Đồ án truyền động điện thang cuốn

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp, tại các
trung tâm công nghiệp và thương mại phát sinh nhu cầu lớn về xây dựng
các nhà cao tầng nhằm tiết kiệm đất đai do dân số ngày càng tăng và
nhằm đô thị hóa ở các thành phố lớn. Bên cạnh đó dân số của các đô thị
ngày càng tăng dẫn đến mật độ dân số ngày càng tăng cao. Do đó vấn đề
nhà ở và các nơi làm việc được đặt ra một nhu cầu chủ yếu phục vụ cho
cuộc sống cũng như các hoạt động xã hội. Như vậy các nhà cao tầng sẽ
được mọc lên để có thể đáp ứng được nhu cầu này. Đi đôi với việc xây
dựng các tòa nhà cao tầng tại các thành phố và trung tâm công nghiệp thì
vấn đề chở người và chở hàng là một việc hết sức quan tâm. Đối với một
số ngành công nghiệp thì việc vận chuyển chở người, hàng hóa từ thấp
lên cao là lại là một công việc lớn quyết định đến năng suất lao động,
điều hết sức quan trọng trong thời buổi hiện nay. Vì vậy vấn đề đặt ra là
thiết kế một thiết bị có khả năng chở người cũng như chở hàng để phục
vụ cuộc sống là rất cần thiết và một trong những thiết đáp ứng được yêu
cầu đó chính là thang cuốn.
Truyền động điện là công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản
xuất. Trong dây chuyền sản xuất tự động hiện đại, truyền động điện đóng
góp vai trò quan trọng trong việc nâng cao sản xuất và chất lượng sản
phẩm. Ngày nay với sự tiến bộ của công nghiệp điện tử công suât và tin
học, các hệ truyền động cũng ngày càng phát triển và có nhiều thay đổi
đáng kể nhờ việc áp dụng những công nghệ trên. Cụ thể là không những
các hệ truyền động đáp ứng tốc độ nhanh, độ chính xác cao mà còn có giá
thành thấp hơn nhiều thế hệ cũ, đặc điểm này rất quan trọng trong việc
đáp ứng những kết quả nghiên cứu kỹ thuật vào thực tế sản xuất. Vấn đề
thang máy cũng yêu cầu có một công nghệ phù hợp với những yêu cầu
được đặt ra.
Sau khi nghiên cứu học tập môn “Truyền động điện” nhóm em
được giao đề tài thiết kế môn học với nội dung: “Thiết kế hệ truyền
động cho thang cuốn chở người”. Nhằm mục đích hiểu sâu môn học

cũng như tìm hiểu một công nghệ vẫn còn khá mới ở nước ta.
Được sự hướng dẫn trực tiếp và tận tình của thầy giáo:Th.s Lê
Văn Chương, em đã hoàn thành đồ án được giao.

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ THANG CUỐN
1.1 Công nghệ về thang cuốn
I.1 .1 Giới thiệu về thang cuốn

Hệ thống thang cuốn, trong một số trường hợp cũng gọi là thang
máy hay cầu thang máy là một phương tiện phổ biến, giúp con người di
chuyển dễ dàng giữa các tầng trong tòa nhà theo phương thức dạng
băng chuyền (băng tải). Hệ thống thang cuốn gồm tập hợp những bậc
thang di chuyển liên tục, được gối lên luôn phiên nhau theo chiều lên
hoặc xuống tạo thành một vòng khép kín và các khe ránh trên bậc thang
được thiết kế so le, ăn khớp với nhau.
Hiện nay trên thế giới phổ biến nhất là dạng thang cuốn theo chiều
thẳng nhưng cũng có một số thiết kế thang cuốn đặc biệt làm theo hình
chôn ốc ưu điểm của loại thang này là tiết kiệm được diện tích. Hệ
thống thang cuốn thường được sử dụng trong các trung tâm thương
mại, nhà ga, sân bay, khu vui chơi giải trí đông người qua lại v.v…
Thang cuốn được lắp đặt thành từng cặp với chức năng mỗi thang theo
một chiều nhất định lên hoặc xuống.

2


H1.1:Than

g cuốn dạng thẳng H1.2:Thang cuốn hình trôn ốc
1.1.2 Ứng dụng cầu thang cuốn
Thang cuốn được sử dụng để vận chuyển người và hàng hóa tại
những nơi như siêu thị, trung tâm thương mại, ga tàu, sân bay…
Thang cuốn hiện nay cũng được sử dụng trong lĩnh vực nhà ở dân
dụng, trong các biệt thự sang trọng…
Ngoài ý nghĩa là thiết bị vận chuyển hàng hóa thì thang cuốn
cũng là một yếu tố làm tăng vẻ đẹp tiện nghi cho mỗi công trình.
1.1.3 Phân loại cầu thang cuốn
Thang cuốn hiện nay được thiết kế chế tạo rất đa dạng và phong
phú với nhiều kiểu dáng và chủng loại khác nhau để phù hợp với mục
đích sử dụng của công trình.
-Phân loại theo công dụng:
+ Cầu thang cuốn bậc thang dùng để vận chuyển người.
+ Cầu thang cuốn băng tải để vận chuyển người và hàng
hóa.
-Phân loại theo dạng đường đi:
3


+ Cầu thang cuốn di chuyển thẳng. (thường phổ biến ở
trong siêu thị, trung tâm thương mại…).
+ Cầu thang cuốn di chuyển dạng xoắn ốc.
-Phân loại theo thông số cơ bản:
+ Theo độ cao.
+ Theo góc nghiêng.
Theo chiều dài thang.
+ Phân theo mức độ tự động:
+ Theo dung lượng vận chuyển.
+ Bán tự động.

+ Tự động
1.1.4 Cấu tạo chung của thang cuốn

4


Hình 1.3: Cấu trúc thang cuốn
Chú giải
1. Thiết bị an toàn cho xích dẫn động bậc thang
2. Cảm biến
3. Thiết bị an toàn răng lược
4. Thiết bị bảo vệ dọc lối đi
5. Xích dẫn động
6. Tay vịn
7. Bánh răng động cơ
8. Thiết bị kiểm tra tốc độ
9. Thiết bị an toàn cho xích truyền động
10. Thiết bị bảo vệ quá tải
11. Thiết bị bảo vệ sự chuyển động của bậc bước
12. Nút dừng khẩn cấp
13. Các mặt phẳng
14. Khe hở bậc thang
15. Bậc thang
16. Xích lăn nối bậc thang
17. Tay vịn
1.1.5 Nguyên lý làm việc của thang cuốn
Chế độ tự động :
5

Ở đầu cầu thang và cuối cầu thang có lắp đặt các cảm biến. Khi có người
tới cảm biến sẽ phát hiện và phát tín hiệu cho bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ
cấp nguồn cho động cơ. Động cơ được cấp nguồn quay kéo xích dẫn động bậc
thang quay nhờ vào các bánh răng lắp trên động cơ. Các răng của bánh răng
ăn vào vũng xớch của xớch lăn và kéo nó chuyển động quay vũng, qua đó kéo
các bậc thang chạy theo quỹ đạo. Ở cuối thang có lắp cảm biến, khi người đi
thang ra khỏi thang cảm biến sẽ phát tín hiệu cắt nguồn cho động cơ động cơ
sẽ ngừng quay.
Chế độ bằng tay
Ở thang cuốn có bảng điều khiển. khi muốn cho thang chạy ta ấn nút
start.khi muốn thang chạy lên hoặc xuống ta sẽ ấn nút Up hoặc Dow trên
bảng điều khiển. muốn dừng thang ta ấn stop.
Khi có trường hợp khẩn cấp ta có thể ấn nút dừng khẩn cấp được bố trí trên
thang.
1.1.6 Yêu cầu đối với thang cuốn
Hiện nay theo tiêu chuẩn của thế giới thì thang cuốn phải đáp ứng được các
tiêu chí sau:
Thiết kế lan can, tay vịn có tốc độ di chuyển trùng với tốc độ di chuyển của
bậc thang giúp người sử dụng không bị mất thăng bằng khi thang có sự cố
như mất điện, kẹt khiến thang cuốn đang vận hành dừng đột ngột.
Đầu và cuối hành trình thang cuốn được thiết kế tấm chờ, đón khách đặc biệt
giúp người sử dụng giữ thăng bằng khi bắt đầu hoặc kết thúc hành trình của
thang.
Ở mỗi bậc thang được sơn màu vàng chanh hoặc hệ thống đốn LED tại 2
đường biên, đầu bậc thang cảnh báo tăng độ an toàn trong khi dựng.
Tại vị trí bậc suất phất và bậc kết thúc được thiết kế từ hai đến ba bậc thang
tạo thành một mặt phẳng để người sử dụng bắt kịp vận tốc của thang do quán
tính.
Tùy theo mục đích sử dụng của thang cuốn mà ta có thể tùy chỉnh được
hướng vận hành của thang lên hoặc xuống, tốc độ của thang nhanh hay chậm

theo thời gian trong ngày, khi lưu lượng người sử dụng tăng lên vào lúc cao
điểm.

6


Chương 2. Tính toán chọn động cơ và lựa chọn phương án truyền động
2.1 Chọn loại động cơ

Động cơ truyền động cho thang máy trong đề tài thang máy chở người
8 tầng nên em đã chọn loại động cơ có công suất nhỏ (P < 30KW), do đó có
thể sử dụng các loại động cơ:
- Động cơ một chiều.
- Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc.
- Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu.
2.1.1 Động cơ một chiều
 Ưu điểm:

- Điều chỉnh tốc độ đơn giản và tuyến tính.
- Động cơ một chiều có đặc tính khởi động tốt.
 Nhược điểm:

- Giá thành đắt; dễ hỏng do cấu tạo phức tạp và có chổi than.
- Khó sửa chữa,hay phải bảo trì bảo dưỡng.
- Trong quá trình hoạt động dễ gây ra hỏa hoạn do hiện tượng đánh lửa
của vành góp chổi than.
2.1.2 Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu
 Ưu điểm:

- Có hiệu suất cao hơn động cơ không đồng bộ, phù hợp ở dải công suất

nhỏ, thường dùng cho cơ cấu truyền động có vùng điều chỉnh rộng, độ chính
xác cao.
- Có kích thước nhỏ gọn hơn so với động cơ không đồng bộ cùng công
suất.
7


- Sử dụng vật liệu từ, có mật độ từ cao, tổn thất từ và độ nhụt từ nhỏ, khả
năng tái nạp từ tốt, chịu nhiệt độ cao.
 Nhược điểm:

- Về mặt kinh tế thì động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cữu vẫn đắt
hơn động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc.
2.1.3. Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc
Động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc được sử dụng rất rộng rãi trong
thực tế sản xuất. Với những ưu và nhược điểm sau
 Ưu điểm:

- Cấu tạo đơn giản.
- So với động cơ một chiều thì động cơ không đồng bộ có giá thành hạ,
vận hành tin cậy, chắc chắn.
- Ở Việt Nam đã và đang sản xuất loại động cơ này với nhiều dải công suất
khác nhau.
- Sử dụng trực tiếp điện xoay chiều 3 pha nên không cần trang bị thêm các
thiết bị biến đổi đi kèm khi không cần điều chỉnh tốc độ.
 Nhược điểm:

- Điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn, động cơ
roto lồng sóc có chỉ tiêu khởi động xấu hơn nhiều so với động cơ một chiều.
Từ những ưu nhược điểm trên, do điều kiện, tình hình thực tế và sự phổ

biến của động cơ không đồng bộ roto lồng sóc nên em sẽ sử dụng động cơ
không đồng bộ roto lồng sóc trong thiết kế hệ thống truyền động cho thang
cuốn chở người.
2.2 Tính toán công suất động cơ điện
Tính toán các thông số băng thang
Băng thang chuyển động luân phiên lên trên hay xuống dưới liên tục là nhờ
vào sự ăn khớp giữa các mắt xích.
Bậc thang với tang băng thang theo kiểu ăn khớp xích con lăn. Do đó các
thông số của băng thang được tính theo kiểu truyền động xích.
Ta có độ dài làm việc của băng thang:
8


L=

H
8000mm
=
= 16000(mm)
sin α
sin 300

Để đảm bảo an toàn cho hành khách ta chọn hai bước: bước mắt xích đầu
thang và bước mắt xích cuối thang của đoạn làm việc sẽ tạo nên đoạn bằng
phẳng. Đồng thời để che băng thang ta chọn khoảng cách từ bước thang
làm việc đến tâm thang là 1m.
Vậy t có khoảng cách D giữa hai băng thang:
D = L + 2×

1× 2 × 300

= 1200(mm)
sin 300

Xác định số vòng quay trên trục của tang băng thang
Để thuận lợi cho việc tính toán ta chọn đường kính vòng chia của tang
d ct = 400

băng thang theo tiêu chuẩn là
Suy ra số vòng quay liên tục của tang băng thang là:
n1 =

v × 60 ×1000 0,3 × 60 × 1000
=
= 15(v / p)
Π × 400
3,14 × 400

Tính toán sơ bộ công suất trên tang băng thang
Với bước mắt xích thang là 300mm ( lấy theo tiêu chuẩn bước cầu thang
cuốn Hitachi dùng cho bề rộng thnag 1500mm)
Ta có số bậc tối đa (T) trên đoạn làm việc của thang:
T=

L × cos 300 16000 × cos 300
=
= 46
300
300

(bậc)

Số người tối đa (A) có thể đứng cùng lúc trên cầu thang
T = A× 2 = 46 × 2 = 92

(người)

Tải trọng tối đa tác động lên cầu thang trong cùng một lúc ( với khối lượng
trung bình của mỗi người và hàng hóa là 60kg)
P = A× 60 ×10 = 92 × 60 ×10 = 55200( N )

Lực kéo F băng tải thang:
F = P × sin 300 = 55200 × 0,5 = 27600

Công suất máy trên băng thang:

9

(N)


N=

F × v 27600 × 0,3
=
= 8, 28
1000
1000

(Kw)

Chọn động cơ điện:
Động cơ điện phải tận dụng được toàn bộ công suất của động cơ. Khi làm
việc không quá nóng, có khả năng quá tải trong thời gian ngắn, có momen
khởi động đủ lớn để thắng momen cản ban đầu của phu tải.
Để chọn động cơ điện, cần tính công suất cần thiết
N ct =

N
η

Trong đó: N là công suất làm việc. N=8,28(Kw)
η

là hiệu suất truyền động

η = η1η22η34η 4

η = 0,95 − 0.97

Hiệu suất bộ truyền xích:
Hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ:
Hiệu suất của một cặp ổ lăn:

η = 0,96 − 0.98
η = 0, 99 − 0,995

Hiệu suất khớp nối:

chọn
chọn

chọn
chọn

η1 = 0,95

η2 = 0,99
η3 = 0,99
η4 = 1

η = 0,95 × 0,97 × 0,99 × 1 = 0,859
2

N ct =

4

8, 28
= 9, 64
0,859

(kw)
Trong tiêu chuẩn động cơ điện có nhiều loại thỏa mãn điều kiện này nhưng
em chọn loại:
Động cơ ba pha rotor lồng sóc của hãng siemens, động cơ có các thông số
như sau
- Tên động cơ: M3AA 132 SMB 3GAA 132 315-••E
- Công suất định mức: 11 kw
- Điện áp định mức: 400v
- Số đôi cực: 2n=4
η

- Hiệu suất : =0,91

ϕ

- Hệ số công suất: cos = 0,81
- Dòng stator định mức: 7,5 A
- Dòng khởi động: 22 A
- Momen định mức:3,5 (N/m)
- Momen quán tính: j= 0,0433 (kgm2)
- Khối lượng: 83 kg
10


- Cấp cách điện: F

2.3 Lựa chọn phương án truyền động
2.3.1 Chọn loại biến tần
Các bộ biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều này thành dòng
điện xoay chiều ở tần số khác. Có 2 loại biến tần chính là biến tần trực tiếp
(biến tần phụ thuộc) và biến tần gián tiếp (biến tần độc lập)


Biến tần trực tiếp
Biến đổi thẳng dòng điện xoay chiều tần số f thành f (bộ chỉnh
1
2
lưu điều khiển pha đảo chiều), không qua khâu chỉnh lưu nên có hiệu suất
cao, tuy nhiên việc thay đổi tần số ra phức tạp và phụ thuộc vào tần số vào
f

1.
Ưu điểm
Mạch chỉ cần dùng van Thyristor thông thường, quá trình chuyển mạch
theo điện áp lưới.
Bộ biến tần không sử dụng khâu trung gian một chiều nên hiệu suất rất
cao.
Có khả năng làm việc ở tần số thấp thậm chí ngay cả khi có sự cố.
Thường sử dụng cho dải công suất rất lớn đến vài chục MW.
Nhược điểm
Sử dụng nhiều van bán dẫn làm cho mạch điều khiển rất phức tạp.
Hệ số công suất thấp.

 Biến tần gián tiếp

Dòng điện xoay chiều đầu vào tần số f được chỉnh lưu thành dòng
1
điện một chiều (tần số f=0), lọc rồi được biến đổi thành dòng điện xoay
chiều tần số f . Biến tần gián tiếp có 2 loại là: Biến tần nguồn dòng và
2
11


Biến tần nguồn áp. Hai loại này được phân biệt dựa vào khâu trung gian
một chiều.


Biến tần nguồn dòng
Khâu trung gian một chiều là cuộn kháng Lf, thực hiện chức năng
nguồn dòng cho bộ nghịch lưu.
Ưu điểm

- Có khả năng trả năng lượng về lưới.
- Không sợ chế độ ngắn mạch vì dòng điện một chiều được giữ không đổi.
- Phù hợp cho dải công suất lớn trên 100 kW.

Hình 2.1 Biến tần nguồn dòng
Nhược điểm
-

Hiệu suất kém ở dải công suất nhỏ.
Cồng kềnh vì có cuộn kháng.
Hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào phụ tải nhất là khi tải nhỏ.
Do đó, ứng dụng thang cuốn với tải chỉ vào khoảng 10kW thì biến tần

nguồn dòng là không phù hợp.


Biến tần nguồn áp

Khâu trung gian một chiều là tụ C , thực hiện chức năng nguồn áp cho bộ
e
nghịch lưu.
Ưu điểm
-Phù hợp với tải nhỏ, dưới 30kW.
-Hệ số công suất của mạch lớn (≈1).
-Hình dạng và biên độ điện áp ra không phụ thuộc tải, dòng điện cho tải quy
định.
12


-Có thể áp dụng kỹ thuật PWM để giảm tổn hao do sóng hài bậc cao, khử

đập mạch momen.

Hình 2.2 Biến tần nguồn áp
Nhược điểm
-Không trả được năng lượng về lưới. Nếu muốn trả năng lượng về lưới
phải mắc thêm một khâu chỉnh lưu mắc song song ngược với khâu chỉnh
lưu ban đầu hoặc dùng chỉnh lưu PWM hay biến tần 4 góc phần tư. Trong
phạm vi đồ án này sẽ không trả năng lượng về lưới trong quá trình hãm tái
sinh mà dùng điện trở hãm
Từ các phân tích trên, ta lựa chọn biến tần nguồn áp chỉnh lưu diode và
có điện trở hãm.
2.3.2 Chọn phương pháp điều khiển biến tần
Điều khiển vô hướng(V/f)
Mong muốn giữ cho từ thông stato Ψ không đổi (V/f = const) trong
s
suốt quá trình điều chỉnh. Khi điều khiển tần số, nếu giữ từ thông khe hở
không đổi thì động cơ sẽ được sử dụng hiệu quả nhất (khả năng sinh momen
lớn nhất).

13


Hình 2.3 Cấu trúc điều khiển vô hướng hệ biến tần-động cơ không động bộ
xoay chiều 3 pha
Ưu điểm
Đơn giản , dễ thực hiện

-

Nhược điểm

-

Tổn thất công suất △P và lượng tiêu thụ công suất phản kháng lớn

-

Ổn định tốc độ gặp khó khăn, hạn chế về khả năng ổn định tốc độ

-

Momen đáp ứng kém

-

Không đảm bảo điều khiển được các đáp ứng về momen và từ thông

2.3.3

Phương pháp FOC
Phương pháp điều khiển cả biên độ và vị trí pha của vecto dòng điện

(điện áp) giúp tạo được hệ thống điều chỉnh từ thông hoàn hảo mà không cần
sử dụng cảm biến từ thông động cơ

14


Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động cơ không đồng bộ
Trong đó:
3/2: biến đổi abc/alpha-beta

VR: Biến đổi quay đồng bộ
Φ: Góc giữa trục M và góc

α

(Trục A)

Hình 2.5 Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vectơ
Động cơ không đồng bộ qua biến đổi tọa độ có thể tương đương với động
cơ một chiều, như vậy theo phương pháp điều khiển động cơ một chiều, tìm
ra lượng điều khiển động cơ một chiều, qua phép biến đổi ngược tọa độ có
thể điều khiển động cơ không đồng bộ.
Ưu điểm:
15


-

Phù hợp cho vùng tốc độ dưới tốc độ cơ bản, có thể làm việc ổn định
rất tốt ở tốc độ cận không.

-

Cho họ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ giống hệt với họ đặc
tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập ở vùng từ thông không
đổi.

-

Hiện nay, công cụ điều khiển số rất mạnh do đó vấn đề tính toán phức

tạp không còn là vấn đề lớn.

Hình 2.6 Cấu trục điều khiển FOC của hệ biến tần-động cơ không đồng bộ xc
3 pha
Nhược điểm:
-Rất nhạy với sự biến thiên thông số của động cơ, nhất là điện trở roto có
thể thay đổi đến 50% giá trị chuẩn do sự thay đổi nhiệt độ và hiệu ứng mặt
ngoài.
Phải thực hiện nhiều phép quay trục tọa độ nên tính toán phức tạp, tốc độ
không cao.
2.3.4

Phương pháp DTC

Dựa trên tác động trực tiếp của các vecto điện áp lên vectơ từ thông móc
vòng stato. Thay đổi trạng thái của vectơ từ thông móc vòng stato dẫn đến
thay đổi trực tiếp momen điện từ của động cơ (gián tiếp điều khiển tốc độ
động cơ). Các vectơ điện áp được chọn lựa dựa trên sai lệch của từ thông

16


stato và momen điện từ với các giá trị đặt. Tùy thuộc vào sai lệch này, một
vectơ điện áp tối ưu để điều chỉnh các đại lượng về đúng giá trị đặt.

Hình 3.7 Cấu trúc điều khiển DTC
Ưu điểm
-Không cần thực hiện các phép quay trục tọa độ do đó thời gian tính toán rất
nhanh.
-Độ chính xác điều chỉnh là tùy ý, phụ thuộc vào khả năng về tần số

chuyển mạch của biến tần.
-Mô hình ước lượng chỉ phụ thuộc vào tham số là điện trở dây quấn stato là
tham số dễ dàng nhận dạng được sự biến thiên theo nhiệt độ.
-Momen động cơ phát huy nhanh ( gấp 4 – 5 lần so với điều khiển FOC).
Nhược điểm:
-Xuất hiện xung momen nên hệ làm việc ở vùng tốc độ thấp khó ổn định.
-Không kiểm soát được dòng điện
-Từ các phân tích trên, do yêu cầu công nghệ của thang cuốn không đòi hỏi
đáp ứng momen cực nhanh và cần ổn định tốc độ
-Vậy phương án truyền động được lựa chọn là: Hệ truyền động động cơ
xoay chiều 3 pha không đồng bộ roto lồng sóc - biến tần nguồn áp
dùng chỉnh lưu diode có điện trở hãm - điều khiển bằng phương pháp
FOC
17


18


CHƯƠNG 3 :TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC CHO HỆ
TRUYỀN ĐỘNG
3.1. Tổng quan về biến tần
Như trong chương 1 ta đã chọn biến tần là loại biến tần nguồn áp, vì
vậy em chỉ nêu tổng quan về biến tần nguồn áp.
Ta có sơ đồ tổng quan của 1 bộ biến tần thông thường:
Cấu tạo bộ biến tần nguồn áp gồm có hai bộ phận riêng biệt, đó là bộ
phận động lực và bộ phận điều khiển:

-

Hình 3.1. Sơ đồ mạch lực của biến tần nguồn áp
Biến tần nguồn áp gồm 2 phần:
Phần mạch lực.
Phần mạch điều khiển.
3.1.1 Phần mạch lực.

-

Hình 3.2:Sơ đồ mạch động lực
Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha: bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều
có tần số f1 thành dòng 1 chiều.
Mạch chỉnh lưu gồm 6 diode mắc với nhau theo sơ đồ:

-

Hình 3.3 :Cấu trúc mạch chỉnh lưu diode
Nguyên lý hoạt động.
19


Bộ chỉnh lưu có chức năng biến nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều,
ở đây ta dùng mạch chỉnh lưu hình cầu không điều khiển, bộ chỉnh lưu bao
gồm các nhóm van diode chỉnh lưu bằng máy biến áp.
• Van có tác dụng đóng mở tạo thành dòng một chiều.
• Máy biến áp có tác dụng biến đổi điện áp nguồn phù hợp với yêu cầu
cần thiết của phụ tải, cách ly phụ tải lưới điện để vận hành an toàn, cải
thiện được dạng sóng nguồn điện lưới. Ngoài ra còn có tác dụng hạn
chế tốc độ tăng của dòng anode
• Giá trị trung bình của điện áp ra:
Ud =

•

6
2π

π
6

∫

−

π
6

6U 2 f cos ( θ ) dθ =

Số đập mạch: n = 6.
Iv =

•

3 6
U 2 f ≈ 2,34U 2 f
π

Dòng trung bình qua van:

Id
3

U v max = 6U 2 f
•

Điện áp ngược max trên van:

Hình 3.4. Hình dạng điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu.
 Khối lọc 1 chiều.
20


Là bộ phận không thể thiếu được trong mạch động lực cho phép thành
phần một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều.
Nó có tác dụng san bằng điện áp tải sau khi chỉnh lưu, thực hiện chức năng
nguồn áp cho bộ nghịch lưu. Hệ số san bằng của khâu lọc:

k sb =

kdmvào
kdmra

Trong đó:

kdmvào

là hệ số đập mạch đầu vào



kdmra



là hệ số đập mạch đầu ra
Cf

-

Các sóng hài bậc cao sẽ rẽ qua tụ
, còn lại thành phần một chiều và một số
sóng hài bậc thấp đi đến đầu vào của bộ nghịch lưu.

Hình 3.5: Khâu lọc một chiều và hình dạng điện áp trước và sau khâu lọc.
 Khối nghịch lưu.

Là bộ rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến đổi dòng điện một chiều
được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều có tần số

21

f2

.


Hình 3.6: Cấu trúc mạch nghịch lưu
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi nguồn năng lượng 1 chiều thành
nguồn năng lượng xoay chiều. Các transistor làm việc với góc dẫn θ=180 o,
mở lần lượt từ T1 đến T6 với góc lệch pha giữa 2 transistor kế nhau là 60 o.
Tại bất kỳ thời điểm nào cũng có 3 van dẫn (hai của nhóm này và một của
nhóm kia).

Ở đây ta xét góc dẫn với tải đấu sao như thiết kế bằng cách xác định
điện áp trên tải trong từng khoảng thời gian 600 (vì cứ 600 có một sự chuyển
trạng thái mạch). Sơ đồ này có dạng một pha tải nối tiếp với 2 pha đấu song
song nhau (giả thiết là tải đối xứng).
Vai trò của các diode: hoàn trả dòng phản kháng.
Ở mỗi thời điểm sơ đồ đều có một pha mắc nối tiếp với 2 pha đấu song
song do vậy điện áp pha trên tải chỉ có hai giá trị hoặc Ed/3 (khi pha đó đấu
song song với một pha khác) hoặc 2Ed/3 (khi nó đấu nối tiếp với hai pha khác
đấu song song). Giả thiết 3 pha của động cơ là đối xứng, ta có giá trị hiệu
dụng của điện áp pha:
2π
 π3

2
2
3
2 En
1
1   En 
2 

2
=
U pha dθ =
2 ∫  ÷ dθ + ∫  En ÷ dθ  =
∫

2π 0
π 0 3 
β


π 3


3

2π

U pha

T

T
1
T
2
T
3
T
4
T
5
T
6

0÷
o
60

60

1
0
0
0
1
1

o

÷120

o

o
180 ÷
o
240
0
1
1
1
0
0

120
o
1
1
0
0

0
1

÷180

o
1
1
1
0
0
0
22

o
240 ÷
o
300
0
0
1
1
1
0

o
300 ÷
o
360
0

0
0
1
1
1


Bảng 3.1 :Bảng trạng thái quá trình đóng mở của các van điều khiển
o
o
o
o
o
60 120 180 240 300
0o
D
D1
2
D
D3
4
D
D5
6

1
0
0
0
0

0

0
1
0
0
0
0

0
0
1
0
0
0

0
0
0
1
0
0

0
0
0
0
1
0

0
0
0
0
0
1

Bảng 3.2: Bảng trạng thái quá trình đóng mở của các diode
Ta tính điện áp trên từng pha:
0 ÷ 60
0

- Trong khoảng
- Trong khoảng

- Trong khoảng

- Trong khoảng

(hình c)

1
U fA = − U Z
3

0

(hình d)

2

U fA = − U Z
3

0

300 ÷ 360
0

1
U fA = U Z
3

0

240 ÷ 300
0

- Trong khoảng

(hình b

180 ÷ 240
0

2
U fA = U Z
3

0

120 ÷ 180
0

- Trong khoảng

(hình a)

60 ÷ 120
0

1
U fA = U Z
3

0

(hình e)

1
U fA = − U Z
3

0

(hình f)

23


Hình 3.7 Nguyên lý chuyển mạch của bộ nghịch lưu

 Khối điện trở hãm.

Đặc điểm của biến tần nguồn áp là điện áp một chiều luôn luôn giữ dấu
không đổi, dòng Id cũng không đổi dấu. Do vậy không thể thực hiện trả năng
lượng từ tải về lưới. Trong trường hợp này ta dùng hãm dập động năng bằng
điện trở hãm mạch một chiều.

Hình 3.8. Mạch hãm trong hệ biến tần – ĐCKĐB, chỉnh lưu diode.
Khi động năng động cơ KĐB cần giải thoát chuyển về mạch một chiều
qua diode ngược làm cho điện áp U DC sẽ dâng cao. Dùng tranzitor S b và điện
trở Rb đóng cắt theo tần số nhất định sẽ biến động năng dư thừa thành nhiệt
năng đốt nóng điện trở.
Mạch hãm điện trở là không tiết kiệm năng lượng, tuy vậy với ứng
dụng thang cuốn, công suất động cơ nhỏ nên có thể chấp nhận được.
3.1.2 Mạch điều khiển.
Bộ điều khiển nghịch lưu gồm 3 khâu:

Hình 3.9.Sơ đồ của hệ thống điều khiển.
Khâu phát xung chủ đạo: là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển đưa đến
bộ phận phân phối xung điều khiển đến từng tranzistor. Khâu này đảm nhận
điều chỉnh xung một cách dễ dàng, ngoài ra nó còn thể đảm nhận luôn chức
năng khuếch đại xung.
Khâu phân phối xung: làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vào khâu
phát xung chủ đạo.
24


Khâu khuếch đại trung gian: có nhiệm vụ khuếch đại xung nhận được từ bộ
phận phân phối xung đưa đến đảm bảo kích thích mở van.
3.2 Tính toán thông số mạch lực

Thang cuốn sử dụng điện áp lưới 3 pha có U dây = 380V trong khi động cơ ta
chọn sử dụng điện áp 380V nên không cần điều chỉnh điện áp DC bus của đầu
ra chỉnh lưu. Dòng định mức mỗi pha của động cơ:
Id = Iđm380 = 1,05Iđm400 =1,05. 7,5 =7,875 (A).
3.2.1 Van cho bộ chỉnh lưu
Mạch chỉnh lưu như trên đã phân tích dùng chỉnh lưu cầu 3 pha diode để điện
áp ra đạt nhấp nhô nhỏ nhất (đập mạch 6 lần trong 1 chu kỳ).
Dòng qua diode: ID = Id/3 = 7,875/3 = 2,625 (A)
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van là: Ung = 2,45. U2
Điện áp sau chỉnh lưu (điện áp 1 chiều DC bus) là:
U d = 2,34

U1
380
= 2,34
= 513, 4V
3
3

U2 = Ud/2.34 = 513,4/2,34 = 220 V
Ung = 2,45. U2 = 2,45 . 220 = 539 V
Chọn hệ số an toàn Ku = 1,2 nên:
Ungmax = Ku . Ung = 1.2 . 539 = 647V
Làm mát cho van bằng đế nhôm tản nhiệt nên chọn hệ số dự trữ cho van K i =
2,5
Iv = Ki . ID = 2,5 . 2,94 = 7,35A
Trên cơ sở dòng điện chạy qua và điện áp ngược đặt qua van chỉnh lưu
ta chọn loại
Diode : TO-220AC

Dòng trung bình qua diode: 8A
25