Thiết kế điều khiển thang máy chở người năm tầng

1
Lời nói đầu

Trong nhiều thế kỷ qua, sự phát triển của công nghệ thông tin đã góp phần
đáng kể vào sự phát triển của điều khiển tự động và tự động hoá. Có thể nói,
ngày nay, không một hệ thống điều khiển tự động thực tế nào, dù đơn giản, mà
không có sự góp mặt của vi xử lý, của máy tính và phần mềm. Nói đến công nghệ
thông tin trong điều khiển tự động và tự động hoá là ta nói đến ba lĩnh vực
chính: công nghệ máy tính (vi xử lý, vi điều khiển, PLC, máy tính công
nghiệp,), công nghệ phần mềm (phần mềm công nghệ, phần mềm điều khiển,)
và công nghệ truyền thông (Fielbus, Bus hệ thống).
Trong một hệ điều khiển, các thiết bị điều khiển đóng một vai trò quan trọng,
là phần cứng và là nền tảng để thực hiện các thuật toán, các chơng trình
điều khiển. Trong rất nhiều loại thiết bị điều khiển khác nhau, từ những rơle đơn
giản đến những bộ vi điều khiển hay những máy tính công nghiệp hiện đại, các
bộ điều khiển logic khả trình (PLC - Programmer Logic Controller) đ-ợc sử
dụng rất phổ biến đặc biệt trong công nghiệp.
Kể từ khi xuất hiện vào đầu thập niên 70 của thế kỷ tr-ớc nh- một thiết bị có
khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho các mạch logic cứng, các PLC đã phát
triển nhanh chóng kể cả phần cứng và phần mềm. Về phần cứng, các bộ vi xử lý
mạnh và bộ nhớ lớn đã thay thế cho các bộ vi xử lý đơn giản và bộ nhớ khoảng
1KB. Các cổng vào/ra không chỉ tăng về số l-ợng mà còn có thể đ-ợc phân tán.
Các cổng t-ơng tự cũng đ-ợc thêm vào giúp cho PLC giờ đây không chỉ thích
hợp cho điều khiển logic mà còn có thể đ-ợc sử dụng rất hiệu quả trong điều
khiển các quá trình liên tục. Về mặt cấu trúc, các PLC ngày nay có cấu trúc
dạng môdul linh hoạt. Bên cạnh đó, khả năng nối mạng góp phần tăng hiệu quả
và sức mạnh của PLC lên nhiều lần khi chúng hoạt động phối hợp. Về phần
mềm, tập lệnh của các PLC ngày nay không chỉ giới hạn ở các lệnh logic đơn
giản mà đã trở nên rất phong phú với các lệnh toán học, truyền thông, bộ đếm,
bộ định thời,
Trong những năm gần đây nhiều nhà cao tầng đã đ-ợc xây dựng trên khắp

miền đất n-ớc và nhờ đó thang máy, thang cuốn nói chung và thang máy chở
2
ng-ời nói riêng đã, đang và sẽ đ-ợc sử dụng ngày càng nhiều. Thang máy là một
thiết bị không thể thiếu đ-ợc trong vận chuyển ng-ời và hàng hoá theo ph-ơng
thẳng đứng trong các toà nhà cao tầng. Chính vì vậy từ khi xuất hiện đến nay
thang máy luôn đ-ợc nghiên cứu, cải tiến, hiện đại hoá để đáp ứng nhu cầu ngày
càng cao của hành khách. Với sự phát triển nhanh chóng của các loại PLC, để
ứng dụng bộ điều khiển lập trình PLC vào điều khiển thang máy tiện lợi và đơn
giản.



3

Mục lục

Trang

Lời nói đầu 1
Mục lục. 3

Ch-ơng I: Giới thiệu chung về thang máy chở ng-ời
I.1.Giới thiệu chung . 5
I.1.1.Giới thiệu 5
I.1.2.Phân loại thang máy 5
I.2.Cấu tạo phần cơ 8
I.3.Tính toán công suất động cơ truyền động
10
I.4.Tính chọn biến tần và động cơ .12
I.4.1.Tính chọn động cơ 13

I.4.2.Chọn biến tần 19
I.4.2.1.Giới thiệu về biến tần 19
I.4.2.2.Chọn biến tần 26
Ch-ơng II: Vấn đề điều khiển thang máy
II.1. Yêu cầu chung về điều khiển 34
II.2. Chọn thiết bị điều khiển 37
II.2.1.Tổng quan về PLC 37
II.2.1.1.Giới thiệu về PLC 37
II.2.1.2.Các thiết bị vào/ra dùng cho PLC .40
II.2.1.3.Đặc điểm chung của bộ điều khiển khả trình PLC 41
II.2.1.4.Cấu trúc phần cứng của PLC .43
II.2.2.Sensor 48


4
Ch-ơng III: Lập trình điều khiển
III.1.Các b-ớc thiết kế một hệ thống điều khiển dùng cho PLC 51
III.2.Thủ tục thiết kế bộ điều khiển ch-ơng trình 52
III.3.ứng dụng bộ điều khiển PLC vào điều khiển thang máy năm tầng53.
III.3.1.Luật điều khiển thang máy 53
III.3.2.L-u đồ điều khiển thang máy 56
III.3.3.Xác định đầu vào/ra của PLC 58
III.3.4.Giản đồ thang điều khiển thang máy năm tầng 61
Kết luận72
Tài liệu tham khảo. 73

Ch-ơng I
5
Giới thiệu chung về thang máy

I.1.Giới thiệu chung:
I.1.1.Giới thiệu:
Thang máy là thiết bị vận tải dùng để chở hàng và chở ng-ời theo ph-ơng
thẳng đứng. Những loại thang máy hiện đại có kết cấu cơ khí phức tạp nhằm
nâng cao năng suất, vận hành tin cậy, an toàn. Tất cả các thiết bị điện đ-ợc lắp
trong buồng thang và buồng máy của thang máy.
Thang máy đ-ợc sử dụng rộng rãi trong các toà nhà cao tầng, trong các xí
nghiệp sản xuất kinh doanh góp phần thay thế sức ng-ời và mang lại năng suất
cao.
I.1.2.Phân loại thang máy:
Dựa vào các chức năng của thang máy có thể phân loại theo các loại sau:
1.Phân loại theo mục đích sử dụng:
a.Thang máy chở ng-ời:

+ Đối với thang máy chở ng-ời gia tốc cho phép của thang máy là
a 1,5m/s
2
, nếu gia tốc lớn hơn thì sẽ gây cảm giác khó chịu cho con
ng-ời.
+ Thang máy trong các nhà cao tầng đòi hỏi vận hành êm, an toàn, tốc độ
nhanh và có tính mỹ thuật.
+ Thang máy dùng trong bệnh viện đòi hỏi vận hành êm, an toàn, tốc độ
nhanh, có tính -u tiên đúng theo các yêu cầu của bệnh viên.
+ Thang máy dùng trong công nghiệp đòi hỏi có tải trọng lớn, chịu đ-ợc
môi tr-ờng làm việc khắc nghiệt nh- nhiệt độ, độ ẩm,
b.Thang máy chở hàng:
Thang máy chở hàng yêu cầu là tốc độ cao, chịu đ-ợc tải trọng lớn và khi
bốc xếp hàng hoá phải thuận tiện, dễ dàng.

2.Phân loại theo tải trọng của ca bin:
6
Tuỳ theo tải trọng định mức Q của buồng thang mà thang máy chia thành các
loại sau:
+ Thang máy loại nhỏ: Q < 160 KG
+ Thang máy loại trung bình: Q = 500 2000 KG
+ Thang máy loại lớn: Q > 2000 KG
3.Phân loại theo tốc độ di chuyển của ca bin:
+ Thang máy chạy chậm: v = 0,5 m/s
+ Thang máy tốc độ trung bình: v = ( 0,75 1,75 ) m/s
+ Thang máy cao tốc: v = ( 2,5 5 ) m/s
4.Phân loại theo hệ thống vận hành:
+ Theo mức độ tự động:
Loại nửa tự động
Loại tự động

+ Theo tổ hợp tự động:
Điều khiển đơn
Điều khiển kép
Điều khiển theo nhóm
5.Phân loại theo vị trí đặt bộ tời kéo:
+ Đối với thang máy điện:
Thang máy có bộ tời kéo đặt phía trên giếng thang.
Thang máy có bộ tời kéo đặt phía d-ới giếng thang.
+ Đối với thang máy thuỷ lực:
Buồng thang đặt tại tầng trệt.
6.Phân loại theo vị trí điều khiển:
+ Điều khiển trong ca bin.
+ Điều khiển ngoài ca bin.
+ Điều khiển cả trong và ngoài ca bin.

7.Phân loại theo kết cấu của bộ tời kéo:
+ Theo hệ thống cân bằng:
7
5
4
3
2
1
11
10
9
8
7
6
Có đối trọng.

Không có đối trọng.
Có cáp hoặc xích cân bằng dùng cho thang máy có hành trình
lớn.
Không có cáp hoặc xích cân bằng.
+ Theo cách treo ca bin và đối trọng.
+ Theo hệ thống cửa ca bin:
Ph-ơng pháp đóng, mở cửa ca bin.
Theo kết cấu cửa ca bin.
Theo số cửa ca bin.
+ Theo loại bộ hãm bảo hiểm an toàn ca bin.
8.Phân loại theo quỹ đạo di chuyển ca bin:
+ Thang máy thẳng đứng: Là loại thang máy có ca bin di chuyển theo
ph-ơng thẳng đứng, hầu hết thang máy đang sử dụng là loại thang máy
này.
+ Thang máy nghiêng: Là loại thang máy có ca bin di chuyển nghiêng
một góc so với ph-ơng thẳng đứng.
9.Phân loại theo hệ thống dẫn động ca bin:
+ Thang máy dẫn động điện.
+ Thang máy thuỷ lực.
+ Thang máy khí nén.
10.Phân loại theo vị trí của ca bin và đối trọng giếng thang:
+ Đối trọng bố trí phía sau.
+ Đối trọng bố trí một bên.
+ Trong một số tr-ờng hợp đối trọng có thể bố trí ở một vị trí khác mà
không cùng chung giếng thang với ca bin.

I.2.Cấu tạo phần cơ:


8

Hình I.1.Kết cấu bố trí thiết bị của thang máy
Hình I.1 là sơ đồ cấu tạo của thang máy chở ng-ời thông dụng nhất, dẫn động
bằng tời điện tới puli dẫn cáp bằng ma sát. Kết cấu của thang máy gồm có các
bộ phận sau:
1- Thanh dẫn h-ớng.

2- Gọng kìm.
9
3- Khung của buồng thang.
4- Puli quấn cáp.
5- Hộp giảm tốc.
6- Động cơ.
7- Giá treo.
8- Buồng thang.
9- Thanh dẫn h-ớng.
10- Cáp treo
11- Hố giếng.
Tất cả các thiết bị điện của thang máy đ-ợc lắp trong buồng thang và buồng
máy.
Buồng máy th-ờng bố trí ở tầng trên cùng của giếng thang máy. Hố giếng
của thang máy 11 là khoảng không gian từ mặt bằng sàn tầng một cho đến đáy
giếng. Nếu hố giếng có độ sâu hơn 2m thì phải làm thêm cửa ra vào.
Để nâng - hạ buồng thang, ng-ời ta dùng động cơ 6. Động cơ 6 đ-ợc nối
trực tiếp với cơ cấu nâng hoặc qua hộp giảm tốc. Nếu nối trực tiếp buồng thang
đ-ợc treo lên puli quấn cáp. Nếu nối gián tiếp thì giữa puli quấn cáp và động cơ
có lắp hộp giảm tốc 5 với tỉ số truyền i = 18 120.
Khung của buồng thang 3 đ-ợc treo lên puli quấn cáp bằng kim loại 4
(th-ờng dùng một đến bốn sợi cáp ).
Buồng thang luôn luôn đ-ợc giữ theo ph-ơng thẳng đứng nhờ có giá treo 7
và những con tr-ợt dẫn h-ớng (con tr-ợt là loại puli tr-ợt có bọc cao su bên
ngoài). Buồng thang và đối trọng di chuyển dọc theo chiều cao của thành giếng
theo các thanh dẫn h-ớng 9.
Buồng thang có trang bị bộ phanh bảo hiểm ( phanh dù ). Phanh bảo hiểm
giữ buồng thang tại chỗ khi đứt cáp, mất điện và khi tốc độ di chuyển v-ợt quá
(20 40)% tốc độ định mức.
Phanh bảo hiểm th-ờng đ-ợc chế tạo theo ba kiểu:

Phanh bảo hiểm kiểu nêm.
Phanh bảo hiểm kiểu lệch tâm.
Phanh bảo hiểm kiểu kìm.
10
I.3.Tính toán công suất động cơ truyền động:
Sơ đồ tổng quan:
Hộp
số
Biến
tần
ĐK
Đối
trọng
Ca bin
Puli
~
~3pha
P

dm

Hình I.2

Các thông số kĩ thuật của thang máy:
Số tầng: 5 tầng
Chiều cao trần nhà: 4,5 m
Trọng l-ợng ca bin: 1000 Kg
Trọng l-ợng định mức: 900 Kg
Tốc độ của thang: 1 m/s
Gia tốc cực đại: 1,5 m/s

2
Độ giật khi khởi động và hãm: 15 m/s
3

Đ-ờng kính puli dẫn độmg: 0,45 m
Tính toán công suất của động cơ:
+ Công suất tĩnh của động cơ khi nâng tải không dùng đối trọng:
)(
10 ) (
3
KW
gvGGk
P
bt
c





Trong đó:
G
bt
: Khối l-ợng buồng thang (Kg); ta có G
bt
= 1000 Kg
G: Khối l-ợng hàng (Kg); ta có G = 900 Kg
V: Tốc độ nâng (m/s); ta có v = 1m/s
11
g: Gia tốc trọng tr-ờng (m/s

2
); ta lấy g = 9,81m/s
2

: Hiệu suất của cơ cấu nâng; ta lấy = 0,8
k: Hệ số tính đến ma sát giữa thanh dẫn h-ớng và đối trọng;
ta lấy k = 1,2
)(9585,27
8,0
1081,91)9001000(2,1
3
KWP
c





Vậy P
c
= 27,9585(KW)
+ Công suất tĩnh của động cơ khi nâng tải có dùng đối trọng:

)(10
1
.
3
KWgkvGGGP
dtbtcn

mà G
đt
= G
bt
+ .G (Kg)
Trong đó: là hệ số cân bằng; ta chọn = 0,4
G
đt
= 1000 + 0,4900 = 1360 (Kg)

)(15,151081,92,118,01360
8,0
1
1000900
3
KWP
cn

Vậy P
cn
= 15,15 (KW).
+ Công suất tĩnh của động cơ lúc hạ tải có dùng đối trọng:

)(10
1

3
KWgkvGGGP
dtbtch

)(9,371081,92,11
8,0
1
13608,09001000
3
KWP
ch










Vậy P
ch
= 37,9(KW).

I.4.Tính chọn biến tần và động cơ:
Khi thiết kế hệ trang bị điện - điện tử cho thang máy việc lựa chọn một hệ
truyền động, chọn một loại động cơ phải dựa trên các yêu cầu sau:
+ Độ chính xác khi dừng.
+ Tốc độ di chuyển buồng thang.
+ Gia tốc lớn nhất cho phép.
+ Phạm vi điều chỉnh tốc độ.
12
* Ngày nay hệ truyền động cho thang máy chở ng-ời có tốc độ trung bình hầu

hết đều sử dụng hệ truyền động biến tần - động cơ rôto lồng sóc kết hợp với bộ
điều khiển PLC. Hệ truyền động này có -u và nh-ợc điểm là:
Ưu điểm:
+ Có thể thay đổi đ-ợc các thông số thông qua việc lập trình cho biến tần.
+ Có khả năng thay đổi thời gian khởi động thông qua việc lập trình cho
biến tần.
+ Có khả năng thay đổi thời gian khởi động, thời gian hãm một cách mềm
mại để giảm độ dật cho buồng thang, điều khiển tốc độ mềm hoàn toàn.
+ Có khả năng giữ độ cứng cơ của động cơ tốt, dễ vận hành và bảo d-ỡng.
Nh-ợc điểm:
+ Giá thành đầu t- cao song ngày nay với việc chế tạo hàng loạt nên giá
thành cho một biến tần ngày càng giảm.
+ Dạng điện áp đầu ra của biến tần có chứa nhiều sóng hài nên dễ gây
nhiễu cho l-ới điện áp ba pha và l-ới thông tin ở gần vị trí đặt biến tần
nhất là đối với các biến tần công suất lớn thì khả năng gây nhiễu lớn nên
các bộ biến tần công suất lớn th-ờng đ-ợc chế tạo kèm theo với một bộ
lọc nhiễu.



I.4.1.Tính chọn động cơ:
1.Tính mô men nâng và mô men hạ:
Mô men nâng tải:

c
dtbt
n
iu
RGGG
M

).(


Trong đó:
G: Trọng l-ợng tải (Kg)
G
bt
: Trọng l-ợng buồng thang (Kg)
G
đt
: Trọng l-ợng đối trọng (Kg)
u: Bội số hệ thống ròng rọc; chọn u = 1
13
i: Tỉ số truyền; ta có:
uv
Rn
i
.
2



R: Bán kính puli dẫn động;
)(225,0
2
45,0
2
m

D
R

Động cơ dự tính chọn có n
đm
= 905v/ph = 15,08v/s.
Vậy
21
11
08,15225,014,32



i

)(95,70
8,0211
81,9225,0)13601000900(
NmM
n





Vậy M
n
= 70,95(Nm)
Mô men hạ tải:

)(
1
2
.
.
Nm
iu
RGGG
M
c
dtbt
h














)(57,4281,9
8,0
1
2

211
225,013601000900
NmM
h












Vậy M
h
= 42,57(Nm).
2.Tính tổng thời gian hành trình nâng và hạ của buồng thang bao gồm:
Thời gian buồng thang di chuyển với tốc độ ổn định.
Thời gian mở máy và hãm máy.
Tổng thời gian còn lại: thời gian đóng mở cửa buồng thang + thời gian ra
vào buồng thang của hành khách.
Ta có biểu đồ tốc độ tối -u, biểu đồ gia tốc, biểu đồ độ dật:
14
1
v
2
v

3
v
lv
v
0
0
0
t
t
t
v
1
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6
t
7
t
m
T
lv
T
hd

T

8
t
cp
a
cp
a
cp

cp


a

Hình I.3.Biểu đồ tốc độ tối -u, biểu đồ gia tốc, biểu
đồ độ dật
max
a
max



Ta có ph-ơng trình tốc độ, ph-ơng trình quãng đ-ờng:
0
. ata
dt
da

'
'
va
dt
dv




'
svv
dt
ds


00
2

2
1
vtatv

và
tvtats
2
1
.
6

1
0
23



Để con ng-ời không có cảm giác khó chịu chọn a
max
= 1,5 (m/s) và độ dật
= 15 (m/s
3
).
* Thời gian mở máy:
15

)(1,0
15
5,1
max
1
s
a
t



)/(075,0001,015
2
1
.

2
1
2
010
2
11
smvtatv



)(0025,0001,015
6
1
.
2
1
.
6
1
3
10
2
1
3
11
mtvtats

223max
2
233
).(
2
1
vttattv


mà v
3
= 1(m/s)
v
2
= v
1
+ a
max
.(t
2
- t
1
)
t
1
= t
3
- t
2
=0,1(s)

Thay vào ph-ơng trình của v
3
ta có:

12
2
5,1075,01,05,11,015
2
1
1 tt

t
2
- t
1
= 0,6(s)
Vậy thời gian mở máy:
T
m
= t
1
+ (t
2
- t
1
) + (t
3
- t
2
) = t

3
= 0,1 + 0,6 + 0,1 = 0,8(s).
Các quãng đ-ờng:
+ s
1
= 0,0025(m)
+
)(315,06,0075,06,05,1
2
1
0)()(
2
1
)(
6
1
2
121
2
12max
3
122
mttvttatts


+
)()(
2
1
)(

6
1
232
2
23
3
233
ttvttatts


mà t
3
- t
2
= 0,1(s)
v
2
= v
1
+ a
max
.(t
2
- t
1
) = 0,075 + 1,50,6 = 0,975(m/s)

)(1075,01,0975,01,015
2
1

1,015
6
1
23
3
ms

Vậy s
m
= s
1
+ s
2
+ s
3
= 0,0025 + 0,075 + 0,315 = 0,425(m).

Giả thiết quãng đ-ờng từ khi gặp sensor giảm tốc đến khi dừng là s
d
= 0,45 (m)
s
lv
= 4,5 - 0,425 - 0,45 = 3,625 (m)
* Thời gian thang máy chuyển động đều là:
)(625,3
1
625,3
3
s
v

s
T
lv
lv


16
* Giả sử thang máy từ khi giảm tốc đến khi gặp sensor dừng chuyển động chậm
dần đều với tốc độ giật bằng không và quãng đ-ờng hãm là 0,045 (m), vận tốc
giảm xuống còn 0,2 (m/s).
Ta có: s = v
tb
.t

)(67,0
2
12,0
4,0
s
v
s
t
tb




Thời gian từ sau khi giảm tốc đến khi gặp sensor dừng:
)(025,0
2,0

045,04,045,0
st



Thời gian hãm và phanh cơ khí để thang máy dừng hẳn là:
)(45,0
1,0
045,0
2
02,0
045,0
st



Vậy thời gian hãm và phanh cơ khí để thang máy dừng hẳn là:
T
h+d
= 0,67 + 0,025 + 0,45 = 1,145 (s)
Tổng thời gian hoạt động trong một tầng của thang máy là:
T = T
m
+ T
lv
+ T
h+d
= 0,8 + 3,625 + 1,145 = 5,57 (s)
Giả thiết đặt thời gian để thang mở cửa và hành khách ra vào mỗi tầng là 5(s).
Vậy tổng thời gian cho mỗi tầng của thang máy là: 5,57 + 5 = 10,57 (s).

Khi thang đi đến tầng 5, cho dừng 10(s) rồi tiếp tục cho thang đi xuống.
+ Thời gian thang chạy từ tầng 1 lên tầng 2 bằng thời gian thang chạy từ tầng 2
lên tầng 3 bằng thời gian thang chạy từ tầng 3 lên tầng 4 và bằng thời gian thang
chạy từ tầng 4 lên tầng 5 bằng 5,57(s).
+ Thời gian nghỉ của thang máy ở mỗi tầng bằng 5(s).
3.Tính mô men đẳng trị và tính chọn công suất động cơ:
* Mô men đẳng trị:




i
n
i
ii
dt
t
tM
M
1
2
.

Trong đó M
i
là trị số mômen t-ơng ứng với khoảng thời gian t
i
.
17
)(5,58

2
57,4295,70
.2

22
22
Nm
t
tMtM
M
hn
dt






mà P
đt
= M
đt
.
Đ

Trong đó
Đ
là vận tốc góc của động cơ, ta có:
)/(37,93
225,014,3255,9

21160
.2.55,9
60
55,9
srad
R
ivn
D







P
đt
= 93,3758,5 = 5462 (W) = 5,462(W).
* Tính hệ số tiếp điện t-ơng đối:


Dựa vào cuốn Các đặc tính động cơ trong truyền động điện ta chọn động cơ
không đồng bộ rôto lồng sóc loại cầu trục luyện kim kiểu MTR; 380; TĐ25%.
Kí hiệu: MTK-22-6 có các thông số sau:
P
đm
= 7,5 KW
n
đm
= 905 vg/ph

Ist
đm
= 19,3 (A)
Ist
0
= 12 (A)
R
st
= 0,685 ()
X
st
= 0,733 ()
Mô men quán tính của rôto: J = 0,138 Kgm
2

Khối l-ợng của động cơ : Q = 153 Kg
TĐ% =
245,57
245,57 + 255 + 10
100% = 42%
P = P
đt

TĐ
th
%
TĐ
tc
%
= 5,462

42
25
= 7 (KW)
Trong đó: t
ilv
là khoảng thời gian làm việc
t
ing
là khoảng thời gian nghỉ
Trong thực tế động cơ dùng cho cầu trục, máy nâng-hạ th-ờng có hệ số
tiếp điện TĐ% = 25%, vì vậy ta quy đổi công suất động cơ về loại có
TĐ% = 25%.
TĐ% =
t
ilv

t
ilv
+ t
ing

18
4.Kiểm nghiệm công suất động cơ đã chọn:
Ta có:

Thực tế động cơ chịu M = 2,3.M
đm
= 2,379,18 = 182,11 (Nm)
mà ta có: M
đt

= 58,5 (Nm)
M
đc
> M
đt
vì vậy theo ph-ơng pháp mômen đẳng trị ta thấy đạt yêu cầu về
mặt phát nóng.





I.4.2. Chọn biến tần:
I.4.2.1.Giới thiệu về biến tần:
* Bộ biến tần (BBT) là thiết bị biến đổi năng l-ợng điện từ tần số công nghiệp
(50Hz) sang nguồn có tần số thay đổi cung cấp cho động cơ xoay chiều.
* Bộ biến tần phải thoả mãn các yêu cầu sau:
Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt 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 mômen không đổi.
Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số.
* Các bộ biến tần đ-ợc chia làm hai loại chính:
a.Bộ biến tần phụ thuộc (hay BBT trực tiếp):
Sơ đồ khối:
M
đm
=
mà
đm
=

2..n
60
=
23,14905
60
= 94,72 (rad/s)
M
đm
=
7,510
3

94,72
= 79,18 (Nm)
P
đm


đm

19

Hình I.4. Cấu trúc của BBT trực tiếp.
BBT trực tiếp biến đổi thẳng dòng điện xoay chiều tần số f
1
thành f
2
,
không qua khâu chỉnh l-u nên hiệu suất cao nh-ng việc thay đổi tần số ra
khó khăn và phụ thuộc vào tần số vào f

1
.
b.Bộ biến tần độc lập (hay BBT gián tiếp):
+ Sơ đồ khối:

Hình I.5. Cấu trúc của BBT gián tiếp.
+ Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp (50Hz) đ-ợc chỉnh l-u thành nguồn
một chiều nhờ bộ chỉnh l-u không điều khiển hoặc bộ chỉnh l-u điều khiển, sau
đó đ-ợc lọc và bộ nghịch l-u sẽ biến đổi thành nguồn điện áp xoay chiều ba pha
có tần số biến đổi cung cấp cho động cơ.
+ Tuỳ theo tính chất của bộ chỉnh l-u và dạng tín hiệu đầu ra mà BBT gián tiếp
chia ra BBT nguồn dòng hay BBT nguồn áp:
Bộ biến tần nguồn dòng: có nguồn cấp một chiều là nguồn dòng, điện trở
trong của nguồn rất lớn. Dạng dòng điện của nguồn dòng xác định dạng
dòng điện ra trên tải, còn dạng điện áp trên tải thì phụ thuộc các thông số
tải. Đặc điểm là có sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy, đã từng đ-ợc sử dụng
rộng rãi để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha, động cơ rôto
lồng sóc. Sơ đồ gồm một cầu chỉnh l-u và một cầu biến tần, mỗi tiristor
đ-ợc nối tiếp thêm một điôt gọi là điôt chặn.
Bộ biến tần nguồn áp: Ta có cấu trúc BBT nguồn áp:
f
1
,U
1

f
2
,U
2

BBT
f
1

f
2
U
1
,f
1

+
-
U
d

I
d

ĐK
U
1
,f
1


Lọc
CL
NL
20

CPU
V
f
Khối phát xung điều khiển
ĐK
ĐC
A
B
C
V
f
f
Hình I.6. Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần nguồn áp

- Bộ biến tần nguồn áp có nguồn cấp một chiều là nguồn áp, điện trở trong rất
nhỏ. Dạng điện áp của nguồn áp xác định dạng điện áp ra trên tải, còn dạng
dòng điện tải thì phụ thuộc các thông số của tải. Việc điều chỉnh điện áp ra ở
trên tải đ-ợc thực hiện dễ dàng bằng điều khiển qui luật mở van của phần nghịch
l-u. Ph-ơng pháp điều khiển này thay đổi dễ dàng tần số mà không phụ thuộc
vào l-ới.
- Nguyên lý của BBT nguồn áp bao gồm một mạch chỉnh l-u CL, chỉnh l-u điện
áp xoay chiều ba pha thành điện áp một chiều. Điện áp một chiều này qua mạch
lọc trung gian L sau đó đ-a vào bộ nghịch l-u NL tạo ra điện áp xoay chiều ba
pha có tần số và biên độ khác so với điện áp l-ới.
- Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ với bộ biến tần nguồn áp:
Tốc độ của động cơ không đồng bộ tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp.
Do đó, thay đổi tần số cung cấp cho động cơ sẽ thay đổi tốc độ đồng bộ và t-ơng
ứng là tốc độ của động cơ.
21

Sức điện động cảm ứng trong stator (E) tỉ lệ với tích tần số cung cấp và từ
thông khe hở trong không khí. Nếu bỏ qua điện áp rơi trên điện trở stator, có thể
xem suất điện động E điện áp nguồn cung cấp. Nếu giảm tần số nguồn nh-ng
giữ nguyên điện áp sẽ dẫn đến việc gia tăng từ thông khe hở không khí dẫn đến
bão hoà mạch từ làm dòng từ hoá tăng, méo dạng dòng và áp cung cấp, gia tăng
tổn hao lõi và tổn hao đồng stator và gây tiếng ồn có tần số cao. Ng-ợc lại từ
thông khe hở không khí giảm d-ới định mức sẽ làm giảm khả năng tải của động
cơ. Vì vậy, việc giảm tần số động cơ d-ới tần số định mức th-ờng đi đôi với việc
giảm điện áp pha U sao cho từ thông trong khe hở không khí đ-ợc giữ không
đổi.
+ Thiết bị biến tần chỉ tạo ra đ-ợc điện áp hình sin chữ nhật hoặc gần chữ nhật,
chứa nhiều sóng hài. Muốn giảm nhỏ ảnh h-ởng của sóng hài, ng-ời ta có thể
dùng các bộ lọc, và nh- vậy, trọng l-ợng và giá thành của thiết bị biến tần sẽ
cao. Điều mong muốn là làm thế nào để vừa điều chỉnh đ-ợc điện áp ra mà vẫn
giảm nhỏ đ-ợc ảnh h-ởng của các sóng hài bậc thấp.
Biện pháp điều biến độ rộng xung nhằm đáp ứng yêu cầu trên có nội dung
chính nh- sau:
+ Tạo một sóng dạng sin u
m
, ta gọi là sóng điều biến, có tần số bằng tần số
mong muốn.
+ Tạo một sóng dạng tam giác, biên độ cố định u
p
, ta gọi là sóng mang, có
tần số lớn hơn nhiều (th-ờng là bội ba) tần số của sóng điều biến.
+ Dùng một khâu so sánh để so sánh u
m
và u
p
. Các giao điểm của hai sóng

này xác định khoảng tác động của xung điều khiển tiristor và transitor
công suất.
Ng-ời ta chia điều biến độ rộng xung thành hai loại: Điều biến độ rộng xung đơn
cực và điều biến độ rộng xung l-ỡng cực.
Sơ đồ:

R+L
+E
0
U
i
1
D
1
T
2
T
Hình I.7
4
D
4
T
3
T
2
D
3
D
s
i

22
Điều biến độ rộng xung đơn cực:
+ Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số 0 và +E
trong nửa chu kì d-ơng và 0 và -E trong nửa chu kì âm.
+ Giản đồ điều biến độ rộng xung đơn cực, một pha, tải R+L: Hình I.8
+ Sóng hài trong điện áp tải:
Nếu chuyển gốc toạ độ sang O, điện áp tải u là một hàm chu kì, lẻ. Khai
triển Fourier của nó chỉ chứa các thành phần sóng sin.
Biên độ của các sóng hài tính theo công thức:





0
sin)(
2
dnEU
nm


23
Um
Up
u
i
0
+E
U
i

0'
- E


2


2

1

2

3

4

5



1
T
4
T

3
T
1
D

1
T
4
D
4
T
H×nh I.8. §iÒu biÕn ®é réng xung ®¬n cùc, mét pha, t¶i R+L

Khi n = 1, ta cã:
 
54321
1
coscoscoscoscos
4
sinsinsinsinsin
2
4
3
5
5
3
4
1
2
2
1

























   
 



E
ddddd
E
U
m

U
2m
= 0
Khi n = 3:
24

54321
3
3
)(3
)(3
)(3
)(3
)(3
3
3
3
3
3cos3cos3cos3cos3cos
4
sinsinsinsinsin
3
2
2
1
1
2
3
4

5
5
4
4

E
ddddd
E
U
m

Biên độ của các sóng hài có dạng tổng quát nh- sau:



k
i
i
nm
n
n
E
U
,1
1
cos)1(
4



Trong đó: n = 1,3,5

i
- góc chuyển trạng thái, i biến thiên từ 1 đến k;

k
- góc trạng thái cuối cùng tr-ớc /2;
Nh- vậy, đối với điều biến độ rộng xung đơn cực, để điện áp tải không chứa
các sóng hài bậc 3,5 và 7 cần phải có:
03cos)1(
3
4
,1
1
3



k
i
i
m
E
U



05cos)1(
5
4
,1
1

5



k
i
i
m
E
U



07cos)1(
7
4
,1
1
7



k
i
i
m
E
U

Điều biến độ rộng xung l-ỡng cực:
+ Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số E.
Tỷ số giữa biên độ sóng điều biến và biên độ sóng mang, kí hiệu là M, đ-ợc
gọi là tỷ số điều biến, M = A
m
/ A
p
.
Điều chỉnh A
m
cũng chính là điều chỉnh độ rộng xung.
Khi M = 1 thì điện áp ra tải có biên độ lớn nhất. Muốn giảm nhỏ điện áp ra,
ta giảm nhỏ A
m
.
+ Giản đồ điều biến độ rộng xung l-ỡng cực, tải R+L: Hình I.9
+ Sóng hài trong điện áp tải:
Nếu chuyển gốc toạ độ sang O, điện áp tải có dạng chu kỳ, lẻ, chỉ chứa các
thành phần sin.
25
U
+E
i
0'
0
D1
D3
T2
T4

D1
D3
T1
T3
-E
D2
T4
T1
T3
D2
D4
D2
D4
T1
T3
T2
T4
D1
D3
T2
T4
DÉn dßng
H×nh I.9.§iÒu biÕn ®é réng xung l-ìng cùc, t¶i L+R
0
Um
Up


2
1

U
2





1

2

31
,TT
42
,TT


Biªn ®é sãng hµi ®-îc tÝnh theo c«ng thøc:
 
21
0
1
cos2cos21
4
sinsinsinsinsin
2
2
1
2
2

2
2 1
2























   
 
 
E

ddddd
E
U
m

U
2m
= 0