nghiên cứu bộ biến đổi nghịch lưu ba pha tiết kiệm năng lượng

uLd Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q uLq Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q iL Vector dòng điện lưới iL Thành phần vector dòng điện lưới tr

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

NGÔ MINH HOÀNG

NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI NGHỊCH LƯU BA PHA

TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2012

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI NGHỊCH LƯU BA PHA

TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

CB HƯỚNG DẪN KHOA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Ngô Minh Hoàng học viên lớp cao học K13 Tự Động Hoá niên khoá 2010 -2012 Sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là PGS.TS Nguyễn Như Hiển, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, tôi đã đi đến cuối chặng đường để kết thúc khoá học thạc sỹ

Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: " Nghiên cứu bộ biến đổi

nghịch lưu ba pha tiết kiệm năng lượng "

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của các nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Như Hiển và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê Tôi không sao chép công trình của các nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào Nếu có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Người cam đoan

Ngô Minh Hoàng

12

1.1 Giới thiệu về biến tần sử dụng điện tử công suất 12

1.1.3.1 Bộ biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển 18 1.1.3.2 Bộ biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ

1.1.3.3 Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ

1.3 Lựa chọn hướng ứng dụng cho hệ thống truyền động sử dụng biến tần

1.3.3.1 Chế độ làm việc của tải 30

1.3.3.3 Yêu cầu về dừng chính xác, tiết kiệm năng lượng và an toàn 33

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BIẾN TẦN BA PHA

2.1 Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha 40 2.1.1 Đặc điểm của mô hình toán học trạng thái động của động cơ

2.1.2.5 Mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha 49 2.2 Giới thiệu về điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 50

2.2.1 Điều khiển vô hướng (SFC: Scalar Frequency Control) 51 2.2.2 Điều khiển định hướng theo từ trường (FOC: Field Oriented

2.2.3 Điều khiển trực tiếp mo men (DTC: Direct Toque Control) 57

CHƯƠNG III KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BIẾN TẦN BA PHA –

3.1 Phân tích hệ truyền động biến tần – Động cơ không đồng bộ cho

3.1.1 Khối mạch lực 59

3.2 Các thông số chủ yếu của hệ truyền động biến tần – ASM 64

3.3.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống và sơ đồ minh họa chi tiết: 65

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ε Góc pha điều khiển

cos ϕ Hệ số công suất cơ bản

i(t), i Giá trị dòng điện tức thời

j Đơn vị ảo

∆X, ∆x Sai lệch

kP, kI Hệ số khuyếch đại, hệ số tích phân

p(t), p Công suất tác dụng tức thời

q(t), q Công suất phản kháng tức thời

t Giá trị thời gian tức thời

v(t), v Giá trị điện áp tức thời

ψL Vector từ thông ảo

ψL Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ α - β

ψLβ Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ α - β

ψLd Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d - q

ψLq Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d - q

uL Vector điện áp lưới

uL Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ α - β

uLβ Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ α - β

uLd Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q

uLq Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q

iL Vector dòng điện lưới

iL Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ α - β

iLβ Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ α - β

iLd Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d - q

iLq Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d - q

uS, uconv Vector điện áp vào bộ chỉnh lưu

uSα Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ α - β

uS Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ α - β

uSd Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ d - q

uSq Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ d - q

udc Giá trị điện áp một chiều

idc Giá trị dòng điện một chiều

Sa,Sb,Sc, Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi

4Q Bốn góc phần tư (viết tắt của Four(4) Quater)

DPC Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt của Direct Power Control) DTC Điều khiển trực tiếp mômen (viết tắt của Direct Toque Control)

DPF Hệ số công suất dịch chuyển (viết tắt của Displacement Power Factor)

FOC Điều khiển tựa từ trường (viết tắt của Field Oriented Control)

PF Hệ số công suất (viết tắt của Power Factor)

PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse Width Modulation)

Te Mômen điện từ

VOC Điều khiển tựa theo điện áp lưới (viết tắt của Voltage Oriented Control)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.2: Sơ đồ khối quy trình điều khiển tốc độ động cơ sử dụng PLC

Hình 1.5: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều xoay chiều

Hình 1.6: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của

Hình 1.8: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều 19

Hình 1.10 : Cấu trúc biến tần ma trận ba pha trực tiếp 24

Hình 1.11: Cấu trúc biến tần ma trận gián tiếp ba pha 25

Hình 1.13: Các đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của quãng đường S,

tốc độ v, gia tốc a và độ dật ρ theo thời gian 32

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiều biến của động cơ không đồng bộ 41

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều tốc biến tần của độngcơ

Hình 2.3: Mô hình vật lý động cơ không đồng bộ ba pha 43

Hình 2.4: Cấu trúc điều khiển vô hướng hệ truyền động biến tần- động cơ

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động cơ không đồng bộ 54

Hình 2.6: Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ 55

Hình 2.7 : Cấu trúc điều khiển vectơ của hệ truyền động biến tần – động cơ

Hình 2.8: Sơ đồ khối hệ biến tần động cơ không đồng bộ, điều khiển trực tiếp

Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý phần lực truyền động biến tần động cơ không

Hình 3.13: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC 61

Hình 3.14: Cấu trúc khối điều khiển nghịch lưu của hệ truyền động

biến tần – động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc 63

Hình 3-15: Sơ đồ mô phỏng hệ biến tần 4Q - Động cơ không đồng bộ ba pha

Hình 3-16: Triển khai chi tiết khối PLECS Circuit 66

Hình 3-17: Triển khai chi tiết khối IGBT Converter 66

Hình 3-19: Mô tả toán học động cơ ASM 68

Hình 3-24: Khối Inv_Motor/ Direct Torque Control 70

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng kỹ thuật điện tử, tin học và tự động hóa, nền công nghiệp nước ta đang từng ngày hội nhập với nền kinh tế thế giới và tiếp nhận những thành tựu mới nhất của khoa học và công nghệ Đây là những yêu cầu và thách thức đòi hỏi đội ngũ các nhà khoa học kỹ thuật và công nhân trong nước phải không ngừng học tập để tiếp cận và làm chủ những công nghệ tiên tiến của thế giới

Sau 2 năm được đào tạo thạc sỹ tạo trường Đại học Kỹ thuật Công

nghiệp, tôi đã được giao đề tài luận văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu bộ biến đổi

nghịch lưu ba pha tiết kiệm năng lượng” Đối tượng nghiên cứu là hệ truyền

động biến tần ba pha - động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc cho phụ tải thế (Cabin thang máy)

Luận văn gồm có 3 chương:

Chương I : Giới thiệu về biến tần ba pha

Chương II : Nghiên cứu hệ truyền động biến tần ba pha– động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

Chương III : Khảo sát chất lượng hệ truyền động biến tần ba pha - động

cơ không đồng bộ rotor lồng sóc cho cabin thang máy

Đề tài đã được hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo, giúp đỡ động viên của các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp

Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Nguyễn Như Hiển , người đã

luôn quan tâm động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn Chân thành cảm ơn thầy

Các vấn đề được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy

cô và các bạn đồng nghiệp

Xin trân trọng cảm ơn!

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN BA PHA

1.1 Giới thiệu về biến tần sử dụng điện tử công suất

Bộ biến đổi tần số hay còn gọi là bộ biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều có tần số khác mà có thể thay đổi được

Đối với các bộ biến tần dùng cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì ngoài việc thay đổi tần số, chúng còn có thể thay đổi cả điện áp ra khác với điện áp lưới cấp vào bộ biến tần

Bộ biến tần chia làm hai nhóm :

- Biến tần máy điện : sử dụng máy điện xoay chiều làm biến đổi tần số nguồn điện

- Biến tần sử dụng điện tử công suất ( biến tần van) : dùng các tín hiệu điều khiển để đóng mở các van ( thường là tiristor hay transistor) biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều có tần số khác

Hình 1.1 Môt số hình ảnh về biến tần

Biến tần van thường được chia thành hai loại :

- Biến tần trực tiếp

- Biến tần gián tiếp

Biến tần van được ứng dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ nhẹ, không gây ồn, hệ số khuếch đại công suất lớn, hiệu suất cao

Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều Bộ biến tần này thường dược dùng

cho truyền động có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp

Hình 1.2 Sơ đồ khối quy trình điều khiển tốc độ động cơ sử dụng

PLC kết nối biến tần

Cấu trúc của bộ biến tần này như hình 1.3, trong đó chỉ cần dùng một bộ biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được

Bộ biến tần gồm hai bộ chỉnh lưu nối song song ngược như hình 1.4 Các bộ chỉnh lưu này có thể là sơ đồ ba pha có điểm trung tính, sơ đồ cầu hoặc các bộ chỉnh

lưu nhiều pha Số pha của bộ chỉnh lưu (m) càng lớn thì thành phần sóng điều hòa

bậc cao càng giảm

Nguyên lý làm việc của bộ biến tần như sau:

Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tạo ra bởi mạch điện mắc song song ngược hai sơ đồ chỉnh lưu tiristor Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận ngược lần lượt được điều khiển làm việc theo chu kỳ nhất định Trên phụ tải sẽ nhận điện áp ra xoay chiều U1 Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều khiển α,còn tần số của nó phụ thuộc vào tần số khống chế quá trình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược Nếu góc αkhông thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra có

giá trị không đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu ra Muốn nhận được điện áp đầu

ra có dạng gần hình sin hơn cần phải liên tục thay đổi góc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnh lưu trong thời gian làm việc của nó ( mỗi nửa chu kỳ điện áp ra); chẳng hạn ở nửa chu kỳ làm việc của sơ đồ thuận , thực hiện thay đổi góc điều khiển

αtừ π / 2(ứng với điện áp trung bình bằng không ) giảm dần đến 0 ( ứng với điện áp trung bình đạt cực đại), sau đó tăng dần αtừ 0 lên tới π / 2thì điện áp trung bình đầu

ra của sơ đồ chỉnh lưu lại từ giá trị cực đại giảm về 0, tức là làm cho góc αthay đổi trong phạm vi π / 2 ÷0÷ π / 2 để điện áp biến đổi theo quy luật gần như hình sin, như trên hình 1.5 Trong đó tại điểm A có α = 0, điện áp chỉnh lưu trung bình cực đại, sau đó tại điểm B,C,D,E góc αtăng dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với α= π / 2điện áp trung bình là 0 Điện áp trung bình trong nửa đầu chy kỳ là hình sin như nét đứt trong hình Sự điều khiển sơ đồ ngược trong nửa chu

kỳ âm điện áp ra cũng tương tự như thế

Trên đây đã phân tích đầu ra môt pha biến tần xoay chiều – xoay chiều ( trực tiép), đối với phụ tải ba pha, hai pha khác nhau cũng dùng mạch điện đảo chiều mắc song song ngược, điện áp trung bình đầu ra có góc lệch pha nhau 120o Như vậy, nếu mỗi một sơ đồ chỉnh lưu đều dùng loại sơ đồ cầu ba pha thì bộ biến tần ba pha

Hình 1.5 Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều

xoay chiều hình sin

sẽ cần tổng cộng tới 36 tiristor ( mỗi nhánh cầu chỉ dùng một tiristor ) nếu dùng lọai

sơ đồ tia ba pha, cũng phải dùng tới 18 tiristor Vì vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy

về mặt cấu trúc chỉ dùng một khâu biến đổi nhưng số lượng linh kiện lại tăng lên rất nhiều khiến cho tổng kích thước tăng lên rất lớn Do những thiết bị này đều tương tự như thiết bị của bộ biến đổi có đảo dòng thường dùng trong hệ thống điều khiển điều tốc một chiều có đảo chiều nên quá trình chuyển mạch chiều dòng điện được thực hiện giống như trong sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển (chuyển mạch tự nhiên) đối với các linh kiện không có yêu cầu gì đặc biệt Ngoài ra từ hình 1.5 có thể thấy, khi điện

áp đổi chiều đồ thị hình sin của điện áp nguồn cũng có thể biến đổi theo rất nhanh chóng, vì vậy tần số đẩu ra lớn nhất cũng không vượt quá 1/3 -1/2 tần số lưới điện ( tùy theo số pha chỉnh lưu ) nếu không đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hưởng tới sự làm việc bình thườngcủa hệ thống điều tốc biến tần Do số lượng linh kiện tăng nhiều tần số đầu ra giảm xuống, phạm vi thay đổi tần số đầu ra của bộ biến tần hẹp (vì cũng bị giới hạn cả tần số thấp nhất) nên hệ điều tốc này ít được sử dụng, chỉ trong một số lĩnh vực yêu cầu công suất lớn và tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn như máy cán thép, máy nghiền bi, lò xi măng… những loại máy này khi dùng động cơ tốc độ thấp được cấp điện bởi biến tần trực tiếp có thể loại bỏ được hộp giảm tốc rất cồng kềnh và thường tiristor mắc song song ngược mới thỏa mãn được yêu cầu công suất ra Bộ biến tần trực tiếp tuy có một số nhược điểm là số lượng phần tử nhiều ,phạm vi thay đổi tần số không rộng , chất lượng điện áp ra thấp nhưng có ưu điểm

là hiệu suất cao hơn so với các bộ biến tần gián tiếp, điều này đặc biệt ý nghĩ khi công suất hệ thống điều tốc cực lớn ( các hệ thống dùng động cơ công suất đến 16.000 KW) Trên đồ thị dạng sóng hình 1.6 ta thấy công suất tức thời của biến tần bao gồm có bốn giai đoạn

Trong hai khoảng ta có tích điện áp và dòng điện của biến tần dương, biến tần

lấy công suất từ lưới cung cấp cho tải Trong hai khoảng còn lại ta có tích điện áp và

dòng điện của biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp lại công suất cho lưới

1.1.3 Bộ biến tần gián tiếp

Bộ biến tần trực tiếp có ưu điểm là có thể thiết kế với một công suất khá lớn ở

đầu ra và hiệu suất cao nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm như :

- Chỉ tạo ra điện áp xoay chiều đẩu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp lưới

- Khó điều khiển ở tần số cận không vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ

khá lớn

- Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao

- Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin

\ Hình 1.6: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của

các khâu trong biến tần trực tiếp

Chính vì những đặc điểm trên mà một loại biến tần khác được đưa ra để nâng cao chất lượng hệ thống truyền động biến tần –động cơ xoay chiều đó là biến tần gián tiếp Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhược điểm của bộ biến tần trực tiếp

Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian 1 chiều nên có thể có các cấu trúc khác nhau, cấu trúc chung đuợc mô tả như hình 1.7 Về cơ bản có thể có ba khâu chính : chỉnh lưu, lọc và nghịch lưu Phụ thuộc vào việc điều chỉnh điện áp đầu ra

mà có thể có ba dạng sau : Bộ biến tần dùng chỉnh lưu có điều khiển , bộ biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển nhưng thêm bộ biến đổi xung áp 1 chiều, bộ biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu thực hiện điều chế độ rộng xung ( PWM)

1.1.3.1 Bộ biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển

Bộ biến tần có cấu trúc như hình 1.8a, điện áp xoay chiều lưới điện được biến đổi thành điện áp 1 chiều có điều chỉnh nhờ chỉnh lưu điều khiển tiristor, khâu lọc có thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm phụ thuộc vào dạng nghịch lưu yêu cầu, khối nghịch lưu có thể sử dụng các tiristor hoặc transistor Việc điều chỉnh giá trị điện áp

ra U2đựoc thực hiện bằng việc điều khiển góc điều khiển bộ chỉnh lưu, việc điều chỉnh tần số tiến hành bởi khâu nghịch lưu, tuy nhiên quá trình điều khiển được phối hợp trên cùng một mạch điện điều khiển Cấu trúc của bộ biến tần loại này đơn giản,

dễ điều khiển nhưng do khâu biến đổi điện áp xoay chiều thành 1 chiều (đầu vào) sử dụng chỉnh lưu điều khiển tiristor nên khi điện áp ra thấp thì hệ số công suất giảm

Hình 1.7: Thiết bị biến tần gián tiếp

thấp, khâu biến đổi điện áp hoặc dòng điện 1 chiều thành xoay chiều (đầu ra) thường dùng nghịch áp ba pha bằng tiristor nên sóng hài bậc cao trong điện áp xoay chiều đầu ra thường có biên độ khá lớn Đây là nhược điểm chủ yếu của loại biến tần này

1.1.3.2 Bộ biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi

Bộ biến tần xoay chiều gián tiếp dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển kết hợp với biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh điện áp một chiều ở đầu vào khối nghịch lưu được biểu diễn như hình 1.8b.*

Việc biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để cấp cho khối nghịch lưu

sử dụng bộ chỉnh lưu điôt không điều khiển Khối nghịch lưu chỉ có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều với tần số điều chỉnh được mà không có khả năng điều chỉnh điện áp ra của nghịch lưu nên giữa khối chỉnh lưu và nghịch lưu bố

Hình 1.8: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian 1 chiều

a Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor

b Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung áp

c Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM

trí thêm bộ biến đổi xung điện áp 1 chiều để điều chỉnh giá trị điện áp 1 chiều cấp cho nghịch lưu nhằm thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều đầu ra nghịch lưu U2 Mặc dù bộ biến tần này đã phải thêm vào một khâu ( chưa kể khâu lọc) nhưng hệ số công suất đẩu vào khá cao, khắc phục được nhược điểm của bộ biến tần thứ nhất Khối nghịch lưu đầu ra không thay đổi nên vẫn tồn tại nhược điểm là các sóng hài bậc cao có biên độ khá lớn

1.1.3.3 Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PMW

Như đã trình bày, trong hệ thống điều tốc biến tần áp dụng phương pháp điều chỉnh tỷ số điện áp – tần số không đổi, khi sử dụng biến tần gián tiếp dùng tiristor thì việc điều chỉnh điện áp và tần số được thực hiện riêng ở hai khâu : điều chỉnh tần số

ở khâu nghịch lưu còn điều chỉnh điện áp thực hiện ở khâu chỉnh lưu, điều này đã kéo theo một số vấn đề là :

- Mạch điện chính có hai khâu công suất điều khiển được nghĩa là khá phức tạp

- Do khâu một chiều trung gian có bộ lọc bằng tụ lọc hoặc điện kháng với quán tính lớn, làm cho tính thích nghi trạng thái động của hệ thống thường bị chậm trễ

- Do bộ chỉnh lưu có điều khiển làm cho hệ số công suất của nguồn điện cung cấp giảm nhỏ khi công suất đầu ra giảm xuống theo sự thay đổi của chế độ làm việc của hệ điều tốc, đồng thời làm tăng sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn

- Đầu ra của bộ nghịch lưu là điện áp (dòng điện) có dạng khác xa hình sin, tạo

ra nhiều sóng hài bậc cao trong dòng điện động cơ, dẫn tới mô men biến động khá lớn ảnh hưởng tới tính ổn định làm việc của động cơ, đặc biệt là khi ở tốc độ thấp

Vì vậy các thiế biến tần do các linh kiện điện tử công suất dạng tiristor không thể đáp ứng được những yêu cầu đối với những hệ thống điều tốc biến tần hiện đại Sự xuất hiện các linh kiện điện tử công suất điều khiển hoàn toàn (GTO,IGBT,…) cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử đã tạo ra các điều kiện tốt để giải quyết vấn

đề này

Bộ biến tần PWM ứng dụng kỹ thuật điều chế trong hệ thống thông tin vào việc điều chế điện áp ra của biến tần về cơ bản đã giải quyết được vấn đề tồn tại trong bộ

biến tần thông thường dùng tiristor, tạo điều kiện cho sự phát triển lĩnh vực mới là

hệ thống điều tốc dòng điện xoay chiều cận đại Hình 1.8c giới thiệu cấu trúc bộ biến tần PWM, bộ biến tần này vẫn là bộ biến tần có khâu trung gian một chiều chỉ khác

là khâu chỉnh lưu chỉ cần là chỉnh lưu không điều khiển, điện áp ra của nó sau khi đi qua bộ lọc C (hoặc L-C) cho điện áp một chiều có giá trị không đổi dùng để cấp cho khâu nghịch lưu, linh kiện đóng mở công suất trong khâu nghịch lưu là các phần tử điều khiển hoàn toàn và được điều khiển đóng cắt với tần số khá cao, tạo nên trên đầu ra một loạt xung hình chữ nhật với độ rộng khác nhau, còn phương pháp điều khiển quy luật phân bố thời gian và trình tự thao tác đóng – cắt chính là phương pháp điều chế độ rộng xung Ở đây thông qua việc thay đổi độ rộng các xung chữ nhật có thể điều chế giá trị biên độ điện áp của sóng cơ bản đầu ra nghịch lưu, đáp ứng yêu cầu phối hợp giá trị điều khiển tần số và điện áp của hệ điều tốc biến tần Đặc điểm chủ yếu của mạch điện này là :

- Mạch điện chính chỉ có một khâu công suất điều khiển được, đơn giản hóa cấu trúc, hệ số công suất của mạng điện không liên quan tới biên độ của điện áp đầu ra

bộ nghịch lưu và tiến gần đến 1

- Bộ nghịch lưu thực hiện đồng thời điều tần và điều áp, không liên quan đến tham số của linh kiện khâu trung gian một chiều nên làm tăng độ tác động nhanh trạng thái động của hệ thống

- Có thể nhận được đồ thị điện áp đầu ra tốt, hạn chế hoặc lọai bỏ được sóng hài bậc thấp, làm cho động cơ có thể làm việc với điện áp biến thiên gần như hình sin, biến động của mô men khá nhỏ, mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động

1.1.3.4 Biến tần điều khiển vector

Với sự ra đời của các linh kiện bán dẫn công suất điều khiển hoàn toàn dẫn đến việc xuất hiện nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin ( SPWM) đã cải thiện một bước chất lượng điều tốc động cơ xoay chiều Các biến tần SPWM với phương pháp điều chỉnh U1/fs = hằng số (fslà tần số sóng hài cơ bản điện áp đặt vào mạch stator động cơ, đây cũng chính là tần số f2trong các sơ đồ hình 1.8 và 1.9 ) có thể cho phép

điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều với chất lượng dòng áp khá tốt, phạm vi điều chỉnh đã được mở rộng nhưng mô men cực đại bị giới hạn và chưa đáp ứng được các yêu cầu cao về chất lượng tĩnh của phần lớn các hệ điều tốc Với các hệ điều tốc vòng kín dùng biến tần gián tiếp SPWM như là hệ điều tốc điều khiển tần số trựơt chẳng hạn, đã cải thiện đáng kể chất lượng tĩnh của hệ thống điều tốc động cơ xoay chiều, tạo được đặc tính gần với hệ thống điều tốc hai mạch vòng động cơ một chiều, tuy nhiên chất lượng động của hệ thống vẫn còn xa mới đạt được như hệ thống điều tốc hai mạch vòng động cơ một chiều

Dựa vào kết quả nghiên cứu, các nhà sáng chế đã tạo nên hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay được ứng dụng rất phổ biến

Cấu trúc phổ biến phần lực của biến tần sử dụng nghịch lưu điều khiển vector được mô tả như hình 1.9 Về cơ bản các thiết bị phần lực của biến tần này hoàn toàn tương tự như của biến tần điều chế động rộng xung hình sin, chỉ khác là việc điều khiển khối nghịch lưu áp dụng phương pháp điều khiển vector Trong biến tần điều khiển vector, người ta áp dụng phép biến đổi tọa độ không gian các vector dòng, áp,

từ thông động cơ từ hệ a-b-c sang hệ hai pha quay d-q, quay đồng bộ với từ trường stator của động cơ và thường chọn trục d trùng với vector từ thông rotor (điều khiển hướng theo từ trường stator) Thông qua phép biến đổi tọa độ không gian vector, các đại lượng dòng áp xoay chiều hình sin của động cơ trở thành đại lượng một chiều nên hoàn toàn có thể sử dụng các kết quả nghiên cứu tổng hợp hệ thống truyền động động cơ một chiều để thiết kế các bộ điều chỉnh Sau đó, các đại lượng một chiều đầu ra các bộ điều chỉnh lại đựơc biến đổi thành đại lượng xoay chiều ba pha qua phép biến đổi ngược tọa độ để khống chế thiết bị phát xung điều khiển các van nghịch lưu Hệ truyền động điện biến tần vector- động cơ xoay chiều được thực hiện

Hình 1.9: Bộ biến tần điều khiển vector

ở dạng hệ vòng kín với việc điều khiển định hướng theo từ trường rotor cho phép có thể duy trì được từ thông rotor không đổi (ở vùng tần số thấp hơn tần số cơ bản), thực hiện được quan hệ Er= fs= hằng số, nhờ đó mà đặc tính cơ của động cơ xoay chiều không đồng bộ trong hệ có dạng như đặc tính động cơ một chiều ( với khả năng quá tải mô men rất lớn)

1.2 Biến tần ba pha

1.2.1 Giới thiệu chung

Các bộ biến tần thông thường luôn tồn tại một số nhựơc điểm cơ bản như : sóng điều hòa bậc cao gây méo điện áp lưới, hệ số công suất thấp , một số biến tần cho chất lượng điều khiển tốt khi dòng trung tính bằng không nhưng trong trường hợp nguồn tải không cân thì lại khiến chất lượng điều khiển không tốt có thể gây ra

sự cố hệ thống

Biến tần ba pha bốn dây được phát triển trên cơ sở chỉnh lưu ba pha ba dây để khắc phục những nhược điểm của hệ thống này khi làm việc với nguồn không cân bằng, thông qua việc trên mạch lực có thêm một cặp van bán dẫn để điều khiển dòng trung tính Nhờ vậy chúng có khả năng làm việc tốt trong điều kiện nguồn không cân bằng

1.2.2 Biến tần ba pha trực tiếp

Biến tần ma trận ( matrix converter – MC ) là bộ biến đổi trực tiếp AC –AC

có nhiều ưu điểm như trao đổi công suất theo hai chiều, dòng điện đầu vào có dạng hình sin, hệ số công suất đầu vào gần bằng một Biến tần ma trận trực tiếp ba pha –bốn dây ( TFDMC) được chỉ ra trên hình 1.10 đầu vào có ba nhánh, đầu ra có bốn nhánh, ba nhánh cho ba pha, một nhánh cho dây trung tính, cấu trúc này đáng ứng được các yêu cầu cho các phụ tải cần sử dụng dây trung tính

Chuyển mạch là quá trình chuyển dòng điện từ một van bán dẫn đang bị khóa lại sang một van khác vừa mở ra Khác với biến tần truyền thống, các van bán dẫn hai chiều trong biến tần ma trận yêu cầu quá trình chuyển mạch tương đối phức tạp Quá trình chuyển mạch trong biến tần ma trận tuân thủ theo hai quy tắc, đó là không được ngắn mạch phía lưới và không được hở mạch phía tải Quy tắc thứ nhất đảm bảo không xảy ra ngắn mạch phía điện áp lưới gây ra xung dòng điện lớn phá hủy van Quy tắc thứ hai đảm bảo không gây ra hiện tượng hở mạch phía tải gây ra quá điện áp, đánh thủng các van bán dẫn Nhiều phương pháp chuyển mạch đã được nghiên cứu và áp dụng cho biến tần ma trận như chuyển mạch bốn bước, chuyển mạch hai bước, chuyển mạch một bước,chuyển mạch thông minh

Hình 1.10 : Cấu trúc biến tần ma trận ba pha trực tiếp

Do quá trình chuyển mạch diễn ra rất nhanh nên logic chuyển mạch thường được thực hiện trên các thiết bị phần cứng như là CPLD, FPGA Logic của quá trình chuyển mạch rất phức tạp nên để đảm bảo tính chính xác của các trạng thái logic, trước khi thử nghiệm trên phần cứng cần phải tiến hành mô phỏng để kiểm chứng

1.2.3 Biến tần ba pha gián tiếp

Biến tần ma trận ( matrix converter – MC ) là bộ biến đổi trực tiếp AC –AC

có nhiều ưu điểm như trao đổi công suất theo hai chiều, dòng điện đầu vào có dạng hình sin, hệ số công suất đầu vào gần bằng một

MC có vai trò là bộ biến đổi công suất khi làm viếc với động cơ thì đặc điểm của tải là đối xứng MC có vai trò là bộ nguồn thì đặc điểm và tính chất của tải sẽ rất

đa dạng, có thể là một, hai, ba pha, động cơ, R, L, C, tuyến tính hoặc phi tuyến Ở đây đề cập đến một trong nhiều phương án có thể đáp ứng được các yêu cầu trên, cấu trúc mạch lực đề cập được chỉ ra trên hình 1.11, nó bao gồm hai phần, phần nối với lưới sử dụng chỉnh lưu hai cực tính nối theo kiểu ma trận với sau van bán dẫn hai chiều BSD, phần nối với tải sử dụng nghịch lưu bốn nhánh thông thường

Hình 1.11 Cấu trúc biến tần ma trận gián tiếp ba pha

1.3 Lựa chọn hướng ứng dụng cho hệ thống truyền động sử dụng biến tần ba pha

Hiện nay hệ truyền động hiện đại thường được dùng trong thang máy là điều khiển tần số động cơ không đồng bộ và gần đây nhất bắt đầu sử dụng động

cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu Định hướng của đề tài này là ứng dụng biến tần ba pha – động cơ không đồng bộ cho cabin thang máy

1.3.1 Lựa chọn biến tần

Các bộ biến tần được chia thành 2 loại chính:

+ BBT phụ thuộc (hay BBT trực tiếp – cycloconverter) ; loại này biến đổi thẳng dòng điện xoay chiều tần số f1 thành f2 không qua khâu chỉnh lưu CL nên hiệu suất cao hơn loại trên nhưng việc thay đổi tần số ra khó khăn và phụ thuộc vào tần số f1

+ BBT độc lập (hay BBT gián tiếp – autonom inverter) hay còn gọi là BBT trung gian

Trong BBT loại này, dòng điện xoay chiều đầu vào tần số f1 được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều (tần số f = 0), lọc rồi lại được biến đổi thành dòng xoay chiều tần số f2

Hiện nay chỉ dùng BBT gián tiếp (BBT trung gian) với bộ chỉnh lưu dùng Diode và Tiristor

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều, có điện áp ổn định và chất lượng cao Chỉnh lưu được phân loại theo nhiều cách: theo số pha nguồn cấp cho mạch van (3 pha, 6 pha), theo loại van bán dẫn (chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu điều khiển, chỉnh lưu bán điều khiển) và phân loại theo sơ đồ mắc van (hình tia, hình cầu)

Bộ chỉnh lưu diode và tiristor đã có lịch sử gần năm mươi năm và chúng được định nghĩa như một thiết bị điện tử công suất cổ điển, được ứng dụng rộng rãi nhất trong thực tế

Ưu điểm: Chỉnh lưu diode và tiristor có các ưu điểm như: đơn giản, bền

và giá thành thấp

Nhược điểm: - Dòng điện chứa nhiều sóng điều hoà bậc cao làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng

- Gây ra hệ số công suất thấp

- Các bộ chỉnh lưu dùng diode và thyristor chỉ dẫn năng lượng theo một chiều dẫn đến khó trao đổi năng lượng giữa động cơ và lưới Vì vậy, năng lượng không thể được trả về lưới từ động cơ mà bị tiêu hao trên các điện trở được điều khiển bởi các ngắt điện nối dọc theo mạch một chiều Phương pháp cải tiến vấn đề này là dùng hãm dập năng lượng mạch một chiều hoặc dùng bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu trả về lưới

Do các nhược điểm của bộ chỉnh lưu cũ đòi hỏi phải tìm ra một bộ chỉnh lưu mới thoả mãn các điều kiện:

- Chứa ít sóng điều hoà bậc cao

- Hệ số cos φ cao

- Năng lượng chảy được theo theo hai chiều

Như vậy vấn đề đặt ra ở đây là phải tìm ra một loại chỉnh lưu tự nó thoả mãn những yêu cầu đã nêu trên.

Những năm gần đây người ta đưa ra cấu trúc biến tần sử dụng bộ chỉnh lưu PWM để khắc phục những nhược điểm trên Biến tần này có thể hoạt động

trên cả bốn góc phần tư nên còn gọi là biến tần 4 góc phần tư (4Q) Sự ra đời của loại biến tần này mang lại một giải pháp kỹ thuật mới với nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại biến tần nguồn áp thông thường

1.3.2 Lựa chọn động cơ

a Động cơ không đồng bộ (ASM – Asynchronous Machine)

Động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, chắc chắn, vận hành an toàn

và sử dụng nguồn cung cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha Tuy nhiên, vấn đề điều khiển động cơ xoay chiều nói chung và động cơ không đồng bộ nói riêng phức tạp hơn động cơ một chiều và sẽ rất phức tạp nếu đòi hỏi hiệu xuất cao Nguyên nhân cơ bản là có nhiều quan hệ phi tuyến (n, M, I), xử lý phức tạp các tín hiệu hồi tiếp, điều khiển phức tạp nguồn cung cấp có điện áp và tần số biến thiên Vì vậy, trước đây các hệ truyền động điện động cơ không đồng bộ ba pha có điều chỉnh tốc độ chiếm tỉ lệ ít so với động cơ một chiều Trong thời gian gần đây do sự phát triển của công nghệ chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học cộng với những thành tựu trọng việc nghiên cứu lý thuyết điều chỉnh tự động động cơ xoay chiều, những ưu thế của động cơ không đồng bộ, đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc so với động cơ một chiều về mặt kết cấu, vận hành và sửa chữa đã được khai thác triệt để Xu thế hiện nay là ứng dụng điều khiển vectơ vào các hệ điều khiển chuyển động

Các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có yêu cầu cao về giải điều chỉnh và tính chất động học chỉ có thể thực hiện được với các bộ biến tần Các hệ này sử dụng động cơ không đồng bộ roto lồng sóc có kết cấu đơn giản, vững chắc, giá thành rẻ, có thể làm việc trong mọi môi trường phức tạp Trong lĩnh vực điều khiển thang máy, phương án truyền động sử dụng động cơ lồng sóc điều khiển bằng biến tần để điều khiển động cơ truyền động cabin hiện nay đang là phương án được sử dụng rộng rãi nhất thay thế cho các phương án dùng động cơ một chiều và động cơ rôto dây quấn, có thể thay đổi khả năng khởi động và hãm nhằm giảm độ giật cho cabin, điều chỉnh tốc độ trơn hoàn toàn, chất lượng điều chỉnh cao, dễ dàng vận hành

b Động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ ba pha, trước đây thường dùng cho loại truyền động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm KW đến hàng MW (truyền động cho máy bơm, máy nén khí, quạt gió, máy nghiền,…) Ngày nay, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, công nghiệp vật liệu,… Động cơ đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi dải công suất từ vài trăm W (truyền động ăn dao trên máy cát kim loại, dẫn động các khớp của tay máy,…), đến hàng MW (truyền động kéo tàu cao tốc TGV, máy nghiền, máy cán thép,…)

Động cơ đồng bộ luôn luôn đảm bảo quay đồng bộ và cùng tần số với nguồn điện, chỉ cần nguồn điện giữ được điện áp và tần số tuyệt đối không đổi Thiết bị có kích thước nhỏ như chiếc đồng hồ quay định giờ, lớn đến mức như các động cơ đồng bộ cỡ lớn trong hệ thống máy phát một chiều đều sử dụng đặc điểm quay với tốc độ góc không đổi

Động cơ đồng bộ còn có một ưu điểm nổi bật là có thể điều chỉnh được

hệ số công suất cuả nó bằng các phương pháp kích từ, có thể làm cho hệ số công suất cao hơn 1 (cosϕ ≥ 1) Trong một nhà máy chỉ cần sử dụng một vài động cơ đồng bộ với dung lượng rất lớn truyền động cho các phụ tải yêu cầu tốc độ bất biến (chẳng hạn như máy bơm, máy nén khí) là có thể cải thiện được công suất của toàn nhà máy

Động cơ đồng bộ (đặc biệt là loại công suất lớn) khi khởi động rất phức tạp, lúc nghiêm trọng có thể phát sinh dao động mạnh điện áp của lưới điện gây

ra nguy hiểm cho lưới điện, cho các phụ tải lân cận và cho chính động cơ đồng

bộ Ngoài ra, các vấn đề dao động và mất đồng bộ khi tải trọng lớn cũng còn là trở ngại khi sử dụng động cơ đồng bộ Vì vậy, trừ khi có những yêu cầu đặc biệt, các thiết bị công nghiệp nói chung rất ít dùng đến động cơ đồng bộ

1.3.3 Lựa chọn phụ tải

1.3.3.1 Chế độ làm việc của tải

Cabin thang máy hành khách chuyển động theo phương thẳng đứng và được trượt theo các rãnh định hướng Mô men của động cơ truyền động cho cabin thang máy cũng thay đổi theo tải trọng rất rõ rệt, khi không tải mô men động cơ không vượt quá (15 ÷ 20)% Mđm Do đó, để sử dụng tối ưu về mô men

và công suất động cơ, khử bỏ ảnh hưởng của trọng lượng cáp treo, trong thang máy đã sử dụng cáp cân bằng và đối trọng Trọng lượng của đối trọng thang máy chở khách thường chọn:

Gđt = Gbt + αG [kg]

Trong đó: Gđt - Khối lượng đối trọng, [kg]

Gbt - Khối lượng buồng thang, [kg]

G - Khối lượng hàng, [kg]

α = (0,35 ÷ 0,4 ) - Hệ số cân bằng

Như vậy, khác với tính chất tải của cơ cấu nâng hạ trên cầu trục, mô men cản của cabin thang máy luôn mang tính ma sát (do hệ thống rãnh trượt định hướng chuyển động của cabin tạo ra) Khi cabin đầy tải và đi lên thì động cơ làm việc ở chế độ động cơ (góc phần tư I), minh họa trên hình 1.2, khi cabin đầy tải và đi xuống thì động cơ làm việc ở chế độ động cơ với chiều quay ngược lại (góc phần tư III)

Khi nâng và hạ cabin không tải, tình hình có khác, nâng cabin không tải thực chất là hạ đối trọng xuống, động cơ làm việc ở chế độ động cơ (góc phần

tư thứ III) và hạ cabin không tải thực chất là nâng đối trọng lên, động cơ làm việc ở chế độ động cơ (góc phần tư thứ I)

Khi giảm tốc độ từ cao xuống thấp để nâng cao cấp chính xác dừng cabin, tùy theo chiều quay động cơ sẽ làm việc ở chế độ hãm tái sinh (góc phần tư thứ

II và IV)

Minh họa trên hình vẽ sau:

A1: nâng cabin đầy tải tốc độ cao

A2: nâng cabin đầy tải tốc độ thấp (chuẩn bị dừng khi đến sàn tầng)

A1’: hạ cabin đầy tải tốc độ cao

A2’: hạ cabin đầy tải tốc độ thấp (chuẩn bị dừng khi đến sàn tầng)

C1, C2: Hãm khi giảm tốc độ từ cao xuống thấp trong chế độ nâng

C1’, C2’: Hãm khi giảm tốc độ từ cao xuống thấp trong chế độ hạ

Hệ làm việc ở trạng thái động cõ

CB tai DT

G + G > G

C1: Nâng tải nhỏ

C2: Giảm tốc khi nâng tải nhỏ

Hệ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh

CB tai DT

G + G < G

C’1: Hạ tải nhỏ C’2: Giảm tốc khi

hạ tải nhỏ

Hệ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh

1.3.3.2 Các yêu cầu về truyền động điện

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, vấn đề quan trọng nhất đặt ra đối với người thiết kế không chỉ đạt được tốc độ cao mà là phải giải quyết 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 là tốc độ di chuyển v [m/s], gia tốc a [m/s2] và độ giật ρ [m/s3]

Hình 1.13: Các đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của quãng đường S,

tốc độ v, gia tốc a và độ dật ρ theo thời gian

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 hình 1.3

Khi tốc độ cabin đạt giá trị từ (0,75 ÷ 3,5) [m/s], gia tốc tối ưu a ≤ 2 [m/s2], 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

4

2 0 0

c

M i

D J t

v S

± +

∆

(1-1) Trong (1-1): v0 – là vận tốc lúc bắt đầu hãm, [m/s]

∆t – thời gian tác động của thiết bị điều khiển, [s]

J – mô men quán tính quy đổi về cabin, [kgm2]

Mph – mô men phanh hãm (ma sát), [N]

Mc – mô men cản tĩnh, [N]

ω0 – tốc độ quay của động cơ lúc bắt đầu hãm, [rad/s]

D – đường kính puly kéo cáp, [m]

i – tỉ số truyền

Trong nhiều biện pháp nhằm giảm sai lệch quãng đường khi hãm dừng nhằm nâng cao cấp chính xác dừng máy thì biện pháp giảm tốc độ đầu trước khi hãm dừng là hiệu quả nhất vì sai lệch tỷ lệ với bình phương tốc độ quay của động cơ lúc bắt đầu hãm (S ≈ ω02) Điều này, phù hợp với giản đồ vận tốc trình bày trên hình vẽ 1-2 Đối với thang máy có vận tốc trung bình và nhanh (v = 2,5 [m/s], a = 2 [m/s2]) thì độ chính xác dừng máy yêu cầu là ±(5 ÷ 10) [mm]

b Tiết kiệm năng lượng

Các vấn đề như giảm thời gian vào, ra của hành khách hay hàng hóa, chọn lựa các thiết bị có thời gian tác động nhanh,… cũng là một trong các biện pháp nâng cao năng suất của thang máy Nhưng chính việc sử dụng các hệ thống truyền động điện hiện đại mới thực sự tiết kiệm đáng kể về năng lượng cho nó Đối với thang máy chạy chậm (v ≤ 0,5 [m/s]) sử dụng các hệ truyền động động cơ không đồng bộ một vài cấp tốc độ, dừng thang máy bằng phanh hãm điện từ cho nên tiêu hao nhiều năng lượng Các hệ truyền động hiện đại hơn có thể kết hợp hãm cơ khí và hãm điện (chủ yếu là hãm động năng tiêu hao năng lượng trên điện trở) vẫn không cải thiện được hệ số công suất (cosϕ) và làm méo các dạng sóng lưới điện,

Bằng việc sử dụng bộ biến đổi tần số PMW cho phép động cơ nâng hạ cabin thang máy làm việc cả 4 góc phần tư, cho phép nâng cao hệ số công suất (cosϕ ≈ 1), đảo chiều chuyển động linh hoạt, rút ngắn thời gian thao tác vào, ra

và dạng đường cong dòng và áp gần hình sin nhất, độ méo không đáng kể Đặc biệt là có thể sử dụng hãm tái sinh trả năng lượng cho lưới điện

c An toàn khi vận hành

Đối với thang máy hành khách, cabin phải được trang bị bộ phanh bảo hiểm (phanh dù) Phanh bảo hiểm giữ cabin tại chỗ khi bị đứt cáp, mất điện và khi tốc độ chuyển động của cabin vượt quá từ (20 ÷ 40)% tốc độ định mức

Phanh bảo hiểm thường được chế tạo theo ba kiểu: Kiểu nêm, kiểu lệch tâm và kiểu kìm Trong đó, phanh bảo hiểm kiểu kìm được sử dụng rộng rãi hơn, nó đảm bảo cho cabin dừng êm hơn

Phanh bảo hiểm thường được lắp phía dưới cabin, cùng với kết cấu của phanh bảo hiểm, cabin có trang bị thêm cơ cấu hạn chế tốc độ kiểu ly tâm Khi cabin chuyển động sẽ làm bộ hạn chế tốc độ kiểu ly tâm quay, khi tốc dộ cabin vượt quá giá trị nói trên thì cabin được ép chặt vào thanh dẫn hướng và do đó, hạn chế được tốc độ của cabin

1.3.3.4 Tính chọn công suất động cơ

Tính chọn đúng 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 suất hệ truyền động và cosϕ của lưới điện Để có thể tính chọn được công suất truyền động cho cabin thang máy 5 tầng cần có các số liệu sau:

- Vận tốc chuyển động của cabin: 60 m/phút (1m/s)

a Xác định phụ tải tĩnh khi nâng tải

Phụ tải tĩnh là do trọng lượng của: cabin, tải trọng và đối trọng (trong sơ

đồ động học có sử dụng dây cáp cân bằng cùng chủng loại với dây cáp kéo cho nên trọng lượng cáp được bỏ qua)

- Lực kéo đặt lên puly khi nâng tải:

F =(G+G −G ).k.gTrong đó : G là khối lượng hàng (kg)

Gcb là khối lượng cabin (kg)

Gdt 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 : Gdt =Gcb +αG

Với α là hệ số cân bằng α = ( 0.3 ÷ 0.6), chọn α = 0.4 ta tính được

Gđt = 320 + 0,4.600 = 560 kg + Chọn k = 1.2 ta tính được lực kéo đặt lên puly khi nâng tải như sau:

Fn = (600 + 320 – 560).1,2.9,8 = 4.233,6 (N)

- Momen tương ứng với lực kéo khi nâng tải định mức

n n

F RM

i.η

=Trong đó : R = 0.25 (m) là bán kính puly

i là tỉ số truyền của cơ cấu (chọn i = 30)

η là hiệu suất của cơ cấu (chọn η= 0.75)

47,04(Nm)30.0,75

254.233,6.0,

b Xác định phụ tải tĩnh khi hạ tải

- Lực kéo đặt lên puly khi hạ với tải định mức

Fh = (Gđt – Gcb – G).k.g = (560 – 320 – 600).1,2.9.8 = – 4.233,6 (N)

- Momen tương ứng với lực kéo khi hạ tải định mức:

26,46(Nm).0,75

30

254.233,6.0,η

i

RF

c Xác định đồ thị phụ tải, hệ số đóng điện tương đối

Muốn xác định được hệ số đóng điện tương đối cần phải xây dựng đồ thị phụ tải tĩnh Để thuận tiện cho tính toán ta có một số giả thiết sau:

- Cabin luôn đầy tải (10 hành khách)

- Qua mỗi tầng cabin chỉ dừng một lần đón trả khách

- Thời gian vào/ ra cabin được tính gần đúng 1s/ 1 người

- Thời giam mở cửa cabin là 1s/ 1 lần

- Thời giam đóng cửa cabin là 1s/ 1 lần

- Giả sử mỗi tầng có một người ra thì có một người vào thì thời gian nghỉ

sẽ là: tng = 4s

Tra bảng 3-1 [Sách TBĐ-ĐT Máy công nghiệp dùng chung, trang 31] thì thời gian mở máy và hãm máy là:

Tkđ = th = 0,9 (s) Quãng đường đi được trong thời giam mở máy và hãm máy là:

0,6(m)2

1,5.0,92

t.aSS

2 2

kđ h

Thời gian chuyển động của cabin ở giữa hai tầng liên tiếp là:

2,8(s)1

0,60,64v

SSH

Thời gian làm việc của cabin ở giữa hai tầng liên tiếp là:

tlv = tkđ + t + th = 0,9 + 2,8 + 0,9 = 4,6 (s) Giả thiết khi lên tầng trên cùng cả 10 hành khách cùng ra hết và lại có 10 hành khách mới vào cabin để đi xuống tầng dưới Như vậy, thời gian nghỉ khi này là:

t0 = 1 + 10.1 + 10.1 + 1 = 22 (s) Khi xuống với giả thiết cả vận tốc và gia tốc giữ không đổi nên tlv (4,6 s)

và tng (4 s) như khi đi lên Giả thiết khi tầng 1 cả 10 hành khách cùng ra hết và lại có 10 hành khách mới vào cabin để đi lên tầng trên Như vậy, thời gian nghỉ khi này là:

t0’ = t0 = 1 + 10.1 + 10.1 + 1 = 22 (s) Chu kỳ làm việc của thang máy là:

tck = 4.tlv + 4.tng + 2.t0 = 4.4,6 + 4.4 + 2.22 = 78,4 (s)

Đồ thị phụ tải tĩnh xây dựng được như sau: