Thiết kế thang máy chở người

đề án : thang máy chở ngời
Cho mô hình thang máy nh sau:
Động cơ Hộp số
puli chủ động
Thanh dẫn
Đối trọng

puli bị động
Hình 1
Các số liệu cho nh sau:
Loại động cơ
Tốc độ
Gia tốc
Chiều cao mỗi tầng
Số tầng
Trọng lợng Cabin
Trọng lợng tải
Đờng kính puli
Hiệu suất cơ cấu
Tỷ số truyền cơ cấu

:
:
:
:
:
:
:
:
:
:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
V = 1,5 m/s
a = 1,5 m/s2
h0 = 4 m
n = 10 tầng
G0 = 1000 kg
Gđm = 630 kg
D = 0,45 m
= 0,75
i

nội dung thiết kế
Phần I: Mô tả công nghệ và yêu cầu truyền động
I. Mô tả chung về thang máy:

1


Thang máy là thiết bị vận tải dùng để chở ngời và hàng hoá theo phơng thẳng
đứng. Nó là một loại hình máy nâng chuyển đợc sử dụng rộng rãi trong các ngành sản
xuất của nền kinh tế quốc dân nh trong ngành khai thác hầm mỏ, trong ngành xây dựng,
luyện kim, công nghiệp nhẹ... ở những nơi đó thang máy đợc sử dụng để vận chuyển
hàng hoá, sản phẩm, đa công nhân tới nơi làm việc có độ cao khác nhau... Nó đã thay
thế cho sức lực của con ngời và đã mang lại năng suất cao.
Trong sinh hoạt dân dụng, thang máy đợc sử dụng rộng rãi trong các toà nhà cao
tầng, cơ quan, khách sạn... Thang máy đã giúp cho con ngời tiết kiệm đợc thời gian và
sức lực...
ở Việt Nam từ trớc tới nay thang máy chỉ chủ yếu đợc sử dụng trong công nghiệp để
trở hàng và ít đợc phổ biến. Nhng trong giai đoạn hiện nay nền kinh tế nớc ta đang có

những bớc phát triển mạnh thì nhu cầu sử dụng thang máy trong mọi lĩnh vực ngày càng
tăng lên.
Có thể phân loại thang máy nh sau:
1.Phân loại theo chức năng:
a.Thang máy chở ngời:
Gia tốc cho phép đợc quy định theo cảm giác của hành khách: a 1,5 m/g2
+Dùng trong các toà nhà cao tầng: loại này có tốc độ trung bình hoặc lớn, đòi hỏi vận
hành êm, an toàn và có tính mỹ thuật...
+Dùng trong bệnh viện : Phải đảm bảo rất an toàn, sự tối u về độ êm khi dịch chuyển,
thời gian dịch chuyển, tính u tiên đúng theo các yêu cầu của bệnh viện...
+Trong các hầm mỏ, xí nghiệp: đáp ứng đợc các điều kiện làm việc nặng nề trong
công nghiệp nh tác động của môi trờng làm việc: độ ẩm, nhiệt độ; thời gian làm việc, sự
ăn mòn...
b.Thang máy chở hàng:
Đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong kinh doanh...Nó đòi hỏi cao về việc
dừng chính xác buồng thang máy đảm bảo cho việc vận chuyển hàng hoá lên xuống
thang máy đợc dễ dàng thuận lợi...
2.Phân loại theo tốc độ dịch chuyển:
Thang máy tốc độ chậm: V = 0,5 m/s
Thang máy tốc độ trung bình: V = 0,75 ữ 1,5 m/s
Thang máy tốc độ cao: V = 2,5 ữ 5 m/s
3.Phân loại theo tải trọng:
Thang máy loại nhỏ: QTm < 160 KG
Thang máy loại trung bình: QTm = 500 ữ 2000 KG
Thang máy loại lớn: QTm > 2000 KG
II.Đặc điểm phụ tải của thang máy và các yêu cầu truyền động cho thang máy:
Phụ tải thang máy là phụ tải thế năng
Vị trí các điểm dừng của thang máy để đón, trả khách trên hố thang là các vị
trí cố định, đó chính là vị trí sàn các tầng nhà.
Động cơ truyền động thang máy làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại, mở

máy và hãm máy nhiều.
Vì đây là thang máy chở ngời, nên đòi hỏi cao về độ chính xác khi dừng máy:
Khi Gtải trọng = 2,5 Gđm thì yêu cầu khi dừng, khoảng cách từ sàn Cabin đến mặt
sàn tầng nhà 2 cm.
Đảm bảo gia tốc Cabin khi khởi động và khi dừng nằm trong giới hạn cho
phép (vì không đợc để cho ngời trên thang có cảm giác bị giật).
Biểu đồ phụ tải thang máy

2


s : vi tri
s,v
v,m/s
a,m/s

s

a,
mo may

ham xuong
toc do thap

c.d on dinh

,m/s
v
a

t

O

a
Vmin
a

II Phân tích, so sánh và lựa chọn
phơng án truyền động
chơng 3 : Phân tích - lựa chọn phơng án
Động cơ dùng để kéo pu li cáp trong thang máy là loại động cơ có điều chỉnh tốc
độ và có đảo chiều quay ( quá trình nâng, hạ của thang máy).
Nh vậy, để thực hiện đợc truyền động trong thang máy chúng ta phải có 2 phơng án
chính sau :
+ Dùng hệ truyền động chỉnh lu - triristo, động cơ 1 chiều có đảo chiều quay.
+ Dùng hệ truyền động xoay chiều có điều chỉnh tốc độ
Sau đây chúng ta sẽ đi vào phân tích u nhợc điểm hai loại hệ truyền động này để từ đó
chọn ra 1 phơng án truyền động phù hợp nhất dùng trong thang máy.
I.1. Hệ Truyền Động Chỉnh Lu - Triristo có đảo chiều quay.
Hệ Truyền Động T-Đ có đảo chiều quay đợc xây dựng trên hai nguyên tắc cơ bản :
- Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ của động cơ .
- Giữ nguyên chiều dòng kích từ và đảo chiều dòng điện phần ứng
Từ hai nguyên tắc cơ bản này ta có năm loại sơ đồ chính
Sơ đồ 1 : Truyền động dùng 1 bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng
đảo chiều dòng kích từ.

3

Hình 1

Loại sơ đồ này dùng cho công suất lớn và rất ít đảo chiều .
Sơ đồ 2 : Truyền động dùng 1 bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng
công tắc tơ chuyển mạch ở phần ứng ( từ thông giữ không đổi)
Loại này dùng cho công suất nhỏ, tần số đảo chiều thấp .
Sơ đồ 3 : Truyền động dùng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng.

Hình 2

Hệ này có u điểm là dùng cho mọi dải công suất, có tần số đảo chiều lớn

4


Sơ đồ 4 : Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song ngợc điều khiển chung .Loại

Hình 3

này dùng cho mọi dải công suất vừa và lớn, thực hiện đợc công việc đảo chiều êm hơn.

Hình -4
Sơ đồ 5 : Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối theo sơ đồ chéo điều khiển chung. Sơ
đồ dùng cho mọi dải công suất vừa và lớn thực hiện việc đảo chiều êm
Tuy nhiên kích thớc cồng kềnh, vốn đầu t và tổn thất lớn.(Hình-5)

5


Mạch điều khiển của 5 loại sơ đồ này có thể chia làm hai loại chính :

a. Điều khiển riêng :
Nguyên tắc : Khoá các bộ biến đổi mạch phần ứng để cắt dòng, sau đó tiến hành
chuyển mạch, nh vậy khi điều khiển sẽ tồn tại một thời gian gián đoạn, sơ đồ 1,2,3 đợc
điều khiển theo nguyên tắc này .
Khi điều khiển riêng có hai bộ diều khiển làm việc riêng rẽ với nhau .
Tại một thời điểm thì chỉ có một bộ biến đổi có xung điều khiển còn bộ biến đổi kia
bị khoá do không có xung điều khiển. Trong một khoảng thời gian thì BĐ1 bị khóa
hoàn toàn và dòng phần ứng bị triệt tiêu, tuy nhiên suất điện động phần ứng E vẫn còn
dơng. Sau khoảng thời gian này thì phát xung 2 mở bộ biến đổi 2 đổi chiều dòng phần
ứng động cơ đợc hãm tái sinh.
Hệ truyền động có van đảo chiều điều khiển riêng có u điểm là làm việc an toàn
không có dòng cân bằng chảy giữa các bộ biến đổi song cần có 1 khoảng thời gian trễ
trong đó dòng điện động cơ bằng khôngHình
. 5
b.Điều khiển chung :
Nguyên tắc : Tại một thời điểm thì cả hai bộ biến đổi BĐ1 và BĐ2 đều nhận đợc xung
mở nhng chỉ có một bộ biến đổi cấp dòng cho nghịch lu còn bộ biến đổi kia làm việc ở
chế độ đợi. Sơ đồ 4, 5 thực hiện theo nguyên tắc này.Trong phơng pháp điều khiển
chung mặc dù đảm bảo Ed2 =Ed1 tức là không xuất hiện giá trị dòng cân bằng song
giá trị tức thời của suất điện động của các bộ chỉnh lu là ed1(t) và ed2(t) luôn khác nhau
do đó vẫn xuất hiện thành phần xoay chiều của dòng điện cân bằng và để hạn chế dòng
điện cân bằng này thờng dùng các cuộn kháng cân bằng Lcb
I.2. Hệ Truyền Động xoay chiều có điều chỉnh tốc độ.

Hệ truyền động này dùng động cơ không đồng bộ 3 pha. Loại động cơ này đợc sử
dụng rộng rãi trong công nghiệp, chiếm tỉ lệ rất lớn so với động cơ khác. Ngày nay do
sự phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử - tin học động

6

cơ không đồng bộ mới khai thác đợc hết các u điểm của mình. Nó trở thành hệ truyền
động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động chỉnh lu - triristo.
Không giống nh động cơ một chiều, động cơ KĐB có cấu tạo phần cảm và phần ứng
không tách biệt. Từ thông động cơ cũng nh mô men động cơ sinh ra phụ thuộc nhiều
vào tham số.
Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động diện động cơ không đồng bộ là hệ điều
chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh .
Trong công nghiệp thờng sử dụng bốn hệ điều chỉnh tốc độ :
a. Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi Tiristo
Nguyên tắc của phơng pháp này là mô men của động cơ KĐB tỷ lệ với bình phơng
điện áp stato.
Do đó có thể điều chỉnh đợc mô men và tốc độ của động cơ bằng cách điều chỉnh giá
trị điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số
b. Điều chỉnh điện trở mạch rô to
Phơng pháp này đợc thực hiện theo nguyên tắc điều chỉnh trơn điện trở rô to bằng các
van bán dẫn.
Ưu điểm của phơng pháp này là dễ tự động hoá việc điều chỉnh.
Điện trở trong mạch rô to của động cơ KĐB :
Rr = Rrd + Rf
Trong đó : Rrd : điện trở dây quấn rô to
Rf : điện trở ngoài mắc thêm vào mạch stato
Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rô to thì mô men tới hạn của động cơ không thay
đổi và độ trợt tới hạn tỉ lệ bậc nhất với điện trở
3I 2r R rd
Mô men M =
S i
Si : Độ trợt khi điện trở mạch rô to là Rrd
Nếu giữ cho Ir = const thì M = const và không phụ thuộc tốc độ động cơ .
Vì thế mà có thể ứng dụng phơng pháp điều chỉnh điện trở mạch rô to cho truyền động

có mô men tải không đổi .
Phơng pháp điều chỉnh trơn điện trở mạch rô to bằng phơng pháp xung :
td
t
Re = R0
= R 0 d = R 0 .
td + tn
T
Re là điện trở tơng đơng trong mạch rô to đợc tính theo thời gian đóng td và thời gian
ngắt tn của một khoá bán dẫn cho phép một điện trở R0 vào mạch hay không .
c. Phơng pháp điều chỉnh công suất trợt
Đối với các hệ truyền động công suất lớn, tổn hao Ps là lớn. Vì vậy để diều chỉnh đợc tốc độ vừa tận dụng đợc công suất trợt ngời ta dùng các sơ đồ điều chỉnh công suất
trợt.
Ps = M c .( 1 ) = M c 1s = Pdt s
Ps
Pdt
d. Phơng pháp biến đổi tần số
Phơng pháp này điều chỉnh tốc độ động cơ dựa trên nguyên tắc điều chỉnh tần số f 1
sang tần số f2
Khi điều chỉnh tần số động cơ KĐB thờng kéo theo cả việc điều chỉnh điện áp, dòng
điện hoặc cả từ thông mạch stato.
Do vậy đây là một phơng pháp phức tạp phải dùng nhiều thiết bị .
Có hai loại biến tần :
Biến tần trực tiếp : Loại này có sơ đồ cấu trúc rất đơn giản
s=

7


f1

f2
Mạch van

Hình 6
Điện áp vào xoay chiều U1 (tần số f1 ) qua một mạch van là ra ngay tải với tần số f 2.
Bộ biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lợng cao tuy nhiên thực tế sơ đồ mạch van
khá phức tạp, có số lợng van lớn nhất với mạch 3 pha. Việc thay đổi tần số ra f 2 khó
khăn và phụ thuộc nhiều vào tần số f1
* Biến tần gián tiếp : Có cấu trúc nh sau :
(xoay chiều)
U1
f1

Chỉnh
lu

(một chiều)
U Lọcc
c

U

Nghịch lu
độc lập

(xoay chiều )
U2
f2

Hình 7

Điện áp xoay chiều đợc biến thành một chiều nhờ bộ chỉnh lu, qua bộ lọc rồi đợc biến
đổi thành U2 với tần số f2 sau khi qua bộ nghịch lu độc lập.
Hiệu suất biến tần loại này thấp song cho phép thay đổi dễ dàng f 2 mà không phụ thuộc
f1
Kết Luận : Qua phân tích hai loại hệ truyền động trên em chọn phơng án dùng loại
Hệ Truyền Động Chỉnh Lu Tiristo - Động Cơ Có Đảo Chiều Quay vì:
+ Độ tác động của hệ này nhanh và cao, không gây ồn và dễ tự động hoá do các van
bán dẫn công suất có hệ số khuyếch đại công suất rất cao. Điều này thuận tiện cho việc
thiết lập hệ thống điều chỉnh tự động nhiều vòng để nâng cao chất lợng các đặc tính
tĩnh và đặc tính động của hệ thống.
+ Trong hệ truyền động một chiều này, em sẽ sử dụng mạch lực là sơ đồ ba bởi vì loại
này có u điểm là dùng cho mọi dải công suất, có tần số đảo chiều lớn. Đồng thời hai bộ
biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng hoạt động đóng mở độc lập với nhau, làm
việc an toàn và không có dòng chảy giữa các bộ biến đổi.
+ Sử dụng hệ truyền động chỉnh lu Tiristo - Động cơ có đảo chiều quay sẽ đạt đợc đồ
thị tốc độ tối u (đối với loại truyền động xoay chiều thì chỉ đạt đợc dạng đồ thị gần
giống mà thôi ).
Nh vậy, loại động cơ sử dụng trong hệ truyền động là loại động cơ một chiều

8


phần iii: Tính chọn các thiết bị điện
trong sơ đồ truyền động
A. Chọn động cơ điện:
Vì hệ truyền động thang máy làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại, mở máy và hãm
máy nhiều, nên khi tính chọn công suất động cơ cần xét đến phụ tải tĩnh và động. (Hình
2).

D
Puli chủ
động

F2
F1

H

Cabin

Đối
trọng

Dây cáp
Puli bị
động

1. Xác định phụ tải tĩnh:
Phụ tải tĩnh là phụ tải do trọng lợng Cabin, trọng lợng tải trọng, trọng lợng đối trọng,
và trọng lợng của cáp gây nên ở trạng
Hìnhthái
8 tĩnh, thông qua puli, hộp giảm tốc, tác dụng
lên trục của động cơ.
Các lực tác động lên puli chủ động theo các nhánh cáp là:
F1 = [G0 + G + gc(H - hcb)]g (N)
F2 = [Gđt + gc(H - hđt)]g
(N)
Lực tổng tác động lên puli chủ động khi nâng và hạ tải (lực gây mômen quay)
Fn = F1 - F2 = (G0 + G -Gđt)g + gc(hđt - hcb)g (N )

Fh = F2 - F1 = (Gđt - G0 - G)g + gc(hcb - hđt)g (N)
Trong đó :
G0 : Khối lợng Cabin (kg)
G : Khối lợng tải trọng (kg)
Gđt : Khối lợng đối trọng (kg)
gc : Khối lợng một đơn vị dài dây cáp (kg/m)
hđt và hcb : Chiều cao đối trọng và Cabin (m)
g : Gia tốc trọng trờng (m/s2)
Để đơn giản, giả sử rằng hđt = hcb. Thay vào trên ta đợc:
Fn = (G0 + G - Gđt)g (N)
Fh = (Gđt - G0 - G)g
(N) (1)

9


Mục đích của đối trọng là giảm phụ tải của cơ cấu, do đó giảm đợc công suất động cơ
truyền động. Điều kiện chọn đối trọng là tạo ra phụ tải tĩnh của động cơ nhỏ nhất.
Trọng lợng đối trọng đợc chọn theo công thức:
Gđt = G0 + Gđm
Trong đó: Gđm là tải định mức.
Với thang máy chở ngời thì = 0,35 ữ 0,4.
Chọn = 0,35.
Thay vào (1) ta đợc:
Fn = (G - Gđm)g
(N)
(2)
Fh = (Gđm - G)g
(N)
(3)

Khi tính toán công suất động cơ, ta xét động cơ luôn làm việc với tải định mức. Tức là
G = Gđm. Thay vào (2) và (3):
Fn = (Gđm - Gđm)g (N)
Fn > 0
Fh = (Gđm - Gđm)g (N)
Fh < 0
Nh vậy, để cho thang máy chạy đều với vận tốc V thì công suất trên trục động cơ khi
thang lên, xuống là:

F V
n
P1đm =
1000
P2đm =

F V

=

(G

dm

dm

1000

c

h =

1000 c

G

(G

dm

)gV

(N.m)

(4)

c

G

dm

1000

)gV



c

(N.m)

(5)

Trong đó:
P1đm ứng với trờng hợp máy điện làm việc ở chế độ động cơ (nâng tải).
P2đm ứng với trờng hợp máy điện làm việc ở chế độ máy phát (hạ tải).
D : đờng kính puli (m).
V(m/s) : Tốc độ của buồng thang.
c : hiệu suất của cơ cấu.
Thay số liệu vào (4) và (5) ta đợc:
P1đm =

(630 0,35.630)9,81.1,5
1000.0,75

P2đm =

(0,35.630 630)9,81.1,5
ì 0,75 4,52(KW)
1000

8,03 (KW)

2.Xác định hệ số đóng điện tơng đối:
Để xác định hệ số đóng điện tơng đối, ta phải vẽ đợc đồ thị phụ tải tĩnh của cơ cấu.
Để làm đợc điều này, ta cần phải xác định các khoảng thời gian làm việc cũng nh nghỉ
của thang máy trong một chu kỳ lên-xuống.
Xét thang máy luôn làm việc với tải định mức: Gđm = 630 kg 12 ngời.
Để đơn giản, ta cho rằng qua mỗi tầng thang máy chỉ dừng một lần để đón, trả khách.
Ta có các thời gian giả định nh sau:
Thời gian ra, vào Cabin đợc tính gần đúng là 1s/1 ngời.

Thời gian mở cửa buồng thang 1s.
10


Thời gian đóng cửa buồng thang 1s.
Giả sử ở mỗi tầng chỉ có một ngời ra và một ngời
vào
thời gian nghỉ tng 4s.
Ta có đồ thị vận tốc gần đúng của thang máy nh
hình 9.
Thời gian khởi động động cơ để thang máy có vận
tốc V = 1,5m/s là:
tkđ =

V(m/s)
1,5

tlv
t(s)

tkđ
0

1

2,67

3,67

Hình 9

V = 1,5 = 1s
a 1,5

Sau thời gian này Cabin đi đợc quãng đờng là:
Skđ = 0.t + at2/2 = 1,5.12/2 = 0,75m
Thời gian hãm Cabin khi dừng ở mỗi tầng là
thãm =

V = 1,5 = 1s
a 1,5

Sau thời gian này Cabin đi đơc quãng đờng:
Shãm = Skđ = 0,75m
thời gian Cabin đi với vận tốc đều V = 1,5m/s ở giữa mỗi tầng là:
t=

h S S
o
kd
ham = 4 0,75 0,75 1,67s
15
,
V

Vậy thời gian làm việc của thang máy giữa 2 tầng kế nhau là:
tlv = tkđ + t + thãm = 1 + 1,67 + 1
tlv = 3,67s
Khi lên đến tầng trên cùng (tầng 10), giả sử cả 12 ngời trong thang ra hết, ngay
sau đó có 12 ngời khác vào để xuống các tầng dới. Nh vậy thời gian nghỉ ở giai

đoạn này là:
t0 = 1 + 12.1 + 12.1 + 1 = 26s.
Khi đi xuống, do V và a không đổi, nên tlv và tng giống nh khi đi lên.
Khi xuống đến tầng dới cùng (tầng 1), giả sử cả 12 ngời trong thang ra hết, ngay sau đó
có 12 ngời khác vào để đi lên các tầng trên. Nh vậy thời gian nghỉ ở giai đoạn này là:
t0 = t0 = 1 + 12.1 + 12.1 + 1 =26s.
Vậy ta có đồ thị phụ tải trong một chu kỳ lên-xuống nh hình 10.
Với chu kỳ làm việc:
Tck = 18tlv + 16tng + 2t0 = 18.3,67 + 16.4 + 2.26
Tck = 182,7s

11


Hình 10
Từ đồ thị phụ tải(Hình 11), ta tính đợc hệ số đóng điện tơng đối:
n

đđ% =

t
i =1

T

lvi

=

3,67.18

ì 100% 36,15%
182,7

ck

Vậy hệ số đóng điện tơng đối của phụ tải là 36,15%.
3.Chọn sơ bộ động cơ:
Để chọn động cơ, ta tính công suất đẳng trị gây nên trên trục động cơ:
n

2
2
8
,
03
.
3
,
67
.
9
+
4
,
52
.3,67.9

P
i t lvi
Pđt = i =1

=
182,7
Tck
2

Pđt 3,91 (kw)
Vậy phụ tải thang máy có:
đđ% = 36,15% và Pđt = 3,91 kw
Ta chọn hệ số đóng điện tiêu chuẩn tc% = 25%. Nh vậy phải hiệu chỉnh công suất:

dd
%

Pđmchọn = Pđt



%
dmchon

4,22 (kw)

Từ các số liệu trên, tra loại động cơ trong quyển Các đặc tính cơ của động cơ trong
truyền động điện - Bùi Đình Tiếu và Lê Tòng dịch, ta chọn đợc động cơ:
Động cơ 1 chiều kiểu , Uđm = 220V,
có chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại đđ % = 25%

Kiểu
động cơ

Pđm
(kw)

Uđm
(V)

Nđm
Vg/ph

Iđm
(A)

R+rcp
()

Rcks
()

-21

4,5

220

1050

26

0,94

128

Kiểu
động
cơ

Số thanh
dẫn tác
dụng của

Số nhánh
song song
phần ứng 2a

Số vòng trên
1 cực cuộn
song song

Bảng 1

Dòng điện định mức của
cuộn kích từ
iđm (A)
1,24

Từ thông hữu
ích của 1 cực
từ

Mô men

QT phần
ứng
12


phần ứng N
21

920

2

cks
1650

.10-2 Wb
0,58

J (kgm2)
0,125

B.Tính chọn mạch biến đổi:
Vì hệ truyền động thang máy là một chiều và có đảo chiều, nên ta chọn mạch biến
đổi điện áp tới động cơ gồm 2 bộ chỉnh lu cầu 3 pha Thyristor điều khiển riêng. Còn
mạch kích từ động cơ cũng có một bộ chỉnh lu cầu 3 pha Điốt.
1.Mạch biến đổi nguồn cấp cho động cơ:
Xét khi một bộ chỉnh lu làm việc. Ta có sơ đồ sau:

Hình 11
Trong đó:

BAN : Biến áp nguồn lấy điện từ lới cấp cho động cơ.
Uv0 : Điện áp dây hiệu dụng thứ cấp biến áp nguồn BAN.
T
: 6 Tiristor của mạch chỉnh lu cùng loại.
Lck : Cuộn kháng san bằng.
L, R : cảm kháng, điện trở phần ứng động cơ. R = r + rcp = 0,94 ()
Điện áp không tải của bộ chỉnh lu Ud0 phải thoả mãn phơng trình:
1Ud0cosmin = 2Eđm + Uv + ImaxR + Umax (*)
Trong đó:
Ud0 : điện áp không tải của chỉnh lu.
1 : hệ số tính đến sự suy giảm lới điện; 1 = 0,95.
2 : hệ số dự trữ BAN; 2 = 1,04 ữ 1,06. Chọn 2 = 1,04.
min : góc điều khiển cực tiểu. Sơ đồ có đảo chiều, và m = 6 xung, nên ta chọn
min = 12o.
Uv : tổng sụt áp trên van. Mỗi thời điểm chỉ có 2 van dẫn, nên Uv = 2Uv
2.1,6 = 3,2 (V).
Imax : dòng cực đại phần ứng động cơ. Imax = (2 ữ 2,5)Iđm. Chọn
Imax = 2Iđm =
2.26 =52 (A).
Eđm = Uđm - RIđm = 220 - 0,94.26 = 195,56 (V).
I u max I udm
Umax : sụt áp cực đại do trùng dẫn. Umax = Uđm I
udm I ddm

Iđm và Imax = 2Iđm Umax = 2Uđm = 2Ud0UkYk

Có Idđm =

với Uk là điện áp ngắn

13


U
= 0,5 (Tra bảng bộ
và Yk =
U %
k

mạch: Uk(%) = 5% Uk = 0,05
chỉnh lu cầu 3 pha)

Vậy:

E

2 udm

Ud0 =

+ U + R

cos
1




v

min

I

u u max =

2Y U
k

k

1,04.195,56 + 3,2 + 0,94.52
0,95 cos12 2.0,5.0,05

Ud0 290,55 (V)
Uv0 = Ud0/1,35 215,22 (V)

*Tính chọn biến áp nguồn BAN:
BAN đấu theo kiểu /Y. Điện áp lới UL = 380V.

U

380
Tỷ số biến áp: kBAN = U
= 215,22 3,06
vo
3
3
l

Dòng hiệu dụng thứ cấp BAN:
I2 = 2 Id =

2 .26 21,23(A)
3

3

dòng hiệu dụng sơ cấp BAN:
I1 =

1
1
I2 =
21,23 6,94(A)
3,06
K BAN

Công suất định mức BAN:
SBAN = 1,05Ud0Idđm = 1,05.290,55.26 (VA)
SBAN = 7932,015 (VA)
Tra sổ tay, ta chọn máy biến áp tiêu chuẩn có Sđm = 8,5(kVA).
*Tính chọn các Tiristor trong mạch chỉnh lu:
Ta có bộ chỉnh lu là cầu 3 pha. Tra sổ tay, ta tính đợc các thông số sau:
Dòng trung bình qua mỗi Thyristor:
IT = 1 Idđm = 1 .26 8,67(A).

3

3

Dòng cực đại qua mỗi Thyristor:

ITM = 1 Idmax = 1 .52 17,33(A).

3

3

Điện áp ngợc cực đại mỗi Thyristor phải chịu:
Ungmax = 2 Uv0 = 2 .215,22 304,37(V).
Chọn hệ số dự trữ về điện áp và dòng điện của các Thyristor là:
Ku = 1,6 và Ki = 1,5

14


Vậy Tiristor phải chịu đợc điện áp ngợc cực đại = 1,6.304,37 486,99(V),
phải chịu đợc dòng trung bình khi dẫn = 1,5.8,67 13(A),
và phải chịu đợc dòng cực đại khi dẫn = 1,5.17,33 26(A).
Vậy ta chọn đợc loại Thyristor dùng cho bộ chỉnh lu cấp nguồn cho động cơ:
Loại

I0
VRRM
(A) =
VDRM
(V)
TYN 16 600
690

ITSM
(A)

IDM
(mA)

VGT
Max
(V)

IGT
Max
(A)

VTM
max
(V)

ITM
Max
(A)

Du/dt di/dt
(V/às) (A/às)

220

3

1,5

25

1,4

50

50

100

Trong đó:
I0
: Dòng trung bình ở trạng thái dẫn của Thyristor.
VRRM : Điện áp ngợc của lặp lại của Thyristor.
VDRM : Điện áp lặp lại ở trạng thái khoá.
ITSM : Dòng điện quá tải ở điểm h hỏng ở trạng thái dẫn.
IDM : Dòng cực đại ở trạng thái khoá.
VGT, I GT : Điện áp, dòng điện điều khiển.
VTM, ITM : Điện áp, dòng điện cực đại ở trạng thái dẫn.
du/dt : Tốc độ tăng tới hạn của điện áp ở trạng thái khoá.
di/dt
: Tốc độ tăng tới hạn của dòng điện ở trạng thái dẫn.
* Tính cuộn kháng san bằng:
Công thức gần đúng tính điện cảm phần ứng động cơ 1 chiều kích từ độc lập:
L KL

U udm
I udm Z p n dm (H) (Truyền động điện - Trang 273).

Trong đó : KL = 1,4 ữ 1,9 (máy có bù); chọn KL = 1,4.
Uđm = 220(V), Iđm = 26(A), Zp(số đôi cực) = 4 và nđm =1050(vòng/phút).
L = 1,4

220
L 2,82.10-3(H), hay L = 2,82(mH).
26.4.1050

*Tính toán mạch bảovệ du/dt và di/dt:
Ta có sơ đồ mạch bảo vệ hoàn chỉnh nh sau:

Hình 12
a.Mạch R1C1 bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích:
15


(Điện tử công suất - Nguyễn Bính - trang 261)
Gọi b là hệ số dự trữ về điện áp của Thyristor b = 1ữ 2. Chọn b = 1,6.
Giả sử BAN có Lc = 0,2(mH).

VRRM
-Hệ số quá điện áp : k = bU

=

ng max

600
1,23.

1,6.304,37

-Các thông số trung gian, sử dụng các đờng cong (Hình 7):
C*min(k) = 5,5; R*max(k) = 1,2; R*min(k) = 0,55.

di
max khi chuyển mạch. Ta có phơng trình lúc bắt đầu trùng dẫn:
dt
di = u =
2Lc
dây
2 Uv0sin(t+)
dt

-Tính

di
max =

dt


2U
2L

vo

=

c

2 .215,22
2.0,2.10 3

760917,61(A/s)

di
max = 0,76(A/às)
dt

di = 100(A/às) >> 0,76(A/às), nên trong mạch không
dt
di ). Tức là có thể coi L = 0.
cần có các cuộn kháng bảo vệ Lk (bảo vệ
k
dt
di
-Xác định điện lợng tích tụ Q = f( ), sử dụng các đờng cong (Hình 8):
dt
di
Với Id = 26(A),
max = 0,76(A/às) tra đờng cong Q 15(Aàs).
dt
Ta thấy với Thyristor đã chọn có

-Xác định R1,C1:
C1 = U
R*min(k)

0,55

2Q

.C*min(k) =

ng max

2 ì 15
5,5 0,54(àF).
304,37

2L U

c ng max R1 R*max(k) 2L c U ng max

2Q

2Q

2.0,2.10 3.304,37
2.15.10 6

R1 1,2

2.0,2.10 3.304,37
2.15.10 6

35,04 R1 76,44 ().
Vậy ta có thể chọn các giá trị chuẩn: R1 = 47() và C1 = 0,6(àF)

16


b. Mạch R2C2 bảo vệ quá điện áp do cắt BAN không tải gây ra:
-Nh trên, ta có hệ số quá điện áp: k = 1,23.
-Các thông số trung gian, sử dụng các đờng cong (Hình 9):
C*min(k) = 0,45; R*max(k) = 2,1; R*min(k) = 1.
-Giá trị lớn nhất của năng lợng từ trong BAN (3pha) khi cắt:

I

S
WT3 = s.o.m
2 I 2
s
Trong đó:
Is.o.m : là giá trị cực đại của dòng từ hoá quy sang thứ cấp.
Is : giá trị hiệu dụng dòng định mức thứ cấp. Is = 2 Id = 2 .26 21,23(A)
S : Công suất biểu kiến BAN.
= 2f = 314(rad/s).
Ta có Is.o.m = 2 Is.o = 2 .0,03Is
WT3 =

I

3

3

3

8
,
5
.
10
= 0,03
0,41(W.s)
2 I 2
2
ì
314
s

s.o.m S

-Xác định R2 và C2:
C2 =

2 WT 3 *
C min(k)
U 2 sm

Trong đó Usm là giá trị cực đại điện áp dây thứ cấp BAN:
Usm = 2 Us = 2 .Uv0 = 2 .215,22 304,37(V)

2 ì 0,41

C2 = (304,37) 2 0,45 3,98.10-6(F) C2 = 3,98(àF).

U

U

R min(k) sm R2 R*max(k) sm
I
I
s.o.m
s.o.m
*

1

304,37
304,37
R2 2,1
2 ì 0,03 ì 21,23
2 ì 0,03 ì 21,23

337,92 R2 709,63 ().
Vậy ta chọn các giá trị chuẩn: R2 = 600() và C2 = 4(àF).
2. Mạch biến đổi nguồn cấp cho mạch kích từ động cơ:

17


Ta dùng sơ đồ cầu 3 pha Điôt nh sau:

Hình 13
Từ loại động cơ, ta có Iktđm = 1,24(A) và Rcks = 128(). Ta có điện áp ra mạch chỉnh lu:
Ud = Ud0 = IktđmRcks = 1,24.128 = 158,72(V).

Uv0 = Ud/1,35 = 158,72/1,35 Uv0 117,57(V).
* Tính chọn biến áp nguồn cấp cho mạch kích từ BAKT:
BAKT đấu theo kiểu /Y. Điện áp lới UL = 380V.

U

380
Tỷ số biến áp: kBAKT = U
= 117 ,57 5,6
vo
3
3
l

Dòng hiệu dụng thứ cấp BAKT:
I2 = 2 Id =

3

2 .1,24 1,01(A)
3

dòng hiệu dụng sơ cấp BAKT:
I1 =

1
1
I2 =
.1,01 0,18(A)
5,6

K BAN

Công suất định mức BAKT:
SBAKT = 1,05Ud0Idđm = 1,05.158,72.1,24
SBAN = 206,65(V.A)
Tra sổ tay, ta chọn máy biến áp tiêu chuẩn có Sđm = 240(VA).
* Tính chọn các Điôt trong mạch chỉnh lu:
Dòng trung bình qua mỗi Điôt:

18


ID = 1 Idđm = 1 .1,24 0,41(A).

3

3

Dòng cực đại qua mỗi Điôt:

IDM = 1 Idmax = 1 .1,24 0,41(A).

3

3

Điện áp ngợc cực đại mỗi Điôt phải chịu:
Ungmax = 2 Uv0 = 2 .117,57 166,27(V).
Chọn hệ số dự trữ về điện áp và dòng điện của các Điôt là:
Ku = 1,6 và Ki = 1,5

Vậy Điôt phải chịu đợc điện áp ngợc cực đại = 1,6.166,27 266,03(V),
phải chịu đợc dòng trung bình khi dẫn = 1,5.0,41 0,62(A),
và phải chịu đợc dòng cực đại khi dẫn = 1,5.0,41 0,62(A).
Vậy ta chọn đợc loại Điôt dùng cho bộ chỉnh lu cấp nguồn cho mạch kích từ của động
cơ:
Loại
B-10

Itb(A)
10

Uiv(V) U(V)
300
0,7

Tốc độ quạt

Tốc độ nớc

Phần IV: tổng hợp hệ điều khiển
Ta có sơ cấu trúc mạch điều chỉnh động cơ điện một chiều :
Kđm

R
Uđ

Ri

Uiđ

Bộ BĐ

Kbd
1+ pTvo

?

?

-

-

Ui

U

Ud

-E

M

I
1 / Ru
1 + pTu

1
Jp

Kđm



- Mc

Si
Ki
1 + pTi

K
1+ pT

S

Hình 14

Sơ đồ điều chỉnh có 2 mạch vòng : mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ. Ta phải
xác định các bộ điều chỉnh dòng điện (Ri) và bộ điều chỉnh tốc độ (R).
ở đây ta đã bỏ qua hằng số thời gian T đk của bộ biến đổi, vì chỉ điều chỉnh các hằng số
thời gian lớn (Tvo).
I.Mạch vòng điều chỉnh dòng điện :
Ri
Uiđ

?

-

Ui

Kbd
1+ pTvo

1 / Ru
1 + pTu

I

Si
19


Ki
1 + pTi

Hình 15

Hằng số thời gian điện từ của phần ứng động cơ:
Tu =

L 2,82.10 3
=
= 0,003 (s)
R
0,94
M
M = K .I dm K =
= 1,09 .
I dm

Hằng số thời gian cơ học:
Tc =

Ru .J
0,94.0,5
=
= 0,395 (s)
2
1,19
( K )

Ta thấy hằng số thời gian cơ học Tc=0,395 (s) rất lớn so với hằng số thời gian điện từ
của phần ứng động cơ T = 0,003 (s) nên ta có thể coi sức điện động của động cơ không
ảnh hởng tới quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện.
Vì phản ứng của mạch phần ứng (sđđ E) chậm hơn nhiều so với phản ứng của bộ điều
chỉnh dòng điện Ri, nên khi tổng hợp mạch vòng dòng điện ta có thể bỏ qua khâu phản
hồi E = Kđm. Và ta đợc sơ đồ cấu trúc nh hình 14.
Đối tợng điều chỉnh có hàm truyền đạt:

KK

/R
i bd u
Hệ hữu sai (hệ bậc 0).
(1 + pT )(1 + pT )(1 + pT )
vo
u
i
Các hằng số thời gian Tvo, Ti là rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ T .

Đặt Ts = Tvo+Ti .
Soi =

KK

/R
i bd u
Soi
(1 + pT )(1 + pT )
s
u
Nh vậy sơ đồ hình 12 sẽ có dạng nh sau:
Uiđ

-

Ui

Ri

Soi

?

Ki Kbd / Ru
(1 + pTs )(1 + pTu )

IKi

Hình 16

Do ta đã gộp luôn mạch phản hồi dòng điện S i vào trong đối tợng điều chỉnh để trở
thành mạch phản hồi đơn vị (Hình 13), nên để đợc mạch tơng đơng thì dòng điện ra là
KiI.
Gọi F1 là hàm truyền đạt của sơ đồ hình 13:

20


F1 = (KiI)/Uiđ = KiF1 =

RS

i oi

Ri =

1+ R S

i oi
Tổng hợp mạch theo tiêu chuẩn tối u môđun thì:
F 1 =

F '1
(1 F '1 )S

oi

1
1 + 2 p + 22 p 2

Trong đó = min(Ts, T) = Ts .

1 + pTu
Ri = 2K i K bd T p
s
Ru
F1 =

Khâu tỷ lệ tích phân PI

1
1 + 2 Ts p + 2 Ts2 p 2

Vậy bộ điều chỉnh dòng điện Ri là một khâu PI, có hàm truyền đạt:

1 + pTu
Ri = 2K i K bd
Ts p
Ru
và hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện là:
F1 =

1
1
K i 1 + 2 Ts p + 2 Ts2 p 2

Ta có mạch tạo nên khâu PI:
Uiđ

R1

R2

Ui

C

R3
R3

-

R1

Uđk

-

+

+

PI

Lặp áp

Hình 17

Với:
R1C =

2 K bd K i
Ts
Ru

và R2C = T

+ Hệ số bộ biến đổi:

K bd =

U N 220
=
= 22
U dk
10

UN điện áp nguồn
Uđk điện áp mạch điều khiển
+ Xensơ đo dòng điện Si:

Ki =

U dk
10
=

= 0,128
R s .I u . 1.26.3

21


Rs điện trở đo dòng, Rs =1
I dòng điện phần ứng động cơ, I =26 A
Vậy bộ điều chỉnh dòng điện Ri là một khâu PI, có hàm truyền đạt:

1 + pTu
1 + 0,032.p
1 + 0,032.p
R i (p) =
=
Ri = 2K i K bd
=>
0,013
0,039.p
Ts p
60.
.2.0,006.p
Ru
0,24

và hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện là:
1
1
1
1

.
K i 1 + 2 Ts p + 2 Ts2 p 2
K i 1 + 2.Ts .p
I( p )
1
1
F1 =
=
.
U (p ) 0,013 1 + 2.0,006.p

F1 =

II. Mạch vòng điều chỉnh tốc độ :
F1

R

Uđ

?

-

M

1
1
Ki 1 + 2Ts p + 2Ts2 p 2

1
Jp

Kđm



- Mc

U

S

K
1+ pT
Hình 17

Ta có thể chuyển nút cộng Mc ra ngay sau khối Kđm.
Hằng số thời gian cơ học:
Tc =

RuJ
( K dm ) 2

Kđm

Ru
1
=

K dm Tc p
Jp

Do Ts là hằng số thời gian nhỏ (Ts = Tvo+Ti), nên có thể bỏ qua thành phần 2T2sp2 trong
biểu thức hàm truyền đạt F1. Từ đó ta có sơ đồ cấu trúc sau:
Mc

R

Uđ

?

-

1/Kđm

F1

1
1
Ki 1 + 2Ts p

- Ic
I

Ru
K dm Tc p

U

S

K
1+ pT
Hình 18

22


Vì mạch có nhiễu loạn Mc nên ta phải tổng hợp mạch nhiễu loạn.
1.Xét mạch khi Uđ 0 và Mc = 0 (mạch không có nhiễu loạn):
Hàm truyền đạt của đối tợng điều chỉnh:
RuK
1
K i K dm Tc p(1 + pT )(1 + 2 pTs )
Đặt 2Ts = 2Ts+T .
So =

Hệ vô sai cấp 1 (hệ bậc 1).

RuK
1
K i K dm Tc p(1 + 2 pTs' )
Nh vậy sơ đồ hình 15 sẽ có dạng nh sau:
So

R

Uđ

?

-

So

1
Ru K
Ki K dmTc p(1 + 2 pTs' )

K

U

Hình 19

Do ta đã gộp luôn mạch phản hồi tốc độ S vào trong đối tợng điều chỉnh để trở thành
mạch phản hồi đơn vị (Hình 16), nên để đợc mạch tơng đơng thì tốc độ ra là K.
Gọi F2 là hàm truyền đạt của sơ đồ hình 16:
R S o
F2'
F 2 = (K)/Uđ = KF2 =
R =
1 + R S o
(1 F2' )S o
Tổng hợp mạch theo tiêu chuẩn tối u môđun thì :

F 2 =

1
1 + 2 p + 22 p 2




Trong đó ta chọn = 2Ts .
R =

K i K dm Tc 1
R u K 4Ts'

F2 =

1
1 + 4 T p + 8Ts' 2 p 2

Khâu tỷ lệ P

'
s

Vậy bộ điều chỉnh tốc độ R là một khâu P, có hàm truyền đạt:
K i K dm Tc 1
R u K 4Ts'
và hàm truyền đạt của mạch vòng tốc độ là:
R =

23


F2 =

1
1
K 1 + 4 Ts' p + 8Ts' 2 p 2

Với 2Ts = 2Ts+T = 2(Tvo+Ti)+T
Ta có mạch tạo nên khâu P:
R1

R2

R3

Uđ
R3

-

U

R1

Uiđ

-

+

+

P

Lặp áp

Hình 20

Với:

K i K dm Tc 1
R u K 4Ts'
2. Xét mạch khi Uđ = 0 và Mc 0 (mạch có nhiễu loạn).
Nh vậy để tín hiệu ra không phụ thuộc nhiễu Mc thì ta phải bù bằng khâu bù có
hàm truyền đạt Wb(p) nh hình vẽ sau:
R2 = R1

Mc 0

Wb

W1
1/Kđm

-

+
R

-



Ru
K dm Tc p

+

F1

W2

U

S

K
1+ pT
Hình 21

Dễ dàng tính đợc hàm truyền của hệ trên:
FMc(p) =

( Wb R F1 W1 ) W2
( p )
=
M c (p )
1 + R F1 W2 S

Nh vậy để không phụ thuộc Mc thì:
WbRF1 - W1 = 0

24


Wb =

W1
R F1

Trong đó
W1 = 1/(Kđm)



R =

K i K dm Tc 1
R u K 4Ts'

F1 =

1
1
1
1

2 2

K i 1 + 2 Ts p + 2Ts p
K i 1 + 2Ts p

R u K 4Ts'
Wb =
(1+2Tsp)
( K dm ) 2 Tc

Khâu tỷ lệ vi phân PD

Phần V: thiết kế mạch điều khiển
1. Điều khiển TIRISTO
Tiristo chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dơng đặt trên anốt và có xung
áp dơng đặt vào cực điều khiển. Sau khi Tiristo đã mở thì xung điều khiển không còn
tác dụng gì nữa, dòng điện chạy qua Tiristo do thông số của mạch quyết định.
Mạch điều khiển có các chức năng sau:
Điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dơng của điện áp đặt
trên anôt- catôt Tiristo.

25