hệ truyền động thyristor- động cơ điện một chiều trang bị điện máy cầu trục

- Cơ cấu nâng hạ:Cơ cấu nâng hạ của cầu trục có hai loại chính : loại dùng cho cầu trục một dầm là palăng điện hoặc palăng tay .Palăng điện hoặc palăng tay đều có khả năng di chuyển dọc

ChơngI: Đặc điểm công nghệ và yêu cầu

truyền động.

1 Cấu tạo của cầu trục.

Cầu trục là một loại máy trục có phần kết cấu thép(dầm dọc chính)

liên kết (bắc qua ) hai dầm ngang mà trên hai dầm ngang này có 4 bánh xe

để di chuyển trên hai đờng ray song song đặt trên hai vai cột của nhà xởng hay trên dàn kết cấu thép Cầu truc đợc sử dụng rất rộng rãi và tiện dụng để nâng hạ vật nâng, hàng háo trong các nhà xởng, phân xởng cơ khí, nhà kho, bến bãi Dầm cầu đợc gọi là dầm chính thờng có kết cấu hộp hoặc dàn, có thể có 1 hoặc 2 dầm, trên có xe con và cơ cấu di chuyển qua lại dọc theo

dầm chính, Hai đầu của dầm chính liên kết hàn hoặc đinh tán với hai dầm

đầu, trên mỗi dầm đầu có hai cụm bánh xe, cụm bánh xe chủ động và cum bánh xe bi động Nhờ cơ cấu di chuyển cầu và kết hợp với cơ cấu di chuyển

xe con ( hoặc Palăng) mà cầu trục có thể nâng hạ đợc hàng ở bất cứ vị trí

nảôtng không gian phía dới mà cầu trục bao quát

Dẫn động của cầu trục có thể bằng tay hoặc dẫn động điện Dẫn động bằng tay chủ yếu dùng trong các phân xởng sửa chữa, lắp ráp nhỏ, nâng hạ không thờng xuyên, không đòi hỏi năng suất và tốc độ cao

Cầu trục đợc chế tạo với tải trọng Q = 1ữ 500T, khẩu độ dầm chính trong khoảng 4,5ữ 32m, chiều cao nâng H đến 16m, tôc độ nâng v = 2 ữ

40m/ph; tốc độ di chuyển của xe con đến 60m/ph và tốc độ di chuyển của xe cầu đến 125m/ph Để thuận lợi cho nâng hạ , thao tác và kinh tế trong nâng hạ hàng hoá, các loại cầu trục có tải trọng nâng lớn hơn 10T thờng có thêm một hoặc hai cơ cấu nâng hạ phụ, có tải trọng nhỏ hơn, cùng lắp trên xe con

Chế độ làm việc của các cơ cấu cầu trục đợc xác định từ yêu cầu của quá trình công nghệ và chức năng của cầu trục trong từng dây chuyền sản

3 2

1

xuất Cấu tạo và kết cấu của cầu trục rất đa dạng Khi thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và hệ truyền động phải phù hợp với từng loại cụ thể.

Nhiệm vụ vủa cầu trục là bốc dỡ, vận chuyển hàng hoá và các trang thiết bị phục vụ cho việc sản xuất và lắp ráp Đối với các cầu trục vận

chuyển, phải đảm bảo các chỉ tiêu trong qua trính quá độ Còn đối với cầu trục lắp ráp, phải đảm bảo quá trình mở máy êm, dải điều chỉnh tốc độ rộng, dừng chính xác đúng nơi lấy hàng và hạ hàng …

*.Phân loại cầu trục

- Theo hình dạng bộ phận nâng hạ và mục đích sử dụng:

Cầu trục dùng móc tiêu chuẩn

Cầu trục dùng gầu ngoạm

Cầu trục dùng nam châm điện

Cầu trục trong luyện kim

Cầu trục có cơ cấu nâng đặc biệt

- Phân loại cầu trục theo công dụng:

Cầu trục có công dụng chung: Loại này có móc treo tiêu chuẩn dùng

để xếp dỡ, lắp ráp sữa chữa máy móc thiết bị Thờng tải trọng nâng không lớn, có thể sử dụng kết hợp gầu ngoạm, nam châm điện hoặc các kìm cặp để nâng hàng, hàng khối

Loại chuyên dùng: Thờng đợc chế tạo cho một mục đích sử dụng nhất

định do đó phải phù hợp yêu cầu về tải trọng nâng và các yêu cầu khác

- Phân theo kết cấu:

Có loại một dầm và loại hai dầm chính Cầu trục một dầm thờng dùng

palăng điện hoặc palăng tay di chuyển trên cạnh dới của dầm chữ I Loại hai dầm thờng là dầm hộp, dầm chữ I đặt song song, hoặc dầm kiểu dàn Loại này thờng dùng cơ cấu nâng đặt trên xe con và di chuyển dọc theo dầm

chính

- Phân theo cách truyền động:

Có thể truyền động bằng tay hoặc bằng điện Truyền động bằng tay chỉ cho các loại có tải trọng nâng bé, dùng cho lắp ráp sửa chữa Loại chạy

điện đợc điều khiển từ ca bin hoặc đợc điều khiển bằng nút bấm điều khiển

từ mặt đất; trong trờng hợp này ngời điều khiển phải đi theo sự di chuyển cuả cầu trục, do vậy vận tốc di chuyển phải thích hợp.Trong điều kiện đặc biệt có thể điều khiển từ xa

Cấu tạo của cầu trục gồm 3 bộ phận chính.

- Xe cầu:

Gồm hai dầm chính hoặc khung dàn chính đợc chế tạo bằng thép có

độ cứng không gian đặt cách nhau một khoảng tơng ứng với khoảng cách

bánh xe của xe con Hai đầu cầu đợc liên kết cơ khí với hai dầm ngang tạo

thành khung hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang

Các bánh xe của cầu trục đợc thiết kế trên các dầm ngang của khung hình

chữ nhật tạo điều kiện cho cầu trục chạy dọc suốt nhà xởng Với cơ cấu có

khẩu độ nhỏ thì co thể dùng phơng án dẫn động chung, động cơ thờng đợc

đặt ở giữa Đối với cầu trục có khẩu độ lớn hơn 15m, ngời ta hay sử dụng cơ

cấu dẫn động riêng Loại dẫn động riêng này gồm có hai cơ cấu di chuyển

giống nhau và đặt về hai phía của của cầu để dẫn động cho từng cụm bánh xe

riêng biệt Công suất của động cơ mỗi bên thờng lấy bằng 60% tổng công

suất cần thiết Kết cấu này gọn nhẹ, dễ lắp đặt sử dụng, dễ bảo dỡng Tuy

nhiên cần chú ý tới biện pháp đồng tốcgiữa hai động cơ và lực cản di chuyển

không đều trên hai bên ray để bảo đảm an toàn, chống xô lệch dầm cầu trục

- Xe con:

Trên xe con đặt cơ cấu nâng và cơ cấu di chuyển xe con Tuỳ theo

công dụng của cầu trục mà trên xe con có một hoặc hai cơ cấu nâng Xe con

có thể di chuyển dọc trên xe cầu tạo điều kiện cho cầu trục có thể di chuyển

đợc trong suốt chiều ngang phân xởng Với cơ cấu di chuyển của xe con thì

việc dẫn động là dẫn động chung

1- Động cơ; 2-Khớp và phanh; 3-Khớp mềm; 4- Trục truyền

5- Hộp giảm tốc ; 6- Bánh xe; 7- Ray

7

- Cơ cấu nâng hạ:

Cơ cấu nâng hạ của cầu trục có hai loại chính : loại dùng cho cầu trục một dầm là palăng điện hoặc palăng tay Palăng điện hoặc palăng tay đều có khả năng di chuyển dọc theo dầm chính để nâng hạ vật.Các loại palăng này

là bộ phận máy đợc chế tạo hoàn chỉnh theo tải trọng và tốc độ nâng và chế

độ làm việc Khi lựa chọn cần căn cứ vào yêu cầu và chọn thông số theo Catalo và kích thớc bao có sẵn

Đối với loại dầm thông thờng các cơ cấu nâng hạ đợc chế tạo và đặt trên xe con để có thể di chuyển dọc theo dầm chính Loại móc để nâng hàng

đã đợc bao gói thông dụng Trên xe con có thể có từ một đến ba cơ cấu

nâng ; trong đó có một cơ cấu nâng chính và có thể có một đến hai cơ câu nâng phụ Khi dùng cơ cấu gầu ngoạm thì tốc độ nâng hạ có lớn hơn loại móc treo để khi thả gầu, lỡi gầu ăn sâu vào đống vật liệu

- Cơ cấu phanh hãm

Phanh hãm là bộ phận không thể thiếu trong cơ cấu chính của cầu trục Phanh dùng trong cầu trục thờng có 3 loại: Phanh guốc, phanh đĩa và phanh đai Nguyên lý hoạt động cơ bản giống nhau Khi động cơ có điện, lực hút của nam châm thắng lực cản của lò xo, giải phóng trục động cơ để động cơ làm việc Khi mất điện, cuộn dây nam châm cũng mất điện, lực căng của

lò xo sẽ ép chặt má phanh vào trục động cơ, để hãm

Mô tả cơ cấu phanh đai gồm

Gph 3

2 1

Nc

Đối với cơ cấu nâng hạ cầu trục loại nặng thờng ngời ta dùng 2 phanh để

- Chuyển động ngang theo phân xởng nhờ hệ thống truyền động trên

xe con (xe trục)

2 Đặc điểm công nghệ.

- Cầu trục làm việc trong môi trờng rất nặng nề nh ngoài hải cảng, các nhà máy hoá chất, xí nghiệp luyện kim v.v

- Làm việc ở chế độ đóng, cắt cao

- Chế độ quá độ xảy ra nhanh khi mở máy, hãm và đảo chiều

* Ngoài ra tuỳ vào quá trình công nghệ mà cầu trục phục vụ ta có thêm một

số yêu cầu công nghệ khác nh:

- Cầu trục vận chuyển đợc dùng rộng rãi yêu cầu về độ chính xác không cao

- Cầu trục lắp ráp phần lớn đợc dùng trong các nhà máy xí nghiệp nhất

là trong các nhà máy cơ khí Nó dùng để lắp ghép các chi tiết máy móc ⇒

yêu cầu làm việc của nó yêu cầu độ chính xác cao, cụ thể là quá trình mở máy phải êm, dải điều chỉnh tốc độ rộng, dừng chính xác nơi lấy trả hàng

- Các khí cụ điện, thiết bị điện trong hệ thống truyền động và trang bị

điện của cầu trục phải làm việc tin cậy trong điều kiện làm việc để nâng cao năng suất, an toàn trong vận hành và khai thác

*.Từ những đặc điểm trên, có thể đa ra những yêu cầu cơ bản đối với hệ truyền động và trang bị điện cho các cơ cấu của cầu trục:

- Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động đơn giản

- Các phần tử cấu thành có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế dễ dàng

- Trong các sơ đồ mạch điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp không, quá tải và ngắn mạch

- Quá trình mở máy diễn ra theo một luật đợc định sẵn

- Sơ đồ điều khiển cho tng động cơ riêng biệt, độc lập

- Có công tắc hành trình hạn chế hành trình tiến, lùi cho xe cầu, xe con, hạn chế hành trình lên của cơ cấu nâng hạ

- Đảm bảo hạ hàng ở tốc độ thấp

- Tự động cắt nguồn cấp khi có ngời làm việc trên xe cầu

3 Yêu cầu truyền động của xe con.

a Đặc tính tải

- Động cơ cho truyền động xe con làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại

- Một chu kì của xe con có thể gồm các giai đoạn sau:

+ Chuyển động thuận không tải

t1: Thời gian nghỉ t2: thời gian chuyển động không tải

t3: thời gian nghỉ t4: thời gian chuyển động có tảiQua giản đồ phụ tải ta thấy đây là phụ tải ngắn hạn lặp lại biến đổi Động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại với yêu cầu có đảo chiều

b Yêu cầu về khởi động và hãm truyền động

c Yêu cầu về hãm và dừng khẩn cấp

- Sử dụng phanh hãm để hạn chế tốc độ khi chuẩn bị dừng và khi mất điện Phanh hãm phải ép chặt trục động cơ để dừng truyền động

- Dừng chính xác tại nơi lấy và trả tải

d Độ chính xác.

- Dải điều chỉnh tốc độ

1

100 05 , 0

5

min

max min

max = = =

=

v

v D

- Khi làm việc với thời gian đóng máy cho trớc động cơ không bị đốt nóng quá mức.

- 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 t 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%

3

0,2 0,4 0,6 0,81- động cơ di chuyển xe cầu

2- động cơ di chuyển xe con3- động cơ nâng - hạ

Chọn phơng án truyền động và phơng pháp điều chỉnh tốc độ.

Chọn phơng án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tính chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một phơng án khả thi

đáp ứng đợc cả yêu cầu về đặc tính kỹ thuật và kinh tế với công nghệ

đặt ra Lựa chọn phơng án truyền động tức là phải xác định đợc loại

động cơ truyền động là một chiều hay xoay chiều, phơng pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải, và xác định đợc bộ biến đổi phù hợp Cuối cùng là đa ra đợc sơ đồ mạch lực của hệ truyền động.

I Hệ truyền động Thyristor- động cơ điện một chiều(T-Đ)

Do tính chất phụ tải của xe con cầu trục là phụ tải ma sát, mà yêu cầu của công nghệ này là có đảo chiều quay, do đó ta chỉ xét những hệ truyền động T-Đ có đảo chiều quay.

I.1 Nguyên lý làm việc của hệ T-Đ

Trong hệ thống điều khiển chỉnh lu - động cơ điện một chiều (T-Đ),

bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lu có điều khiển có sức điện động E phụ thuộc vào giá trị pha của xung điều khiển( góc điều khiển ) Khi ta thay đổi góc chỉnh điều khiển của Thyrisror, điện áp đầu ra của bộ biến

đổi sẽ thay đổi.

α

cos do

Trong đó: E d - điện áp đầu ra của bộ chỉnh lu.

E do - điện áp đầu ra của chỉnh lu với góc mở tự nhiên

K - hệ số phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lu.

α - góc mở của van Chỉnh lu có thể làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng

điện kích thích động cơ Khi làm thay đổi điện áp hay dòng kích từ của

động cơ thì đồng nghĩa với việc làm thay đổi tốc độ cũng nh momen của

động cơ

Chế độ làm việc của chỉnh lu phụ thuộc vào phơng thức điều khiển và tính chất của phụ tải Trong truyền động điện, tải của chỉnh lu là cuộn kích từ(L-R) hoặc là mạch phần ứng của động cơ (L-R-E)

Đặc tính cơ của bộ chỉnh lu Thyristor động cơ điện một chiều đợc biểu diễn

nh sau:

ω

I,M

I.2 Các bộ truyền động T-Đ có đảo chiều quay

Do chỉnh lu Thyristor chỉ cho dòng điện chạy qua theo một chiều

và chỉ điều khiển mở Do đó việc đảo chiều khó khăn và phức tạp hơn nhiều so với hệ F-D.

Có hai nguyên tắc để xây dựng hệ T-Đ có đảo chiều

+ Giữ nguyên chiều dòng phần ứng và đảo chiều dòng kích từ

+ Giữ nguyên chiều dòng kích từ và đảo chiều dòng phần ứng.

Trong thực tế các sơ đồ T-Đ có đảo chiều có nhiều loại đều hoạt động dựa trên hai nguyên tắc trên tuỳ thuộc vào công suất của tải cũng nh yêu cầu của công nghệ Sau đây là một số sơ đồ thông dụng nhất thờng đợc dùng:

Hình a: Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng của động cơ

và đảo chiều quay bằng đảo chiều của dòng kích từ Sơ đồ này phù hợp

với truyền động có công suất lớn và rất ít đảo chiều Lí do là vì việc đảo chiều từ thông gặp rất nhiều khó khăn.

Hình b: Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng của động cơ

và đảo chiều quay bằng công tắc tơ chuyển mạch ở phần ứng Loại này dùng cho truyền động có công suất nhỏ và tần số đảo chiều thấp.

Hình c: Truyền động dùng hai bộ biến đổi mắc song song ngợc điều khiển

riêng Tại một thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào một bộ biến đổi, còn bộ biến đổi kia khoá do không có xung điều khiển Loại này dùng cho mọi dải công suất có tần số đảo chiều lớn.

Hình d: Truyền động dùng hai bộ biến đổi mắc song song ngợc điều khiẻn

chung Tại 1 thời điểm, cả hai bộ biến đổi đều nhận đợc xung điều khiển

mở, nhng chỉ có 1 bộ biến đổi cấp dòng cho động cơ, còn bộ biến đổi kia làm việc ở chế độ đợi.

Hình e: Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối theo sơ đồ chéo điều khiển

chung Hai sơ đồ d, e đợc dùng cho cho dải công suất vừa và lớn có tần số

đảo chiều cao và việc đảo chiều đợc thực hiện êm hơn.

Với truyền động của xe con cầu trục, công suất của truyền động không quá lớn, việc đảo chiều diễn ra với tần số không cao Do đó nếu dùng sơ

đồ T-Đ thì sơ đồ hình b rất tiện dụng, do việc điều khiển là rất đơn giản,

mà lại thoả mãn đợc yêu cầu của công nghệ.

I.4 Nhận xét chung về hệ T-Đ

+ Ưu điểm:

- Do sử dụng các van bán dẫn nên độ tác động nhanh là rất cao.

- Không gây ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuyếch đại công suất rất cao.

- Gọn hơn nhiều so với hệ F-Đ

+ Nhựơc điểm:

- Do các van bán dẫn có tính phi tuyến nên điện áp chỉnh lu có biên độ đập mạch cao, do đó gây tổn thất trong máy điện, gây khó khăn cho việc điều chỉnh sâu tốc độ.

- Làm xấu dạng đặc tính của lới điện vì hệ số cosϕ cảu hệ thấp.

II Hệ điều chỉnh xung điện trở rôto.

II.1 Nguyên lý điều chỉnh:

Trớc hết cần phải nói rằng việc điều chỉnh điện trở roto chỉ áp dụng đợc với động cơ roto dây quấn chứ không sử dụng đợc cho động cơ roto lồng sóc

Nh đã biết, với động cơ roto dây quấn, ta có thể thay đổi đợc độ cứng của

đờng đặc tính cơ bằng cách đa điện trở phụ vào mạch roto động cơ Thực chất của phơng pháp này là điều chỉnh công suất trợt; công suất trợt ở đây đ-

ợc lấy bớt ra và đợc biến thành tổn hao nhiệt năng vô ích trên điện trở

+ Vì độ trợt tới hạn tỷ lệ bậc nhất với điện trở roto nên:

rd f th

th

R

R R

Nếu coi đoạn đặc tính làm việc của động cơ, tức là đoạn có độ trợt từ s=0

ữ sth, là tuyến tính thì khi điều chỉ điện trở roto ta có thể viết:

2 0 2

0

R

R s s R

R s

s

s

rd th

2 2 2

.

2 1

2 2 1

.

3 ] )

' [(

' 3

s

R I X

s

R R

s

R U

m n

mo-điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở roto rất thích hợp với

hệ truyền động có mô-men tải không đổi (x=0) Thực tế, việc thay đổi điện trở roto dùng cấp điện trở ngày nay ít dùng, vì vừa có hiệu suất thấp, độ trơn

điều chỉnh kém, đặc tính điều chỉ lại dốc Vì thế điều chỉnh xung điện trở roto dùng van bán dẫn với các mạch vòng điều chỉnh sẽ tạo đợc đặc tính điều chỉnh cứng và đủ rộng; mặt khác lại dễ tự động hoá việc điều chỉnh

Nguyên lý cơ bản của bộ điều chỉnh xung điện trở roto nh sau:

Hoạt động đóng cắt của khoá bán dẫn S tơng tự nh mạch điều chỉnh xung

áp một chiều:

+ Khi S đóng: R0 bị loại ra khỏi mạch phần ứng, dòng roto tăng lên

+ Khi S ngắt: R0 đợc đa vào mạch, dòng roto lại giảm

Với tần số đóng cắt nhất định, nhờ điện cảm L mà dòng roto coi nh không

đổi và ta có một giá trị điện trở tơng đơng Rtd trong mạch

0 0

0 R

T

t R t t

t R

R

ck

d ng

2

2

R

R f = td = ρ

Nh vậy, điều chỉnh chu kỳ đóng ngắt của S ta thay đổi đợc ρ và từ đó thay

đổi đợc Rf Cho ρ=0 ữ 1, ta dựng đợc họ các đặc tính cơ tơng ứng quét gần

nh mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính tự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ

Rf=R0/2

II.2 Đánh giá và phạm vi ứng dụng:

Có thể nói việc sử dụng phơng pháp xung điện trở roto trong điều chỉnh truyền động, về mặt lý thuyết, là một phơng pháp đơn giản nhất, dễ thực hiện

và vận hành; mạch điều chỉnh cũng rất đơn giản là gồm hai mạch vòng điều chỉnh (tốc độ và dòng điện)

+ Phơng pháp này nh đã phân tích ở trên cũng rất phù hợp với phụ tải có mô-men không đổi nh cơ cấu nâng-hạ cần trục Cụ thể là nó cho phép điều chỉnh để động cơ có mô-men khởi động lớn khi nâng bằng cách thêm một cách hợp lý điện trở và mạch roto trong giai đoạn khởi động; cho phép điều

H3.3: Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi điều chỉnh tần số

M ω

chỉnh trơn và dải điều chỉnh rộng nếu ta tăng điện trở R0 kết hợp với việc dùng một tụ bổ trợ cho việc mở rộng phạm vi điều chỉnh Mặt khác, việc

điều chỉnh đợc tiến hành ở mạch roto nên không gây ảnh hởng đến công suất động cơ tiêu thụ đa vào stato; tức là không gây ảnh hởng đến lới điện và tải khác khi động cơ khởi động nh ở phơng pháp điều chỉnh điện áp stato.+ Tuy vậy, nh đã đề cập ở trên, thực chất của phơng pháp cũng dựa vào việc điều chỉnh công suất trợt nên tổn hao trong khi điều chỉnh không thể tránh khỏi So với phơng pháp nối cấp nó có cấu trúc đơn giản hơn, ít vốn đầu t hơn, nhng lại có tổn thất khi điều chỉnh lớn hơn lại bị tiêu hao vô ích nên nó chỉ sử dụng cho các động cơ có công suất nhỏ và trung

III.1 Nguyên lý điều chỉnh:

Theo lý thuyết máy điện ta có biểu thức:

+ Từ đặc tính cơ ta thấy khi tần só

tăng ( f>fđm), thì mô-men tới hạn lại giảm

(với điện áp giữ không đổi), cụ thể là:

+ Trong trờng hợp tần số giảm, nếu

giữ nguyên điện áp thì dòng điện động cơ

tăng (do f giảm ⇒ X=2πfL cũng giảm ⇒

I tăng), gây ảnh hởng xấu đến các chỉ

tiêu của động cơ Vì vậy để bảo đảm một

số chỉ tiêu mà không làm động cơ bị quá dòng cần phải điều chỉnh cả điện áp

động cơ, cụ thể là giảm điện áp cùng với việc giảm tần số theo quy luật nhất

định

III.2 Các loại biến tần

Gồm hai loại: Biến tần trực tiếp

Biến tần gián tiếp

Biến tần gián tiếp:

Biến tần nguồn áp:

Đặc điểm là điện áp ra trên tải đợc định hình sẵn còn dạng dòng điện tải lại ít phụ thuộc vào tính chất tải Việc điều chỉnh tần số điện áp ra trên tải đợc thực hiện dễ dàng bằng điều khiển qui luật mở van của phần nghịch lu Phơng pháp điều khiển này thay đổi dễ dàng tần số mà không phụ thuộc vào lới

Biến tần nguồn dòng :

Sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy, đã từng đợc sử dụng rộng rãi để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha, rotor lồng sóc Sơ đồ gồm một cầu chỉnh lu và một cầu biến tần, mỗi tiristor đợc nối tiếp thêm một một điôt gọi

II.3.Đánh giá và phạm vi ứng dụng

+ Từ đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh nguồn ta có nhận xét là: Nếu

đảm bảo đợc luật điều chỉnh điện áp – tần số thì ta có mọi đờng đặc tính cơ mong muốn khi giảm tần số Nghĩa là phơng pháp điều chỉnh tần số nguồn cung cấp kết hợp với việc điều chỉnh điện áp stato mở ra khả năng áp dụng cho mọi yêu cầu truyền động

+ Do có khả năng linh hoạt trong việc điều chỉnh cả tốc độ không tải lý ởng và tốc độ trợt tới hạn; cụ thể là khi tốc độ trợt giảm thì tốc độ không tải cũng giảm với tỷ lệ tơng ứng nên phơng pháp này cho phép tổn thất điều chỉnh nhỏ nhất

t-+ Vì việc điều chỉnh tần số yêu cầu phải điều chỉnh cả điện áp nên việc tìm ra quy luật điều chỉnh và trang bị thiết bị điều chỉnh , biến đổi công suất phức tạp ; nói chung giá thành các bộ biến tần có đắt hơn giá thành của các

bộ biến đổi trang bị cho các phơng pháp điều chỉnh khác

So sánh giữa các ph ơng án khả thi

ở phần trên ta đã đi khảo sát những nét đặc thù của mỗi phơng pháp truyền động có thể ứng dụng trong truyền động của cầu trục Để chọn ra một phơng án thích hợp về tính kinh tế và kỹ thuật cũng nh chi phí vận hành dới đây ta sẽ đi so sánh từng mặt của mỗi phơng án

1.Về tính đơn giản trong điều chỉnh

Nh nguyên lý đã đề cập ở phần trên thì ta chỉ việc thiết kế bộ điều chỉnh xung để đóng cắt mạch điện trở ro to là có thể điều chỉnh đợc tốc độ động cơ Việc thiết kế mach điều khiển chỉ để điều khiển một khoá thì rất dễ dàng Việc điều khiển hệ T-Đ có phức tạp hơn do phải điều khiển nhiều van hơn Với phơng pháp điều chỉnh tần số ta còn phải kết hợp với điều chỉnh điện áp theo một quy luật nhất định; điều này làm phức tạp lên rất nhiều so với ph-

ơng pháp xung điện trở

2.Về hiệu suất điều chỉnh, dải điều chỉnh và khả năng khởi động

Nh đã biết phơng pháp điều chỉnh điện trở roto thực chất là phơng pháp

điều chỉnh công suất trợt, nhng ở đây công suất mạch roto không đợc đa tái sinh về nguồn hoặc sử dụng hữu ích mà lại bị tiêu tốn vô ích trên điện trở roto Vì vậy phơng pháp này thực tế cho hiệu suất điều chỉnh thấp (chỉ đạt cỡ 10%); dải điều chỉnh D =10 ữ 1; đặc biệt hiệu suất điều chỉnh lại tỷ lệ nghịch với vùng điều chỉnh Còn phơng pháp điều chỉnh tần số có khả năng giữ cho tổn thất công suất là hằng nên tổn thất điều chỉnh nói chung là thấp nhất trong các phơng pháp áp dụng cho hệ truyền động xoay chiều

Với hệ T-Đ Khi cho làm việc ở chế độ nghich lu, ta hoàn toàn có thể trả công suất d thừa về lới Do đó nó có hiệu suất cao hơn 2 phơng pháp trên Dải điều của phơng pháp này rất sâu do đặc tính cơ của hệ rất cứng.

Dùng hệ T-Đ, ta có momen khởi động là lớn nhất Có khả năng khởi động với momen bằng momen tới hạn Hai phơng pháp còn lại có momen khởi

động nhỏ hơn Khi khởi động cần quan tâm đến giá trị của tải Khi tải quá lớn động có có thể không khởi động đợc

3.Về tính kinh tế của phơng pháp truyền động

Phơng án dùng bộ biến tần để điều chỉnh động cơ roto lồng sóc thực tế là phơng án truyền động kinh tế Mặc dù giá thành các bộ biến đổi tần số có đắt hơn so với giá đầu t cho bộ điều chỉnh xung; nhng bù lạ động cơ kéo tải lại dùng động cơ roto lồng sóc với tín đơn giản về kết cấu, vận hành tin cậy giá thành hạ hơn so với động cơ roto dây quấn sử dụng với bộ điều chỉnh xung Với môi trờng làm việc nặng nề của động cơ truyền động cần trục thì việc xem xét khả năng sử dụng động cơ roto lồng sóc là hợp lý Còn với hệ T-Đ, gía thành của động cơ điện 1 chiều rất đắt nhng bù lại bộ điều khiển lại có giá rẻ hơn, vận hành rất tin cậy

4.Về lĩnh vực ứng dụng, tính tin cậy trong vận hành

Động cơ điện một chiều thờng đợc dùng khi cần độ chính xác cao trong

điều chỉnh Do có sự tách bạch giữa phân ứng và phần cảm của động cơ 1 chiều nên độ tin cậy, rõ ràng trong điều khiển là rất cao

Do khả năng điều chỉnh tần số đa đến khả năng có mọi đặc tính cơ mong muốn nên thực tế phơng pháp điều chỉnh tần số có thể áp dụng cho mọi yêu cầu truyền động Điều đó có nghĩa là việc sử dụng nó cho truyền động cần trục là điều hiển nhiên

Xét về mặt lý thuyết thì phơng pháp điều chỉnh xung điện trở dùng ít thiết

bị hơn trong bộ biến đổi nên có tính tin cậy hơn Nhng thực tế các van sử dụng trong bộ xung áp phải làm việc với tần số đóng mở lớn, lại chịu dòng roto thực tế không bằng phẳng nên luôn làm việc ở chế độ quá độ do vậy mà khả năng hỏng là tăng lên ⇒ độ an toàn tin cậy kém

KL: Từ những so sánh trên cùng yêu cầu thiết kế cầu trục có độ chính xác cao ta quyết định dùng hệ truyền động Thyristor- Động cơ điện một chiều

IV Chọn phơng án điều chỉnh tốc độ.

Đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập, có 2 phơng pháp điều chỉnh tốc độ.

IV.1.Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng

Để điều chỉnh điẹn áp phần ứng của động cơ điện một chiều cần có thiết bị nguồn nh máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lu

điều khiển Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng l… ợng điện xoay chiều thành năng lợng điện một chiều có sức điện động E b điều chỉnh đợc nhờ tín hiệu điều khiển U đk Vì là nguồn có công suất hữu hạn

so với động cơ nên chúng có điện trở trong là Rb và điện cảm Lb khác không.

ở chế độ xác lập có thể viết đợc phơng trình đặc tính cơ của hệ thống nh sau:

E b – E = I(R b + R đ )

u dm

ud b dm

K

R R K

E

φ φ

Vì từ thông của động cơ đợc giữ không đổi nên độ cứng của đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U đk của hệ thống, đặc tính cơ của hệ khi điện áp thay đổi là những đơng thẳng song song với nhau, có độ cứng mềm hơn so với độ cứng của bản thân động cơ

Dải điều chỉnh tốc độ :

1

1 /

) 1 (

max max

dm M

dm o

K

M M

K

M D

β ω β β

ω ω

IV.2 Nguyên tắc điều chỉnh từ thông động cơ

β ω

ω = 0(U dk) −M

Điều chỉnh từ thông động cơ thực chất là điều chỉnh momen của

động cơ và điều chỉnh sức điện động Mạch kích từ là mạch phi tuyến nên

hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến

dt

d r

r

e

k b

+

=

trong đó : r k - điện trở dây quấn kích thích

r b - điện trở nguồn điện áp kích thích

ωk số vòng dây của dây quấn kích thích–

Trong chế độ xác lập:

k b

k

r r

e ik

+

=

Khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng đợc giữ nguyên bằng

định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông là

đặc tính cơ tự nhiên Tức là dải điều chỉnh tốc độ trong phơng pháp này nằm trong khoảng lớn hơn tốc độ định mức.Tuy nhiên tốc độ tối đa của

hệ bị giới hạn bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp cũng nh bởi thiết kế cơ khí của động cơ.

Thực tế cho thấy rằng việc đo từ thông một cách trực tiếp gặp rất nhiều khó khăn, đồng thời cũng do tính chất phi tuyến của hệ điều chỉnh từ thông nên hệ này ít đợc sử dụng trong thực tế Do đó trong đồ án này, với việc sử dụng động cơ điện một chiều, ta sẽ lựa chọn phơng pháp điều chỉnh tốc độ theo điện áp đặt vào phần ứng động cơ.

V Lựa chọn cấu trúc bộ biến đổi cho hệ truyền động T-Đ.

Do điện áp ra có dải điều chỉnh , vì vậy ta phải dùng mạch chỉnh lu có điều khiển

Các ph ơng án chỉnh l u 3 pha:

1.Chỉnh lu tia ba pha có điều khiển

2.Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng

3.Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng

V.1 Chỉnh lu tia ba pha có điều khiển

Do t¶i cã t¶i c¶m lín nªn dßng ®iÖn trªn t¶i lµ liªn tôc, tøc lµ van d·n sÏ vÉn d·n khi ®iÖn ¸p ©m vµ van cßn l¹i cha më.

- Gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p trªn t¶i:

- Gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ngîc trªn van:

U ng = 6 U 2

- Dßng ®iÖn trung b×nh ch¶y qua thiristor:

α α

2

6 3

2

U

IT = Id/3

- Công suất của máy biến áp:

S = (S1 + S2)/2 = 1,345 Pd

Ưu điểm:

- Do điện áp ngợc trên van lớn cho nên nó đợc sử dụng cho tải có yêu cầu

điện áp thấp và dòng điện lớn dễ dàng cho việc chọn van

- Do chỉ có một van dãn nên sụt áp trên van là nhỏ -> công suất tiêu thụ của van nhỏ

- Việc điều khiển mở van là dễ dàng

V.2 Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng:

T5 T3 T1

T6 T4 T2

- Thực ra sơ đồ cầu pha ba đối xứng là hai sơ đồ hình trên 3 pha ghép lại Mỗi sơ đồ hình từ ba pha hoạt động ở một nửa chu kỳ điện áp

- Sơ đồ hình từ ba pha thứ nhất gồm T1, T3, T5 ghép catot chung

- Sơ đồ hình từ ba pha thứ hai ghép anot chung gồm T2, T4, T6

Góc mở α đợc tính từ giao điểm của các nửa hình sin

L>>R dòng tải là liên tục

- Giá trị trung bình của điện áp trên tải:

αα

2

6 3

- Điện áp ra đập mạch nhỏ do vậy mà chất lợng điện áp tốt

- Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van đối xứng

- Điện áp ngợc trên van là lớn nhng do Udo=2,34U2 -> nó có thể đợc

sử dụng với điện áp khá cao

D5 D3 D1

T6 T4 T2

Do L >> R -> dßng t¶i lµ liªn tôc

Gi¸ trÞ ®iÖn ¸p trung b×nh trªn t¶i:

)cos1

(2

- Điện áp tải chỉ có ba đờng cong điện áp trong một chu kỳ so với sáu

đờng cong ở bộ chỉnh lu cầu 3 pha đối xứng Dạng sang điện áp đập mạch bậc ba trong một chu kỳ và thành phần đập mạch của nó lớn hơn ở

bộ chỉnh lu cầu đối xứng

Chọn ph ơng án chỉnh l u thích hợp:

Ta không sử dụng sơ đồ tia 3 pha vì :

- Trong sơ đồ tia 3 pha, hiệu suất sử dụng nguồn xoay chiều thấp : Udo = 1,17

U2 trong khi mạch cầu là Udo= 2,34U2

- Điện áp ra có độ đập mạch lớn: 3 lần trong một chu kỳ, trong khi sơ đồ cầu

là 6 lần trong một chu kỳ

- Hiệu suất sử dụng máy biến thế thấp: Sba = 1,345Pd trong khi hình cầu là

Sba=1,05Pd Do đó máy biến áp cần chế tạo với công suất, dẫn đến không kinh tế

Vì vậy ta chỉ còn chọn một trong hai mạch chỉnh lu: mạch chỉnh lu cầu

ba pha không đối xứng hoặc mạch chỉnh lu cầu ba pha đối xứng.

Xuất phát từ tính chất của tải yêu cầu chất lợng điện áp,dòng điện phải tốt

và u nhợc điểm của từng phơng án → ta chọn mạch chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng Vì những lý do sau :

- Lý do quan trọng nhất là do điện áp ra của bộ chỉnh lu cầu ba pha có 6

đơng cong trong một chu kỳ, so với 3 đờng cong của cầu 3 pha không đối xứng Rõ ràng, tần số đập mạch của cầu 3 pha đối xứng là nhơ hơn, do đó

số sóng hài bậc cao là ít hơn Mà đối với hệ truyền động yêu cầu chất ợng cao thì sóng hài bậc cao có ảnh hởng không tốt đến chất lọng điều chỉnh của hệ

l Ngoài ra còn có một số lý do khác nh :

+ Khi dòng điện tải lớn, điện áp tải cao thì dòng điện trung bình chảy qua van nhỏ và điện áp ngợc trên van nhỏ hơn so với mạch chỉnh lu cầu ba pha không đối xứng

+ Công suất tổn hao trên nhỏ, hiệu suất sử dụng máy biến áp rất tốt.

Kết luận:

Sau qúa trình phân tích u nhợc điểm của từng phơng án thiết kế ta đã tìm

ra đợc một sơ đồ cấu trúc phù hợp nhất để đáp ứng nhu cầu của bài toán

là thiết kế hệ truyền động cho xe con của cầu trục, đó là: Sử dụng động cơ

là động cơ điện 1 chiều Sử dụng bộ biến đổi Thyristor gồm hai 2 bộ chỉnh

lu cầu 3 pha đối xứng, điều khiển riêng Sử dụng phơng pháp điều chỉnh tốc độ là điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ.

Sơ đồ cấu trúc của mạch lực nh sau:

R L E

T6 T4

T2

T5 T3

- Lực cản chuyển động khi tải định mức Fc = 4000(N)

- Lực cản chuyển động khi không tải Fco = 2000(N)

Để tính toán đợc công suất của động cơ, ta giả thiết thêm chiều rộng của nhà xởng là l = 20m Thời gian dỡ tải là t01 = 100s, thời gian lấy tải là t02 = 120s ta tính chọn động cơ trong trờng hợp động cơ làm việc năng nề nhất

Hệ số tiếp điện khi xe chạy với tốc độ thấp nhất là:

02 01

2

100 2

%

t t t

t TD

+ +

=

Trong đó: t – thời gian chuyển động trong một chu kỳ

) ( 400 05 , 0

20

s v

l

% 76 150 100 400 2

100 400 2

+ +

=

Công suất tính trên trục động cơ khi tải bằng định mức

) ( 88 , 4 82 , 0 1000

1 4000

1000

.

KW v

F P

v F P

η 1000

.

=

Trong đó: ηo là hiệu suất của cơ cấu khi chạy không tải

Từ đồ thị về mối mối quan hệ giữa ηc theo tải trọng nh hình vẽ Với chuyển

động của xe con cầu trục, khi chạy không tải, nó có hệ số mang tải là 1/2 do

đó tra đồ thị ta có: ηo = 0,76

) ( 63 , 2 76 , 0 1000

1 2000

1000

.

KW v

F P

63 , 2 88 , 4 5 , 1 2

.

t

t Pco t Pc k

Trong đó: k - hệ số dự trữ đợc láy từ thực tế và kinh nghiệm

Do động cơ có hệ số tiếp điện lớn nhất là 76%, mà thực tế tiêu chuẩn là 25%

Do đó ta phải quy đổi

) ( 8 , 9 25

76 63 , 5

tc

th dm

Tốc độ của động cơ tính từ tốc độ của bánh xe

) / ( 982 18 35 , 0 14 , 3

60 1

D

v i n n

b b

II.1.Tính toán chọn van:

Từ các thông số của động cơ ta có : Uđm = 220(V), Iđm = 84(A) ta tính đợc

điện áp đầu vào của bộ biến đổi

Ta có:

α cos f

U =

Trong đó: K là hệ số biến đổi của sơ đồ với sơ đồ cầu 3 pha đối xứng thì K=2,34 Và để bảo đảm an toàn cho động cơ thì điện áp đầu ra của chỉnh lu ứng với α = 0 bằng điện áp định mức của động cơ

) ( 94 1 34 , 2

220 cos

8433

1

A

I I k

I

V tb

d

Để van làm việc an toàn thì chọn: I V max = k i I V

Chọn: ki =4

⇒Ivmax = 4 Iv = 4.28 = 112(A)

Từ các số liệu trên ta chọn van nh sau:

Chọn Tiristo kí hiệu : 151RC40 có các thông số sau:

Ung.max= 400 (V); Iđm.max= 150 (A); IG=150 (mA); Ug= 3 (V); ∆U =1,4 (V) du/dt = 200,tx = 80às, di/dt = 300

II.2 Tính toán MBA:

II.2.1 Tính các thông số điện áp, dòng điện và công suất máy biến áp:

Chọn MBA 3 pha 3 trụ với sơ đồ đấu Υ/∆ và đợc làm mát bằng không khí tự nhiên

a Điện áp các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp:

- Điện áp cuộn thứ cấp: U2= Uf = 94(V)

- Điện áp sơ cấp bằng điện áp pha nguồn cung cấp: U1 = 220(V)

b Công suất máy biến áp:

Công suất của tải Pdmax = Udo.Id = 220.84 = 18,48(KW)

Công suất của máy biến áp Sba = Ks Pdmax

Trong đó Ks = 1,05 là hệ số công suất của bộ biến đổi

→ Sba = 1,05 18,48 = 19,4(KW)

c Tính dòng điện cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp

Dòng điện cuộn thứ cấp của máy biến áp:

) ( 206 94

II.2.2 Tính toán sơ bộ mạch từ MBA:

a Tiết diện trụ QFe của lõi thép biến áp:

f.m

S.k

KQ: hệ số phụ thuộc vào phơng thức làm mát,

KQ= 4ữ5 nếu là biến áp dầu,

19400

6

f m

S k

Q

b Tính toán dây quấn biến áp:

Số vòng dây của mỗi cuộn đợc tính theo công thức:

B.Q.f.44,4

10.Uw

Fe

4

=

U : Điện áp của cuộn dây cần tính

U.45w

Fe

=

- Số vòng cuộn sơ cấp:

)(

1452

,68

220.45

Q

U w

622,68

94.45

45 2

Q

U w

4,825,2

Trong đó: Qcs – diện tích cửa sổ

Qcs1,Qcs2 – diện tích do cuộn sơ cấp và thứ cấp chiếm chỗ

Scu1, Scu2 – tiết diện dây quấn sơ cấp và thứ cấp

klđ - hệ số lấp đầy thờng chọn 2ữ3.Ta chọn klđ = 2

) ( 116 ) ( 11600 40

145

) ( 56 , 116 ) ( 11656 94

62

) ( 56 ,

Ta chọn cụ thể chiều cao h , chiều rộng c của cửa sổ mạch từ, chiều rộng a,

bề dày b của trụ Kinh nghiệm thờng lấy m = h/a = 2,5; n = c/a = 1 là tối u

) ( 6 , 9

) ( 6 , 9

) ( 24 1

/

5 , 2 /

56 , 232

cm b

cm a

cm c

cm h

d.Khối l ợng của sắt:

) (

2

với C = 2c+3a = 2.9,6 + 3.9,6 = 48

) ( 6 , 114 ) 48 2 24 3 (

2 ,

→

II.3 Tính chọn các thiết bị bảo vệ:

II.3.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn:

Khi làm việc với dòng điện, dòng chạy qua van gây ra tổn hao công suất

∆p, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn Mặt khác van bán dẫn chỉ đợc phép làm việc dới nhiệt độ cho phép T cp nào đó, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế

U S

m

m

Trong đó: ∆p : tổn hao công suất

τ: độ chênh nhiệt so với môi trờng

Chọn nhiệt độ môi trờng: Tmt = 40oC

Nhiệt độ làm việc cho phép của Tiristo: Tcp= 125oC

Nhiệt độ trên cánh toả nhiệt: Tlv = 80oC

→ τ = 80o C - 40oC = 40oC

k m hệ số toả nhiệt bằng đối lu và bức xạ km = 8 (W/m2.C)

40.8

4,149

Chọn loại cánh toả nhiệt có 12 cánh, kích thớc mỗi cánh a.b = 14x14

⇒Suy ra tổng diện tích toả nhiệt:

S = 12.2.14.14 = 4700(cm2)

II.3.2 Bảo vệ Tiristo khỏi mở ngoài mong muốn:

Nếu điện áp đặt trên Tiristor tăng với tốc độ lớn thì Tiristo có thể chuyển

từ trạng thái khoá sang trạng thái mở mặc dù IG = 0 Có thể giải thích nh sau:

Khi Tiristo đặt dới điện áp thuận UAK = U, J2 phân cực ngợc, nó trở thành

1 vùng cách điện và đợc coi nh một tụ J1, J3 phân cực thuận nên gần nh toàn

bộ điện áp nguồn đặt trên J2 , do đó:

dt

du C

II.3.3 Bảo vệ Tiristo khỏi bị đánh thủng:

Khi cho xung mở Tiristo, không phải toàn bộ diện tích mặt ghép dẫn điện

đồng thời Ban đầu chỉ có những điểm lân cận cực G dẫn điện rồi lan dần ra với tốc độ lan truyền khoảng 1cm/100às Xuất hiện các vùng có mật độ lớn

về dòng điện

Nếu di/dt lớn hơn tốc độ lan truyền của dòng điện trong mặt ghép J2 thì

có thể gây ra những vì vùng nóng chảy, mặt ghép J2 bị phá hỏng

R1 1k

C2 1uF T1

T1 E

C1 1uF

T2