(V.A) Tra sổ tay, ta chọn máy biến áp tiêu chuẩn có Sđm = 240(VA). * Tính chọn các Điôt trong mạch chỉnh lưu: Dòng trung bình qua mỗi Điôt: ID = Idđm = .1,24 ằ 0,41(A). Dòng cực đại qua mỗi Điôt: IDM = Idmax = .1,24 ằ 0,41(A). Điện áp ngược cực đại mỗi Điôt phải chịu: Ungmax = Uv0 = .117,57 ằ 166,27(V). Chọn hệ số dự trữ về điện áp và dòng điện của các Điôt là: Ku = 1,6 và Ki = 1,5 Vậy Điôt phải chịu được điện áp ngược cực đại = 1,6.166,27 ằ 266,03(V), phải chịu được dòng trung bình khi dẫn = 1,5.0,41 ằ 0,62(A), và phải chịu được dòng cực đại khi dẫn = 1,5.0,41 ằ 0,62(A). Vậy ta chọn được loại Điôt dùng cho bộ chỉnh lưu cấp nguồn cho mạch kích từ của động cơ: Loại Itb(A) Uiv(V) DU(V) Tốc độ quạt Tốc độ nước B-10 10 300 0,7 Phần IV: tổng hợp hệ điều khiển Ta có sơ cấu trúc mạch điều chỉnh động cơ điện một chiều : ? Bộ BĐ KFđm ? Iư -E Ud Uiđ w M KFđm Uwđ Rw - Uw Ri Si -Mc - Ui Sw Hình 14 Sơ đồ điều chỉnh có 2 mạch vòng : mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ. Ta phải xác định các bộ điều chỉnh dòng điện (Ri) và bộ điều chỉnh tốc độ (Rw). ở đây ta đã bỏ qua hằng số thời gian Tđk của bộ biến đổi, vì chỉ điều chỉnh các hằng số thời gian lớn (Tvo). I.Mạch vòng điều chỉnh dòng điện : Ri - Ui Iư Si ? Uiđ Hình 15 Hằng số thời gian điện từ của phần ứng động cơ: (s) . Hằng số thời gian cơ học: (s) Ta thấy hằng số thời gian cơ học Tc=0,395 (s) rất lớn so với hằng số thời gian điện từ của phần ứng động cơ Tư = 0,003 (s) nên ta có thể coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng tới quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện. Vì phản ứng của mạch phần ứng (sđđ E) chậm hơn nhiều so với phản ứng của bộ điều chỉnh dòng điện Ri, nên khi tổng hợp mạch vòng dòng điện ta có thể bỏ qua khâu phản hồi E = KFđmw. Và ta được sơ đồ cấu trúc như hình 14. Đối tượng điều chỉnh có hàm truyền đạt: Soi = Hệ hữu sai (hệ bậc 0). Các hằng số thời gian Tvo, Ti là rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ Tư . Đặt Ts = Tvo+Ti . ị Soi ằ Như vậy sơ đồ hình 12 sẽ có dạng như sau: Soi IưKi Ri - Ui ? Uiđ Hình 16 Do ta đã gộp luôn mạch phản hồi dòng điện Si vào trong đối tượng điều chỉnh để trở thành mạch phản hồi đơn vị (Hình 13), nên để được mạch tương đương thì dòng điện ra là KiIư. Gọi F’1 là hàm truyền đạt của sơ đồ hình 13: F’1 = (KiIư)/Uiđ = KiF1 = ị Ri = Tổng hợp mạch theo tiêu chuẩn tối ưu môđun thì: F’1 = Trong đó ts = min(Ts, Tư) = Ts . ị Ri = Khâu tỷ lệ tích phân PI ị F’1 = Vậy bộ điều chỉnh dòng điện Ri là một khâu PI, có hàm truyền đạt: Ri = và hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện là: F1 = Ta có mạch tạo nên khâu PI: C R2 R1 Uiđ R3 Uđk R3 R1 Ui - + - + Lặp áp PI Hình 17 Với: R1C = và R2C = Tư + Hệ số bộ biến đổi: UN điện áp nguồn Uđk điện áp mạch điều khiển + Xensơ đo dòng điện Si: Rs điện trở đo dòng, Rs =1 W Iư dòng điện phần ứng động cơ, Iư =26 A Vậy bộ điều chỉnh dòng điện Ri là một khâu PI, có hàm truyền đạt: Ri = => và hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện là: F1 = II. Mạch vòng điều chỉnh tốc độ : F1 Rw w Uwđ KFđm - Uw M -Mc Sw ? Hình 17 Ta có thể chuyển nút cộng Mc ra ngay sau khối KFđm. Hằng số thời gian cơ học: Tc = ị KFđm = Do Ts là hằng số thời gian nhỏ (Ts = Tvo+Ti), nên có thể bỏ qua thành phần 2T2sp2 trong biểu thức hàm truyền đạt F1. Từ đó ta có sơ đồ cấu trúc sau: Mc 1/KFđm - Ic Uwđ - Uw w Sw Rw ? F1 I Hình 18 Vì mạch có nhiễu loạn Mc nên ta phải tổng hợp mạch nhiễu loạn. 1.Xét mạch khi Uwđ ạ 0 và Mc = 0 (mạch không có nhiễu loạn): Hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh: Sow = Hệ vô sai cấp 1 (hệ bậc 1). Đặt 2T’s = 2Ts+Tw . ị Sow ằ Như vậy sơ đồ hình 15 sẽ có dạng như sau: Sow wKw Rw - Uw ? Uwđ Hình 19 Do ta đã gộp luôn mạch phản hồi tốc độ Sw vào trong đối tượng điều chỉnh để trở thành mạch phản hồi đơn vị (Hình 16), nên để được mạch tương đương thì tốc độ ra là wKw. Gọi F’2 là hàm truyền đạt của sơ đồ hình 16: F’2 = (wKw)/Uwđ = KwF2 = ị Rw = Tổng hợp mạch theo tiêu chuẩn tối ưu môđun thì : F’2 = Trong đó ta chọn ts = 2T’s . ị Rw = Khâu tỷ lệ P ị F’2 = Vậy bộ điều chỉnh tốc độ Rw là một khâu P, có hàm truyền đạt: Rw = và hàm truyền đạt của mạch vòng tốc độ là: F2 = Với 2T’s = 2Ts+Tw = 2(Tvo+Ti)+Tw Ta có mạch tạo nên khâu P: - + - + R2 R1 Uwđ R3 Uiđ R3 R1 Uw Lặp áp P Hình 20 Với: R2 = R1 2. Xét mạch khi Uwđ = 0 và Mc ạ 0 (mạch có nhiễu loạn). Như vậy để tín hiệu ra w không phụ thuộc nhiễu Mc thì ta phải bù bằng khâu bù có hàm truyền đạt Wb(p) như hình vẽ sau: Mc ạ 0 Wb - Uw Sw Rw 1/KFđm W1 W2 w + - F1 + Hình 21 Dễ dàng tính được hàm truyền của hệ trên: FMc(p) = = Như vậy để w không phụ thuộc Mc thì: WbRwF1 - W1 = 0 Û Wb = Trong đó W1 = 1/(KFđm) Rw = F1 = ằ ị Wb = (1+2Tsp) Khâu tỷ lệ vi phân PD Phần V: thiết kế mạch điều khiển 1. Điều khiển TIRISTO Tiristo chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt trên anốt và có xung áp dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi Tiristo đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng gì nữa, dòng điện chạy qua Tiristo do thông số của mạch quyết định. Mạch điều khiển có các chức năng sau: Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên anôt- catôt Tiristo. Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở được Tiristo, (xung điều khiển thường có biên độ từ 2 đến 10 vôn, độ rộng xung tx=20á100 đối với thiết bị chỉnh lưu, tx Ê10 đối với thiết bị biến đổi tần số cao ). Độ rộng xung được xác định theo biểu thức Trong đó :Idt-dòng duy trì của Tiristo. di/dt-tốc độ tăng trưởng của của dòng tải. Cấu trúc của mạch điều khiển một Tiristo đước trình bày trên Hinh. Ucm: Là điện áp điều khiển, điện áp một chiều . Ur: Là điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thể của nó, đồng bộ với điện áp của anôt-catốt của Tiristo. Hiệu điện áp Ucm - Ur được đưa vào khâu so sánh 1, làm việc như một trigơ lật trạng thái, ở đầu ra của nó ta nhận được một chuỗi xung dạng 'sinus chữ nhật '. Khâu 2 là điện áp hài một trạng thái ổn định . Khâu 3 là khâu khuếch đại xung. Khâu 4 là biến áp xung . Bằng cách tác động vào Ucm , có thể diều chỉnh được vị trí xung điều khiển, cũng tức là điều chỉnh góc à. Hình H.5-1 Cấu trúc mạch điều khiển một thyristor 2. Hệ thống điều khiển thiết bị chỉnh lưu 2-1. Nguyên tắc điều khiển : Trong việc điều khiển chỉnh lưu thì việc tạo thời điểm để phát xung mở Tiristor là một khâu rất quan trọng. Việc điều khiển chỉnh lưu thường sử dụng hai nguyên tắc đó là nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính và nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos để điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên Tiristor. Sau đây ta sẽ mô tả về hai nguyên tắc điều khiển. Sơ đồ trình bày trên hình H là nguyên tắc điều khiển kiểu arccos. Người ta sử dụng hai điện áp : -Điện áp đồng bộ US vượt trước điện áp UAK=Umsinwt của Tiristor một góc bằng p/2 vậy Us =Usm cos wt Điện áp điều khiển là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo hai chiều (dương và âm ). Nếu đặt US vào cổng đảo và Ucm vào cổng không đảo của một khâu so sánh thì ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái : Hình : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos Usm cosa= Ucm Vậy khi Ucm= Usm thì a=0 Ucm =0 thì a =p/2 Ucm = -Usm thì a=p Như vậy khi điều chỉnh Ucm từ giá trị +Usm đến -Usm thì ta có thể điều chỉnh được góc a từ 0áp. Đối với nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính thì tại thời điểm xuất hiện sự cân bằng giữa điện áp điều khiển Ucm và điện áp tựa (cũng chính là điện áp đồng bộ trùng pha với điện áp đặt lên A-K của Tiristor và thường đặt vào đầu đảo bộ so sánh. Thông thường điện áp tựa thường có dạng răng cưa. Như vậy bằng cách biến đổi Ucm người ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra theo đồ thị nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính hình H Hình : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Ta xác định góc điều khiển a theo phương trình : Với a :góc mở của Tiristor Uđk :điện áp điều khiển Usm :điện áp đồng bộ cực đại Thông thường người ta thường lấy Ucm max =Usm Nhận thấy rằng góc a là một hàm tuyến tính của điện áp điều khiển Ucm.Vậy ta có thể điều khiển góc a thông qua điều khiển điện áp một chiều Nguyên tắc điều khiển một hệ thống chỉnh lưu điều khiển ba pha đối xứng Nguyên tắc điều khiển chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng gồm 6 kênh. Một máy biến áp đồng bộ 6 pha và một nguồn điện áp điều khiển Ucm chung cho cả 6 kênh. Cấu trúc của mỗi kênh gần giống như cấu trúc điều khiển một Tiristor .Yêu cầu đối với sơ đồ là phải đảm bảo luôn luôn có thể mở hai thyristor, một ở nhóm catot chung và một ở nhóm Anot chung. Có như thế mới khởi động được thiết bị chỉnh lưu và đảm bảo hoạt động của thiết bị khi làm việc ở chế độ dòng tải gián đoạn. Chính vì vậy mà sơ đồ có sử dụng 6 cổng “OR” và sự tổ hợp của các tín hiệu logic . Vi mạch TCA780 Vi mạch TCA780 là một vi mạch phức hợp thực hiện được 4 chức năng của một mạch điều khiển : “tề đầu” điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo xung ra. TCA 780 do hãng Siemens chế tạo có thể điều chỉnh được góc a từ á 1800 . Thông số chủ yếu của TCA780 là : Hình 5.11 Vi mạch TCA780 ã Điện áp nguồn nuôi : US = 18 v. ã Dòng điện tiêu thụ : IS = 10mA. ã Dòng điện ra : I = 50mA. ã Điện áp răng cưa : Ur.max = ( US – 2 ) v. ã Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa : R9 = ( 20 á 500 ) kW ã Điện áp điều khiển : U11 = - 0,5 á ( US – 2 ) v. ã Dòng điện đồng bộ : IS = 200mA. ã Tụ điện : C10 = 0,5mF. ã Tần số xung ra : f = ( 10 á 500 ) Hz. Theo hình 4.11 thì điều chỉnh điện áp tại chân 11 sẽ thay đổi được thời điểm phát xung ra tại chân 14 và chân 15 . Mặt khác chỉ cần một dạng sóng hình sin đặt vào chân 5 thì ta có thể phát ra xung tại hai thời điểm a và p + a . Do đó khi chỉ cần một vi mạch thì ta có thể mở được hai van. Hơn thế nữa, biến áp đầu vào sẽ không cần tới 6 pha mà biến áp đồng bộ chỉ cần 3 pha đồng bộ với 3 pha của điện áp nguồn . Bộ phát xung chùm : Để tạo điều kiện mở chắc chắn cho các Tiristo người ta sử dụng bộ phát xung chùm. Bộ phát xung chùm được đưa vào kết hợp phát xung phối hợp với xung điều khiển mở Tiristo. Khi đó xung đưa vào cực điều khiển Tiristo là xung chùm. Bộ phát xung chùm được thực hiện thông qua 2 cổng “NOT” và bộ dao động RC được đấu như trên hình vẽ 5.12. Tần số bộ phát xung chùm được tính theo công thức : f= Khi thay đổi giá trị của điện trở R thì ta có thể thay đổi tần số f của xung đầu ra. Để lắp ráp ta dùng hai cổng “NOT” của vi mạch Cmos 4069, nguồn cấp 3á15 (v) Hình 5.12. Mạch phát xung chùm Hình 5.12 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển chỉnh lưu q q q Mô phỏng hệ thống bằng Simulink : Đồ thị tốc độ : Đồ thị dòng điện: Kết luận Tuy thời gian có hạn nhưng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Nguyễn Văn Liễn đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên trong bài này em biết mình sẽ không tránh được những sai sót không thể tránh khỏi. Một lần nữa em xin trân thành cảm ơn các thầy các cô trong bộ môn Tự Động Hoá và đặc biệt là thầy Nguyễn Văn Liễn đã giúp em hoàn thành đề tài này. Hà nội 6 – 2001 Sinh viên Lê Thanh Hải