TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC CỦA MÁY

Cho mô hình thang máy như sau:

Động cơ Hộp số
puli chủ động

Thanh dẫn
Đối trọng




puli bị động



Các số liệu cho như sau:
Tốc độ : V = 2 m/s
Gia tốc : a = 1,5 m/s
2
Chiều cao mỗi tầng : h
0
= 4 m
Số tầng : n = 8 tầng
Trọng lượng Cabin : G
0
= 900 kg
Trọng lượng tải : G
đm
= 700 kg
Đường kính puli : D = 0,4 m
NỘI DUNG THIẾT KẾ

CHƯƠNG I: MÔ TẢ CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU TRUYỀN ĐỘNG
1
Hình 1
I. Mô tả chung về thang máy:
Thang máy là thiết bị vận tải dùng để chở người và hàng hoá
theo phương thẳng đứng. Nó là một loại hình máy nâng chuyển được sử
dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất của nền kinh tế quốc dân như trong
ngành khai thác hầm mỏ, trong ngành xây dựng, luyện kim, công nghiệp
nhẹ... ở những nơi đó thang máy được sử dụng để vận chuyển hàng hoá,
sản phẩm, đưa công nhân tới nơi làm việc có độ cao khác nhau... Nó đã
thay thế cho sức lực của con người và đã mang lại năng suất cao.
Trong sinh hoạt dân dụng, thang máy được sử dụng rộng rãi trong các
toà nhà cao tầng, cơ quan, khách sạn... Thang máy đã giúp cho con người
tiết kiệm được thời gian và sức lực...
ở Việt Nam từ trước tới nay thang máy chỉ chủ yếu được sử dụng trong
công nghiệp để trở hàng và ít được phổ biến. Nhưng trong giai đoạn hiện
nay nền kinh tế nước ta đang có những bước phát triển mạnh thì nhu cầu sử
dụng thang máy trong mọi lĩnh vực ngày càng tăng lên.
Có thể phân loại thang máy như sau:
1.Phân loại theo chức năng:
a.Thang máy chở người:
Gia tốc cho phép được quy định theo cảm giác của hành khách: a ≤ 1,5
m/g
2
+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 ưu về độ
êm khi dịch chuyển, thời gian dịch chuyển, tính ưu tiên đúng theo các yêu
cầu của bệnh viện...
+Trong các hầm mỏ, xí nghiệp: đáp ứng được các điều kiện làm việc

nặng nề trong công nghiệp như tác động của môi trường làm việc: độ ẩm,
nhiệt độ; thời gian làm việc, sự ăn mòn...
b.Thang máy chở hàng:
Được 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 được 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 ÷ 1,5 m/s
Thang máy tốc độ cao: V = 2,5 ÷ 5 m/s
3.Phân loại theo tải trọng:
Thang máy loại nhỏ: Q
Tm
< 160 KG
Thang máy loại trung bình: Q
Tm
= 500 ÷ 2000 KG
Thang máy loại lớn: Q
Tm
> 2000 KG
II.ĐẶC ĐIỂM PHỤ TẢI CỦA THANG MÁY VÀ CÁC YÊU CẦU
TRUYỀN ĐỘNG CHO THANG MÁY:
2
 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 người, nên đòi hỏi cao về độ chính xác
khi dừng máy: Khi G

tải trọng
= 2,5 G
đm
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 được để cho người trên thang có cảm giác
bị giật).
Biểu đồ phụ tải thang máy



CHƯƠNG II : PHÂN TÍCH - LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
3
s,v
O
v,m/s
a
a
t
v
s
a
mo may c.d on dinh
ham xuong
toc do thap
a,
a,m/s
,m/s
Vmin

s : vi tri
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).
Như vậy, để thực hiện được truyền động trong thang máy chúng ta phải có
2 phương án chính sau :
+ Dùng hệ truyền động chỉnh lưu - 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 ưu nhược điểm hai loại hệ truyền
động này để từ đó chọn ra 1 phương án truyền động phù hợp nhất dùng
trong thang máy.
II.1. Hệ Truyền Động Chỉnh Lưu - Triristo có đảo chiều quay.
Hệ Truyền Động T-Đ có đảo chiều quay được 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.
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)
4
Hình 1
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. Hệ này có ưu điểm là dùng cho mọi dải công suất, có tần số đảo
chiều lớn

Sơ đồ 4 : Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song ngược điều
khiển chung .Loại này dùng cho mọi dải công suất vừa và lớn, thực hiện
được công việc đảo chiều êm hơn.
5
Hình 2
Hình 3
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 thước cồng kềnh, vốn đầu tư và tổn thất lớn.(Hình-5)
6
Hình 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, như vậy khi điều khiển sẽ tồn tại một thời gian
gián đoạn, sơ đồ 1,2,3 được 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 dương. Sau khoảng thời gian này thì
phát xung α
2
mở bộ biến đổi 2 đổi chiều dòng phần ứng động cơ được hãm
tái sinh.
Hệ truyền động có van đảo chiều điều khiển riêng có ưu 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 không .

b.Điều khiển chung :
Nguyên tắc : Tại một thời điểm thì cả hai bộ biến đổi BĐ1 và BĐ2 đều
nhận được xung mở nhưng chỉ có một bộ biến đổi cấp dòng cho nghịch lưu
còn bộ biến đổi kia làm việc ở chế độ đợi. Sơ đồ 4, 5 thực hiện theo nguyên
tắc này.Trong phương pháp điều khiển chung mặc dù đảm bảo E
d2

=E
d1
 tức là không xuất hiện giá trị dòng cân bằng song giá trị tức thời
của suất điện động của các bộ chỉnh lưu là e
d1
(t) và e
d2
(t) luôn khác nhau
do đó vẫn xuất hiện thành phần xoay chiều của dòng điện cân bằng và để
hạn chế dòn.
II.2 Phương pháp biến đổi tần số
Phương pháp này điều chỉnh tốc độ động cơ dựa trên nguyên tắc điều
chỉnh tần số f
1
sang tần số f
2

Khi điều chỉnh tần số động cơ KĐB thường kéo theo cả việc điều chỉnh
điện áp, dòng điện hoặc cả từ thông mạch stato.
Do vậy đây là một phương 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

f
1
f
2


7
Mạch van
Hình 6
Điện áp vào xoay chiều U
1
(tần số f
1
) qua một mạch van là ra ngay tải
với tần số f
2
. Bộ biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lượng cao tuy
nhiên thực tế sơ đồ mạch van khá phức tạp, có số lượng van lớn nhất với
mạch 3 pha. Việc thay đổi tần số ra f
2
khó khăn và phụ thuộc nhiều vào tần
số f
1
* Biến tần gián tiếp : Có cấu trúc như sau :
(xoay chiều) (một chiều) (xoay chiều)

U
1
U U U
2

f
1
f
2
Điện áp xoay chiều được biến thành một chiều nhờ bộ chỉnh lưu, qua bộ
lọc rồi được biến đổi thành U
2
với tần số f
2
sau khi qua bộ nghịch lưu độc
lập.
Hiệu suất biến tần loại này thấp song cho phép thay đổi dễ dàng f
2
mà
không phụ thuộc f
1

 Kết Luận : Qua phân tích hai loại hệ truyền động trên em chọn phương
án dùng loại Hệ Truyền Động Chỉnh Lưu 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 lượng 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 ưu 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 lưu Tiristo - Động cơ có đảo chiều quay
sẽ đạt được đồ thị tốc độ tối ưu (đối với loại truyền động xoay chiều thì
chỉ đạt được dạng đồ thị gần giống mà thôi ).
Như vậy, loại động cơ sử dụng trong hệ truyền động là loại động cơ một
chiều điện cân bằng này thường dùng các cuộn kháng cân bằng L
cb
8
Hình 7
Chỉnh
lưu
Lọc
cc
Nghịch
lưu
độc lập
CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN
TRONG SƠ ĐỒ TRUYỀN ĐỘNG
III.1. Xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác của thang máy
Chọn số tầng m
t
= 8 (8 tầng ) nên theo hình 3-3 Sách Trang Bị Điện
Tử dùng Cho Máy Công Nghiệp thì số lần dừng theo xác xuất là m
d
= 6
lần với 12 người trong buồng thang (E = 12)
Như vậy số trọng lượng cho mỗi lần dừng là : 700 : 6 = 116,67 kg/1
lần dừng. Do có 6 lần dừng thì quá trình dừng sẽ diễn ra như sau :
+ Từ tầng 1 đến tầng 3 .

+ Từ tầng 3 đến tầng 4 .
+ Từ tầng 4 đến tầng 5 .
+ Từ tầng 5 đến tầng 6 .
+ Từ tầng 6 đến tầng 7 .
+ Từ tầng 7 đến tầng 8 .
Trọng lượng buồng thang : G
bt
=
900 kg
G
đm
=
700 kg
- Công suất tĩnh của động cơ khi nâng tải không dùng đối trọng :

( )
η
3
10...
−
+
=
gvGG
kP
bt
c

g m s
=
9 81

2
, /

kwP
c
1,47
8,0
10.8,9.2.1600
2,1
3
==⇒
−
- Khối lượng của đối trọng G
đt
= G
bt
+ α . G ;
α = 0,3 ÷ 0,5
chọn α = 0,4.
⇒ G
đt
= 900 + 0,4 . 700 = 1180 (kg)
- Công suất tĩnh của động cơ khi nâng tải có dùng đối trọng :
9

( )
P G G G k v g
cn bt dt
= + −







−
. . . . . .
1
10
3
η
η
k : hệ số tính đến ma sát giữa thanh dẫn hướng và đối trọng .
k = 1,15 ÷ 1,3 . Ta chọn k = 1,2 .

( )
kwP
cn
86,2410.8,9..2,1.2.8,0.1180
8,0
1
.700900
3
=







−+=
−

- Công suất tĩnh của động cơ khi hạ tải có dùng đối trọng :

( )
P G G G k v g
ch bt dt
= + +






−
. . . . . .
η
η
1
10
3
⇒ P
ch
= 64,86 kw ;
Xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác cho thang máy :
Số tầng m
t
= 8 (8 tầng ) , số lần dừng theo xác xuất là m
d

= 6 lần với 12
người trong buồng thang (E = 12)
III.2. Tính hệ số đóng điện tương đối
Xét khoảng thời gian 0 -> t
1
ρ =
t
vd
d
2
1
2
->
a
v
ct
dt
d
1
1
.
=+=
ρ
Giả sử tại gốc toạ độ v
0
= 0, a
0
= 0, t
0
= 0

a
1
= ρt
1
-> t
1
=
1,0
15
5,1
=
(s)
Chọn ρ = 15 (m/s
3
)
v
1
= ρ
2
2
1
t
-> v
1
= 0,075(m/s)
s
1
=
3
15

3
1,0
3
3
1
=
t
ρ
= 0,005 (m)
Xét đoạn thời gian t
2
-> t
3
Tại t
3
thì a
3
=0, do đó ta có
ct
dt
dv
d
v
t
d
+−=→−=
.
2
2
ρρ

vậy a
3
= -ρ(t
3
– t
2
) +a
2
a
2
= ρ.( t
3
– t
2
) -> t
3
– t
2
= 0,1 (s)
10
v
3
– v
2
= -ρ
( )
+
−
2
23

2
tt
a
2
.(t
3
– t
2
) -> v
2
=v
3
+ρ
( )
2
23
2
tt
−
- a
2
(t
3
– t
2
)
= 2 +15.
2
1,0
2

- 1,5. 0,1
=1,925 (m/s)
s
3
- s
2
= -ρ
( ) ( )
2
23
6
23
2
2
3
tt
a
tt
−−
+
+ v
2
.(t
3
– t
2
)
0,198 (m)
Xét t
1

-> t
2
t
2
– t
1
=
5,1
075,0.925,1
12
=
−
a
vv
=1,23 (s)
s
2
– s
1
= a
( )
2
12
2
tt
−
+v
1
.(t
2

– t
1
)
= 1,23 (m)
Thời gian khởi động t
kđ
= 0,1+1,23 +0,1 = 1,43 (s)
Giả sử thời gian khởi động bằng thời gian hãm -> t
kđ
= t
h

Giả sử thời gian hãm dừng 0,14 (s), quãng đường đi được 0,07 (m)
Quãng đường khởi động và hãm là như nhau:
S
kđ
= S
h
= 1,23 + 0,198 + 0,005
= 1,43 (m)
Thời gian chạy ổn định tính từ tầng 3 trở lên là:
t
ođ1
=
535,0
2
07,02.43,14
=
−−
(s)

Thời gian chạy ổn định tính từ tầng 1 đến tầng 3 là:
t
ođ2
=
2
07,02.43,12.4
−−
= 2,535 (s)
Tổng thời gian làm việc khi nâng tải là t
lvn
= 2,535 + 5. 0,535 + 2.1,43.6
= 22,37 (s)
Tổng thời gian làm việc khi nâng tải bằng tổng thời gian hạ tải là t
lvn
=t
lvh
11
Giả sử cửa rộng dưới 1000(m m), mở tự động mỗi lần đóng hay mở cần
1(s)
thời gian đóng và mở cửa là t
n1
=6.(1+1).2 = 24 (s)
Thang máy chở 12 người, mỗi tầng có 6 người vào và 6 người ra khi ta tính
từ tầng 3 -> tầng 7. Vậy thời gian nghỉ t
n2
= 5.12.2 = 120 (s)
Riêng tầng 1 và tầng 8 thì 12 người ra hết và 12 người vào nên thời gian
nghỉ t
n3
= 24.2 = 48(s)

Khoảng thời gian chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo t
’
= 0,26 (s)
Chu kỳ làm việc của thang máy T
ck
= 2.22,37 + 24+ 120 +48 + 0,26
= 237 (s)
Hệ số đóng điện tương đối %ε =
%9,18%100
237
37,22.2
%100.
1
==
∑
=
T
t
ck
n
i
lv
III.3.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).
12
Hình 2
H
D

F
1
F
2
Puli chủ
động
Puli bị
động
Dây cáp
Cabin
Đối
trọng
a.Xác định phụ tải tĩnh:
Phụ tải tĩnh là phu tải do trọng lượng Cabin, trọng lượng tải trọng, trọng
lượng đối trọng, và trọng lượng của cáp, gây nên ở trạng thái 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:
F
1
= [G
0
+ G + g
c
(H - h
cb
)]g (N)
F
2
= [G
đt

+ g
c
(H - h
đt
)]g (N)
⇒ Lực tổng tác động lên puli chủ động khi nâng và hạ tải (lực gây mômen
quay) :
F
n
= F
1
- F
2
= (G
0
+ G -G
đt
)g + g
c
(h
đt
- h
cb
)g (N )
F
h
= F
2
- F
1

= (G
đt
- G
0
- G)g + g
c
(h
cb
- h
đt
)g (N)
Trong đó :
G
0
: khối lượng Cabin (kg)
G : khối lượng tải trọng (kg)
G
đt
: khối lượng đối trọng (kg)
g
c
: khối lượng một đơn vị dài dây cáp (kg/m)
h
đt
và h
cb
: chiều cao đối trọng và Cabin (m)
g : gia tốc trọng trường (m/s
2
)

Để đơn giản, giả sử rằng h
đt
= h
cb
. Thay vào trên ta được:
F
n
= (G
0
+ G - G
đt
)g (N)
F
h
= (G
đt
- G
0
- G)g (N)
Mục đích của đối trọng là giảm phụ tải của cơ cấu, do đó giảm được công
suất động cơ truyền động. Điều kiện chọn đối trọng là tạo ra phụ tải tĩnh
của động cơ nhỏ nhất. Trọng lượng đối trọng được chọn theo công thức:
G
đt
= G
0
+ αG
đm
Trong đó: G
đm

là tải định mức.
Với thang máy chở người thì α = 0,35 ÷ 0,4.
Chọn α = 0,4.
Thay vào (1) ta được:
F
n
= (G - αG
đm
)g (N) (2)
F
h
= (αG
đm
- G)g (N) (3)
13
(1)
Khi tính toán công suất động cơ, ta xét động cơ luôn làm việc với tải định
mức. Tức là G = G
đm
. Thay vào (2) và (3):
F
n
= (G
đm
- αG
đm
)g (N) ⇒ F
n
> 0
F

h
= (αG
đm
- G
đm
)g (N) ⇒ F
h
< 0
Như vậy, để cho thang máy chạy đều với vận tốc V thì công suất trên trục
động cơ khi thang lên, xuống là:
P
n
=
F
n
V
c
1000
η
=
( )G G gV
dm dm
c
−
α
η
1000
(N.m) (4)
P
h

=
F
h
V
c
1000
η
=
( )
α
η
G G gV
dm dm
c
−
1000
(N.m) (5)
Trong đó:
P
n
ứng với trường hợp máy điện làm việc ở chế độ động cơ (nâng
tải).
P
h
ứng với trường hợp máy điện làm việc ở chế độ máy phát (hạ tải).
D : đường kính puli (m).
V(m/s) là tốc độ của thang.
η
c
: hiệu suất của cơ cấu.

Thay số liệu vào (4) và (5) ta được:
P
n
=
8,0.1000
2.81,9)700.4,0700(
−
≈ 10,03 (KW)
M
n
=
( )
81,9
9,0.8,0.30
2,0.700.4,0700
−
= 38,15 Nm
P
h
=
8,0
1000
2.81,9)700700.4,0(
×
−
≈ 6,6(KW)
M
h
=
( )

8,0.2,0.81,9.
9,0.30
700700.4,0
−
= 24,42 Nm
Công suất đẳng trị của động cơ:
14