NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ CHO THANG MÁY

Header Page of 16 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP …………………… LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ CHO THANG MÁY Học viên: Nguyễn Tuấn Hải Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Như Hiển THÁI NGUYÊN - 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU……………………………………………………………………… Chương 1: Tổng quan thang máy………………………………………… 1.1 Khái niệm chung thang máy………………………………………… 1.1.1 Giới thiệu……………………………………………………………… 1.1.2 Lịch sử phát triển thang máy……………………………………… 1.1.3 Tình hình sử dụng thang máy Việt Nam……………………………… 1.1.4 Phân loại ký hiệu thang máy………………………………………… 1.1.5 Cấu tạo thang máy………………………………………………… 1.2 Chế độ làm việc tải yêu cầu hệ truyền động điện dùng 11 thang máy………………………………………………………………… 1.2.1 Chế độ làm việc tải………………………………………………… 11 1.2.2 Các yêu cầu truyền động điện……………………………………… 13 1.2.3 Yêu cầu dừng xác, tiết kiệm lượng an toàn………… 15 1.2.4 Tính chọn công suất động cơ………………………………………… 17 1.3 Nghiên cứu hệ truyền động điện đại dùng thang máy 20 1.3.1 Lựa chọn biến tần……………………………………………………… 1.3.2 Lựa chọn động cơ……………………………………………………… 23 1.4 Kết luận…………………………………………………………………… 25 Chương II: Nghiên cứu mô hình toán học phương pháp điều khiển tần số 26 động không đồng Rotor lồng sóc……………………………………… 26 2.1 Mô hình toán học nhiều biến động không đồng ba pha……… 26 2.1.1 Đặc điểm mô hình toán học trang thái động động KĐB 26 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 2.1.2 Mô hình toán học nhiều biến động KĐB ba pha……………… 29 2.1.2.1 Phương trình điện áp………………………………………………… 29 2.1.2.2 Phương trình từ thông………………………………………………… 31 2.1.2.3 Phương trình chuyển động…………………………………………… 35 2.1.2.4 Phương trình mô men………………………………………………… 35 2.1.2.5 Mô hình toán học động không đồng ba pha………………… 36 2.2 Giới thiệu điều khiển tần số động không đồng bộ………………… 37 2.2.1 Điều khiển vô hướng SFC……………………………………………… 37 2.2.2 Điều kiện định hướng theo từ trường FOC…………………………… 39 2.2.3 Điều khiển trực tiếp mô men DTC…………………………………… 44 2.3 Kết luận ………………………………………………………………… 45 Chương III: Nghiên cứu hệ truyền động biến tần 4Q - Động không đồng 47 (ASM) cho thang máy…………………………………………………… 47 3.1 Khái quát chỉnh lưu PWM…………………………………………… 47 3.1.1 Lĩnh vực sử dụng chỉnh lưu…………………………………………… 47 3.1.2 Một số đánh giá chỉnh lưu lưới ………………………………… 48 3.1.3 Biện pháp khắc phục …………………………………………………… 52 3.2 Chỉnh lưu PWM ………………………………………………………… 56 3.2.1 Nhiệm vụ ……………………………………………………………… 56 3.2.2 Cấu trúc mạch lực hoạt động chỉnh lưu PWM………………… 56 3.2.3 Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM ………………………… 58 3.3 Phân tích hệ truyền động biến tần - Động không đồng cho Cabin 63 thang máy…………………………………………………………………… 63 3.3.1 Khối mạch lực………………………………………………………… 63 3.4 Các thông số chủ yếu hệ truyền động biến tần 4Q – ASM ………… 69 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 3.4.1 Động ASM…………………………………………………………… 69 3.5 Sơ đồ mô kết quả…………………………………………… 69 3.5.1 Sơ đồ mô hệ thống sơ đồ minh hoạ chi tiết………………… 69 3.5.2 Các kết mô phỏng………………………………………………… 76 3.6 Kết luận…………………………………………………………………… 78 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………… 79 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 MỞ ĐẦU Ngày với việc công nghiệp đại hoá xã hội ngày phát triển, nhà ngày cao đại Một yếu tố thiếu nhu cầu thể bề sang trọng nhà ,những thang máy lắp đặt bên Vì thang máy phần thiếu đóng góp vai trò quan trọng làm tăng thêm sang trọng cho nhà Chính yếu tố nên cần thiết phải trang bị, thiết kế hệ thống thang máy cho đảm bảo tính thẩm mỹ, tiện dụng an toàn cho người sử dụng Thang máy có vai trò quan trọng việc vận chuyển người hàng hoá Thử hỏi nhà cao tầng, siêu thị, bệnh viện mà không trang bị thang máy mục đích sử dụng không đảm bảo, ý nghĩa Do yếu tố kể đòi hỏi đời có mặt thang máy Trong năm gần , tăng dân số, tốc độ đô thị hoá nhanh, với phát triển mạnh mẽ kinh tế, tốc độ công nghiệp hoá tăng nhanh nên nhu cầu chỗ cấp bách, việc xây dựng khu nhà chung cư có số tầng tương đối cao giải pháp hữu hiệu chỗ Để đáp ứng việc lại tầng nhà chủ yếu cầu thang máy Vấn đề đặt ta cần phải thiết kế, lắp đặt hệ thống thang máy đáp ứng yêu cầu Một vấn đề đặt thang máy phải vận tải người hàng hoá yêu cầu vận hành êm, an toàn lại coi trọng Chính yêu cầu khắt khe khách hàng sử dụng lựa chọn thang máy đòi hỏi chuyên gia, hãng sản xuất ngày phải nâng cao, cải tiến công nghệ cho chất lượng tốt Vì việc triển khai đề tài: “ Nghiên cứu hệ truyền động biến tần động không động nâng hạ cabin thang máy” nhằm giải pháp phần Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 yêu cầu tính kinh tế, kỹ thuật tính công nghệ có xu hướng ứng dụng cao quy trình sản xuất thang máy Xuất phát từ thực tiễn tác giả muốn đóng góp nững phững phần nhỏ tìm tòi, nghiên cứu vào việc nghiên cứu hệ truyền động điện tự động cho cabin thang máy động không đồng sử dụng biến tần PWM Toàn nội dung luận văn trình bày với nội dung sau đây: Chƣơng - Tổng quan thang máy Chƣơng – Nghiên cứu mô hình toán học phƣơng pháp điều khiển tần số động không đồng rotor lồng sóc Chƣơng – Nghiên cứu hệ truyền động biến tần 4Q (Four quarter) động không đồng (ASM) cho thang máy Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ THANG MÁY 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THANG MÁY 1.1.1 Giới thiệu Thang máy thiết bị chuyên dùng để vận chuyển người, hàng hoá, vật liệu,… theo phương thẳng đứng nghiêng góc nhỏ 150 so với phương thẳng đứng theo góc định sẵn Thang máy thường dùng khách sạn, công sở, chung cư, bệnh viện, đài quan sát, tháp truyền hình, nhà máy công xưởng,… Đặc điểm vận chuyển thang máy so với phương tiện vận chuyển khác thời gian chu kỳ vận chuyển bé, tần suất vận chuyển lớn, đóng mở máy liên tục Ngoài ý nghĩa vận chuyển, thang máy yếu tố làm tăng vẻ đẹp tiện nghi công trình Ý nghĩa sử dụng thang máy lớn nhiều quốc gia giới quy định nhà cao tầng trở lên phải trang bị thang máy để đảm bảo cho người lại thuận tiện, tiết kiệm thời gian tăng suất lao động Đối với công trình đặc biệt bệnh viện, nhà máy, khách sạn,…do yêu cầu phục vụ phải trang bị thang máy số tầng nhỏ Giá thành thang máy trang bị cho công trình chiếm tới 10% tổng giá thành công trình 1.1.2 Lịch sử phát triển thang máy Cuối kỷ 19, giới có vài hãng thang máy đời OTIS, Schindler Chiếc thang máy chế tạo đưa vào sử dụng hãng thang máy OTIS (Mỹ) năm 1853 Đến năm 1874, hãng thang máy Schindler (Thuỵ Sĩ) chế tạo thành công thang máy khác Lúc đầu tời kéo có tốc độ, cabin có kết cấu đơn giản, cửa tầng đóng mở tay, tốc độ di chuyển cabin thấp Đầu kỷ 20, có nhiều hãng thang máy khác đời KONE (Phần Lan), MISUBISHI, NIPPON ELEVATOR (Nhật Bản), THYSEN (Đức), Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 SABIEM (Ý),… chế tạo loại thang máy có tốc độ cao, tiện nghi cabin tốt êm Vào đầu năm 1970 thang máy chế tạo đạt tới tốc độ 450m/phút, thang máy chở hàng có tải trọng nâng tới 30 đồng thời khoảng thời gian có thang máy thuỷ lực đời Sau khoảng thời gian ngắn với tiến ngành khoa học khác, tốc độ thang máy đạt tới 600m/phút Vào năm 1980, xuất hệ thống điều khiển động phương pháp biến đổi điện áp tần số (inverter) Thành tựu cho phép thang máy hoạt động êm hơn, tiết kiệm khoảng 40% công suất động Đồng thời vào năm xuất loại thang máy dùng động cảm ứng tuyến tính Vào đầu năm 1990, giới chế tạo thang máy có tốc độ đạt tới 750m/phút thang máy có tính kỹ thuật đặc biệt Trong thời điểm mà mật độ dân cư thành phố khu công nghiệp ngày tăng dẫn đến phát triển khu đô thị cao tầng, nhiều nhà cao tầng xây dựng nhu cầu sử dụng thang máy thiếu 1.1.3 Tình hình sử dụng thang máy Việt Nam Chúng ta thấy thời đại công nghiệp hoá đại hoá thời gian sức lực người thứ vô quý giá, cần phải tiết kiệm sử dụng hợp lý, tiêu chí mà nhà sản xuất đưa để nghiên cứu chế tạo loại thang máy tối ưu tiết kiệm thời gian sức lực cho người Thị trường sử dụng thang máy lớn nước ta hai thành phố lớn: Thủ đô Hà Nội thành phố Hồ Chí Minh, nơi tập trung công sở, trung tâm thương mại, chung cư cao tầng Hầu hết nhà cao tầng lắp đặt thang máy Không dừng lại trung tâm lớn, mà thị trường sử dụng thang máy mở rộng tới thành phố, thị xã, khu công nghiệp khác nước,… Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page of 16 Hiện thị trường thang máy nước ta có sản phẩm hãng như: Hãng MITSUBISHI elevator, LG elevator, NIPPON elevator, FUJI elevator,… Ở Việt Nam, có nhiều công ty kinh doanh lĩnh vực thang máy công ty thang máy Thiên Nam đại diện hang đầu thành phố Hồ Chí Minh, độc quyền cho hãng thang máy tiếng Hàn Quốc SIGMA, công ty thang máy Thái Bình đại diện thành phố Hồ Chí Minh,… công ty có khả cung cấp loại thang máy chất lượng cao mà giá thành 1/3 giá thành thang máy nhập ngoại, công ty hầu hết mở rộng thị trường miền nam, miền trung miền bắc Hiện công ty thang máy nước có khả lắp đặt, bảo trì sửa chữa loại thang máy không ngừng nâng cao tỷ lệ nội địa hoá để giảm giá thành sản phẩm tăng khả tự chủ việc sản xuất thang máy 1.1.4 Phân loại ký hiệu thang máy Thang máy thiết kế chế tạo đa dạng, với nhiều kiểu loại khác để phù hợp với mục đích sử dụng công trình Có thể phân loại thang máy theo nguyên tắc đặc điểm sau: * Phân loại theo công dụng: Có loại ( TCVN 5744 – 1993 ) - Thang máy chuyên chở người - Thang máy chuyên chở người có tính đến hàng kèm - Thang máy chuyên chở hàng có người kèm - Thang máy chuyên chở hang người kèm Ngoài có loại thang chuyên dùng khác thang máy cứu hoả, chở ôtô, * Phân loại theo hệ thống dẫn động cabin: - Thang máy dẫn động điện: loại dẫn động cabin lên xuống nhờ động điện truyền qua hộp giảm tốc tới puly ma sát tang cáp - Thang máy thuỷ lực - Thang máy khí nén Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 10 of 16 * Phân loại theo vị trí đặt tời kéo - Thang máy có tời kéo đặt phía giếng thang - Thang máy có tời kéo đặt phía giếng thang - Thang máy dẫn động cabin lên xuóng bánh : tời dẫn động đặt cabin - Thang mát thuỷ lực: buồng máy đặt tầng * Phân loại theo thông số bản: - Theo tốc độ di chuyển cabin: Loại tốc độ thấp: v < 1m/s Loại tốc độ trung bình: v = – 2.5 m/s Loại tốc độ cao: v = 2.5 – m/s Loại tốc độ cao: v > 4m/s - Theo khối lượng chuyển cabin: Loại nhỏ: Q < 500kg Loại trung bình: Q = 500 – 1000kg Loại lớn: Q = 1000 – 1600kg Loại lớn: Q > 1600kg Thang máy ký hiệu chữ số, dựa vào thông số sau: - Loại thang: theo thông lệ quốc tế, người ta dùng chữ (chữ latinh ) để ký hiệu sau: + Thang chở khách: P ( Passenger ) + Thang chở bệnh nhân: B ( Bed ) + Thang chở hang: F ( Freight ) - Số người tải trọng: (người, kg) - Kiểu mở cửa + Mở lùa hai phía: CO (centre opening) + Mở bên, lùa phía: 2S (Single side) - Tốc độ: m/ph, m/s Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 10 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn Header Page 68 of 16 - Khâu đo dòng điện ước lượng điện áp lưới: Thực đo dòng xoay chiều đầu vào chỉnh lưu (iLa, iLb), biến đổi dòng điện hệ ba pha sang vector không gian hệ toạ độ cố định - (iL, iL) tính thành phần vector điện áp lưới hệ toạ độ - (uL, uL) - Khâu biến đổi -  k-: Thực xác định góc  vector điện áp lưới trục  hệ toạ độ -, góc trục d hệ toạ độ quay d-q với trục  hai hệ toạ độ cố định -, phục vụ cho việc chuyển toạ độ vector dòng áp - Khâu biến đổi -  d-q làm nhiệm vụ biến đổi hệ toạ độ vector dòng SCLa,b,c iLb iLa Udc Khâu đo dòng ước lượng điện áp lưới iL iL uL Khâu điều chế độ rộng xung PWM  k dq cosUL sinUL d-q iLd PI usd usq  Udc sinUL   U*dc us us uL - cosUL iLq PI PI - iLq i*Lq  iLd - i*Ld Hình 3.13: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC điện lưới, đầu nhận thành phần vector dòng điện lưới hệ toạ độ quay d-q (iLd, iLq) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 68 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn64 Header Page 69 of 16 - Khâu biến đổi d-q  - làm nhiệm vụ biến đổi hệ toạ độ vector điện áp tải qui đổi, đầu nhận thành phần vector điện áp tải hệ toạ độ - (us, us) dùng để điều khiển khâu điều chế độ rộng xung PWM - Khâu điều chế độ rộng xung PWM: Thực tạo xung điều khiển khoá đóng cắt mạch lực, khâu hoạt động theo nguyên lý điều chế vector không gian - Các điều chỉnh dòng áp lựa chọn PI, tín hiệu đặt điều chỉnh dòng id* lấy từ đầu điều chỉnh điện áp iq*  (được lấy không theo điều kiện hệ số công suất 1) Như vậy, thực tế, hệ có tín hiệu điều khiển chung cho chỉnh lưu tín hiệu đặt điện áp chiều U dc* b Điều khiển nghịch lưu: Trên hình 3.14 giới thiệu khối điều khiển nghịch lưu bao gồm điều chỉnh tốc độ quay (ĐCTĐQ) theo luật tỷ lệ tích phân (PI), khâu chuyển đổi tọa độ không gian, khâu tính góc quay, điều chỉnh dòng ba pha (RIa, RIb, RIc), khối điều chế độ rộng xung PWM Để có tín hiệu dòng điện tốc độ phục vụ cho điều khiển hệ thống ta sử dụng sensor đo dòng xoay chiều hai pha động máy đo tốc độ quay (encoder) Các tín hiệu vào hệ thống điều khiển nghịch lưu gồm có: Tín hiệu đặt dòng trục d (i*d) tín hiệu tốc độ góc (*r) Tín hiệu đặt dòng trục d chọn theo điều kiện từ thông rotor không đổi (i*d = const) tín hiệu đặt dòng trục q (i*q) lấy từ đầu điều chỉnh tốc độ quay, đưa đến khâu chuyển đổi tọa độ d-q  -, tiếp sau khâu chuyển đổi -  abc cho ta giá trị cần dòng điện ba pha vào động i*a, i*b, i*c Các giá trị cần dòng điện so sánh với giá trị thực dòng động cơ, sau xử lý điều chỉnh dòng sau dùng để điều khiển khối điều chế độ rộng xung PWM, tạo xung điều khiển phù hợp khống chế khóa đóng cắt mạch lực Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 69 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn65 Header Page 70 of 16 Thuật toán điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC, thuật toán điều khiển vector phần nghịch lưu xây dựng phần mềm Các phần mềm viết số ngôn ngữ lập trình khác ngôn ngữ C Matlab - Viết chương trình ngôn ngữ lập trình C: Một số thuật toán điều khiển hệ truyền động chương trình tính toán thời gian đóng cắt van phần chỉnh lưu PWM phần nghịch lưu giống (khâu điều chế PWM) lập ngôn ngữ lập trình C ia* id* =const ej iq* RIa Xung ĐK van Điều chế PWM ib* RIb ic* RIc ia  ib ic ia ia ib *  Khâu tích phân I ĐCTĐQ: PI e/2 pm   Hình 3.14: Cấu trúc khối điều khiển nghịch lưu hệ truyền động biến tần – động không đồng rotor lồng sóc - Viết chương trình ngôn ngữ Matlab: Ngoài chương trình tính toán viết ngôn ngữ C, điều chỉnh phần điều khiển chỉnh lưu PWM nghịch lưu, khâu biến đổi toạ độ, số thuật toán tính toán lập trình Matlab-Simulink Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 70 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn66 Header Page 71 of 16 3.4 Các thông số chủ yếu hệ truyền động biến tần 4Q – ASM 3.4.1 Động ASM Công suất P (KW) 4,0 Điện áp (V) 220/380 Tần số (Hz) 50 Tốc độ (vg/ph) 1435 Điện trở stato Rs () 0,5866 Điện trở rotor Rr () 0,5066 Điện cảm tản stato LIS (H) 0,0044 Điện cảm tản rotor LIr (H) 0,00401 Điện cảm từ hoá Lm (H) 0,016 Số đôi cực (p) Mô men quán tính J (kg-m2) 0.059 Số vòng dây nối tiếp pha pha W(vòng) 174 3.4.2 Số liệu biến tần 4Q: Thông số nguồn vào khối chỉnh lưu: U = 220/380V, f = 50Hz; Phần chiều biến tần PWM: Udc = 650V, Idc = 15A Thông số đầu biến tần: Umax = U  2.220  311(V) , f = (5  50) Hz 3.5 Sơ đồ mô kết 3.5.1 Sơ đồ mô hệ thống sơ đồ minh họa chi tiết: Trong hệ thống sử dụng điều khiển chỉnh lưu PWM phương pháp VOC, phần nghịch lưu sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) Sơ đồ mô toàn hệ thống dùng phần mềm PLECS chạy Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 71 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn67 Header Page 72 of 16 MATLAB, biểu diễn hình 3-15, sơ đồ biểu diễn khối hình 3-15 minh họa hình vẽ từ 3-16 đến 3-25 enable pulses m Enable control i_v si pulses v _dc i_s s_abc 750 v _ref v_dc_ref v _dc PWM PLECS Circuit i_ref i_ref i_ref reactive m T_m 100 Voltage control i_vsi m v _dc i Current control s_BC RRF->3ph u_in Circuit Phi -KDemux 3ph->RRF U/i_in Gain t1 Out1 In1 t Display Fan_model Display1 Enable control1 In1 Out1 Out2 In2 Out3 In3 Out4 Inv_motor Hình 3-15: Sơ đồ mô hệ biến tần 4Q - Động không đồng ba pha rotor lồng sóc điều khiển theo VOC - DTC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Footer Page 72 of 16 http://www.lrc-tnu.edu.vn68 Header Page 73 of 16 u_in pulses V s_BC i_vsi v_dc i_s A 2-Level IGBT C1 Converter A A L: 0.01 A V A R: V: 325 w : 2*pi*50 Tm A m ASM m 3 T_m s_abc Hình 3-16: Triển khai chi tiết khối PLECS Circuit pulses + gate + g(u) IGBT1 gate + g(u): u>0 phase gate + a - phase phase - b gate + g(u) phase g(u): u