Thiết kế hệ thống truyền động thang máy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN - - ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO THANG MÁY CHỞ NGƯỜI Giáo viên hướng dẫn : ThS Vũ Thụy Nguyên Sinh viên thực hiện: Hồ Văn Tự Lớp: ĐK & TĐH 03, K57 MSSV: 20122779 Hà Nội - 2016 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: Tổng quan thang máy 1.1 Giới thiệu chung thang máy .4 1.1.1.Khái niệm 1.1.2.Lịch sử phát triển thang máy 1.1.3.Cấu tạo thang máy 1.1.4.Phân loại thang máy 1.2 Yêu cầu thang máy 1.2.1.Yêu cầu công nghệ 1.2.2.Yêu cầu truyền động 1.3 Chế độ làm việc phụ tải thang máy Chương Tính chọn cơng suất động 11 2.1 Tập hợp số liệu ban đầu 11 2.2 Phân tích tốn 11 2.3 Tính tốn cơng suất động .14 2.3.1.Xác định phụ tải tĩnh .14 2.3.2.Xác định hệ số đóng điện tương đối 14 2.4 Chọn công suất động 16 2.4.1.Tính cơng suất đẳng trị trục động 16 2.4.2.Momen tương ứng với lực kéo đặt lên puli cáp 16 2.4.3.Chọn động 17 2.5 Kiểm nghiệm động 20 2.5.1.Kiểm nghiệm điều kiện tải 20 2.5.2.Kiểm nghiệm điều kiện khởi động 20 Chương Lựa chọn phương án truyền động 22 3.1 Chọn loại biến tần 22 3.2 Chọn phương pháp điều khiển biến tần 24 3.2.1.Điều khiển vô hướng .24 3.2.2.Phương pháp FOC 25 3.2.3.Phương pháp DTC .26 Chương 4: Tính tốn mạch biến đổi cơng suất 27 4.1 Mạch động lực .27 4.1.1.Khối chỉnh lưu cầu ba pha diode 27 4.1.2.Khối lọc 28 4.1.3.Khối nghịch lưu độc lập 28 4.2 Tính tốn thơng số mạch lực .31 4.2.1.Van cho chỉnh lưu 31 4.2.2.Tính tốn cho mạch nghịch lưu .32 4.2.3.Chọn giá trị tụ điện 32 4.2.4.Chọn giá trị điện trở dập van dập chopper .32 Chương 5: Xây dựng cấu trúc hệ truyền động & mô 33 5.1 Mô tả tốn học động khơng đồng ba pha 33 5.2 Điều khiển vector 34 5.2.1.Cấu trúc hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor .37 5.2.2.Chuyển hệ trục tọa độ 38 5.3 Hệ phương trình động hệ tọa độ αβ 39 5.4 Hệ phương trình động hệ tọa độ dq 41 5.5 Tổng hợp mạch vòng 44 5.5.1.Tổng hợp mạch vòng dòng điện 44 5.5.2.Tổng hợp mạch vòng tốc độ 47  MÔ PHỎNG 49 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 LỜI NĨI ĐẦU Cùng với q trình cơng nghiệp hóa đất nước, yêu cầu tự động hóa máy sản xuất ngày cao, điều khiển linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ hiệu xuất sản xuất cao Mặt khác, với công nghệ thông tin công nghệ điện tử phát triển ngày cao nhu cầu người ngày đòi hỏi sản phẩm ứng dụng vào đời sống, làm việc cao Trong thời đại truyền động điện đóng vai trị quan trọng chất lượng sản phẩm hiệu công việc Ngày tiến vượt bậc truyền động điện dẫn đến hệ thống truyền động phát triển nhiều thay đổi Và thang máy yêu cầu đưa để phù hợp với công nghệ tân tiến Trong đồ án chuyên ngành này, em giao làm đề tài “thiết kế hệ truyền động cho thang máy chở người” Đồ án em gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan thang máy Chương 2: Tính chọn cơng suất động Chương 3: Lựa chọn phương án truyền động Chương 4: Tính tốn mạch biến đổi cơng suất Chương 5: Xây dựng cấu trúc hệ truyền động mơ Được hướng dẫn tận tình cung cấp tài liệu cần thiết thầy giáo ThS Vũ Thụy Nguyên giúp em hoàn thành đồ án Do kiến thức rộng thực tế hạn chế nên đồ án em không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận bảo thầy cô để đồ án em hoàn thiện Em xin cảm ơn giúp đỡ thầy ThS Vũ Thụy Nguyên giúp em hoàn thành đồ án này! Hà Nội, ngày 05 tháng 06 năm 2016 Sinh viên thực Hồ Văn Tự Chương 1: Tổng quan thang máy 1.1 Giới thiệu chung thang máy 1.1.1.Khái niệm Thang máy thiết bị vận tải chạy theo chiều đứng để vận chuyển người, hàng hóa tầng tàu, cơng trình xây dựng cấu trúc khác Thang máy thường trang bị động điện tao lực kéo dây cáp hệ thống đối trọng cần trục máy bơm chất lỏng thủy lực để nâng cao piston hình trụ 1.1.2.Lịch sử phát triển thang máy Thang máy chế tạo triều vua Louis SV, Versailles năm 1743 vua dùng Kỹ thuật dựa đối trọng nên việc sử dụng tốn sức lực Thang máy học (1829) Loại lần làm Ln Đơn năm 1829 Nó chứa hàng chục hành khách Hình 1.1: Thang máy học cũ Thang máy OTIS (1857) Thang máy dùng cho công chúng khánh thành năm 1857 New York Elisha Graves OTIS, người Mỹ, chế tạo cho cửa hàng cao tầng Bradway Ơng OTIS giới thiệu thang máy có thắng Nữu Ước năm 1852 Thang máy điện (1880) Thang máy điện lần phát minh công ty SIEMENS & HALSKE cho triên lãm kỹ nghệ Manheim năm 1880 Nó lên 22m 11 s Nó chuyên chở 8000 hành khách tháng lên đỉnh lầu quan sát cho khu triển lãm Thang máy cấu tạo cực ký đơn giản, cần tường mang nó, đinh vít gắn vơ tường, buồng thang máy gắn vơ đai ốc quay chung quanh vít, mơ tơ lên xuống cới buồng thang máy khơng cần phịng cho máy móc nên khơng có rịng rọc, khơng có trọng, khơng có đối trọng có lối cấp kỳ bị hư Hình 1.2: Thang máy đại ngày 1.1.3.Cấu tạo thang máy Tất thiết bị điện thang máy lắp đặt buồng thang buồng máy Buồng máy thường bố trí tầng giếng thang máy Kết cấu, sơ đồ bố trí thiết bị thang máy giới thiệu hình 1.3  Thiết bị lắp đặt hố giếng thang máy Hố giếng thang máy khoảng không gian từ mặt sàn tầng đáy giếng Nếu hố giếng có độ sâu 2m phải làm thêm cửa vào Trong lắp đặt hệ thống giảm xóc tránh va đập buồng thang đối trọng xuống sàn cảu giếng thang máy trường hợp cơng tắc hành trình hạn chế hành trình xuống gặp cố  Thiết bị lắp buồng máy  Cơ cấu nâng Trong buồng máy có lắp đặt hệ thống tời nâng-hạ buồng thang tạo lực kéo chuyển động buồng thang đối trọng Cơ cấu nâng gồm: - Bộ phận kéo cáp - Hộp giảm tốc - Phanh hãm điện từ - Động truyền động  Tủ điện: Trong tủ điện lắp ráp cầu dao tổng cầu chì loại, cơng tắc tơ rowle trung gian  Puli dẫn hướng  Bộ phận hạn chế tốc độ: Buồng thang có trang bị phanh bảo hiểm Phanh bảo hiểm giữ buồng thang chỗ đứt cáp, điện tốc độ di chuyển vượt (20÷40)% tốc độ định mức  Thiết bị lắp giếng thang máy  Buồng thang: Trong buồng thang lắp đặt hệ thống nút bấm, đèn báo Nơi người hàng hóa đứng vận chuyển  Hệ thống cáp treo: Cáp hai nhánh, đầu nối buồng thang, đầu nối với đối trọng puli dẫn hướng  Bộ phận cảm biến vị trí: Dùng để chuyển đổi tốc độ động  Các thiết bị chuyên dùng thang máy  Phanh hãm điện từ  Phanh bảo hiểm: Giữ buồng thang chỗ đứt cáp, điện tốc độ di chuyển vượt (20÷40)% tốc độ định mức  Cảm biến vị trí Các phận cảm biến dùng để: - Phát lệnh dừn buồng thang tầng - Chuyển đổi tốc độ động - Xác định vị trí buồng thang 1.1.4.Phân loại thang máy  Phân loại theo chức năng: - Thang máy chở người nhà cáo tầng - Thang máy dùng bệnh viện - Thang máy chở hàng có người điều khiển - Thang máy dùng nhà ăn thư viện  Phân loại theo tải trọng: - Thang máy loại nhỏ Q < 160kg - Thang máy loại trung bình Q = 500 ÷ 2000kg - Thang máy loại lớn Q > 2000kg  Phân loại theo tốc độ di chuyển: - Thang máy chạy chậm v = 0.5 m/s - Thang máy tốc độ trung bình v = 0.75 ÷ 1.5 m/s dùng tịa nhà 6÷12 tầng - Thang máy cao tốc v = 2.5 ÷ m/s thường dùng tòa nhà >16 tầng - Thang máy siêu tốc v > 5m/s thương dùng tòa tháp cao tầng 1.2 Yêu cầu thang máy 1.2.1.Yêu cầu công nghệ - Dễ điều khiển hiệu chỉnh, tính đơn giản cao - Về vị trí: dừng thang máy phải dừng xác so với sàn tầng trình hãm cho cabin dừng sàn tầng với độ xác cao - An toàn: Thang máy vận hành cửa tầng cửa cabin đóng, thang máy q tải khơng vận hành 1.2.2.u cầu truyền động Một yêu cầu hệ truyền động thang máy phải đảm bảo buồng thang chuyển động êm Và phụ thuộc vào gia tốc mở máy hãm Các tham số đặc trưng cho chế độ làm việc thang máy là: tốc độ di chuyển v(m/s), gia tốc a(m/s2), độ giật ρ(m/s3) Tốc độ buồng thang định suất thang máy Nhưng việc thay đổi tốc độ lại ảnh hưởng lớn tới giá thành Vậy tùy theo độ cao tòa nhà mà lựa chọn tốc độ động phù hợp Tốc độ di chuyển trung bình thang máy tăng cách giảm thời gian mở máy hãm máy có nghĩa tăng gia tốc gia tốc lớn gây cảm giác khó chịu cho hành khách Bởi gia tốc tối ưu a ≤ 2(m/s2) Một đại lượng định dộ em buồng thang tốc độ tăng gia tốc mở máy tốc độ giảm gia tốc hãm máy, hay gọi độ giật ρ= = Khi a ≤ 2(m/s2) ρ ≤ 20(m/s3) Ta có biểu đồ làm việc tối ưu cho thang máy tốc độ trung bình tốc độ cao Hình 1.4: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc s, a, ρ theo thời gian Biểu đồ chia làm giai đoạn: mở máy, chế độ ổn định, hãm xuống tốc độ thấp, buồng thang đến tầng hãm dừng Đối với thang máy tốc độ chậm, biểu đồ làm việc có giai đoạn: thời gian tăng tốc(mở máy), di chuyển với tốc độ ổn định hãm dừng 1.3 Chế độ làm việc phụ tải thang máy Cabin thang máy chuyển động theo phương thẳng đứng trượt theo rãnh định hướng Khi cabin đầy tải lên động làm việc chế độ động cơ(góc phần tư I) Khi cabin đầy tải xuống dộng làm việc chế độ động với chiều quay ngược lại(góc phần tư III) Khi nâng cabin khơng tải đồng nghĩa với hạ đối trọng xuống, động làm việc chế độ động cơ(góc phần tư III) hạ cabin không tải thực chất nâng đối trọng lên, động làm việc chế độ động cơ(góc phần tư I) Khi giảm tốc độ từ cao xuống thấp để nâng cao cấp xác dừng cabin, tùy theo chiều quay động làm việc chế độ hãm tái sinh(góc phần tư II IV) 3  s  L2m ' s s s s mM   p  r  ir    p  r   r  is Lm    p  r is  r'  is  (5.19) 2  Lr  Lr Đặt 1 1 ; Laplace hóa phương trình (5.18) (5.19) ta thiết lập   T  Ts  Tr công thức mô tả động hệ tọa độ αβ :   1 1 '  'r   r  us   p   is  T  T   L  r s       1 1 '  'r   r  u  p   is   T    Tr  Ls s   1  Tr p  r  Lm is  Tr  r   1  Tr p  r  Lm is  Tr  r (5.20) Mơ hình động hệ tọa độ αβ : Hình 5.2: Mơ hình động không đồng hệ tọa độ αβ 5.4 Hệ phương trình động hệ tọa độ dq Hệ tọa độ dq hệ tọa độ từ thơng rotor, hệ tọa độ quay trịn với vận tốc góc s (cũng vận tốc góc dịng điện, điện áp từ thơng stator) có tọa độ góc so với hệ tọa độ  s Trục d đặt trùng với trục vector từ thông lượng từ thông rotor trục q = Do góc lệch hệ tọa độ dq   s nên ta có phương trình : 41 r , đó, đại j s j s j s u  u e ; is  is e ;   e ; s s f s s f s s f s d ss dt  d sf dt e js  js sf e js (5.21) Thay vào phương trình (5.1) ta u  Rs is  f s Gọi r f d rf dt  js rf (5.22) góc lệch hệ tọa độ dq hệ tọa độ rotor, ta lại có j r j r ir  ir e ;   e ; r f r r f r d rr dt  d rf dt e jr  jr rf e jr (5.23) Thay vào (5.2) ta :  Rr ir  f d rf dt  jr rf (5.24) Từ (5.23), (5.24) (5.3) ta có hệ phương trình mơ tả động hệ tọa độ dq  f d rf f  js rf us  Rs is  dt   d rf f  jr rf   Rr ir  dt  f f   s  is Ls  ir f Lm   rf  is f Lm  ir f Lr  (5.25) Làm tương tự với hệ tọa độ αβ ta thu hệ phương trình vi phân : ' Đặt  rd   rd / Lm  disd  1  1 ' 1     rd   rq  u   isd  s isq   Tr   Ls sd   Ts  Tr   dt  di    sq  s isd       isq     rd'     rq  usq  dt   Tr  Ls   Ts  Tr   d rd Lm   isd   rd  r rq  dt Tr Tr  d rq Lm   isq  r rd   rq  dt Tr Tr  Do ta chọn trục d trùng với vector  r nên  rq  , 42 (5.26) Tương tự hệ tọa độ ta có phương trình momen hệ tọa độ dq Lm L2m ' f f mM  z p  r  is   z p  rd isq  z p 1    Ls rd' isq  Lr Lr (5.27) Laplace hóa hệ phương trình (5.26) trở thành    1 '  rd  usd    p  isd  s isq  T  T  L  r s       1 s rd'  u   p  isq  s isd    Ls sq   T  1  Tr p  'rd  isd  r  'rd Tr  isq  usd  'rd isd T s.T   1  Ls s.Tr  Tr Tr   usq  Ls - T s.T    isq (5.28)  1 - Lm p Lr mM mw p s.J w   wr ws Hình 5.5: Mơ hình động hệ tọa độ dq Ta xây dựng hệ điều khiển vector hệ tọa độ dq Như động phải biểu diễn dq, lượng đặt isd Ta xác định góc pha từ thơng rotor:  s  arctg  r  0   s dt  r (5.29) Vì hệ tọa độ dq gắn vào vector từ thơng rotor nên ta có: d rq  0  rq  dt      const r  rd (5.30) 43 Qua mô hình động xây dựng hệ tọa độ dq nên ta có: Lm    isd r   sT  r    Lm isq  r Tr r 5.5 Tổng hợp mạch vòng 5.5.1.Tổng hợp mạch vòng dòng điện Trước tiên, ta nhận thấy mơ hình động khơng đồng xoay chiều pha có tính phi tuyến, có xen kênh dịng điện Để tổng hợp mạch vòng dòng điện, ta bỏ qua ảnh hưởng xen kênh thành phần isd , isq Sau tổng hợp xong mạch vịng dịng điện, tìm điều khiển dòng điện, ta tiến hành bù chéo Khối van nghịch lưu xấp xỉ khâu quán tính bậc K bd Tbd s  Tần số nghịch lưu chọn fnl= 2,5kHz chu kỳ băm xung Tpwm   0, 4(ms) f nl Suy Tbd= Tnl= 0,2 (ms) Hệ số khuếch đại khâu nghịch lưu: Kbd  K nl  U 220   22 U ch 10 Hình 5.6: Mạch vịng dịng điện động KĐB xc pha(bỏ qua xen kênh) Nhận thấy, mạch vòng dòng điện isd , isq giống nên ta tổng hợp điều khiển dòng điện chung cho isd , isq 44 Đối tượng điều khiển : P Kbd T K  Tbd s   Ls T s  (Tbd s  1)(T s  1) đó: K  (5.31) KbdT 22 2.0,011   27.92  Ls 0,0983.0,1247 Chọn điều khiển PI: kp s 1 ki k p s  ki ki T s 1 Ri  k p     a s s Tb s s ki : Ta  kp ki , Tb  (5.32) ki Hàm truyền hệ hở: Fh  Ri P  Ta s  K (Tbd s  1)(T s  1) Tb s (5.33) Chọn : Ta  T : Fh  K Tbd s  Tb s (5.34 Hàm truyền hệ kín: Fk  Fh K    Fh Tbd Tb s  Tb s  K Tbd Tb Tb s  s 1 K K (5.35) Sử dụng phương pháp tối ưu module, ta đặt hàm chuẩn là: Fch  2Tc s  2Tc s  2 Cân phương trình : Fk  Fch , ta có hệ:  Tbd Tb  K  2Tc Tc  Tbd   Tb  2Tc K  K Tbd  Tb  2T c  K 45 (5.36) Ta  T Vậy  nên ta có : Tb  K Tbd 1  ki  T  K T  89.54  b bd  k  k T  T  0.985 p i a  K Tbd  (5.37) Vậy điều khiển dòng điện: Risd  Risq  Ri  k p  ki s (5.38) với k p , ki xác định Sau tổng hợp mạch vòng dòng điện , ta bù chéo , bù nhằm khử tác động thành phần  'rd , s I sq lên trục d,và s I sd , 'rd  lên trục q Bộ bù chéo có dạng: Hình 5.7:Thành phần xen kênh 46 Hình 5.8: Cấu trúc bù nhiễu 5.5.2.Tổng hợp mạch vòng tốc độ Nếu điều khiển dịng điện điều khiển tốt thành phần từ thơng  'rd coi khơng đổi Hình 5.9: Mạch vòng tốc độ động KĐB xc pha Đối tượng mạch vòng tốc độ: 3Fki 'rd Lm p P Lr Js (5.39) Trong đó: Fki hàm truyền hệ kín mạch vịng dịng điện Fch  xấp xỉ thành bậc 47 2Tc s  2Tc s  2   Fch  2T s  c   ' L      I * L  0,1184.7,59  0,8987 rd rd ds m  rd m Do thay (5.38) vào (5.37) ta có: P  Đặt K1  3 rd Lm p 2 Lr Js 2Tc s  (5.40) (5.41) 3 rd Lm p 3.0,8987.0,1184.22   165,15 : Lr J 2.0,1247.0,031 P K1 s 2Tc s  (5.42) Sử dụng phương pháp tối ưu đối xứng, ta chọn hàm chuẩn bậc 3: Fch   4Tc1  4Tc1 s  8Tc12 s  8Tc13 s Ta tính được: Rw  Fch  4Tc1 s  2Tc  (1  Fch ) P 8Tc12 s(1  Tc1 ) K1 (5.43) Chọn Tc1  2Tc  2Tbd  0,4ms , ta được: Rw   4Tc1 s 1   8K1Tc1 s K1Tc1 8K1Tc12 s (5.44) 48  MƠ PHỎNG Hình 5.10: Mơ hình điều khiển động khơng đồng pha Hình 5.11: Khối MTi 49 Hình 5.12: Khối MTu Hình 5.13: Khối BBĐ Hình 5.14: Khối Usdq → Usalfa-beta 50 Hình 5.15: Khối Ualfa-beta → Uabc  Chạy chương trình a, chương trình m-file: clear all clc Tsamp = 0.0001; Tsim = 6; % thoi gian lay mau (0.0001) (