ĐỒ án môn học điều KHIỂN hệ THỐNG điện CÔNG NGHIỆP mô phỏng matlabsimulink cho hệ thống thang cuốn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO  - ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Đề tài : SV THỰC HIỆN: Nguyễn Đoàn Anh Khoa Nguyễn Quang Khải MỤC LỤC CHƯƠNG I : MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài : Mục tiêu đề tài : Nội dung đề tài : CHƯƠNG II : TỔNG QUANG VỀ THANG CUỐN Khái niệm thang : Ứng dụng thang : Phân loại cầu thang : 3.1 Phân loại theo công dụng : 3.2 Phân loại theo hình dạng đường : 3.3 Phân loại theo thông số : 3.4 Phân loại theo mức độ tự động : Lịch sử phát triển cầu thang : Các thiết bị cấu thang : 5.1 Nguồn lực : 5.2 Hộp giảm tốc : 5.3 Băng thang : 5.4 Lang cang tay vịn thang : 5.5 Lớp áo bọc cầu thang : 5.6 Cảm biến tốc độ : CHƯƠNG III : ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Cấu tạo : Nguyên lý : Đặc tính : CHƯƠNG IV : BIẾN TẦN Ứng dụng : Phân loại : 3 Cấu tạo biến tần : 15 Nguyên lý hoạt động : 16 Lợi ích : 17 CHƯƠNG V : THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANG CUỐN .18 Tính tốn cơng suất tải trục động tải trọng thang thay đổi 0, 1000, 3000, 5000 : 18 Tính tốn cơng suất động biến tầng tương ứng : .19 Sơ đồ khối cho hệ thống điều khiển tốc độ thang : 22 Đề xuất kết nối thiết bị cho hệ thống truyền động thang : 22 Mô hệ thống truyền động thang : 24 Ghi nhận kết điều khiển tốc độ thang số lượng người lên thang có thay đổi : 25 CHƯƠNG VI : KẾT LUẬN 27 CHƯƠNG I : MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài : Hệ thống thang phương tiện phổ biến, giúp người di chuyển dễ dàng tầng tòa nhà theo phương thức dạng băng chuyền (băng tải) Hệ thống thang gồm tập hợp bậc thang di chuyển liên tục, bước gối lên luân phiên theo chiều lên xuống tạo thành vịng khép kín khe rãnh bậc thang thiết kế so le, ăn khớp với Ngày với phát triển quy mô dân số không ngừng, quỹ đất ngày hạn hẹp, nên xuất nhiều tịa nhà cao tầng Đi đơi với việc xây dựng tòa nhà cao tầng thành phố vấn đề chở người chở hàng hóa quan tâm Vì vấn đề đặt cần phải thiết kế hệ thống thang thật tối ưu quan tâm 2.Mục tiêu đề tài : - Nguyên cứu nguyên lý điểu khiển động KĐB - Mô hệ thống truyền động điện phần mềm Matlab/Simulink - Nâng cao tính linh hoạt điều khiển vận hành dây chuyền truyện động Chính đề tài giúp em hiểu rõ vấn đề điều khiển động để vận hành cách trơn tru, xác, đem lại hiệu qua cao 3.Nội dung đề tài : - Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý làm việc động KĐB Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý làm việc biến tần Tính tốn chọn động cơ, biến tần phù hợp cho hệ thống thang Mô Matlab/Simulink cho hệ thống thang CHƯƠNG II : TỔNG QUANG VỀ THANG CUỐN Khái niệm thang : Cầu thang thiết bị vận chuyển người, hàng hóa dạng băng tải Thangcuốn bao gồm hệ thống bước thang chuyển động lên hay xuống dướiliên tục luân phiên thành vịng trịn khép kín, ăn khớp với khesâu bề mặt Đường thang chủ yếu đường thẳng số khácđược thiết kế theo dạng xoắn ốc để tiết kiệm diện tích Hình 1.1 Mơ hình thang Ứng dụng thang : Cầu thang thường lắp đặt siêu thị, trung tâm thương mại,các gatàu sân bay, nhà hàng, khách sạn… để vận chuyển hàng hóa hành khách Hiện nay,cầu thang sử dụng rộng rãi nhà dân dụng Ngoài ý nghĩa thiết bị vận chuyển hàng hóa người cầu thang làmột yếu tố làm tăng vẻ đẹp tiện nghi cơng trình.Thang đại sử dụng đôi với chiều lên chiều xuống Phân loại cầu thang : Thang thiết kế, chế tạo đa dạng với nhiều kiểu loại khác để phù hợp với mục đích sử dụng cơng trình 3.1 Phân loại theo cơng dụng : + Cầu thang bậc thang dùng vận chuyển người + Cầu thang dạng băng tải vận chuyển người hàng hóa 3.2 Phân loại theo hình dạng đường : + Cầu thang di chuyển thẳng phổ biến thường thấy siêu thị,trung tâm thương mại + Cầu thang dạng xoắn ốc phổ biến 3.3 Phân loại theo thông số : + Theo độ cao + Theo góc nghiêng + Theo chiều dài thang + Theo dung lượng vận chuyển 3.4 Phân loại theo mức độ tự động : + Bán tự động + Tự động 4.Lịch sử phát triển cầu thang : Cầu thang ngày có mục đích sử dụng hình dáng tương đồng với loại cầu thang ngành kiến trúc Cầu thang phần kiến trúc nhà có lịch sử lâu đời lịch sử ngành kiến trúc.Và khó nói xác năm có cầu thang, người ta tin chúng xuất vào khoảng năm 6000 trước cơng ngun Cầu thang ln thay đổi hình dáng qua nhiều thời kì kiến trúc khác Mẫu cầu thang lịch sử chế tạo gỗ Với hình dáng thơ sơ đơn giản Trong lịch sử cầu thang gần đây, mẫu cầu thang xoắn ốc đời sử dụng với mục đích tiết kiệm diện tích Có thể nói cầu thang đời kỉ thứ 19, động nước(1860), động điện chiều (1870), động điện xoay chiều (1889) đời Vào cuối kỉ 19, Peter Nicholson phát hệ thống toán học cho cầu thang vịn Năm 1920 hệ khí truyền động điện đời Những kĩ thuật phương pháp điều kiển động điện không ngừng phát triển, cầu thang dùng hộp giảm tốc bánh kết hợp với động điện đời Năm 1935, hệ khí với điều khiển tự động đời với hệ điều khiển tốc độ phức tạp phối hợp đóng ngắt để điều khiển an tồn tốc độ Vào thời đại máy tính kĩ thuật vi điều khiển kết hợp với loại cảm biến làm tăng hiệu làm việc tính an tồn thang Sự phát triển vật liệu(thủy tinh, thép không rĩ ,titan, nhựa tổng hợp…) tạo kiểu thiết kế cầu thang có tính thẩm mĩ cao an tồn ngày Cầu thang trở thành trung gian kĩ thuật kiến trúc mỹ thuật, tơ điểm trang hồn lộng lẫy cơng trình xây dựng Các thiết bị cấu thang : 5.1 Nguồn lực : Nguồn động lực có vai trị quan trọng tất hệ thống truyền động Nócung cấp toàn lượng cho hệ thống hoạt động Đối với cầu thang nguồn động lực sử dụng động điện khơng đồng xoay chiều pha380– 220V, pha đơn 220V với tần số 50 – 60Hz Vì động giữ vai trị quan trọngnên việc lựa chọn động cho hệ thống cầu thang phải đảm bảo điều kiện sau: -Công suất động phải lớn công suất cần thiết hệ thống -Tốc độ động phải phù hợp để đơn giản việc thiết kế giảmtố, phải đảm bảo mặt kinh tế kích thước khối lượng ( tốc độ động có ảnh hưởng lớn đến giá thành, khối lượng kích thước động cơ) -Có khả tải thời gian ngắn -Momen khởi động phải đủ lớn để thắng momen cản ban đầu -Động khơng q nóng làm việc thời gian dài 5.2 Hộp giảm tốc : Hộp giảm tốc phận phổ biến quan trọng hầu hết máy móc khí Trong hệ thống cầu thang hộp giảm tốc sử dụng giảm tốc độ từ trục động đến băng tải thang Do cầu thang không cần độ tự hãm lớn nên hãng chế tạo thường sử dụng truyền bánh nghiêng kết hợp truyền xích.Vìthế việc thiết kế hộp giảm tốc cần phải tiến hành cẩn thận, tính tốn kinh tế theo phương án thích hợp Thơng thường thiết kế hộp giảm tốc cần thỏa mãn hai điều kiện sau: Hình 1.2 : Hộp giảm tốc + Hộp giảm tốc thiết kế phải thảo mãn tiêu làm việc chủ yếu sức bền, độ bền mòn, độ cứng… + Giá thành chế tạo rẻ nhất, nhỏ gọn thẩm mĩ Ngoài yêu cầu khả làm việc chủ yếu, hộp giảm tốc thiết kế cần thõa mãn điều kiện kĩ thuật bản: + Cơ sở hợp lý để chọn kết cấu chi tiết phận máy + Những yêu cầu tháo lắp, sữa chữa ( tháo lắp điều chỉnh thuận lợi, giảmkhối lượng nguyên công tay lắp ráp thời gian tháo láp…) + Hình dạng cấu tạo chi tiết phù hợp với phương pháp chế tạo phôi gia công sản lượng cho trước + Tiết kiệm nguyên vật liệu + + xúc + Dùng rộng rãi chi tiết, phận máy tiêu chuẩn hóa Đảm bảo bôi trơn thường xuyên chỗ ăn khớp, bề mặt tiếp Bảo đảm dung sai lắp ghép chi tiết 5.3 Băng thang : Gồm mắc xích thang ăn khớp với khe sâu bề mặt trượt lên Mỗi mắc xích thang có hai dãy lăn Nhờ vào hai dãy lăn trượt hai băng dẫn hướng khác mà mắc xích thang tạo nên bậc thang di chuyển đoạn đường làm việc thang Hình 1.3 : Băng thang mắc xích thang Băng dẫn hướng ngồi nhiệm vụ dẫn hướng cho lăn tạo nên hành trình mắc xích thang cịn nơi chịu tải trọng làm việc thang Khuôn dẫn hướng ngồi nhiệm vụ dẫn hướng cịn giúp cho cáccon lăn mắc xích thang dễ dàng ăn khớp với bánh bị dẫn bánh dẫn tạo chuyển động liên tục luân phiên thành vòng khép kín cụm mắc xích thang Nhờ tạo nên chiều chuyển động lên hay xuống thang Băng dẫn hướng, khuôn dẫn hướng gắn cố định vào khung gia cố Khung gia cố phải thiết kế vững chịu tác dụng toàn tải trọng làm việc tải trọng thang Khung gia cố đối tượng trung gia nđể liên kết thang với với kết cấu xây dựng cơng trình 5.4 Lang cang tay vịn thang : Khác với loại lan can cầu thang cố định truyền thống Lan can cầu thang thiết kế gồm có lan can cố định bố trí thêm hệ thống băng đai chạy thành vịng khép kín với vận tốc với bậc thang Chính nhờ băng đai giúp cho hành khách cảm thấy an toàn thang, đồng làm tăng thêm tính thẩm mỹ tồn hệ thống cầu thang Hình 1.4 : Lang cang tay vịn thang Băng đai hoạt động dựa vào hai bánh xe trụ chốt tay vịn cầu thang với hai bánh dẫn căng đai tạo nên chuyển động thành vịng khép kín băng đai 5.5 Lớp áo bọc cầu thang : -Lớp áo bọc có nhiệm vụ che chắn tồn hệ thống truyền động hệthống Nó giúp ngăn cản bụi rơi vào cấu ăn khớp bên Có thể làm giảm tiếng ồn phát bên hệ thống làm việc -Lớp áo bọc phần quan trọng để tạo nên yếu tố thẩm mỹ cho toàn cầu thang 5.6 Cảm biến tốc độ : Cảm biến tốc độ thiết bị dùng để kiểm tra tốc độ thang Sau đó, đưa thơng số vận tốc tín hiệu điện áp hay dịng điện cung cấp cho điều khiển trung tâm để xử lý đưa tín hiệu điều khiển động đảm bảo vận tốc làm việc thang theo yêu cầu điều kiện bên thay đổi Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động xoay chiều khơng đồng gồm có: + Điều chỉnh tốc độ động xoay chiều không đồng cách thay đổi điện trở phụ mạch rôto + Điều chỉnh tốc độ động xoay chiều không đồng cách thay đổi điện áp stato + Điều chỉnh tốc độ động xoay chiều không đồng cách thay đổi số đôi cực(p) + Điều chỉnh tốc độ động xoay chiều không đồng cách thay đổi tần số điện áp Thông thường thay tần số để điều chỉnh tốc độ động người ta thường kết hợp thay đổi điện áp stato Truyền động có đặc tính cứng tốc độ thay đổi moment biến đổi lớn, ngược lại truyền động có đặc tính mềm tốc độ thay đổi nhiều moment tăng Hình 2.3 : Độ cứng đặc tính + Đường 1: Đặc tính mềm + Đường 2: Đặc tính cứng + Đường 3: Đặc tính tuyệt đối cứng Động khơng đồng đặc biệt động Rotor lồng sóc thường chế tạo theo số tiêu chuẩn định Tùy heo tiêu chuẩn riêng quốc gia có quy chuẩn khác cho ĐCKĐB Người ta thiết kế hệ thống chọn loại động có đặc tính với u cầu Với ĐCKĐB Rotor dây quấn ưu điểm hêm điện trở vào mạch Rotor dễ dàng, động thường chế tạo với điện trở Rotor thấp để tăng hiệu suất làm việc Khi khỏi động điện trở phụ thêm vào động để tăng moment khởi động đến mức yêu cầu, ta đưa nguồn điện áp vào Rotor để điều khiển tốc độ động Tuy nhiên loại động có nhiều khuyết điểm với Rotor lồng sóc: giá thành cao, cần bảo dưỡng chổi than vành trượt, khó sử dụng mơi trường khắc nghiệt dễ cháy nổ Chính lí mà khơng sử dụng cách thơng dụng ĐCKĐB Rotor lồng sóc Phương trìn đặc tính ĐCKĐB có dạng: = Trong đó: U1: Điệp áp pha nguồn đặt vào dây quấn Stato 0: Tốc độ đồng RS, R’r, Xnm: thông số Rotor Stator 14 CHƯƠNG IV : BIẾN TẦN Biến tần hay gọi Inverter dùng để chuyển dổi điệp áp dòng xoay chiều đầu vào từ tần số thành điện áp dòng xoay chiều tần số khác đầu Ứng dụng : Điều khiển vận tốc động xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, tốc độ ĐCKĐB tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp Do ta thay đổi tần số cung cấp cho động kéo theo thay đổi tốc độ đồng tương ứng tốc độ động Ngồi việc thay đổi tần số cịn có việc thay đổi tổng số pha Từ nguồn lưới pha cộng với giúp đỡ biến tần ta mắc vào tải động pha Bộ biến tần sử dụng rộng rãi kĩ thuật nhiệt Bộ biến tần trường hợp cung cấp lượng cho lò cảm ứng 2.Phân loại : - Biến tần thường chia thành biến tần AC biến tần DC - Biến tần AC: sử dụng cách rộng rãi, chúng thiết kế để điều khiển tốc độ động xoay chiều AC - Biến tần DC: kiểm xoát rẽ nhanh động điện chiều - Ngoài ta phân loại biến tần theo cơng suất đáp ứng cho tải, ứng dụng đặc biệt biến tần thang máy, lượng mặt trời, cầu trục,… 3.Cấu tạo biến tần : Bên biến tần phận có chức nhận điện áp đầu vào có tần số cố định để biến đổi thành điện áp có tần số thay đổi để điều khiển tốc độ động Các phận biến tần bao gồm chỉnh lưu, lọc, nghịch lưu IGBT, mạch điều khiển Ngồi biến tần tích hợp thêm số phận khác như: điện kháng xoay chiều, điện kháng chiều, điện trở hãm (điện trở xả), bàn phím, hình hiển thị, module truyền thơng, 15 Hình 4.1 : Sơ đồ mạch bên biến tần Nguyên lý hoạt động : Đầu tiên, nguồn điện pha hay pha chỉnh lưu lọc thành nguồn chiều phẳng Công đoạn thực chỉnh lưu cầu diode tụ điện Điện đầu vào pha pha, mức điện áp tần số cố định (ví dụ 380V 50Hz) Điện áp chiều biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều pha đối xứng Mới đầu, điện áp chiều tạo lưu trữ giàn tụ điện Tiếp theo, thơng qua q trình tự kích hoạt thích hợp, biến đổi IGBT (viết tắt tranzito lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giống công tắc bật tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu biến tần) tạo điện áp xoay chiều pha phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Hình 4.2 : Sơ đồ nguyên lý 16 5.Lợi ích : - Dễ ràng thay đổi tốc độ động cơ, đảo chiều quay động - Giảm dòng khởi động so với phương pháp khởi động trực tiếp, khởi động saotam giác nên không gây sụt áp khó khởi động - Quá trình khởi động thơng qua biến tần từ tốc độ thấp giúp cho động mang tải lớn khởi động đột ngột, tránh hư hỏng phần khí, ổ trục, tăng tuổi thọ động - Sử dụng biến tần giúp tiết kiệm lượng đáng kể so với phương pháp chạy động trực tiếp - Biến tần thường có hệ thống điện tử bảo vệ dòng, bảo vệ áp thấp áp, tạo hệ thống an toàn vận hành - Nhờ nguyên lý làm việc chuyển đổi nghịch lưu qua diode tụ điện nên công suất phản kháng từ động thấp, giảm dịng đáng kể q trình hoạt động, giảm chi phí lắp đặt tụ bù, giảm thiểu hao hụt điện đường dây - Biến tần tích hợp module truyền thông giúp cho việc điều khiển giám sát từ trung tâm dễ dàng 17 CHƯƠNG V : THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THANG CUỐN ❖ Thông số băng tải : Chiều cao (m) Tính tốn cơng suất tải trục động tải trọng thang thay đổi 0, 1000, 3000, 5000 : P= Trong đó: P: cơng suất tải (kW) m: g: khối lượng người (70 kg) gia tốc trọng trường (9,8 m/s2) n: số người bậc thang (người/ bậc) RE chiều cao thang RS: bước tăng bậc thang (thường 0.25m) : góc nghiên thang Ta có : Độ rộng bậc thang 0,6 m với vận tốc đề cho 0,5 m/s + + Thời gian qua bậc thang : step = 0,60,5 = 1,2 3600 Số bạc thang hết : 1,2 = 3000 ( bậc/h ) + Vậy với tải trọng 5000 (người/h) ta số người bậc thang với tải trọng 5000 (người / h) là: = 5000 3000 = 1,67 (người/bậc) 18 + Công suât trục động tải trọng 5000 (người/h) là: = Tương tự công suất trục động tải trọng 0, 1000, 3000, ta có: Tải trọng (người/h) 1000 3000 5000 2.Tính tốn cơng suất động biến tầng tương ứng : + Cơng suất động truyền động băng tải tính theo cơng thức sau: = Trong đó: Pdc: cơng suất động (kW) k3: hệ số dự trữ công suất ( khoảng 1,2-1,5 nên ta chọn k3= 1,25 ) : hiệu suất truyền động ( 0,83 ) Ta có cơng suất động : ❖ = 1,25.5,25 0,83 = 7.9 kW Vậy ta chọn động điện pha- 11kW-15Hp Hình 5.1 : Động 19 ❖ - Lựa chọn biến tầng : Đầu tiên bạn phải xác định tải máy móc bạn sử dụng tải nhẹ tải nặng hay tải thông thường (dựa kinh nghiệm thực tế người vận hành máy móc) Từ bạn chọn loại biến tần chịu tải nặng hay nhẹ cho phù hợp với yêu cầu thực tế - Chế độ ngắn hạn: dùng biến tần để điều khiển tăng tốc, giảm tốc, chạy dừng, đảo chiều quay chiều động liên tục Trông trường hợp bạn cần chọn biến tần có khả làm mát cao 20 - Chế độ dài hạn: đặt tốc độ cố định chạy thay đổi q trình vận hành Ta chọn biến tầng có cơng suất lớn cơng suất động : ⇒ ≥ 7.9 kW ⇒ = 11kW Hình 5.2 : Biến tầng 21 ≥ 3.Sơ đồ khối cho hệ thống điều khiển tốc độ thang : Hình 5.3 : Sơ đồ khối 4.Đề xuất kết nối thiết bị cho hệ thống truyền động thang : Hình 5.4 : Sơ đồ mạch động lực 22 Hình 5.5 : Sơ đồ điều khiển Hình 5.5 : Sơ đồ kết nối thiết bị 23 Mô hệ thống truyền động thang : Tính Moment tải trọng thay đổi 1000, 3000, 5000 (người/h) Trong đó: T: Moment động (N.m) n: tốc độ động (vịng/phút) Tải trọng (người/h) 1000 3000 5000 ❖ Mơ matlab : Hình 5.6 : Mơ hình điều khiển thang 24 Hình 5.7 : Tốc độ động Tốc độ trì mức ổn định moment thay đổi theo khoảng thời gian Ghi nhận kết điều khiển tốc độ thang số lượng người lên thang có thay đổi : Hình 5.8 : Đáp ứng tốc độ Từ biểu đồ cho ta thấy có người lên xuống thang moment thay đổi; tốc độ giao động khoảng giây để đpá ứng cho tốc độ đặt moment thay đổi với giá trị lớn Và có khoảng 1s moment thay đổi nhỏ 25 + 0-10 : Là thời gian độ ( giây thứ chênh lệch tốc độ với moment 73%; từ giây thứ đến giấy thứ 10 dang tiến hành trình xác lập ) + 10-30; khoảng thời gian xác lập ; mốc 10s, 20s tốc độ dao động từ 4% đến 6% Moment tỉ lệ thuận với độ dao động nên mà bắt đầu khởi động khoảng thời để độ sau chạy ổn định 26 CHƯƠNG VI : KẾT LUẬN Với hướng dẫn thầy nhóm em tìm hiểu, nghiên cứu, tính tốn thiết kế mơ hình mơ MatlabSimulink đạt số kết sau: + Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý hoạt động thang + Tìm hiểu ý nghĩa thông số động pha không đồng biến tần + Nắm bắt phương pháp tính tốn để lựa chọn động cho phù hợp + Nhóm chúng em tìm hiểu sử dụng phần mềm mô MatlabSimulink để xây dựng điều chỉnh mơ hình điều khiển động pha không đồng hệ thống thang Trong trình tìm hiểu, nguyên cứu tìm cách giải nhóm chúng em gặp chút khó khăn : Kinh nghiệm cịn yếu kém, kỹ tính tốn cịn sai sót Đồng thời việc làm nhóm online gặp chút khó khăn thời gian thống 27 ... khối cho hệ thống điều khiển tốc độ thang : 22 Đề xuất kết nối thiết bị cho hệ thống truyền động thang : 22 Mô hệ thống truyền động thang : 24 Ghi nhận kết điều khiển tốc độ thang. .. cho hệ thống thang Mô Matlab/Simulink cho hệ thống thang CHƯƠNG II : TỔNG QUANG VỀ THANG CUỐN Khái niệm thang : Cầu thang thiết bị vận chuyển người, hàng hóa dạng băng tải Thangcuốn bao gồm hệ. .. 3.Sơ đồ khối cho hệ thống điều khiển tốc độ thang : Hình 5.3 : Sơ đồ khối 4.Đề xuất kết nối thiết bị cho hệ thống truyền động thang : Hình 5.4 : Sơ đồ mạch động lực 22 Hình 5.5 : Sơ đồ điều khiển