Tổng quan về thiết bị cầu trục phân xưởng
Khái niệm
Cầu trục là tên gọi chung của các máy trục chuyển động trên hai đường ray cố định trên kết cấu kim loại hoặc tường cao để vận chuyển các vật phẩm trong khoảng không (khẩu độ) giữa hai đường ray đó.
Các cơ cấu của đảm bảo 3 chuyển động:
Đặc điểm cấu tạo của cầu trục
Dầm cầu được gọi là dầm chính, thường có kết cấu hộp hoặc dàn, có thể có một hoặc hai dầm Trên dầm có xe con và cơ cấu di chuyển qua lại dọc theo dầm chính. Hai đầu 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 cụm bánh xe bị động.
Dẫn động của cầu trục có thể bằng tay hoặc dẫn động điện Dẫn động bằng tay chủ yếu dùng trong các phân xưởng sửa chữa, lắp ráp nhỏ, nâng hạ không thường xuyên, không đòi hỏi năng suất và tốc độ cao.
Cầu trục thường được chế tạo với các thông số:
- Vận tốc nâng: Vn = 2 ÷ 40 m/phút
- Vận tốc di chuyển xe con: Vxmax = 60 m/phút
- Vận tốc di chuyển cầu trục:Vcmax = 60 m/phút
Cầu trục có Q > 10 tấn thường được trang bị hai hoặc ba cơ cấu nâng, gồm một cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ, được lắp trên xe con.
Phân loại
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.
- Loại trung bình: từ 10 tới 15 tấn
Theo chế độ làm việc:
- Loại nhẹ: TĐ%= 10÷15%, số lần đóng cắt trong một giờ là 60.
- Loại trung bình: TĐ%= 15÷25%, số lần đóng cắt trong một giờ là 120.
- Loại nặng: TĐ%= 40÷60%, số lần đóng cắt trong một giờ là trên 240.
- Cầu trục vận chuyển: sử dụng rộng rãi, yêu cầu độ chính xác không cao.
- Cầu trục lắp ráp: sử dụng trong các phân xưởng cơ khí, yêu cầu độ chính xác cao.
Cấu tạo
Cấu tạo cầu trục được thể hiện trên hình 1.1, gồm bộ phận chính:
Hình 1.1: Cấu tạo cầu trục
- Loại dùng cho cầu trục một dầm là palăng điện hoặc palăng tay Palăng điện hay palăng tay đều có khả năng di chuyển dọc theo dầm chính để nâng hạ vật Các loại palăng này được chế tạo theo tải trọng và tốc độ nâng yêu cầu.
- Đối với các loại dầm thông thường, các cơ cấu nâng hạ được chế tạo và đặt trên xe con để có thể di chuyển dọc theo dầm chính Trên xe con có từ một đến ba cơ cấu nâng hạ.
Ngoài ra còn có cơ cấu phanh hãm (hình 1.2) Phanh dùng trong dùng trong cầu trục có ba loại: phanh guốc, phanh đĩa và phanh đai Nguyên lí hoạt động của các loại phanh này cơ bản giống nhau Cơ cấu phanh hãm gồm có:
- Cuộn dây nam châm phanh.
Đặc điểm công nghệ
Cầu trục làm việc trong môi trường rất nặng nề như ngoài hải cảng, các nhà máy, xí nghiệp luyện kim.
Làm việc ở chế độ đóng cắt rất cao.
Ngoài ra, tùy theo quá trình công nghệ mà ta có một số yêu cầu như:
- Cầu trục vận chuyển được sử dụng rộng rãi, yêu cầu về độ chính xác không cao.
Hình 1.2: Cấu tạo cơ cấu phanh hãm
- Cầu trục lắp ráp thường được sử dụng trong các phân xưởng cơ khí, dùng để lắp ghép các chi tiết cơ khí nên yêu cầu độ chính xác cao.
- Các khí cụ điện, thiết bị điện trong hệ thống phải làm việc tin cậy để nâng cao năng suất, an toàn trong vận hành và khai thác.
Từ những đặc điểm trên có thể đưa ra những yêu cầu cơ bản đối với hệ thống và trang bị điện của cơ cấu:
- Các phần tử cấu thành của hệ thống phải đơn giản, dễ thay thế, sửa chữa, độ tin
- Trong mạch điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp không, bảo vệ quá tải và ngắn mạch.
- Quá trình mở máy diễn ra theo một quy luật định sẵn.
- Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ rieng 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 hang ở tốc độ thấp.
- Tự động cắt nguồn khi có người làm việc trên xe cầu.
Yêu cầu truyền động
Đặc tính phụ tải
Khảo sát cơ cấu nâng hạ người ta nhận thấy rằng momen cản của cơ cấu luôn không đổi cả về độ lớn và chiều bất kể chiều quay của động cơ thay đổi thế nào Nói cách khác, momen cản của cơ cấu nâng hạ thuộc loại momen cản thế năng, có đặc tính
Mc = constant và không phụ thuộc vào chiều quay Điều này có thể giải thích dễ dàng là momen của cơ cấu do trọng lực của tải gây ra Khi nâng tải, momen có tác dụng cản trở chuyển động, tức là hướng ngược chiều quay Khi hạ tải, momen thế năng lại là momen gây ra chuyển động, tức là nó hướng theo chiều quay của động cơ.
Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ như sau:
Từ đặc tính của cơ cấu nâng hạ ta có nhận xét:
- Khi hạ tải ứng với trạng thái phát của động cơ thì Mđ là momen hãm, Mc là momen gây chuyển động.
- Khi cần trục hạ tải dụng lực: cả hai momen đều gây chuyển động.
Như vậy, trong mỗi giai đoạn nâng hay hạ thì động cơ phải được điều khiển để đảm bảo làm việc đúng với trạng thái làm việc của nó, phù hợp với đặc tính tải phụ tải của cầu trục có thể biến đổi từ 0 tới những giá trị rất lớn.
Chế độ làm việc của động cơ truyền độ
Ở góc phần tư thứ nhất:
Máy điện làm việc chế độ động cơ (đường 1)
M - momen do động cơ sinh ra
Mc - momen cản do tải trọng gây ra
Mđms - momen cản do ma sát gây ra Đối với động cơ nâng hạ làm việc ở chế độ nâng hàng, còn đối với động cơ di chuyển làm việc ở chế độ chạy tiến.
Hình 1.3: Đặc tính cơ cấu nâng-hạ
Ở góc phần tư thứ II:
Máy điện làm việc ở chế độ máy phát Đối với cơ cấu di chuyển, đường 1 thực hiện hãm tái sinh khi có ngoại lực tác dụng cùng chiều với chuyển động của cơ cấu. Còn đối với cơ cấu nâng hạ thực hiện hãm động năng ( đường 3 ).
Ở góc phần tư thứ III:
Máy điện làm việc ở chế độ động cơ Đối với cơ cấu di chuyển tương ứng với chạy lùi Còn đối với cơ cấu nâng hạ:
Chế độ này được gọi là chế độ hạ động lực.
Ở góc phần tư thứ IV:
Máy điện làm việc ở chế độ máy phát Đối với cơ cấu nâng hạ:
Hàng sẽ được hạ do tải trọng của nó Còn động cơ đóng điện ở nâng đề hãm tốc độ hạ hàng Lúc này động cơ làm việc ở chế độ hãm ngược đường 2).
Khi thực hiện hạ động lực, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh (máy phát) với tốc độ hạ lớn hơn tốc độ đồng bộ đường 4).
Hình 1.4: Trạng thái làm việc của động cơ truyền động cầu trục.
Yêu cầu truyền động
Chế độ làm việc: Động cơ truyền động của cơ cấu nâng hạ nói chung có chế độ làm việc là ngắn hạn lặp lại, có tần số đóng cắt lớn.
Vấn đề đảo chiều: Động cơ cầu trục phải có khả năng đảo chiều quay, có momen thay đổi theo tải trọng rất rõ rệt Theo khảo sát từ thực tế thì khi không có tải trọng, momen động cơ không vượt quá (5÷20%)Mđm Đối với cơ cấu nâng hạ của cầu trục gầu ngoạm tới 50%Mđm
Yêu cầu về khởi động và hãm: Trong các hệ thống truyền động của cơ cấu nâng hạ nói chung và cầu trục nói riêng, yêu cầu về quá trình tăng tốc và giảm tốc phải êm. Bởi vậy, momen động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kĩ thuật an toàn Ở các máy nâng tải trọng, gia tốc cho phép thường được quy định theo khả năng chiu đựng phụ tải của từng động cơ Đối với cơ cấu nâng hạ cầu trục thì gia tốc phải nhỏ hơn 0,5m/s 2 để không làm đứt cáp Thời gian khởi động nhỏ nhất là 2s Sử dụng phanh hãm khi chuẩn bị dừng và khi mất điện phanh hãm phải dừng hệ truyền động ở hiện trạng, tránh rơi tự do Phải dừng chính xác tại nơi lấy tải và hạ tải hay dừng chính xác ở tốc độ thấp.
Yêu cầu đối với truyền động trong trạng thái bất bình thường, như hãm khẩn cấp, đảo chiều quay tức thời hay hãm đột ngột.
Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện từ để giữ chặt các trục, khi mất điện hay xảy ra sự cố đảm bảo an toàn cho người vận hành và thiết bị Để đảm bảo điều này, trong sơ đồ điều khiển phải có các công tắc hành trình để hạn chế chuyển động của cơ cấu Khi hãm khẩn cấp hay hãm đột ngột thì phải dừng chính xác.
Yêu cầu về nguồn và trang bị điện: Điện áp cung cấp cho cơ cấu cầu trục không vượt quá 500V Mạng điện xoay chiều hay dùng là 380/220V, mạng một chiều hay dùng là 220V, 44V Điện áp chiếu sang không vượt quá 220V Đa số làm việc trong môi trường nặng nề, đặc biệt trong các hải cảng, nhà máy, xí nghiệp luyện kim, phân xưởng sửa chữa, Nên các khí cụ trong hệ thống truyền động và trang bị điện cơ cấu yêu cầu phải làm việc tin cậy, đảm bảo an toàn, năng suất trong mọi điều kiện khắc nghiệt, đơn giản trong thao tác.
TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG
Tổng hợp thông tin về hệ thống
Các thông số đã cho:
Bộ truyền lực có 2 cặp bánh răng có tỷ số truyền i1 = i2 = 4,5
Hiệu suất mỗi cặp bánh răng ƞ1 = ƞ2 = 0,96
Trọng lượng vật nâng G = 20kN
Trọng lượng cáp nâng Gc = 10%G
Tang trống có: Đường kính trống tời DCT= 0,58m, hiệu suất trống tời ƞCT= 0,93
Momen quán tính của các cơ cấu chuyển động của hệ truyền động: Momen quán tính roto động cơ Jd= 0,102; các khớp nối lần lượt là
Jk1=0,012; J1=0,014; J2 =0,03; J3 =0,06; J4 =0,03; Jk2 =0,07; và trống tời JCT
Lựa chọn các thông số: Ở đây chúng ta cho hệ thống làm việc ở mức trung bình, chọn một số thông số cần thiết như sau:
Bội số của hệ thống ròng rọc: u=1
Hình 2.5: Hệ truyền động nâng hạ cho cầu trục phân xưởng
Tính toán các thông số của hệ thống
Hiệu suất cơ cấu truyền động:
Quán tính quy đổi về trục động cơ:
Tính toán phụ tải tĩnh
Hệ số mang tải không tải:
Hình 2.6: Quan hệ phụ thuộc n c vào tải trọng
Dựa vào đường đặc tính quan hệ giữa hệ số mang tải và hiệu suất (hình 2.2), ta có hệ số bộ truyền không tải
Momen khi nâng tải không tải:
Momen khi hạ tải không tải
Momen trên trục động cơ khi nâng tải định mức:
Momen trên trục động cơ khi hạ với tải bằng tải định mức:
Momen hạ không tải có nghĩa là cơ cấu làm việc ở chế độ hạ động lực
Tính hệ số tiếp điện tương đối TĐ%
Khi tính toán hệ số tiếp điện tương đối ta có thể bỏ quan thời gian mở máy và hãm máy.
Chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng hạ bao gồm 4 giai đoạn chính: Hạ không tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải Giữa các giai đoạn trên còn có thời gian nghỉ.
Giả thiết tốc độ làm việc và chiều cao nâng hạ trong các giai đoạn như sau:
Giả thiết chiều dài phân xưởng l = 100m.
Hệ số tiếp điện tương đối:
Ta có các hệ số tiếp điện chuẩn TĐtc% (15%, 25%, 40%, 60%) Trong bài này, ta sử dụng động cơ có hệ số tiếp điện là 15%.
Tính chọn động cơ
Công suất quy đổi tương đối ứng với hệ số tiếp điện chuẩn 15%:
Tra bảng đển chọn động cơ:
Hình 2.7: Bảng tra động cơ cho cơ cấu nâng hạ
Ta lựa chọn động cơ: 1LE1004-1BA2 có các thông số như sau:
- Tần số định mức: f = 50 Hz
- Tốc độ định mức: = 2950 rad/phút
- Hệ số công suất: cosφ= 0.89
LỰA CHỌN HỆ TRUYỀN ĐỘNG
Lựa chọn hệ truyền động
Lựa chọn hệ truyền động: Biến tần – Động cơ KĐB xoay chiều 3 pha
- Do hệ thống băng tải là thiết bị hoạt động ở chế độ dài hạn, khởi động đầy tải do vậy cần mô men khởi động đủ lớn để đáp ứng yêu cầu tải
- Môi trường làm việc thường bụi, ẩm
- Dải điều chỉnh không cao (5:1) Động cơ không đồng bộ có thể đáp ứng được những yêu cầu trên Động cơ không đồng bộ: là loại động cơ phù hợp với thiết bị có công suất nhỏ, rẻ, chắc chắn, độ tin cậy cao So với các loại động cơ điện dùng trong công nghiệp thì động cơ không đồng bộ được dùng nhiều hơn cả và chúng đang dần thay thế các loại động cơ một chiều Đến nay đã có phần lớn các cầu trục được trang bị bằng động cơ không đồng bộ, nhiều cơ cấu của máy cắt gọt kim loại, truyền động phụ của máy cán và nhiều cơ cấu trong lĩnh vực công nghiệp cũng sử dụng động cơ không đồng bộ Còn với một số truyền động trong thực tế dùng nhiều như băng tải, quạt gió, bơm nước…có công suất không lớn thì hầu như chỉ sử dụng động cơ không đồng bộ.
Động cơ điện không đồng bộ
Hình 3.8: Quá trình tạo moment của máy điện không đồng bộ
Khi nam châm điện quay (tốc độ n1 vòng/ phút) làm đường sức từ quay cắt qua các cạnh của khung dây cảm ứng gây nên sức điện động E trên khung dây Sức điện động E sinh ra dòng điện I chạy trong khung dây Vì dòng điện I nằm trong từ trường nên khi từ trường quay làm tác động lên khung dây một lực điện từ F Lực điện từ này làm khung dây chuyển động với tốc độ n vòng/ phút.
Vì n < n1 nên gọi là không đồng bộ. ĐCKĐB ba pha có dây quấn ba pha phía stator, Roto của ĐCKĐB là một bộ dây quấn ba pha có cùng số cực trên lõi thép của Roto.
Khi Stator được cung cấp bởi nguồn ba pha cân bằng với tần số f, từ trường quay với tốc độ sẽ được tạo ra Quan hệ giữa từ trường quay và tần số f của nguồn ba pha là:
: tần số góc của nguồn ba pha cung cấp cho động cơ:
Nếu tốc độ quay của roto là , độ sai lệch giữa tốc độ từ trường quay stator và roto là: Trong đó gọi là tốc độ trượt
Thông số s gọi là độ trượt, ta có:
Vì có tốc độ tương đối giữa roto và từ trường quay stator, điện áp cảm ứng ba pha sẽ được sinh ra trong roto Tần số của điện áp này sẽ tỉ lệ với độ trượt theo công thức :
303\* MERGEFORMAT (.) Moment động cơ sinh ra:
: từ thông trên một cực (Wb).
: góc lệch pha giữa sức từ động roto và sức từ động khe hở không khí.
Stato có cấu tạo gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ Thường vỏ máy được làm bằng gang Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000kW) thường dùng thêm tấm hàn lại làm thành vỏ máy Tuỳ theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ cũng khác nhau.
Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại Khi đường kính ngoài lớn hơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt (Error: Reference source not found) ghép lại.
Hình 3.9: Lá thép kỹ thuật điện
Dây quấn stator được đặt vào các rảnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt.
Rotor có 2 loại chính: rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lòng sóc.
Rotor dây quấn: Rôto có dây quấn giống như dây quấn của stator Dây quấn 3 pha của rôto thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối ngắn mạch Nhược điểm so với động cơ rotor lòng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ.
Rotor lồng sóc: Kết cấu loại dây quấn này rất khác với dây quấn stator Trong mỗi rảnh của lıi sắt rotor đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lıi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà người ta quen gọi là lồng sóc.
Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn.
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi Trong đời sống hàng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng trong cô ̣ng nghiệp, nông nghiệp và trong đời sống hàng ngày.
Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong các thiết bị điện dân dụng, Ước tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động điện.
Hệ truyền động điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay đổi được Hiện nay khoảng 75 - 80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độ không đổi Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình khởi động và hãm Phần còn lại, là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc độ để phối hợp đặc tính động cơ và đặc tính tải theo yêu cầu Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các hệ điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và là công cụ không thể thiếu trong quá trình tự động hóa. Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như: kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm Trong đời sống hằng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, máy quay dĩa, … Tóm lại, cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi.
So với máy điện DC, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp rất nhiều khó khăn bởi vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian, cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trêc máy của động cơ điện xoay chiều so với máy điện một chiều Cho nên việc tách riêng điều khiển giữa moment và từ thông để có thể điều khiển độc lập đòi hỏi một hệ thống có thể tính toán cực nhanh và chính xác trong việc qui đổi các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản Vì vậy, cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt và có hiệu suất kém Động cơ không đồng bộ cũng không tránh khỏi nhược điểm này.
3.2.3 Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế máy điện một chiều:
Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ xoay chiều chính là làm thế nào để có thể dễ dàng điều khiển được tốc độ của nó như việc điều khiển của động cơ DC.
Vì vậy, một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành một máy điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời Đây chính là điều khiển vector Điều khiển vector sẽ cho phép điều khiển từ thông và moment hoàn toàn độc lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng (động cơ tiếp dòng) hoặc giá trị tức thời của áp (động cơ tiếp áp). Điều khiển vector cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và chính xác của cả từ thông và moment trong cả quá trình quá độ cũng như quá trình xác lập của máy điện xoay chiều giống như máy điện một chiều Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn và những bộ vi xử lý có tốc độ nhanh và giá thành hạ, việc ứng dụng của điều khiển vector ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ truyền động và đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp.
Biến tần
3.3.1 Nguyên lý bộ biến tần
Khái niệm: Biến tần là thiết bị biến đổi năng lượng điện từ tần số công nghiệp
(50Hz) sang nguồn có tần số thay đổi cung cấp cho động cơ xoay chiều.
Nguyên lý hoạt động: Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp (50 Hz) được chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ một chỉnh lưu (CL) không điều khiển hoặc bộ chỉnh lưu điều khiển, sau đó được lọc và bộ nghịch lưu (NL) sẽ được biến đổi thành nguồn điện áp xoay chiều ba pha có tần số biến đổi cung cấp cho động cơ điện Bộ biến tần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
• Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ mong muốn.
• Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không đổi trong vùng điều chỉnh momen không đổi.
• Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số.
Hình 3.10: Sơ đồ mạch nguyên lý hoạt động của biến tần
3.3.2 Cấu trúc bộ biến tần
• Chỉnh lưu: có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có tần số f1 thành dòng điện một chiều.
• Bộ lọc: cho phép thành phần một chiều của mạch động lực đi qua và ngăn chặn các thành phần xoay chiều Nó có tác dụng san bằng điện áp tải khi chỉnh lưu.
• Nghịch lưu: Nhiệm vụ biến đổi dòng một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều có tần số f2.
Hình 3.11: Sơ đồ mạch điều khiển Đảm bảo yêu cầu về tần số, hình dáng điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiển quyết định.
Bộ điều khiển thông thường gồm 3 phần:
• Khâu phát xung chủ đạo: là khâu tự dao dộng tạo ra xung điều khiển đưa đến bộ phận phân phối xung điều khiển đến từng tranzitor Khâu này đảm nhận điều chỉnh xung một cách dễ dàng, ngoài ra có thể đảm nhận chức năng khuyếch đại xung.
• Khâu phân phối xung: làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vào khâu phát xung chủ đạo
• Khâu khuyếch đại xung: có nhiệm vụ khuyếch đại xung nhận được từ bộ phận xung đưa đến đảm bảo kích thích mở van.
Ngày nay, với sự phát triển của kĩ thuật vi điều khiển, cấu trúc bộ điều khiển đã có sự thay đổi
TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ ĐIỀU KHIỂN CHO BBĐ
Thiết kế mạch lực
Hình 4.12: Sơ đồ mạch lực
4.1.2 Tính toán lựa chọn mạch lực
4.1.2.1 Tính toán chọn mạch chỉnh lực
Hình 4.13: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng diode Điện áp ngược đặt lên van:
Chọn hệ số dự trữ áp là:
Dòng điện trung bình chạy qua van:
Ta có công suất tải tiêu thụ là:
Chọn hệ số dự trữ dòng là:
Bảng 4.1: Thông số diode chỉnh lưu
4.1.2.2 Tính toán chọn mạch nghịch lưu
Hình 4.14: Nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha
Hình 4.15: Dạng tín hiệu điều khiển các van và dạng dòng điện, điện áp trên các phần tử trong sơ đồ NLĐL ba pha.
Tính chọn van IGBT: Điện áp pha cực đại đặt vào động cơ: Điện áp đầu vào của bộ nghịch lưu:
Chọn hệ số quá áp:
Ta có điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi IGBT là:
Dòng điện cực đại đi qua IGBT là:
Chọn hệ số quá dòng:
Cuối cùng, ta có dòng điện cực đại đi qua IGBT:
Từ các chỉ tiêu đã tính toán ở trên, tra bảng Phụ Lục 3 (Tài liệu [1]) – Loại 6 IGBT kiểu đấu sẵn theo sơ đồ cầu 3 pha:
Ta lựa chọn 6 van IGBT FS75R12KE3G:
Hình 4.16: Hình ảnh thực tế van IGBT FS75R12KE3G
Bảng 4.2: Thông số van IGBT FS75R12KE3G
Ucemax (V) Ic(A) Uce (bão hòa) P(W) R(K/W)
Bảng 4.3: Bảng lựa chọn van IGBT loại 6 IGBT kiểu đấu sẵn theo sơ đồ cầu 3 pha
Dòng điện pha tải có ba đoạn khác nhau trong nửa chu kỳ: với:
Tại dòng qua tải pha A bằng 0:
Trạng thái chuyển mạch của Diode, tại thời điểm , diode D1 dẫn dòng và dòng qua Diode cũng là dòng qua tải, lúc này dòng qua diode cũng là dòng cực đại của Diode:
Chọn hệ số quá tải dòng điện: , dòng điện qua diode là: Điện áp ngược đặt lên mỗi diode là:
Chọn hệ số quá áp: , điện áp nguowic diode phải chịu là:
Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật ACEPACK™ 2
Nên không cần tụ C0 và dòng do điện cảm tải pha này sẽ không trả về nguồn mà chạy qua pha khác (quẩn trong hệ ba pha tải)
Một số mạch lọc đã biết:
- Mạch lọc loại L: điều kiện lọc tốt là
- Mạch lọc loại C: điều kiện lọc tốt là , tức là tụ C phải rất lớn
- Mạch lọc loại LC: thực chất đây là sự kết hợp của hai loại lọc trên Vì vậy điều kiện để lọc tốt là
- Mạch lọc hình (lọc CLC) Đây là bộ lọc gồm hai mắt lọc, lọc C và
LC, mắc nối tiếp nhau Hệ số san bằng của bộ lọc bằng tích hệ số san bằng của từng mắt lọc Ta thấy rằng việc chọn tụ điện C có điện dung lớn khó khăn hơn rất nhiều việc chọn một cuộn cảm L có giá trị lớn Lọc hình được ứng dụng khi cần có
Trong trường hợp này, chúng ta lựa chọn bộ lọc loại LC. Áp dụng công thức tính hệ số san bằng: trong đó: suy ra:
Nếu chọn tần số f1PHz thì:
Trong đó, trị số điện cảm được xác định trước theo mong muốn của dòng điện liên tục:
Giá trị tụ điện C được tính theo biểu thức:
Khi đó, hệ số san bằng là:
Phương pháp điều khiển
4.2.1 Các phương pháp điều khiển
Ngày nay, động cơ điện đồng bộ được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điều khiển, trong công nghiệp vì nó có những đặc điểm vượt trội như hiệu suất, cos cao, tốc độ ít phụ thuộc vào điện áp
Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ đồng bộ còn tương đối khó khăn, do đặc tính phi tuyến mạnh Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ đồng bộ chính là làm thế nào để có thể dễ dàng điều chỉnh tốc độ như việc điều chỉnh động cơ một chiều
Vì vậy, ý tưởng biến đổi máy điện xoay chiều thành máy điện một chiều trên phương diện điều khiển đã ra đời Điều khiển vector sẽ cho phép điều khiển từ thông và moment hoàn toàn độc lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng hoặc giá trị tức thời của áp Điều khiển vector cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và chính xác của từ thông mà moment trong quá trình quá độ cũng như quá trình xác lập.
Cũng như các hệ thống điều khiển khác, chất lượng của hệ thống điều khiển truyền động điện phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của các bộ điều khiển Ở đó hệ thống phải tạo ra được khả năng thay đổi tốc độ trơn, mịn với phạm vi điều chỉnh rộng, độ chính xác của đại lượng điều chỉnh ở chế độ tĩnh cao để tạo nên vùng làm việc với sai số nhỏ Hệ làm việc với bất cứ quá trình quá độ nào cũng phải đạt được độ ổn định cao và hệ phải có khả năng đáp ứng nhanh với yêu cầu điều chỉnh Tất cả những điều này thực sự đã đặt ra những yêu cầu càng ngày càng khắt khe hơn cho các hệ thống truyền động. Để giải quyết những vấn đề trên, nhiều giải thuật điều khiển của động cơ đồng bộ đã được nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực truyền động điện như:
Phương pháp điều khiển vector trực tiếp moment - Direct Torque Control – DTC
Phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông – Field Orientated Control – FOC
Hiện nay, các phương pháp này đang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển hệ truyền động động cơ không đồng bộ Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, các phương pháp trên vẫn còn tồn tại những khuyết điểm như:
Với điều khiển V/f: chỉ dùng cho hệ truyền động có đặc tính thấp.
Với phương pháp điều khiển DTC: thì đáp ứng tốc độ thấp, moment điều chỉnh không trơn.
Với phương pháp điều khiển FOC: thì ở tốc độ trên danh định động cơ bị mất đồng bộ.
Trong phạm vi đồ án môn này, em sử dụng phương pháp điều khiển V/f.
4.2.2 Giới thiệu về biến tần nguồn áp điều khiển theo phương pháp V/f Được sử dụng hầu hết trong các biến tần hiện nay Tốc độ của ĐCKĐB tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp Do đó, nếu thay đổi tần số của nguồn cung cấp cho động cơ thì cũng sẽ thay đổi được tốc độ đồng bộ, và tương ứng là tốc độ của động cơ
Tuy nhiên, nếu chỉ thay đổi tần số mà vẫn giữ nguyên biên độ nguồn áp cấp cho động cơ sẽ làm cho mạch từ của động cơ bị bão hòa Điều này dẫn đến dòng từ hóa tăng, méo dạng điện áp và dòng điện cung cấp cho động cơ gây ra tổn hao lõi từ, tổn hao đồng trong dây quấn Stator Ngược lại, nếu từ thông giảm dưới định mức sẽ làm giảm sẽ làm giảm khả năng mang tải của động cơ
Vì vậy, khi giảm tần số nguồn cung cấp cho động cơ nhỏ hơn tần số định mức thường đòi hỏi phải giảm điện áp V cung cấp cho động cơ sao cho từ thông trong khe hở không khí được giữ không đổi Khi động cơ làm việc với tần số cung cấp lớn hơn tần số định mức, thường giữ điện áp cung cấp không đổi và bằng định mức, do giới hạn về cách điện stator hoặc điện áp nguồn
Ta có công thức sau:
Với f - tần số làm việc của động cơ, fđm- tần số định mức của động cơ.
Giả sử động cơ hoạt động dưới tần số định mức (a>
R1/a, sụt áp trên R1 rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ thông được giữ gần như không đổi Moment cực đại của động cơ gần như không đổi
Tuy nhiên, khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R1/a sẽ tương đối lớn so với giá trị của (X1+X2’), dẫn đến sụt áp nhiều ở điện trở stator khi moment tải lớn Điều này làm cho E bị giảm và dẫn đến suy giảm từ thông và moment cực đại Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp Ta sẽ cung cấp them cho động cơ một điện áp Uo để cung cấp cho động cơ từ thông định mức khi f=0 Từ đó ta có quan hệ như sau: U=Uo+K.f
MÔ PHỎNG
Sơ đồ mô phỏng
Hình 5.32: Sơ đồ mô phỏng
Kết quả mô phỏng
Thời gian đáp ứng momen nhỏ (0,2s)
Tuy nhiên độ đập mạch momen tuy còn lớn nhưng vẫn bám sát giá trị đặt.
Trong khoảng thời gian đầu, momen khởi động tăng lên cao sau đó giảm xuống bám giá trị đặt do quá trình khởi động cần momen lớn sau khi khởi động momen giảm xuống do chưa đóng tải, khi đóng tải thì momen lại được nâng lên và ổn định tại một giá trị bằng giá trị momen cản.
Hình 5.34: Dòng điện dòng điện
Hình 5.3 là dang sóng dòng điện stator trong mô phỏng Kết quả mô phỏng cho thấy khi điểm làm việc được giữ ổn định sau thời gian quá độ thì dạng sóng dòng điện đã ổn định và có dạng hình sin như lý thuyết Điều này cho thấy phương pháp điều khiển có chất lượng điều khiển tốt khi lượng méo dạng hài tổng là thấp.
Vo lt induction motor voltage
Hình 5.35: Điện áp đầu ra
Hình 5.36: Đáp ứng tốc độ