bài tập dài thiết kế hệ truyền động điện cho thang máy chở người

Hiện nay thang máy là thiết bị rất quan trọng, đặc biệt là nhà cao tầngvì nó giúp người ta không phải dùng sức chân để leo cầu thang và được sử dụngthay cho cầu thang bộ.Ngày nay, có nhữ

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

Bài tập dài

Thiết kế hệ truyền động điện cho thang

máy chở người

LỜI NÓI ĐẦU

Đối với một Quốc gia nói chung và nước ta nói riêng thì những ngành đóng vai trò then chốt của nền kinh tế là: Điện, than, dầu khí Công nghiệp

tự động hóa góp phần thúc đẩy quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, xây dựng cơ sở hạ tầng phục vụ dân sinh

Để nâng cao chất lượng sản phẩm, số lượng sản phẩm cũng như hỗ trợ cho con người những công việc phức tạp, ngành tự động hoá đã ra đời và mang lại hiệu quả rất cao đáp ứng hoàn toàn những yêu cầu đó của con người

Tự động hoá là một lĩnh vực đã được hình thành và phát triển rộng lớn trên phạm vi toàn thế giới, nó đem lại một phần không nhỏ cho việc tạo ra các sản phẩm có chất lượng và độ phức tạp cao phục vụ nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống Ở nước ta, lĩnh vực tự động hoá đã được Đảng và Nhà nước quan tâm và đấu tư rất lớn, cùng với các lĩnh vực công nghiệp chuyển dịch nền kinh

tế theo định hướng công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước

Với thời gian và kiến thức có hạn chắc hẳn trong bài tập dài của em không tránh được những sai sót, em rất mong các thầy giáo và các cô giúp đỡ và chỉ dẫn thêm để bài tập dài của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong trường cũng như viện điện nói chung và các thầy, các cô trong bộ môn tự động hoá nói riêng đã giúp đỡ em nhiều kiến thức trong những năm qua và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy Ts Nguyễn Duy Đỉnh trong thời gian em làm bài tập dài này

Hà nội, ngày tháng 12 năm 2022 Sinh viên thực hiện

Vũ Quang Trung

3

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ

1.1 Giới thiệu chung về thang máy chở người:

1.1.1 Khái niệm

Thang máy là thiết bị để tải người, hàng hóa, thực phẩm, giường bệnh từ tầng này đến tầng khác Nó được dùng trong các cao ốc, siêu thị, khách sạn, nhà hàng, bệnh viện Hiện nay thang máy là thiết bị rất quan trọng, đặc biệt là nhà cao tầng

vì nó giúp người ta không phải dùng sức chân để leo cầu thang và được sử dụng thay cho cầu thang bộ

Ngày nay, có những hệ thống điều khiển tốc độ phức tạp, sự phối hợp đóng ngắt

để điều khiển an toàn tốc độ cabin trong bất kỳ tình huống nào Nút nhấn được tích hợp vào trong những bàn phím nhỏ gọn Hầu như tất cả thang máy tự động đều mang tính thương mại

Vào thời đại máy tính đã có mang vi điều khiển có khả năng hoạt động, xử lý cũng như lưu trữ rất lớn Thang máy được lập trình đặc biệt, cực đại hóa năng suất

và an toàn tuyệt đối Thang máy đã trở thành kỹ thuật kiến trúc và mỹ thuật 1.1.2 Lịch sử

Thang máy xuất hiện rất sớm từ thế kỷ thứ III TCN và được sử dụng suốt thời trung đại nhưng ở thời điểm này thang máy rất thô sơ Chúng hoạt động nhờ vào sức người và súc vật, hoặc cơ cấu cơ khí vận hành bằng nước Những thang máy ta biết ngày nay được phát triển đầu tiên vào thế kỉ 19, nhờ vào hơi nước hoặc sức nước để nâng chuyển Cuối thế kỷ 19 trên thế giới mới chỉ có một vài hãng thang máy ra đời như OTIS;SCHINDLER, chiếc thang máy đã được chế tạo

và đưa vào sử dụng của hãng thang máy OTIS năm 1853 Đến năm 1874 hãng thang máy SCHINDLER cũng đã chế tạo thành công những thang máy khác Lúc đầu bộ tời kéo chỉ có một tốc độ, cabin có kết cấu đơn giản, cửa tầng đóng bằng tay, tốc độ di chuyển củaa cabin thấp đầu thế kỷ 20 có nhiều hãng thang máy khác ra đời như: KONE, MISUBISHI, NIPPON ELEVATOR… THYSEN, SABIEM đã chế tạo các loại thang máy có tốc độ cao, tiện nghi trog cabin tốt hơn

và êm hơn

Vào đầu những năm 1970 thang máy đã chế tạo đạt tới tốc độ 450 m/ph những thang máy chở hàng đã có tải trọng nâng tới 30 tấn đồng thời cũng trog khoảng thời gian này đã có những thang máy thuỷ lực ra đời Sau một khoảng thời gian rất ngắn tiến bộ của khoa học tốc độ của thang máy đã đạt tới 600m/ph Vào những năm 1980 đã xuất hiện hệ thống điều khiển động cơ bằng phương pháp biến đổi điện áp và tần số Thành tựu này cho phép thang máy hoạt động êm dịu hơn, tiết kiệm đc khoảng 40% công suất động cơ, đồng thời cũng vào những năm này đã xuất hiện loại thang máy dùng động cơ điện cảm ứng tuyến tính Đầu những năm 1990 trên thế giới đã chế tạo được những thang máy có tính năng kỹ thuật đặc biệt khác

1.2 Phân loại thang máy

Có thể phân loại thang máy như sau:

Phân loại theo công dụng:

1) Thang máy chuyên chở người

2) Thang máy chuyên chở bệnh nhân

3) Thang máy chuyên chở hàng

4) Thang máy chuyên chở người và hàng đi kèm

Phân loại theo hệ thống dẫn động cabin:

1) Thang máy dẫn động điện

2) Thang máy thuỷ lực

3) Thang máy khí nén

Phân loại theo hệ thống vận hành

1) Theo mức độ tự động

- Loại tự động

- Loại bán tự động

2) Theo tổ hợp điều khiển

- Loại điều khiển đơn

- Loại điều khiển kép

- Loại điều khiển theo nhóm

3) Theo vị trí điều khiển

- Loại điều khiển trong cabin

5

- Loại điều khiển ngoài cabin

- Loại điều khiển trong va ngoài cabin

Phân loại theo các thông số cơ bản

1) Theo tốc độ di chuyển của cabin

- Loại tốc độ thấp: V < 1 m/s

- Loại tốc độ trung bình: 1 < V < 2.5 m/s

- Loại tốc độ cao: 2.5 < V <4 m/s

- Loại tốc độ rất cao: V > 4 m/s

2) Theo khối lượng vận chuyển của cabin

- Loại nhỏ: Q < 500 kg

- Loại trung bình: 500 < Q < 1000 kg

- Loại lớn: 1000 < Q < 1600 kg

- Loại rất lớn: Q > 1600 kg

Phân loại theo quỹ đạo chuyển động

1) Thang máy thẳng đứng, là loại thang máy di chuyển theo phương thẳng đứng Là loại thang máy phổ biến nhất

2) Thang máy nghiêng, là loại thang máy có cabin di chuyển theo phương nghiêng một gó so với phương thẳng đứng

3) Thang máy zigzag, là loại thang máy có cabin di chuyển theo hình zigzag

Phân loại theo đối trọng

1) Đối trọng phía sau

2) Đối trọng ở bên sườn

1.3 Cấu tạo chung của thang máy:

Thang máy có nhiều loại ,tuy nhiên các thiết bị chính của nó vẫn là: buồng thang, tời nâng, dây căng, đối trọng, động cơ, cơ cấu hãm cơ điện và các khí cụ khống chế khác Trên hình vẽ là sơ đồ vẽ các thiết bị cơ bản của thang máy, các thiết bị chính được chú thích dưới hình 1.1,trong đó:

Hình 1.1: Sơ đồ thiết bị cơ bản của thang máy

1.Tời nâng(puli chủ động) 2.Dây treo

3.Bộ phận hạn chế tốc độ kiểu ly tâm 4.Buồng thang

7.Dây chao 8.Puli dẫn hướng đặt dưới hầm

Những thang máy hiện đại có kết cấu cơ khí phức tạp, hệ truyền động, hệ thống khống chế phức tạp – nhằm nâng cao năng suất, vận hành tin cậy, an toàn hơn Sau đây là một số cơ cấu đáng chú ý trong thang máy:

-Buồng thang: Bộ phận để chứa tải chuyên chở, buồng thang luôn được giữ theo phương thẳng đứng nhờ có các giá treo và những con trượt dẫn hướng

-Giếng thang: Là khoảng không gian giới hạn bởi đáy hố giếng, vách bao quanh và trần giếng, cabin và đối trọng di chuyển trong giếng than nhờ các cáp và khay dẫn hướng

-Hố giếng: Là khoảng không gian từ mặt bằng sàn tầng 1 cho đến đáy giếng phục vụ cho việc bảo dưỡng, sửa chữa, điều chỉnh

-Buồng máy: Chứa động cơ, bộ tời kéo, bộ hạn chế tốc độ và các thiết bị liên quan Buồng máy được bố trí ở tầng trên cùng của thang máy

-Phanh bảo hiểm: Là cơ cấu để dừng và giữ buồng thang hoặc đối trọng trên ray dẫn hướng khi vận tốc quá (20-40%) giá trị cho phép, dây treo bị đứt hoặc khi mất điện toàn hệ thống

7

Phanh có 3 kiểu:

o Phanh bảo hiểm kiểu nêm

o Phanh bảo hiểm kiểu lệch tâm

o Phanh bảo hiểm kiểu kìm( hay sử dụng)

-Puli: Puli là chi tiết dùng để dẫn cáp bằng ma sát(gọi tắt là Puli ma sát), thường được dùng phổ biến trong thang máy Puli ma sát có các rãnh riêng biệt

mà không theo hình xoắn ốc Số rãnh cáp trên Puli ma sát tuỳ thuộc vào số sợi cáp dẫn động trong máy và cách mắc cáp Một số Puli ma sát có phủ chất dẻo để tăng

ma sát Rãnh Puli và cáp có cùng độ cứng sẽ đảm bảo độ mòn ít nhất đối với cả cáp và rãnh Puli

Hình dạng mặt cắt rãnh cáp trên Puli có ảnh hưởng lớn đến khả năng kéo và tuổi thọ của nó

-Cáp thép: Cáp thép là chi tiết rất quan trọng được sử dụng hầu hết trong các máy nâng nói chung và thang máy nói riêng

-Yêu cầu chung đối với cáp phải là:

o An toàn trong sử dụng

o Độ mềm cao dễ uốn cong, đảm bảo nhỏ gọn của cơ cấu và máy, đảm bảo độ êm dịu không gây ồn khi làm việc trong cơ cấu và máy nói chung

o Trọng lượng riêng nhỏ, giá thành thấp, đảm bảo độ bền lâu, thời hạn

sử dụng lớn

o Trong thang máy thì người ta dùng từ 3÷5 sợi làm cáp treo, treo buồng thang

Hình 1.2: Kết cấu và bố trí thiết bị của thang

máy 1.4 Yêu cầu chung đối với thang máy

1.4.1 Yêu cầu về công nghệ

Trong đồ án này chúng ta chỉ quan tâm đến thang máy chở người nên yêu cầu về công nghệ của thang máy trong trường hợp này rất chặt chẽ bởi ngoài

sự điều chỉnh về kỹ thuật chính xác thì vấn đề an toàn và sự thoải mái của người sử dụng thang máy cũng phải được quan tâm Một số thông số ảnh hưởng rất trực tiếp đến vấn đề này cần phải được phân tích một cách kỹ lưỡng ,sau đây ta sẽ xem xét chi tiết về các thông số này

9

1) Tốc độ: Tốc độ di chuyển của buồng thang quyết định đến năng suất của thang máy và có ý nghĩa quan trọng nhất là đối với các nhà cao tầng Đối với nhà chọc trời ,,tối ưu nhất là dùng thang máy cao tốc (v≈3.5m/s)giảm thời gian quá độ di chuyển trung bình của than máy đặt gần bằng tốc độ định mức .Nhưng việc tăng tốc độ lại dẫn đến sự phát triển giá tiền Tốc độ di chuyển của thang máy có thể tăng bằng cánh giảm thời gian mở máy và hãm máy dẫn tới tăng tốc độ

2) Gia tốc: Vấn đề khó khăn là gia tốc sẽ gây cảm giác khó chịu cho hành khách (như chóng mặt, ngạt thở ) Thường thì gia tốc tối ưu a≤2m/s2 Độ giật là đại lượng đặc trưng cho tốc độ tăng của gia tốc khimở náy và độ giảm của gia tốc hãm ,hay nói cách khác là đạo hàm bậc nhất của gia tốc và là đạo hàm bậc hai đối với vận tốc da/dt Độ giật có ảnh hưởng lớn tới độ êm dịu của ca bin .Khi gia tốc a≤2m/s thì độ giật ≤20 m/s2 3

3) Dừng chính xác buồng thang: Buồng thang của thang máy cần dừng chính xác so với mặt bằng của tầng cần dừng sau khi ấn nút dừng ,(hay gặp lệnh dừng trong mạch điều khiển ) là một trông chững yêu cầu quan trọng trong yêu cầu kỹ thuật điều khiển thang máy Nếu buồng thang dừng không chính xác sẽ gây ra các hiện tượng: Đối với thang máy chở khách sẽ làm cho hành khách ra vào khó khăn ,tăng thời gian ra vào dẫu đến giảm năng suất

Các yêu cầu đặt ta cho bài toán điều khiển thang máy:

Đòi hỏi người thiết kế thang máy phải giải quyết chính xác và triệt để các yêu cầu về kỹ thuật này :

- Các yêu cầu về an toàn ,đây là những yêu cầu rất quan trọng ví dụ như thang máy chỉ được phép vận hành khi cửa tầng và cửa cabin đã đóng hay khi thang máy quá tải thì không vận hành

- Các yêu cầu về điều khiển vị trí cabin :khi dừng thang máy đòi hỏi phải dừng chính xác so với sàn tầng và quá trình hãm sao cho cabin dừng đúng tại sàn tầng với yêu cầu độ chính xác cao nhất

- Các yêu cầu về điều khiển gia tốc và vận tốc, phải đảm bảo sinh lý cho hành khách đi trên thang máy

- Người điều khiển phải điều chỉnh tốt tốc độ, gia tốc của thang máy sao cho không gây nên tâm lý hoảng loạn ,thiếu tin cậy ở khách hàng Một trong các yêu cầu cơ bản đối với hệ truyền động thang máy là phải đảm bảo cho cabin chuyển động êm Cho nên cấn đê quan trọng nhất đẳt ra đối với ngưới thiết kế không chỉ đạt được những vấn đề mà công nghệ đòi hỏi, như yêu cầu về điều chỉnh tốc độ, giảm được độ giật của cabin, tránh cảm giác khó chịu cho hành khách ở giai đoạn khởi động và dừng tầng Vì vậy, các tham số chính đặc trưng cho chế độ làm việc của thang máy làn tốc độ di chuyển v[m/s], gia tốc a[m/s ] và2

độ giật ρ[m/s3]

Hình 1.3: Các đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của quãng đường S, tốc độ v,

gia tốc a và dộ giật theo thời gianρ

11

Biểu đồ làm việc tối ưu của thang máy tốc độ trung bình và tốc độ cao với năm giai đoạn chính: mở máy, chế độ ổn định, hãm xuống tốc độ thấp, buồng thang đến tầng và hãm dừng như trong hình 1.3

Khi tốc độ cabin đạt giá trị từ (0,75÷3,5) [m/s], gia tốc tối ưu a ≤ 2 [m/s ], 2

giá trị này của gia tốc nhằm đảm bảo năng suất cao, không gây ra cảm giác khó chịu cho hành khách Một đại lượng nữa cũng ảnh hưởng đến sự di chuyển êm của cabin, đó là độ giật (đạo hàm bậc nhất của gia tốc hoặc đạo hàm bậc hai của tốc độ ) Khi giá trị của gia tốc đạt tối ưu a ≤ 1 [m/s ] thì độ giật [m/s2 3] 1.4.2 Tính chọn công suất động cơ

Tính chọn công suất động cơ truyền động cho cabin của một thang máy có ý nghĩa hết sức quan trọng, đảm bảo sử dụng triệt để khả năng phát nóng của dây quấn máy điện, đảm bảo được năng suất, nâng cao hiệu suấthệ truyền động và góc pha của lưới điện Để có thể tính chọn được công suất truyền động cho cabin thang máy

Dựa vào những phân tích trên,ta phải thiết kế hệ thống đạt được những yêu cầu sau:

Số tầng :10

Chiều cao mỗi tầng : 4(m)

Tốc độ chuyển động : 1.75(m/s)

Gia tốc cực đại : 1 (m/s2)

Trọng lượng cabin : 475(kg)

Tải cực đại : 775(kg)

Đường kính puli : 0,8(m)

Hiệu suất bộ truyền : 0,8

Làm việc tin cậy, đảm bảo an toàn, dễ chịu cho hành khách

Điều chỉnh tốc độ bám theo đường cong tối ưu, có yêu cầu đảo chiều Dừng chính xác

1.4.2.1.Xác định phụ tải tĩnh khi nâng tải

Phụ tải tĩnh là do trọng lượng của: cabin, tải trọng và đối trọng (bỏ qua trọng lượng dây cáp)

Lực kéo đặt lên puli khi nâng tải:

Trong đó: G là khối lượng hàng (kg)

là khối lượng cabin (kg)

là khối lượng đối trọng (kg)

k là hệ số tính đến ma sát giữa thanh dẫn hướng và đối trọng (k = 1,15 ÷ 1,3)

g là gia tốc trọng trường

Khối lượng đối trọng:

Với là hệ số cân bằng , chọn α = 0.4 ta tính được

Chọn k = 1.2 ta tính được lực kéo đặt lên puli khi nâng tải như sau:

1.4.2.2.Xác định phụ tải tĩnh khi hạ tải

Lực kéo đặt lên puli khi hạ với tải định mức

1.4.2.3.Xác định công suất động cơ

Công suất động cơ khi nâng tải max là:

Công suất động cơ khi nâng tải max là:

Công suất động cơ thực cần dùng là:

1.4.3 Chọn phương án truyền động

1.4.3.1.Chọn loại động cơ

Dựa vào quá trình tính toán và đề tài thiết kế hệ thống truyền động cho thang máy 10 tầng chở người em chọn động cơ với công suất Do đó có thể sử dụng các loại động cơ:

Động cơ một chiều

Động cơ đồng bộ kích từ nam châm cĩnh cửu

Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc

a) Động cơ một chiều

13

Ưu điểm:

Điều chỉnh tốc độ đơn giản và tuyến tính

Động cơ một chiều có đặc tính khởi động tốt

Nhược điểm:

Điều chỉnh tốc độ đơn giản và tuyến tính

Động cơ một chiều có đặc tính khởi động tốt

Trong quá trình hoạt động dễ gây ra hỏa hoạn do hiện tượng đánh lửa của vành góp chổi than

b) Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu

Ưu điểm:

Có hiệu suất cao hơn động cơ không đồng bộ, phù hợp ở dải công suất nhỏ, thường dùng cho cơ cấu truyền động có vùng điều chỉnh rộng, độ chính xác cao

Có kích thước nhỏ gọn hơn so với động cơ không đồng bộ cùng công suất

Sử dụng vật liệu từ, có mật độ từ cao, tổn thất từ và độ nhụt

từ nhỏ, khả năng tái nạp từ tốt, chịu nhiệt độ cao

Nhược điểm:

Về mặt kinh tế thì động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cữu vẫn đắt hơn động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc c) Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc

Ưu điểm:

Cấu tạo đơn giản

Phổ biến rộng rãi

So với động cơ một chiều thì động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn

Ở Việt Nam đã và đang sản xuất loại động cơ này với nhiều dải công suất khác nhau

Sử dụng trực tiếp điện xoay chiều 3 pha nên không cần trang

bị thêm các thiết bị biến đổi đi kèm khi không cần điều chỉnh tốc độ