TỔNG QUAN VỀ CẦU THANG CUỐN
TỔNG QUAN VỀ CẦU THANG CUỐN
1.1.1 Khái niệm cầu thang cuốn:
Cầu thang cuốn là thiết bị vận chuyển người và hàng hóa, hoạt động như một băng tải với hệ thống bước thang liên tục chuyển động lên xuống Thiết kế của thang cuốn bao gồm các bước thang khớp với nhau qua những khe sâu trên bề mặt, tạo thành một vòng tròn khép kín Mặc dù đường đi chủ yếu là thẳng, một số cầu thang cuốn được thiết kế xoắn ốc nhằm tiết kiệm không gian Mô hình cầu thang cuốn hiện có trên thị trường được minh họa trong hình 1.1.
Hình 1.1: Mô hình cầu thang cuốn thực tế
1.1.2 Ứng dụng cầu thang cuốn:
Cầu thang cuốn được lắp đặt phổ biến tại siêu thị, trung tâm thương mại, ga tàu sân bay, nhà hàng và khách sạn, nhằm vận chuyển hàng hóa và hành khách Ngày nay, cầu thang cuốn cũng được sử dụng rộng rãi trong các hộ gia đình.
Thang cuốn không chỉ là thiết bị vận chuyển hàng hóa và người mà còn góp phần nâng cao vẻ đẹp và tiện nghi cho các công trình Với thiết kế hiện đại, thang cuốn phục vụ cho cả hai chiều di chuyển lên và xuống, mang lại sự thuận tiện tối đa cho người sử dụng.
Thang cuốn hiện đại được sử dụng từng đối với một chiều lên và một chiều xuống.
1.1.3 Cấu tạo thang cuốn và nguyên lý làm việc: a Cấu tạo thang cuốn:
Hình 1.2: Cấu trúc thang cuốn
1.Thiết bị an toàn cho xích dẫn động bậc thang
3.Thiết bị an toàn răng lược
4.Thiết bị bảo vệ dọc lối đi
8.Thiết bị kiểm tra tốc độ
9.Thiết bị an toàn cho xích truyền động
10.Thiết bị bảo vệ quá tải
11.Thiết bị bảo vệ sự chuyển động của bậc bước
16.Xích lăn nối bậc thang
17.Tay vịn b.Nguyên lý làm việc:
Chế độ tự động của cầu thang được trang bị cảm biến ở đầu và cuối, phát hiện sự hiện diện của người dùng Khi có người, cảm biến gửi tín hiệu đến bộ điều khiển, cấp nguồn cho động cơ Động cơ quay kéo xích dẫn động bậc thang nhờ vào bánh răng, tạo ra chuyển động cho bậc thang Khi người dùng ra khỏi cầu thang, cảm biến ở cuối sẽ cắt nguồn cho động cơ, khiến nó dừng quay.
Chế độ điều khiển bằng tay trên thang cuốn cho phép người dùng dễ dàng vận hành Để khởi động thang, chỉ cần nhấn nút "Start" Để di chuyển lên hoặc xuống, hãy ấn nút "Up" hoặc "Down" trên bảng điều khiển Khi cần dừng thang, người dùng chỉ cần nhấn nút "Stop".
Khi có trường hợp khẩn cấp ta có thể ấn nút dừng khẩn cấp được bố trí trên thang.
QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
CẤU TẠO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
Hình 2.1: Cấu tạo động cơ điện xoay chiều 3 pha
Trong đó động cơ không đồng bộ ba pha gồm 2 phần chính: a Phần tĩnh(Stato):
Lõi sắt là bộ phận dẫn từ, được thiết kế để giảm tổn hao năng lượng bằng cách sử dụng các lá thép kỹ thuật điện ép lại Khi đường kính ngoài của lõi sắt nhỏ hơn 90 mm, sử dụng tấm tròn ép; ngược lại, với đường kính lớn hơn, áp dụng các tấm hình rẻ quạt ghép lại Bên trong lõi thép có các rãnh để lắp đặt dây quấn.
Hình 2.2: (a) Lõi thép Stato; (b) Lá thép; (c) Rãnh chứa dây quấn
Rãnh chứa dây quấn có nhiều hình dạng khác nhau Trong đó, phổ biến là rãnh hình thang và rãnh quả lê.
Hình 2.3: Rãnh ở mặt trong Stato
Dây quấn Stato được làm bằng dây điện từ, đặt vào các rãnh của lõi thép Stato và được cách điện tốt với rãnh.
Hình 2.4: (a) Sơ đồ bố trí ba cuộn dây
(b) Dây quấn 3 pha đặt trong rãnh
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ.
Vỏ máy thường được chế tạo từ gang, nhưng đối với các máy có công suất lớn khoảng 1000kW, thường sử dụng thép tấm hàn để tạo thành vỏ Hình dạng của vỏ máy cũng thay đổi tùy thuộc vào phương pháp làm nguội được áp dụng.
Hình 2.5: Vỏ máy động cơ không đồng bộ 3 pha b Phần quay(Roto):
Roto có hai loại chính: Roto kiểu dây quấn và roto kiểu lồng sóc.
Dây quấn roto được làm từ dây điện từ, tương tự như dây quấn Stato, với ba pha giống nhau được đặt trong các rãnh của lõi thép roto Ba đầu dây bên trong roto được nối sao, trong khi ba đầu dây còn lại được kết nối với ba vành trượt bằng đồng thau, cố định ở một đầu trục roto Qua chổi than, dây quấn roto kết nối với các điện trở phụ trong mạch ngoài để khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ Trong quá trình hoạt động bình thường, dây quấn roto luôn được nối kín mạch.
Hình 2.6: (a) Roto kiểu dây quấn
(b) Sơ đồ mạch điện của roto kiểu dây quấn
Dây quấn là các thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm được lắp đặt trong rãnh của lõi thép Roto Những thanh dẫn này được kết nối ngắn mạch ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch, tạo thành hình dạng giống như lồng nuôi sóc, do đó được gọi là roto lồng sóc.
Hình 2.7: (a) Roto kiểu lồng sóc(b) Roto kiểu lồng sóc rãnh chéo
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA: 10 2.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA:13 2.4 CÁC YÊU CẦU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Xét stato động cơ không đồng bộ ba pha đơn giản có 6 rãnh, trên stato được bố trí ba cuộn dây Ax, By và Cz.
Khi kết nối dây quấn stato với nguồn điện 3 pha có tần số f, hệ thống dòng điện 3 pha (i su, i sv, i sw) sẽ xuất hiện trong dây quấn stato Điều này dẫn đến việc dây quấn stato tạo ra từ trường quay với tốc độ n.
p: số đôi cực từ của dây quấn.
Hình 2.8: Từ trường quay stato và sự hình thành các cực từ.
Khi từ trường quay tác động lên dây quấn roto trong động cơ không đồng bộ, nó tạo ra sức điện động cảm ứng E2 Do dây quấn roto được nối ngắn mạch, E2 sinh ra dòng điện I2 trong các thanh dẫn roto, với chiều của I2 xác định theo quy tắc bàn tay phải Dòng điện I2 cũng tạo ra từ trường quay với tốc độ n1, cùng chiều với từ trường stato Tổng từ trường trong khe hở không khí của máy là sự kết hợp của từ trường do dòng điện stato và dòng điện roto, cũng với tốc độ n1 Từ trường này tác động lên dòng điện I2 và tạo ra lực F, với chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái Các lực này tác động lên thanh dẫn theo phương tiếp tuyến với bề mặt roto, tạo ra mômen quay và khiến roto quay cùng chiều với từ trường nhưng với tốc độ n2 nhỏ hơn n1 Sự chênh lệch giữa tốc độ từ trường và tốc độ roto được gọi là tốc độ trượt (n).
1 Đây chính là hệ số trượt của động cơ.
Hình 2.9:Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 3 pha
Khi s = 0, tức là n1 = n2, tốc độ của roto tương đương với tốc độ từ trường, điều này được gọi là chế độ không tải lý tưởng, nơi không có bất kỳ sức cản nào tác động lên trục Trong chế độ không tải thực tế, giá trị s sẽ khác với 0.
0 vì có một ít sức cản gió, ma sát do ổ bi …
Khi hệ số trượt bằng s = 1, lúc đó roto đứng yên (n 2 = 0), momen trên trục bằng momen mở máy.
Hệ số trượt ứng với tải định mức được gọi là hệ số trượt định mức, và tốc độ động cơ tương ứng với hệ số này được xem là tốc độ định mức.
Tốc độ của động cơ không đồng bộ được tính theo công thức: n2 = n1 * (1 - s) Một điểm nổi bật của động cơ không đồng bộ là dây quấn roto không được kết nối trực tiếp với lưới điện; thay vào đó, sức điện động và dòng điện trong roto được tạo ra nhờ hiện tượng cảm ứng Do đó, động cơ này thường được gọi là động cơ cảm ứng.
Tần số dòng điện trong roto rất nhỏ, nó phụ thuộc vào tốc độ trượt của roto so với từ trường: f 2 p * n 1n 2
Động cơ không đồng bộ có khả năng hoạt động như máy phát điện khi được quay bởi một động cơ khác với tốc độ cao hơn tốc độ đồng bộ, và các đầu ra của nó được kết nối với lưới điện Ngoài ra, động cơ này cũng có thể hoạt động độc lập nếu được kích thích bằng các tụ điện Đặc biệt, động cơ không đồng bộ có thể được cấu tạo thành động cơ một pha, tuy nhiên động cơ một pha không thể tự khởi động và cần các phần tử khởi động như tụ điện hoặc điện trở để bắt đầu hoạt động.
2.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA:
2.3.1 Hệ số trượt: Để biểu thị mức độ đồng bộ giữa tốc độ quay của Roto n 2 và tốc độ của từ trường quay
Hay tính theo phần trăm:
Xét về mặt lý thuyết giá trị S sẽ biến thiên từ 0 đến 1 hoặc từ 0 ÷ 100% Trong đó: n 1 = 60 n 2 = n 1 *(1 – s)
2.3.2 Sức điện động của mạch roto lúc đứng yên:
Trong đó: Φ m trị số cực đại của từ thông trong mạch từ.
K2 là hệ số dây quấn của roto trong động cơ Tần số f20 được xác định dựa trên tốc độ biến đổi của từ thông quay qua cuộn dây Do roto đứng yên, tần số f20 sẽ bằng với tần số dòng điện đưa vào, tức là f1.
2.3.3 Sức điện động khi roto quay:
Tần số trong dấy quấn Roto là: f 2s = ( 1− ) = 1 − x 1
Vậy f 2s = sf 1 Sức điện động trên dấy quấn lúc đó là:
E 2s = 4,44f 2s W 2 K 2 Φ m Với f 2s = sf 1 thế vào (2.10), ta được:
2.3.4 Đặc tính cơ của động cơ điện không đồng bộ:
Phương trình đặc tính cơ:
Biểu thức (1) là phương trình đặc tính cơ, thể hiện mối quan hệ giữa m và n, được ký hiệu là m = f(n) Khi lấy đạo hàm của Momen theo hệ số trượt và thiết lập d m /d s = 0, ta xác định được hệ số trượt tương ứng với momen tới hạn, ký hiệu là m t, được gọi là hệ số trượt tới hạn.
Do đó ta có biểu thức momen tới hạn:
Ta có dạng đơn giản của phương trình đặc tính cơ như sau:
Đối với động cơ Roto lồng sóc có công suất lớn nhất thì r 1 thời gian để lên 1 bậc thang là:
=> Số bậc thang đi trong 1 giờ là: 3600
1,2 3000 (bậc/h)Với tải trọng 5000 (người/h) => số người trên mỗi bậc thang với tải trọng 5000 (người / h) là:
Công suât trên trục động cơ khi tải trọng là 5000 (người/h) là: A
Tương tự công suất trên trục động cơ khi tải trọng lần lượt là 0, 1000, 3000 là:
Bảng 4.1: Công suất trên trục động cơ khi tải trọng thay đổi
Công suất trên trục động Tải trọng (người/h) n (người/ bậc) cơ (kW)
Tính toán công suất động cơ và biến tần tương ứng
Công suất động cơ truyền động băng tải được xác định theo công thức được trình bày trong sách "Trang bị điện-điện tử máy công nghiệp dùng chung" của tác giả Vũ Quang Hồi, Nguyễn Văn Chất và Nguyễn Thị Liên Anh, cụ thể là công thức 5-14 ở trang 68.
P dc : công suất động cơ (kW) k 3 : hệ số dự trữ về công suất (k 3 =1,2-1,5)
Tra bảng 2.3 trị số hiệu suất của các loại bộ truyền và ổ (sách “Tính toán thiết kế hệ
K 0, 99 : hiệu suất nối trục di động
0,97 : hiệu suât 1 cặp bánh rang trong hộp giảm tốc
0, 93 : hiệu suất bộ truyền xích
Vậy công suất động cơ là:
Tra bảng P1.1 (phụ lục trang 234 sách “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ cơ khí - tập 1- Trịnh Chất- Lê Văn Uyển) với P dc =7,157 kW Ta chọn động cơ
Công suất Vân tốc quay
Kiểu (vòng/phút) động cơ kW Mã lực 50Hz
Chọn động cơ thực tế:
Hình 4.2: Thông số động cơ Chọn biến tần:
Việc lựa chọn biến tần phù hợp với loại tải của máy móc là rất quan trọng Trước tiên, bạn cần xác định loại tải, bao gồm tải nhẹ, tải nặng, hoặc tải trung bình, cũng như chế độ vận hành của thiết bị, có thể là ngắn hạn hoặc dài hạn.
- Tải được xác định nặng hay nhẹ chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người vận hành máy móc
- Chế độ vận hành cũng quyết định rất lớn đến việc chọn lựa biến tần.
Chế độ ngắn hạn yêu cầu biến tần điều khiển động cơ có khả năng tăng tốc, giảm tốc, chạy, dừng hoặc đảo chiều quay liên tục Để đáp ứng nhu cầu này, cần lựa chọn biến tần có khả năng chịu quá tải cao và đế tản nhiệt lớn.
Chế độ dài hạn giúp duy trì tốc độ cố định trong quá trình vận hành, mang lại sự ổn định và bền bỉ cho hệ thống Lựa chọn đúng loại biến tần không chỉ cải thiện hiệu suất làm việc mà còn tiết kiệm chi phí đầu tư đáng kể.
- Một bộ biến tần tải nặng có giá cao hơn 30% so với loại biến tần tải nhẹ và tải thường.
=> Thang cuốn là thiết bị vận tải liên tục (chế độ dài hạn) => chọn biến tần Công suất động cơ: ≥ ⇔ ≥ 7,157 kW Chọn biến tần SV075IG5A-4 với P bt =7,5kW.
Chọn biến tần thực tế:
Hình 4.3: Biến tần SV075IG5A-4
Hình 4.4: Mã và thông số biến tần IG5A
4.3.1 Sơ đồ khối cho hệ thống điều khiển tốc độ cho thang cuốn:
Hình 4.5: Sơ đồ điều khiển tốc độ thang cuốn
4.3.2 Kết nối thiết bị cho hệ thống truyền động thang cuốn:
- Sơ đồ kết nối biến tần:
Hình 4.6: Sơ đồ kết nối biến tần IG5A
- Sơ đồ đi dây hệ thống thang cuốn:
Hình 4.7: Sơ đồ nối dây
4.3.3 Mô hình hóa hệ thống truyền động thang cuốn:
Tính Moment khi tải trọng thay đổi 1000, 3000, 5000 (người/h).
T: Moment động cơ (N.m) n: tốc độ động cơ (vòng/phút)
Bảng 4.3: Moment động cơ khi tải trọng thay đổi
Tải trọng Công suất tải Công suất động
- Moment tối đa khi tải trọng là 5000 người/h: 47,46 N.m;
- Vận tốc của động cơ: 1450 Vòng/phút;
- Động cơ trong matlab: 10HP (7,5 kW), 400V, 50Hz, 1450 RPM.
Hình 4.8: Mô hình điều khiển thang cuốn sử dụng biến tần
Hình 4.9: Đáp ứng Moment và tốc độ động cơ
Trong quá trình hoạt động, tốc độ cài đặt đạt định mức với moment bắt đầu thay đổi từ 5-10 giây khi tải trọng là 1000 người/h Sau khoảng 10-15 giây, moment đạt giá trị định mức tương ứng với tải trọng 5000 người/h Tiếp theo, trong khoảng 15-20 giây, moment đạt 50% giá trị định mức, và trong khoảng 20-30 giây, giá trị moment là 28,26 N.m, tương ứng với tải trọng cụ thể.
4.3.4 Ghi nhận kết quả điều khiển tốc độ thang cuốn khi số lượng người lên thang cuốn có sự thay đổi
Theo kết quả mô phỏng, khi số lượng người sử dụng thang cuốn thay đổi, hệ thống xuất hiện hiện tượng dao động tốc độ Sự ổn định của hệ thống sẽ trở lại và tốc độ sẽ điều chỉnh tùy thuộc vào mức độ thay đổi tải trọng.
Trong khoảng thời gian từ 5 đến 10 giây, hệ thống bắt đầu tải trọng 1000 người/h Lúc này, tốc độ của thang cuốn vẫn đang trong quá trình điều chỉnh và có sự dao động khi thay đổi tải trọng Thời gian để tốc độ bắt đầu ổn định khoảng 4 giây.
Từ khoảng thời gian 10-15s thì hệ thống thay tải trọng 1000 (người/h) thành
5000 (người/h) thì tốc độ thang cuốn dao động khoảng 1410 (vòng/phút) và mất khoảng 2s để ổn định lại.
Trong khoảng thời gian từ 15 đến 20 giây, hệ thống thay đổi moment đạt 50% giá trị định mức, dẫn đến tốc độ thang cuốn dao động tăng lên khoảng 1465 vòng/phút và cần khoảng 1,6 giây để ổn định trở lại.
Trong khoảng thời gian từ 20 đến 30 giây, hệ thống ghi nhận giá trị moment là 28,26 N.m với tải trọng 3000 người/h Tốc độ thang cuốn dao động khoảng 1445 vòng/phút và cần khoảng 1 giây để ổn định trở lại.
Vậy khi tải trọng của hệ thống thay đổi càng nhiều thì mức độ dao động của hệ thống càng lớn và thời gian ổn định càng lâu.
