Thiết kế hệ truyền động cho thang máy chở hàng

chương I tổng quan về thang máy các yêu cầu về công nghệ và truyền động I.Tổng quan về thang máy Thang máy là thiết bị vận tải dùng để chở hàng và chở người theo phưương thẳng đứng. Những loại thang máy hiện đại có kết cấu cơ khí phức tạp, hệ truyền động, hệ khống chế cũng phức tạp. Kết cấu của thang máy gồm có. 1.Buồng thang: Thường đặt ở trên cùng cuả hố giếng thang máy, trong buồng thang gồm có các thiết bị : - Động cơ truyền động - Hộp giảm tốc - Phanh hãm điện từ - Tang nâng - Tủ điện Trong tủ điện gồm có : Cầu dao, cầu chì, công tác tơ thuận, công tắc tơ nghịch. Trong hố giếng của thang máy gồm có các phần tử cơ bản sau: Hai thanh dẫn hướng ma buồng thang sẽ trượt theo nó, buồng thang có đối trọng. Phía dưới cùng của hố giếng là hệ thống lò xo giảm trấn. Việc cấp điện vào buồng thang bằng hệ thống dây điện mềm. 2. Các phần tử đặc trưng của thang máy: a. Phanh hãm điện từ: Dùng để hãm dừng thang máy khi gần đến sàn tầng, trong thang máy gồm có hai kiểu phanh điện từ là phanh đai và phanh guốc b. Phanh bảo hiểm : Phanh này tác động khi tốc độ di chuyển của buồng thang vượt quá giới hạn cho phép hoặc trong trường hợp bị đứt cáp treo c. Công tắc chuyển đổi tầng (CĐT) có chức năng sau : Là cảm biến vị trí để dừng chính xác buồng thang và nhớ vị trí buồng thang. Công tắc chuyển đổi tầng thường dùng 3 loại sau : - Chuyển đổi tầng kiểu cơ khí (có tiếp điểm) - Chuyển đổi tầng kiểu cảm ứng - Chuyển đổi tầng kiểu quang điện 3. Phân loại thang máy: a. Phân loại theo trọng lượng - Thang máy loại nhỏ : Q < 160(kg) - Thang máy loại trung bình : Q = 500 - 2000(kg) - Thang máy loại lớn : Q > 2000(kg) b. Phân loại theo tốc độ di chuyển - Thang máy chạy chậm : V = 0,5(m/s) - Thang máy tốc độ trung bình : V = 0,75 - 1,5(m/s) - Thang máy tốc độ cao : V = 2,5 - 5(m/s) II. Các yêu cầu về công nghệ và truyền động 1.ảnh hưởng của tốc độ, gia tốc, độ giật đối với hệ truyền động thang máy Một trong những yêu cầu cơ bản đối với hệ truyền động thang máy là phải đảm bảo cho buồng thang chuyển động êm. Buồng thang chuyển động êm hay không phụ thuộc vào gia tốc khi mở máy và khi hãm máy. Các tham số chính đặc trưng cho chế độ làm việc của thang máy là : - Tốc độ chuyển động: V(m/s) = , s là quãng đường - Gia tốc: a(m/s2) = - Độ giật: p(m/s3) = (đạo hàm bậc nhất của gia tốc) Tốc độ di chuyển của buồng thang quyết địng năng suất của thang máy nó có ý nghĩa rất quan trọng nhất là đối với các nhà cao tầng Tốc độ di chuyển trung bình của thang máy có thể tăng bằng cách giảm thời gian mở máy và hãm máy có nghĩa là tăng gia tốc, nhưng khi gia tốc lớn nó sẽ gây ra cảm giác khó chịu, bởi vậy gia tốc tối ưu là a <= 2(m/s2) Khi thiết kế một hệ truyền động cho thang máy thì gia tốc và độ giật trong quá trình quá độ không gây ra những cảm giác khó chịu 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. Đương cong biểu diễn quãng đường, tốc độ, gia tốc và độ giật tối ưu của thang máy như sau Hình 1.1 Đồ thị quãng đường, vận tốc, gia tốc và độ giật Đồ thị trên 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 thanng đến tầng và hãm dừng. Giới hạn tốc độ và gia tốc là: a <= 2 (m/s2), p <= 20(m/s3). 2. Vấn đề dừng chính xác 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 thời gian ra vào của hành khách lớn cũng như thời gian bốc xếp hàng hoá sẽ cao, do đó mà nó làm giảm năng suất của buồng thang Khi buồng thang tác động vào cảm biến dừng đến khi phanh hãm điện từ tác động thì buồng thang đi được một quãng đường là S' S' = V0 Dt (m) Trong đó: V0 - Vận tốc ban đầu khi hãm dừng Dt - Thời gian quán tính điện từ của các phần tử chấp hành Từ khi phanh hãm điện từ tác động đến khi buồng thang dừng hẳn, buồng thang sẽ trượt đi được một quãng đường là S'' S'' = Trong đó: m - Khối lượng của các phần tử chuyển động của buồng thang Fph - Lực cản của cơ cấu phanh hãm điện từ Fc - Lực cản của tải trọng gây ra i - Tỷ số truyền Dấu cộng ''+'' tương ứng với trạng thái buồng thang đi lên Dấu trừ ''-'' tương ứng với ttrạng thái buồng thang đi xuống Biểu thức S'' còn được tính như sau: S'' = Trong đó: J - Mô men quán tính D - Đường kính của tang nâng Mph - Mô men do cơ cấu phanh hãm điện từ gây ra Mc - Mô men của tải trọng gây ra Vậy ta có S = S' + S'' = Từ kết quả biểu thức trên, thấy rằng độ dừng chính xác buồng thang phụ thuộc vào rất nhiều tham số, thường ở đây ta quan tâm đến tốc độ V0 Vậy muốn dừng chính xác buồng thang thì vận tốc V0 phải giảm nhanh, do đó trước lúc tác động vào cảm biến dừng phải có một cảm biến chuyển đổi tốc độ từ tốc độ cao đến tốc độ thấp. 3. Phương án lập bài toán điều khiển thang máy Các yêu cầu đặt ra đối với bài toán điều khiển thang máy là co 4 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 Điều khiển buồng thang có thể thực hiện ở hai vị trí. ở các cửa tầng bằng cách gọi nút ấn gọi tầng (GT) có thể gọi buồng thang theo chiều đi lên hoặc đi xuống. Trong buồng thang có các nút ấn đến tầng (ĐT). Như vậy bài toán điều khiển là phải liên tục quét các tín hiệu đầu vào để ghi nhận các lệnh trong khi đang vận hành, từ đó đưa ra các tín hiệu xử lý các lệnh và điều khiển vị trí buồng thang. Việc điều khiển buồng thang phải thảo mãn các yêu cầu sau: - Phục vụ được tất cả các tín hiệu gọi và dừng chính xác buồng thang theo các lệnh gọi đó - Đảm bảo điều khiển vị trí buồng thang đáp ứng được các yêu cầu của các lệnh gọi theo một quy luật tối ưu - Đảm bảo các thông tin cần thiết về vị trí hiện tại của buồng thang và chiều chuyển động của nó - Hệ điều khiển phải đảm bảo được các yêu cầu về vận hành: Việc đóng mở cửa tầng chỉ được thực hiện khi buồng thang đã dừng hẳn. Buồng thang chỉ được chuyển động khi cửa tầng và cửa buồng thang được đóng kín. Trong hệ thống điều khiển thang máy thường dùng hai phương án tối ưu điều khiển : a. 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 vì đầu vào của bài toán biến đổi liên tục dẫn đến sự dối loạn trong mạch điều khiển b. 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. chương ii chọn phương án truyền động tính chọn công suất động cơ và mạch lực Hệ truyền động được thiết kế phải có độ tin cậy làm việc cao, sơ đồ điều khiển hệ truyền động đó phải hoạt động rất khoát, phân minh. Các phần tử cấu thành trong hệ thống trang bị điện có kết cấu gọn nhẹ, chắc chắn, dễ dàng trong công tác sửa chữa và thay thế. Đối với hệ truyền động thang máy thì tốc độ di chuyển của buồng thang quyết định năng suất của thang máy tức là tốc độ càng cao thì năng suất càng tăng. Nhưng cái chính là điều chỉnh tốc độ như nào để cho buồng thang dừng đúng vị trí tầng cần đến và không làm ảnh hưởng tới gia tốc và độ giật. Để truyền động cho thang máy ta dùng động cơ để kéo puli. Truyền động thang máy làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại và có đảo chiều quay, động cơ truyền động ở đây có thể là động cơ điện một chiều hay là động cơ điện xoay chiều. Sau đây là hai phương án truyền động cho thang máy * Hệ truyền động động cơ xoay chiều * Hệ truyền động Tiristor - Động cơ điện một chiều có đảo chiều quay I. Hệ truyền động động cơ điện xoay chiều 1. Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi Tiristor Khi điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ thì các thông số còn lại không thay đổi và tốc độ trượt S = const. Ta có phương trình đặc tính cơ Từ phương trình đặc tính cơ, nhận thấy rằng M tỉ lệ bình phương với điện áp và với hệ số tỉ lệ là KM, S = const đ Mu = KM(S)U12 (1) và Mth = KM' U12 Trong đó có một giá trị điện áp định mức Uđm đ Mtn = KM(s)Uđm2 (3) Lấy phương trình (1) chia cho phương trình (3) ta có Nhận xét: - Phạm vi điều khiển hẹp, tốc độ hẹp, tổn hao tăng - Để tăng phạm vi điều chỉnh D thì phải tăng Sth, mà để tăng Sth thì phải tăng điện trở R2 (nhưng điều này chỉ áp dụng cho động cơ không đồng bộ rôto dây quấn ) ứng dụng : Cho các máy li tâm, quạt gió 2. Điều chỉnh xung điện trở mạch rôto Hình 2.1. Sơ đồ điều chỉnh xung điện trở rôto Từ hình vẽ ta có: - Nếu điều chỉnh T1 và T = const thì bị hạn chế bởi 0 < T1 < T, do đó mà dải điều chỉnh D hẹp - Nếu thay đổi T và giữ T1 = const thì khi T >> T1 nhỏ dẫn đến gián đoạn dòng điện Do vậy mà ta phải tính theo phương pháp điều chỉnh số gia, từ sơ đồ trên ta có DP2 = 3I22(R2 + Rf) DP2 = Id2(2R2 + Re) suy ra 3I22(R2 + Rf) = Id2(2R2 + Re) Vậy ta có , với Id = KI2 Đặc điểm : - Phương pháp điều chỉnh xung điện trở rôto có kết cấu mạch lực và mạch điều khiển đơn giản và dễ thực hiện - Độ chính xác thường không cao do mô hình động cơ chưa xây dựng một cách hoàn thiện - Hiệu suất thấp 3. Điều chỉnh công suất trượt Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ ĐKB bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt được tiêu tán trên điện trở mạch rôto DP2 = Pđt - Pcơ DP2 = Mđtw1 - Mw Mđt = M thì DP2 = M(w1 - w) = MSw1 DP2 = S Pđt Tuy nhiên khi công suất động cơ lớn thì phần tổn hao này là đáng kể, do vậy trong trường hợp này để tận dụng được công suất tổn hao người ta đưa ra các sơ đồ để Hình 2.2. đưa công suất này trả về lưới điện. Phương pháp này gọi là phương pháp công suất trượt. Khi điều chỉnh công suất trượt thì độ lớn của dòng điện ở phía rôto phụ thuộc hoàn toàn vào tải của động cơ chứ không phụ thuộc vào góc điều khiển của bộ nghịch lưu. Đặc điểm : - Hiệu suất của hệ cao hơn so với phương pháp điều chỉnh xung điện trở rôto - Mạch phức tạp về cấu trúc cả về mạch điều khiển và mạch lực - Độ chính xác của phương pháp thường không cao - Giá thành hệ cao 4. Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ bằng các bộ biến đổi tần số Tiristor hay Tranzitor Biến tần là thiết bị để biến đổi năng lượng điện xoay chiều từ tần số này sang tần số khác a. Biến tần trực tiếp (Cycloconventer) Điện áp xoay chiều U1, tần số f1 chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần số khác. Vì vậy 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 là đối với mạch 3 pha. Hình 2.3. Sơ đồ khối BT trực tiếp Việc thay đổi tần số ra f2 khó khăn và phụ thuộc vào tần số f1, vì vậy hiện nay chủ yếu chỉ có biến tần loại này với phạm vi điều chỉnh tần số f2 f1 , song mức độ phức tạp tăng lên đáng kể b. Biến tần gián tiếp (Có khâu trung gian một chiều ) Hình 2.4. Sơ đồ khối BT gián tiếp Trong biến tần này điện áp xoay chiều đầu tiên được chuyển thành một chiều nhờ mạch chỉnh lưu, sau đó qua một mạch lọc rồi mới được biến trở lại điện áp xoay chiều với tần số f2 . Việc phải biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất của biến tần, song bù lại biến tần cho phép thay đổi dễ dàng tần số f2 không phụ thuộc vào tần số f1 trong dải rộng cả trên và dưới f1 và tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển. Đa số các biến tần hiện nay là biến tần có khâu trung gian một chiều c.Biến tần nguồn áp Sơ đồ nguyên lý mạch lực của một bộ biến tần nguồn áp bao gồm 4 khối chức năng chính sau - Nguồn một chiều NMC - Mạch lọc F - Nghịch lưu độc lập nguồn áp NLĐL - Động cơ không đồng bộ ĐK Hình 2.5.Sơ đồ nguyên lý biến tần nguồn áp Nguồn một chiều và mạch lọc tạo ra điện áp một chiều có giá trị điều chỉnh được. Nghịch lưu gồm 6 khoá bán dẫn S1......S6 và cần 6 van không điều khiển D1......D6. Các khoá nghịch lưu được đóng cắt theo thứ tự nhất định tạo thành điện áp xoay chiều 3 pha đặt lên động cơ chấp hành, góc dẫn của các khóa thường là 180. Thời điểm các khoá S1, S3 , S5 và S2, S4 ,S6 bắt đầu đầu dẫn lệch nhau 120. điện áp dây của nghịch lưu có dạng xung chữ nhật với độ rộng là 120 Các khoá S là các khoá bán dẫn, ở các truyền động công suất nhỏ thường dùng tranzitor còn ở các truyền động công suất lớn thì dùng các van tiristor Giá trị điện áp động cơ được điều chỉnh hoặc bởi điều chỉnh biên độ điện áp 1 chiều bằng chỉnh lưu điều khiển hoặc bằng bộ băm xung. Điện áp cũng có thể điều chỉnh bằng điều chỉnh thời gian đóng mở của các khoá S hoặc là bằng điều chỉnh độ rộng xung d. Biến tần nguồn dòng Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý biến tần nguồn dòng Biến tần nguồn dòng có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà vẫn thực hiện hãm tái sinh động cơ. Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn dòng điện tức là dòng điện không phụ thuộc vào tải mà chỉ tuỳ thuộc vào tín hiệu điều khiển. Để tạo nguồn dòng điện một chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặc băm xung áp một chiều có bộ chỉnh lưu dòng điện có cấu trúc tỉ lệ tích phân (PI). Mạch lọc là điện kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn. Do có nguồn dòng điện một chiều nên việc chuyển mạch các van bán dẫn có thể thực hiện bằng điện áp trên các tụ chuyển mạch Kết luận Qua việc phân tích ở trên, nhận thấy rằng biến tần nguồn áp dùng cho truyền động thang máy là có ưu thế hơn cả. Cả về điều chỉnh tốc độ, độ trơn điều chỉnh. Do vậy mà trong bản đồ án nay em sử dụng Hệ truyền động biến tần gián tiếp nguồn áp II. Tính chọn công suất động cơ truyền động Để tính được công suất động cơ truyền động cho thang máy cần có các điều kiện và tham số sau : - Sơ đồ động học của thang máy - Tốc độ và gia tốc lớn nhất cho phép - Trọng tải - Trọng lượng buồng thang Ca bin Puli chủ động Puli bị động Đối trọng Dây cáp D H Hình 2.7. Sơ đồ động học của thang máy Vì hệ truyền động thang máy làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lai, mở máy và hãm máy nhiều nên khi tính chọn công suất động cơ thì phải xét đến phụ tải động và phụ tải tĩnh. 1. Xác định phụ tải tĩnh Phụ tải tĩnh là phụ tải do trọng lượng ca bin, trọng lượng của tải trọng, trọng lượng của đối trọng và trọng lượng của dây cáp gây ra khi ở trạng thái tĩnh. Thông qua puli, hộp giảm tốc tác dụng lên trục động cơ Các lự c tác dụng lên puli chủ động theo các nhánh cáp là: F1 = (G0 + G +gc(H - hcb))g (N) F2 = (Gđt +gc(H - hđt))g (N) Vậy lực tác động lên puli lúc nâng và hạ tải là: 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: Fn = (G0 + G - Gđt)g (N) (1) Fh = (Gđt - G0 - G)g (N) (2) Khối lượng của đối trọng được tính như sau Gđt = G0 + aGđm Gđm - Khối lượng tải định mức Đối với thang máy trở hàng khi nâng thường không tải và khi hạ thường là không tải nên chọn a = 0,5 Thay vào biểu thức (1)và (2), ta được Fn = (Gđm - aGđm)g (N) Fh = (aGđm - Gđm)g (N) Như vậy công suất trên trục động cơ khi thang máy di chuyển đi lên và khi thang máy di chuyển đi xuống là Trong đó Pcn - Công suất tĩnh của động cơ lúc nâng tải Pch - Công suất tĩnh của động cơ lúc hạ tải V - Vận tốc chuyển động của ca bin (m/s) h - Hiệu suất của cơ cấu nâng (o,5 - 0,8) Thay số vào các biểu thức trên ta tính được Fn = (1300 - 0,5.1300).9,81 = 6376,5(N) Fh = (0,5.1300 - 1300).9,81 = -6376,5(N) và Pcn = (kW) Pch = (kW) 2. Xác định mômen tương ứng với các lực kéo Trong đó Mn - Mômen khi nâng tải Mh - Mômen khi hạ tải i - Tỷ số truyền, chọn i = 15 D - Đường kính puli R - Bán kính puli Thay số 3. Xác định hệ số đóng điện tương đối Để xác định được hệ số đóng điện tương đối của động cơ truyền động thang máy thì ta cần phải xác định các khoảng thời gian làm việc cũng như thời gian nghỉ (dừng) của thang máy trong một chù kỳ làm việc Để đơn giản giả thiết rằng qua mỗi tầng thang máy chỉ dừng một lần để bốc xếp hàng. Các khoảng thời gian giả thiết sau : - Thời gian bốc rỡ hàng đựoc tính gần đúng là 20(s) - Thời gian mở của buồng thang 1(s) - Thời gian đóng của buồng thang 1(s) Thời gian khởi động của thang máy từ vận tốc bằng 0 tăng lên vận tốc V = 1,5(m/s) là Trong khoảng thời gian này buồng thang đi đựoc một quãng đường là Skđ Thời gian hãm dừng ở mỗi tầng là Quãng đường mà buồng thang chuyển động được trong thời gian hãm dừng Quãng đường mà buồng thang di chuyển đựơc với vận tốc V1 = 1,5(m/s) S = h0- (Skđ + Sh) = 4 - (0,45 + 0,45) = 3,1(m) Thời gian buồng thang di chuyển với vận tốc V1 = 1,5(m/s) Vậy thời gian làm việc của buồng thang giữa hai tầng liên tiếp nhau la tlv = tkđ + th + t = 0,6 + 0,6 + 1,4 = 2,6(s) Vậy tổng thời gian làm việc của buồng thang trong một chu kỳ làm việc từ tầng 1 lên tầng 4 và từ tầng 4 xuống tầng 1 là Stlv = 6tlv = 6.2,6 = 15,6(s) Giả thiết thời gian nghỉ ở mỗi tầng để bốc rỡ hàng là 20(s) vậy tổng thời gian nghỉ của buồng thang trong một chu kỳ làm việc là Stnghỉ = 6.20 = 120(s) Giả thiết thời gian thang máy đóng mở cửa buồng thang là tđm = tđ + tmở = 1+1= 2(s) Tổng thời gian buồng thang đóng mở cửa trong một chu kỳ làm việc là Stđm =2.6 = 12(s) Vậy thời gian chu kỳ làm việc của thang máy là tck = Stlv + Stnghỉ + Stđm = 15,6+120+12 = 147,6(s) Từ đó ta có đồ thị vận tốc và đồ thị phụ tải của thang máy như sau Hình 2.8 Đồ thị vận tốc Hình 2.9. Đồ thị phụ tải Tính hệ số đóng điện phần trăm tương đối 4. Xác định mômen đẳng trị Mđt và công suất đẳng trị Pđt Trong một chu kỳ làm việc của thang máy thì tlvn = tvvh = tlv/2 Vậy ta có Ta có - Tốc độ góc - Tốc độ góc của động cơ wđc = i. w = 15.7,5 = 112,5(rad/s) - Tốc độ động cơ Vậy Công suất chọn động cơ theo e%chuẩn = 25% Dựa vào công suất động cơ đã chọn ở trên, tra phụ lục trong tài liệu đặc tính cơ của động cơ tra được động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc 380(V), 50(Hz), e% = 25%, cấp cách điện E và D gồm có các thông số kỹ thuật sau: Kiểu Pđm (kW) nđm (v/p) cosj Ist,đm (A) Ist0 (A) rst (W) xst (W) Ir'đm (A) rr' (W) xr' ((W)) J (kgm3) Q (kg) MTK 2116 7.5 905 0.79 18.4 11 0.68 1.07 13.6 1.62 1.05 0.11 110 e. Sơ đồ thay thế của động cơ Từ sơ đồ thay thế ta có Xm = Hình 2.10. Sơ đồ thay thế động cơ Tính được Vậy ta tính được tổng trở của động cơ là 5. Sơ đồ nguyên lý biến tần nguồn áp Hình 2.11. Sơ đồ điện áp ra sau nghịch lưu Từ độ thị điện áp ra ta có Ta có ZA = ZB = ZC = Z = 10.4042 + j9.55 = R + jLw Vậy R = 10,042(W), Lw = 9,55(W) Lúc này ta tính được dòng điện cơ bản I0 Lại có Với vậy III. Tính chọn các van mạch động lực và mạch lọc 1. Tính chọn van mạch chỉnh lưu Dòng điện đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu ba pha là Id = 14,65(A), điện áp ra bộ chỉnh lưu là Ud = Ucl = E = 466,7(V). Vậy ta có E = Ud = 2,34U2 Vậy điện áp ngược lớn nhất mà điện áp phải chịu là Từ đó dựa vào hai thông số là dòng điện trung bình qua van Id và điện áp ngược lớn nhất đặt lên van ta tiến hành chọn van như sau. Tra trong tài liệu hướng dẫn thiết kế điện tử công suất ta chọn diode co các thông số kỹ thuật sau: Kí hiệu Itbmax(A) Id(A) Ungược max(V) SW06PCN030 25 300 600 2. Tính chọn van mạch nghịch lưu Dựa vào đồ thị điện áp ta thấy các van lần lượt mở thứ tự từ T1 đến T6 với góc lệch pha giữa hai van một là 60 độ. Như vậy trong bất cứ thời điểm nào cũng có 3 van được dẫn. Để xác định điện áp ra tải ta cần phải biết kiểu đấu tải, ta giả thiết ở đây tải đấu theo hình sao Do vậy mà dòng điện pha tải có ba đoạn khác nhau trong nửa chu kỳ Tong khoảng thời gian từ ở nửa chu kỳ sau dòng điện tương tự nhưng có dấu ngược với chu kỳ trên. Vậy dòng điện trung bình qua van là và điện áp ngược lớn nhất đặt lên van sẽ là UngượcMax = EnlkdtU Trong đó kdtU - Hệ số dự trữ điện áp, chọn kdtU = 1,6 Vậy UngượcMax = 466,7.1,6 = 746,67(V) Từ các giá trị dòng điện trung bình chạy qua van và điện áp ngược lớn nhất đặt lên van đã tính được ở trên ta tiến hành chọn van. Tra trong tài liệu hướng dẫn thiết kế điện tử công suất ta tra được Tranzitor có các thông số kỹ thuật sau: Kí hiệu Ic max(A) Pc max(W) Uceo max(V) Ucbo max(V) f(MHz) BUV36 15 90 800 850 6 3. Tính chọn mạch lọc Chức năng của bộ lọc là cho dòng điện có tận số nào đó đi qua mà biên độ không bị suy giảm, đồng thời làm suy giảm mạch dòng điện ở tần số khác Bộ lọc LC được dùng cho thiết bị chỉnh lưu công suất lớn, bộ lọc này cho phép thành phần một chiều của điện áp chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều Ud L Ta có: Với mạch chỉnh lưu cầu 3 pha ta có A = 0,095, n = 6, kLC = 0,01 và w = 314(rad/s) Chọn L = 2,6765(mH) Vậy C = IV. Đo lường tốc độ và dòng điện 1. Máy phát tốc một chiều Tốc độ truyền động là đại lượng điều chỉnh chính, vì vậy thiết bị đo tốc độ có vai trò quan trọng quyết định tới chất lượng động và tĩnh của truyền động Uw Sơ đồ nguyên lý đo tốc độ bằng máy phát tốc một chiều. Khi từ thông máy phát tốc không đổi, điện áp đầu ra máy phát tốc là Uw = Kww - RưpI - DUct Nếu chọn điện trở đủ lớn, gần đúng ta có Uw = Kww Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy Hình 2.12. Mạch nguyên lý đo tốc độ phát tốc là Trong đó Kw - Hệ số tỉ lệ I - Dòng tải của máy phát Rư - Điện trở phần ứng máy phát Tfw - Hằng số thời gian bộ lọc Chọn Uw = 10(V), vậy ta có Hằng số thời gian của bộ lọc Tfw < 5(ms), chọn Tfw = 1(ms) Vậy ta có hàm truyền máy phát tốc là 2. Máy đo dòng điện Sơ đồ đo dòng xoay chiều ba pha đơn giản là dùng biến dòng, gồm ba bíên dòng lắp ở ba pha với điện trở tải R0. Điện áp sơ cấp biến dòng qua mạch chỉnh lưu cầu diode ba pha, mạch lọc RC lọc thành phần xoay chiều sau chỉnh lưu U2I U2I0 Hình: 2.13. Mạch đo dòng xoay chiều ba pha Điện áp đầu ra chỉnh lưu U2d = R1Id, với Trong mạch bố trí R1 nối tiếp D0 phục vụ cho việc đo tín hiệu dòng điện không U20 khi diode dẫn điện áp UD0 = 0,5(V) Ta kí hiệu PI là tỷ số biến dòng, vậy cơ cấu hàm truyền đo dòng điện là: Trong đó: kI - Hệ số tỉ lệ, kI = PIR1 Tfi - Hằng số thời gian bộ lọc Tfi = RC Chọn Tfi = RC = 0,001(s) Vậy ta có hàm truyền máy đo dòng như sau: chương III mô hình toán học của động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và xây dựng cấu trúc tổng hợp hệ Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác đến mức tối đa đối tượng điều chỉnh Hình3.1. Mô hình đơn giản của ĐC KĐB có roto lồng sóc Xuất phát điểm để xây dựng mô hình toán học cho ĐCKĐB là mô hình đơn giản của động cơ như trên hình 3.1. Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ các đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh. Tuy nhiên ở đây cần phải được lưu ý là mô hình của ta không nhằm mục đích mô phỏng chính xác về mặt toán học đối tượng động cơ mà mô hình ở đây chỉ để phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Về phương diện động, ĐCKĐB được mô tả bởi một hệ phương trình vi phân bậc cao. Vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian, vì các mạch từ móc vòng. Do vậy ta phải chấp nhận một loạt các điều kiện sau đây trong khi mô hình hoá động cơ - Các cuộn dây stato được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian - Các tổn hao sắt từ và sự bão hoà từ có thể bỏ qua - Dòng từ hoá và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ - Các giá trị điện trở và điện cảm tạm được coi là không đổi I. Mô hình toán học của động cơ KĐB Động cơ KĐB là loại máy điện được dùng phổ biến nhất trong kỹ thuật truyền động điện do có các ưu điểm là : khả năng quá tải về mômen lớn, có thể làm việc ở tốc độ rất thấp hoặc rất cao đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc có kết cấu đơn giản, ở phần quay không có yêu cầu về cách điện và có thể làm việc ở môi trường có hoạt tính cao hoặc trong nước. Động cơ KĐB được điều chỉnh bằng các bộ biến tần bán dẫn đã và đang hoàn thiện có khả năng cạnh tranh lớn với các hệ truyền động một chiều nhất là ở vùng công suất truyền động lớn hoặc tốc độ làm việc cao. Động cơ KĐB 3 pha là máy điện có nhiều dây quấn trên stato và trên rôto phương trình cân bằng điện áp của mỗi dây quấn như sau: Uk = Rk.Ik + dYk/dt Trong đó k - là tên của dây quấn pha Từ thông móc vòng của mỗi dây quấn là Yk = ồLkj Ij Trong đó - j cũng là tên của các dây quấn pha Khi j = k điện cảm tự cảm ; j ạ k điện cảm hỗ cảm. Nếu lấy các chữ cái thường a,b,c để chỉ tên dây quấn stato và chữ cái hoa A,B,C chỉ tên dây quấn pha rôto thì : k = a,b,c,A,B,C ;j = a,b,c ,A,B,C. Nếu coi mạch từ là tuyến tính và bỏ qua tổn hao sắt thì mômen điện từ của động cơ: Gọi góc lệch giữa trục các dây quấn cùng pha ở dây quấn rôto và stato là v thì tốc độ quay của rôto sẽ là đạo hàm của góc này w = dv/dt. Để đơn giản trong cách viết, coi động cơ có hai cực (p’ = 1). Theo sơ đồ ta có thể tính được từ thông của tất cả 6 dây quấn. VD: Từ thông dây pha a ở stato Ya = Laa.Ia + Lab.Ib + Lac.Ic + LaA.IA + LaB.IB + LaC.IC Ta lại coi các dây quấn động cơ là đối xứng và khe hở không khí giữa rôto và stato là đều. Ta có: Ra = Rb = Rc = Rs ; RA = RB = RC = Rr Laa = Lbb = Lcc = LS1 ; LAA = LBB = LCC = Lr1 Lab = Lbc = Lca = -MS ; LAB = LBC = LCA = -Mr Trong đó LS1 , Lr1 - Điện cảm tự cảm của từng dây quấn stato và rôto . MS , Mr - Hỗ cảm giữa các dây quấn stato và giữa các dây quấn rôto Các giá trị điện cảm trên không phụ thuộc vào góc quay của rôto và coi là không đổi. Hỗ cảm giữa các pha dây quấn ở rôto và stato phụ thuộc vào góc lệch giữa các dây quấn này, tức là vào tốc độ quay. Khi hai trục của các pha dây quấn này trùng nhau hỗ cảm giữa chúng là cực đại và đặt bằng giá trị M LaA = LAa = LbB = LBb = LCc = LcC = M.cosq LaB = LAb = LbC = LBc = LcA = LCa = M.cos(q +2p/3) LAb = LaB = LBc = LbC = LCa = LaC = M.cos(q -2p/3) Phương trình từ thông dạng vectơ: Trong đó chữ t ở bên cạnh ma trận hỗ cảm chỉ rằng đó là ma trận chuyển vị. Phương trình điện áp: Các hệ phương trình trên là các hệ phương trình vi phân phi tuyến có hệ số biến thiên theo thời gian bởi vì góc quay phụ thuộc vào thời gian. II. Điều chỉnh tần số động cơ KĐB Các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và tính chất động học chỉ có thể thực hiện với các bộ biến tần. Các hệ này sử dụng động cơ không đồng bộ roto lồng sóc có kết cấu đơn giản, vững chắc, giá thành rẻ, có thể làm việc trong mọi môi trường Yêu cầu chính đối với các đặc tính của truyền động tần số là - Đảm bảo độ cứng đặc tính cơ và khả năng quá tải trong toàn bộ dải điều chỉnh tần số và phụ tải - Đảm bảo được mômen lớn nhất ứng với dòng điện đã cho hoặc đảm bảo mômen đủ lớn khi tốc độ bằng không Từ các yêu cầu trên mà ta có các luật điều chỉnh sau - Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi - Luật điều chỉnh từ thông không đổi - Luật điều chỉnh tần số công suất trượt - Điều chỉnh tần số điện áp động cơ không đồng bộ Trong bản đồ án này em sử dụng luật điều chỉnh từ thông không đổi để điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ 1.Đặc tính của động cơ khi cấp từ nghịch lưu áp Khi các khoá bán dẫn được đóng cắt theo trật tự nhất định thì tạo thành hệ thống điện áp xoay chiều ba pha đặt lên động cơ KĐB. Điện áp dây của nghịch lưu là các xung chữ nhật có độ rộng xung 2P/3 và thoả mãn điều kiện phân tích chuỗi Fourier Với k = 1 + 6c, c = 0,±1... Thàn phần điều hoà cơ bản của chuỗi có biên độ và giá trị hiệu dụng là Véc tơ điện áp ĐK có thể được biểu diễn như sau Véc tơ này dừng trong khoảng thời gian P/3 = Ts/6 và bước tức thời sang vị trí mới khi các van bán dẫn chuyển mạch. Giá trị của mỗi bước nhẩy cũng chính bằng P/3 Hình 3.2. Nguyên lý điều chỉnh tần số từ nguồn áp Do có 6 van chuyển mạch trong một chu kỳ của điện áp và dòng điện nên mặc dù từ thông máy là hình sin mômen vẫn có dạng đập mạch. Thành phần đập mạch mômen do tương tác giữa từ thông cơ bản và các sóng hài cao tần của dòng điện gây ra, vì dòng điện có tần số kwe nên tần số đập mạch của mômen sẽ là fm = fs - kfs = fs(k-1) = 6cfs Mômen toàn phần của động cơ sẽ là Trong đó Mtb - Mômen trung bình bằng tổng đại số mômen sóng hài bặc 1 và sóng cao tần Mmax.n - Biên độ mômen đập mạch bậc n ở chế độ làm việc xác lập, khi Mtb = Mc thì 2. Cấu trúc hệ thống điều chỉnh từ thông stato * Luật điều chỉnh từ thông không đổi Từ các quan hệ tính mômen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy Y hoặc từ thông stato Ys không đổi thì mômen sẽ không phụ thuộc vào tần số và mômen tới hạn sẽ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh. Nếu coi Rs = 0 thì ws wth Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp khi mà sụp áp trên điện trở stato có thể so sánh được sụt áp trên điện cảm tản mạch stato khi đồng thời từ thông cũng giảm đi và do đó mômen tới hạn cũng giảm Vì vậy có thể thiết lập được chiến lược điều chỉnh để giữ biên độ từ thông rôto không đổi Yr = const. ở phần mô tả động cơ không đồng bộ, hoặc dựa vào sơ đồ thay thế ta có thể tính được từ thông rôto và phương trình cân bằng của mạch rôto ở dạng các thành phần véc tơ trên các trục toạ độ ox, oy là Hình 3.3. Quan hệ Is(ws) khi từ thông Ys = const Nếu giữ được biên độ véc tơ từ thông Yr = const thì PYr =0 và PYrx = PYry = 0 , và ta có phương trình cân bằng mạch rôto như sau Tách các số hạng dòng điện sang một vế, sau đó bình phương hai vế của từng phương trình ta có Ta có thể rút ra được biểu thức như sau Căn cứ vào các biểu thức tính toán mômen và dòng điện, ta có thể thành lập được sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống -Uw Uwđ w Y Hình 3.4. Cấu trúc hệ thống điều chỉnh từ thông bằng dòng điện stato Mô hình còn chứa nhiều khâu phi tuyến phức tạp, có thể tuyến tính hoá các phương trình này và áp dụng các chuẩn tối ưu để thiết kế các bộ tuyến tính Hàm Fi(ws) có thể thay thế bằng khuếch đại đơn giản Tuyến tính hoá biểu thức mômen động cơ -Uw Uwd Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển từ thông khi bỏ qua hằng số thời gian điện từ Trong cấu trúc trên đã bỏ qua quá trình quá độ điện từ của máy điện, trừ mạch vòng dòng điện. Trong sơ đồ tuyến tính hoá các hằng số A(ws1,Is1), B(ws1,Is1) lại thay đổi tuỳ theo điểm làm việc ban đầu được chọn. Vì vậy để tăng độ chính xác thì bộ điều chỉnh cần có cấu trúc và tham số thích nghi, để điều khiển chế độ thích nghi có thể dùng tín hiệu tốc độ hoặc mômen động cơ 3. Tính toán các khâu a. Khâu khuếch đại KF Theo tính toán ở trên ta có Trong đó Isđm = 18,4(A) wsđm = we - wđm = swe Vậy wsđm = 140,7 - 97,76 = 9,95(rad/s) b. Khâu Trong đó T - Hằng số thời gian động cơ cộng với bộ lọc Kb = KclKnl R - Điện trở thuần động cơ Vậy T = Tính Kb = KclKnl Với Kcl = 2,34 Knl = Vậy ta có hàm truyền như sau Tính các hệ số A, B trong sơ đồ tuyến tính hoá, chọn điểm tuyến tính hoá là điểm định mức, ta có Từ Xm = 21,123 = Lmw Rr = 1,62(W) Vậy c. Tính quy đổi mômen quán tính Các cặp bánh răng có mômen quán tính J1....Jk, mômen quán tính tang trống JT, khối lượng quán tính m và mômen quán tính động cơ Jđ đều có ảnh hưởng tới tính chất động học của hệ truyền động Nếu xét điểm khảo sát ở đầu trục động cơ và quán tính chung của hệ truyền động tại điểm này ta gọi là Jqđ Trong đó Jđ - Mômen quán tính động cơ JT - Mômen quán tính của tang trống i - Tỷ số truyền, i = 15 m - Khối lượng mômen quán tính, m = 378 Trong đó H - Chiều dài tang trống, chọn H = 0,8(m) R - Bán kính ngoài tang trống, chọn R = 0,225 r - Bán kính trong r = 0 Vậy 4. Tổng hợp các mạch vòng a. Tổng hợp mạch vòng dòng điện Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ chấp hành, thì trong mạch điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mômen kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ và điều chỉnh gia tốc Từ sơ đồ cấu trúc điều khiển từ thông khi bỏ qua hằng số thời gian điện từ ta có mạch vòng dòng điện như sau Hình 3.6. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Từ sơ đồ trên ta có hàm truyền của mạch vòng dòng điện (hàm truyền của đối tượng điều chỉnh )là như sau Để tìm cấu trúc và thông số bộ điều chỉnh Ri(p) ta dùng phép gán (*) áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện, với hàm chuẩn tối ưu module như sau Thế hàm Fch(p) và S0i(p) vào phương trình (*) ta được Chọn td = Ti (**) Nếu nhân và chia T với phương trình (**) ta được Trong đó KRi - Hằng số khuếch đại bộ điều chỉnh Nhận xét : Bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh PI Từ đó ta thay bộ Ri(p) vừa tìm được vào trong hệ thồng mạch vòng dòng điện ta được Hàm truyền khi có phản hồi dòng điện là Thay các thông số vào hàm truyền trên ta có b. Tổng kợp mạch vòng tốc độ Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điều chỉnh là tốc độ góc của động cơ điện, các hệ này rất thường gặp trong thực tế kỹ thuật. Hệ thống điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòng điện, các hệ thống này có thể đảo chiều hoặc không đảo chiều. Do các yêu cầu công nghệ mà hệ cần đạt vô sai cấp 1 hoặc vô sai cấp 2. Nhiễu chính là môment cản Mc Tuỳ theo yêu cầu công nghệ mà các bộ điều chỉnh tốc độ Rw có thể được tổng hợp theo hai tín hiệu điều khiển hoặc moment nhiễu tải M. Trong trường hợp chung hệ thống phải có đặc tính điều chỉnh tốt cả từ tín hiệu điều khiển lẫn từ phía tín hiệu nhiễu loạn Uwđ Ta đã tổng hợp được mạch vòng dòng điện ở trên và sơ đồ cấu trúc của hệ thống như sau -Uw Uwđ Hình 3.8.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ Trong phần tổng hợp mạch vòng tốc độ ta sử dụng kết quả của tổng hợp mạch vòng dòng điện và bỏ qua ảnh hưởng của suất điện động động cơ Uwđ -Uw Để thuận tiện trong tính toán tiếp theo, ta có thể bỏ qua thành phần bậc 2 của mạch vòng dòng điện 2p2Ti2 do vậy mà ta có sơ đồ khối cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ như sau Khi Mc = 0, ta có -Uw Uwđ Hàm truyền của đối tượng cần điều khiển như sau Để tìm được thông số và cấu trúc bộ điều chỉnh Rw(p) ta cũng dùng phép gán áp dụng hàm chuẩn Module đối xứng Vậy ta có Đặt Tsw = 2Ti + Tw, chọn Td = Tsw Vậy Đặt Vậy Nhận thấy rằng hàm truyền Rw(p) có dạng một khâu trễ nối tiếp với một khâu PI. Tính toán các hệ số đặt Ta thấy rằng hệ số Ttrẽ = 7,3616.10-4 là quá nhỏ nên ta có thể bỏ qua Do đó Thay cấu trúc của Rw(p) vừa tìm được vào trong hệ thống cấu trúc mạch vòng tốc độ ta có -Uw Uwđ Để giảm lượng quá độ người ta cho qua một bộ lọc, lọc đơn giản nhất là tụ điện và điện trở - Uwđ Thay các thông số và trong sơ đồ - Uwđ chương IV mô phỏng hệ thống dùng Matlab I. Mô phỏng hệ thống mạch vòng dòng điện Từ sơ đồ cấu trúc Ta có hàm truỳền như sau: >> w1=tf(1,[0.002 0]); >> w2=tf(1,[0.001 1]); >> wk=feedback(w1*w2,1); >> step(wk); Từ đồ thị trên ta nhân thấy rằng lương quá điều chỉnh d% = 4,32% II. Mô phỏng mạch vòng tốc độ Từ sơ đồ cấu trúc khi chưa có bộ lọc 1 0,2002p 0,012p + 1 1,375.10-4p 3,822 + 0,0028p 1 + 0,002p 0,1 1+0,001p - Uwđ >> w3=tf([0.012 1],[1.375*10^-4 0]); >> w4=tf([0.0028 3.8222],[0.002 1]); >> w5=tf(1,[0.2002 0]); >> w6=tf(0.1,[0.001 1]); >> wk1=feedback(w3*w4*w5,w6); >> step(wk1); >> bode(wk1); Sơ đồ cấu trúc khi có bô lọc - Uwđ >> w3=tf([0.012 1],[1.375*10^-4 0]); >> w4=tf([0.0028 3.8222],[0.002 1]); >> w5=tf(1,[0.2002 0]); >> w6=tf(0.1,[0.001 1]); >> w7=tf(1,[0.012 1]); >> wk1=feedback(w3*w4*w5,w6); >> wtd=wk1*w7; >> step(wtd); >> bode(wtd); Mô phỏng mạch vòng tốc độ khi có bộ lọc trên SIMULINK Nhận xét: Khi chưa có bộ lọc thì độ quá điều chỉnh d% = 36,9% rất lớn so với 4,3%. Để giảm độ quá điều chỉnh này xuống còn nhỏ hơn 8% người ta ghép nối tiếp thêm bộ lọc vào hàm truyền mạch vòng kín của mạch vòng tốc độ, do đó mà độ quá điều chỉnh lúc này d% = 5,7%